## OPTIMASI NILAI SETELAN EFEKTIF RELE TERMAL SEBAGAI PENGAMAN MOTOR LISTRIK TERHADAP BEBAN LEBIH
Oleh : Lukas Joko D.
Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. Sudarto, SH, Tembalang, Semarang 50275

## Abstrak
Motor listrik banyak digunakan diberbagai sektor sebagai penggerak mesin-mesin, baik sektor industri, komersial  sampai  rumah  tangga.  Ketika  motor  listrik  memutar  beban  mekanik,  terutama  untuk  beban mekanik  yang  berubah-ubah  atau  tidak  tetap  sehingga  memungkinkan  sekali  ia  akan  memutar  beban melebihi  kapasitasnya.Dengan  demikian,  motor  listrik  terjadi  beban  lebih  atau  over  load.  Keadaan  ini jika  berlangsung  lama  akan  merusak  belitan  motor  atau  belitan  motor  dapat  terbakar,  karena  pada keadaan  ini  ia  akan  meyerap  arus  jala-jala  yang  melebihi  kemampuan  hantar  arus  belitannya.  Dalam kasus  ini,  penting  sekali  motor  harus  diamankan  terhadap  arus  akibat  beban  lebih.  Pengaman  arus beban  lebih  pada  motor  yang  biasa  digunakan  sebagian  besar  adalah  rele  yang  bekerja  secara  termal dengan penundaan waktu. Namun untuk penyetelan rele ini  tidak ada cara penyetelan yang akurat. Oleh karena  itu,  perlu  dilakukan  penelitian  waktu  pemutusan  rele  beban  lebih,  sehingga  dapat  digunakan sebagai acuan setelan rele beban lebih termal. Dengan demikian, dapat diketahui nilai setelan optimum untuk rele termal sebagai pengaman motor terhadap beban lebih.
Kata kunci : motor beban lebih, rele beban lebih termal, setelan optimum rele beban lebih termal.

## 1. Pendahuluan
Sebagian besar mesin-mesin yang digunakan  di  sektor  industri  maupun  di sektor  lain  sebagai  penggeraknya  ( prime mover )  adalah  motor  listrik.  Seperti  halnya pada  manusia,  adakalanya  manusia  ketika mengangkat barang terasa ringan, berat dan sangat  berat,  demikian  pula  pada  motor listrik  sebagai  penggerak  beban  mekanik, terutama  pada  pembebanan  yang  berubah- ubah.  Hanya  saja,  motor  listrik  ketika memutar  atau  mengangkat  beban  mekanik yang  berat  melebihi  kapasitasnya  ia  tidak dapat sambat .  Pada  keadaan  ini,  motor listrik terjadi beban lebih atau over load .
Perlu  diketahui,  bahwa  ketika  motor  listrik memutar  beban  mekanik  ia  menyerap  arus listrik dari jala-jala penyulang tenaga listrik. Sehingga,  apabila  motor  listrik  ini  terjadi beban  lebih  maka  arus  yang  mengalir  pada belitan  motor  juga  berlebih.  Jika  arus  lebih yang  mengalir  pada  belitan  motor  sangat besar dan melebihi kemampuan hantar arus pada  belitannya  serta  berlangsung  cukup lama,  maka  pada  belitan  motor  akan  panas dan  isolasinya  dapat  terbakar  sehingga motor  menjadi  rusak.  Bagi  produsen,  jika terjadi kasus ini maka akan merugikan bagi perusahaannya,  karena  diperlukan  biaya perbaikan  motor  selain  itu  juga  diperlukan
waktu  dalam  perbaikan,  sehinga  akan menghambat  proses  produksi,  hal  ini  akan berdampak  pada  target  produksi  atau  targe produksinya tidak tercapai. Oleh karena itu, motor  listrik  harus  diamankan  terhadap beban  lebih.  Peralatan  pengaman  beban lebih  ketika  motor  jalan  yang  banyak digunakan adalah thermally-delayed overload  relay yang  disingkat  TOR  atau juga  dikenal  dengan  nama  rele  beban  lebih thermal dengan bahan utama bimetal.
Bertolak dari keterangan di atas, maka perlu dilakukan penelitian secara teknis pada rele beban  lebih  termal  seperti  tersebut  di  atas. Penelitian  ini  dilakukan  semata-mata  demi tercapainya Keselamatan Kerja pada peralatan permesinan  yang digerakkan oleh motor listrik.
Motor listrik adalah salah satu mesin listrik yang  berfungsi  sebagai  penggerak  mekanik mesin-mesin  di  permesinan  industri  dan sebagainya.  Ada  dua  bagian  utama  pada motor  listrik,  yaitu  rotor  yang  berputar untuk  menggerakkan  beban  mekanik  dan stator  yang  dihubungkan  pada  jala-jala listrik.  Secara  fisik  bagian  stator  ini  adalah berupa  penghantar  listrik  yang  berisolasi yang  di  belitkan  pada  rumah  stator,  jadi
belitan  stator  ini  mempunyai  kemampuan hantar  arus  sesuai  dengan  rancangan dayanya.    Nilai  arus  listrik  yang  mengalir pada  belitan  stator  proporsional  dengan beban mekanik yang diputar oleh rotor. Jika beban  mekanik  yang  diputar  oleh  rotor besar,  maka  arus  jala-jala  I line yang mengalir  ke  stator  juga  besar.  Selain  itu, bahan isolasi penghantar pada belitan motor listrik sifat isolasinya cenderung dipengaruhi  oleh  panas  terlebih  pada  saat penghantar  dialiri  arus  listrik.  Dalam  PUIL 2000  ps.  9.12.2  [3],  jika  pemanasan  ini berlebih  dan  bertahan  lama,  maka  akan terjadi  reaksi  kimia  yang  mengakibatkan sifat  isolasinya  berubah,  dan  bahkan  dapat rusak.  Apabila  terjadi  kerusakan  isolasi, maka  resiko  gangguan  tinggi  dan  sangat berbahaya.
Hal  ini senada dengan  yang dikatakan oleh Kissel  (1990),  kerusakan  isolasi  ini  dapat mengakibatkan  terjadinya  hubung  singkat pada  titik  kerusakan,  dan  ini  sangat berbahaya, dapat saja terjadi ledakan hebat. Sehingga belitan stator ini harus diamankan terhadap  arus  yang  berlebihan  agar  motor listrik  tidak  rusak  ketika  ia  memutar  beban mekanik.
Pada  dasarnya,  penghantar  pada  belitan motor  listrik  mempunyai  kemampuan hantar  arus    atau  KHA.  Jika  arus  yang mengalir  padanya  melebihi  KHA-nya akibat  beban  lebih  motor,  maka  pada penghantar tersebut akan terjadi panas yang berlebih pula. Panas  yang berlebih ini akan merusakkan  bahan  isolasi  penghantar. Apabila isolasi penghantar rusak atau dalam istilah  teknik  terjadi  kegagalan  isolasi, maka  akan  menyebabkan  hubung  singkat. Hubung  singkat  ini  akan  mengakitkan  arus yang  sangat  besar  dan  mengakibatkan fenomena  busur  listrik  ( arc )  yang  besar, bahkan  dapat  terjadi  ledakan  hebat.  Jika  di sekitar  mesin  ada  bahan  yang  mudah terbakar, maka tidak menutup kemungkinan terjadi kebakaran.
Menurut Wildi (1985), bahwa belitan motor listrik  akan  mulai  rusak  ( breakdown )  pada
beban  lebih  sekitar  125%  dari  rating nominalnya.  Sementara  rele  beban  lebih thermal untuk dapat memutuskan rangkaian diperlukan  penundaan  waktu.  Siemens (1986), salah satu pabrikan peralatan listrik, salah  satu  produk  rele  thermal  adalah dengan  3  kutub  elemen  thermal,  ia  akan tripping dalam  waktu  10  menit  dengan arus  sekitar  1,20  x  I e ( rating  current )  dan dalam waktu 50 menit dengan arus  1,05 x I e ( rating  current -setelan  arus).  Dan  mulai tripping dalam  order  detik  pada  setelan  2,25 x I e dengan waktu triping 50 detik.
Sedangkan  pada  PUIL  2000  pasal  5.5.4.3 (2000)  dikatakan,  bahwa  setelan  alat  ini tidak  boleh  lebih  tinggi  dari  yang diperlukan  untuk  pengasutan  motor  pada beban  penuh,  dan  waktu  tunda  perangkat proteksi  ini  tidak  boleh  lebih  lama  dari waktu  yang  diperlukan.  Jadi,  agar  motor listrik  tidak  rusak,  maka  alat  pengaman beban  lebih  thermal  sebaiknya  disetel  pada arus yang diperlukan motor.
Karena  tidak  ada  acuan  yang  tepat  untuk setelan  rele  beban  lebih  ini  dan  belum  ada penelitian  tentang  besar  arus  lebih  dan lamanya waktu mengalir yang dapat meng- akibatkan  motor  rusak  atau terbakar,  maka pada penelitian ini akan dicari karakteristik nyata  hubungan  antara  nilai  arus  yang mengalir dengan waktu penundaan pemutusan. Dengan demikian dapat ditentukan optimasi nilai setelan efektif rele thermal.
Sedangkan  rele  termal  yang  banyak digunakan adalah dari bahan logam bimetal, logam-logam  pada  bimetal  ini  mempunyai koefisien  muai  yang  berbeda.  Selain  itu, rele  ini  mempunyai  kontak-kontak  listrik yang dioperasikan oleh mekanisme perangkat  yang  digerakkan  oleh  akibat pemuaian  logam  bimetal  tadi.  Jika  bimetal ini  dipanasi  oleh  sebab  aliran  arus  listrik yang  lebih,  maka  ia  akan  memuai.  Karena koefisien  muai  logam  pada  bimetal  ini berbeda, maka akibat pemuaian tadi bentuk bimetal  akan  melengkung,  mekanisme
proses  bimetal  ini  dimanfaatkan  oleh penggerak  mekanik  untuk  pengoperasian kontak-kontak listriknya.
Proses  pelengkungan  bimetal  ini  hingga terjadinya  pengoperasian  kontak-kontak listrik  membutuhkan  waktu,  tidak  seketika. Jadi dengan kata lain, proses pengoperasian kontak-kontak  tadi  mengalami  penundaan waktu,  sehingga  rele  ini  dikenal  dengan istilah thermally-delayed  relay atau  rele tertunda  secara  thermal.  Karena  perangkat ini  digunakan  untuk  memproteksi  motor listrik  terhadap  beban  lebih,  maka  ia  lebih dikenal  dengan  istilah thermal  overload relay (TOLR).

## 2. Metode Penelitian
Metode  penelitian  yang  dilakukan  terdiri atas bahan, alat, cara penelitian dan analisis hasil.

## 2.1 Bahan Penelitian
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian sebagai  variabel  bebas  yang  adalah  salah satu  produk  rele  termal  yang  ada  di  pasar bebas  dan  arus  yang  mengalir.  Sedangkan variabel  tak  bebasnya  adalah  setelan  rating arus  rele  termal.  Bahannya  adalah  sebagai berikut.
Nama bahan :  Termal overload relay
TOLR Merek :  Telemecanique Tipe :  LRD 05 Range :  0,63 – 1,0 A dengan tiga kutub elemen termal.
Pada penelitian ini, TOLR disetel pada range 0,63 A sebagai variable tetap.
Pelaksanaaan penelitian  dilaksanakan  di Laboratorium Teknik Listrik Polines.

## 2.2 Alat Penelitian
Alat-alat  utama  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  kontaktor  3  kutup, kontak  tekan,  lampu  tanda  5  W/220  Vac, tahanan  geser    320Ω/1,5  A/220  Vac  merek Hochstbelastung  dan  multi  meter  ELAVI 15  serta  alat-alat  bantu  seperti lead  wire ,
pengukur  waktu  ( stopwacth ),  penyulang listrik 220 Vac, alat tulis kantor.

## 2.3 Cara Penelitian
Cara  penelitian  ialah  dengan  pengukuran besaran  listrik  khususnya  arus  listrik  yang mengalir  pada  TOLR.  Pemasangan  alat ukur dan bahan penelitian ditunjukkan pada Gambar  1,  sedangkan  algoritma  proses penelitian ditunjukkan seperti Gambar 2.
Dari  hasil  metode  penelitian  di  atas,  dapat dianalisis dan diketahui karakteristik sebuah  rele  beban  lebih  thermal  yang sebenarnya. Dengan demikian dapat memberikan kontribusi seperti telah dikemukakan di atas.
A L 1 220 Vac N R H K 1 F 1 K 1 K 1 F 1 F 1
Gambar 1. Diagram rangkaian pengukuran
3 Hasil Penelitian dan Pembahasan

## 3.1  Hasil Penelitian
Hasil  pengujian  dari  penelitian  ditunjukkan pada tabel 1 berikut.
Gambar 2. Algoritma proses penelitian
Tabel 1. Hasil pengukuran pengujian Nilai setting TOLR Prosentasi terhadap arus setting Nilai arus operasi Waktu operasi pemutusan Ket. (A) (%) (A) menit detik 0.63 110 0,70 20’ 15’’ 120 0,75 10’ 15’’ 125 0,82 07’ 30” 150 0,95 02’ 31” 200 1,26 01’ 5,30” 250 1,58 00’ 40” 300 1,90 00’ 30” 400 2,52 00’ 18” 500 3,15 00’ 12” 600 3,78 00’ 9”
Dari  data  pengujian  di  atas,  maka  dapat digambar  kurva  karakteristik  TOLR  seperti pada Gambar 3 berikut.

## Gambar 3 Kurva karakteristik pemutusan TOLR berdasarkan hasil pengujian

## 3.2 Pembahasan Hasil Penelitian
Seperti dijelaskan di muka, bahwa tidak ada acuan  yang  tepat  untuk  nilai  setelan  rele termal  sebagai  proteksi  motor  listrik terhadap beban lebih. Demikian pula belum ada  ketepatan  kemampuan  isolasi  motor listrik  untuk  menahan  panas  akibat  nilai arus  lebih  yang  mengalir  padanya.  Namun dari  seperti  yang  tersiarat  pada  literatur yaitu dari salah satu produk peralatan listrik Siemen [4], untuk 3 kutub elemen termal, ia
1 2 5 10 2 5 10 20 50 1 2 5 10 20 50 120 Nilai arus operasi terhadap arus setting Ie W ak tu o pe ra si p em ut us an de tik m en it Kurva biru dari hasil pengujian/penelitian Kurva orange dari data literatur Apakah hasil pengukuran pada zona normal - Evaluasi - Kesimpulan - Saran-saran Selesai Tidak Ya Mulai Pengukuran karakteristik TOR dengan berbagai pembebanan Inventarisasi permasalahan Pengumpulan Data dan rekapitulasi Analisis Data Pemilihan obyek komponen ukur Obyek pengukuran komponen berupa TOR dengan tiga elemen termal Penggantian komponen obyek ukur
akan  mulai  tampak tripping dalam  waktu 50  menit  dengan  arus  1,05  x  I e ( rating current -setelan  arus).  Dan  mulai tripping dalam  order  detik  pada  setelan  2,25  x  I e dengan waktu triping 50 detik.
Dari  hasil  pengujian  yang  tersirat  pada Tabel 1 dan juga dari kurva karakteristiknya yang  ditunjukkan  pada  Gambar  3  di  atas, rele termal mulai dapat terukur atau diamati waktu  pemutusannya  adalah  pada  110% atau  1,1  kali  terhadap  arus setting atau setelannya,  yaitu  dalam  waktu  20  menit  15 detik. Jika diperhatikan pada kurva pemutusan  yang  ditunjukkan  pada  Gambar 3  di  atas,  bahwa  antara  hasil  pengujian dengan  informasi  yang  ditunjukkan  di dalam  literatur  tidak  ada  perbedaan  yang signifikan. Jadi informasi yang disampaikan  oleh  pabrikan  di  dalam katalognya  benar  adanya,  sehingga  data teknis  yang  dikeluarkan  pabrik  dapat dipertanggungjawabkan.
Karena belum diketahui secara pasti berapa besar  dan  berapa  lama  arus  yang  dapat merusakkan  isolasi  belitan  motor,  maka sebaiknya  setelan  rele  termal  yang  optimal adalah  sama  dengan  atau  tertinggi  pada 105%  dari  nilai  rating  arus  nominal  atau nilai  arus  motor  yang  akan  diamankannya. Nilai  setelan  ini  untuk  mengantisipasi  nilai panas  yang  belum  diketahui  dengan  tepat dan  juga  lamanya  waktu  terhadap  panas yang  dimaksud  yang  dapat  merusakkan belitan  motor.  Walaupun  ada  rekomendasi yang  dianjurkan  oleh  produser  untuk  tiga kutub  elemen  termal  sebagai  pengaman beban  simetris  (motor  listrik  termasuk beban  simetris)  arus  pemutus  maksimum adalah 105 hingga 120% kali setelan arus.
Untuk lebih akuratnya setelan alat pengaman  motor  terhadap  beban  lebih, maka  perlu  sekali  diteliti  kemampuan isolasi  belitan  motor  listrik  menahan  panas akibat  beban  lebih  yang  berhubungan besarnya  panas  dan  lamanya waktu pemanasan.
4. Kesimpulan dan Saran

## 4.1  Kesimpulan
Dari hasil penelitian dan pembahasannya di atas dapat disimpulkan sebagai berikut.
a.  Waktu  pemutusan  rele  termal  yang digunakan  sebagai  sampel  tidak  jauh berbeda  dengan  yang  diinformasikan  di dalam katalog pabrikan.
b.  Setelan ideal arus pemutusan rele termal untuk  tiga  elemen  termal  adalah  sama dengan rating arus nominal motor.

## 4.2 Saran–saran
Dari  hasil  penelitian  ini  perlu  disarankan hal-hal sebagai berikut.
a.  Sebaiknya  setelan  rele  termal  jangan lebih  tinggi  dari  105%  terhadap  rating arus nominal motor.
b.  Perlu  dilakukan  penelitian  lanjut  untuk rele termal dengan dua elemen termal.
c.  Perlu  dilakukan  penelitian  tentang kemampuan  kelas-kelas  isolasi  belitan motor listrik.

## DAFTAR PUSTAKA
Kissel,  E.  Thomas, Modern  Industrial/ Electrical  Motor  Controls ,  1990,
Printice Hall, Englewood Cliffs, New
Jersey 07632. Wildi Theodore, Electrical Power Technology , 1985, Sperika Enterprises Ltd, Canada.
YAYASAN  PUIL, Persyaratan  Umum Instalasi  Listrik  2000  (PUIL  2000 ) , Jalan  HR  Rasuna  Said  Kav.  No.  01,
Kuningan, Jakarta 12980. ---------------, Control Devices, Low Voltage  Equipment  Catalog  NS-2 , 1986, Siemens