Electricity: Phase, Neutral, and Ground

I was not graduated from electrical engineering department and also I did not act as an electrical (power) engineer during my 7 years working experience. Anyhow dealing with power equipment interface and also little bit lighting issues currently made me aware there was something lost in my basic understanding on electricity.

1. Suatu equipment skid memerlukan power dengan plug 5-pin 3-phase 415 Volt. Ketika mau dicolokkan ternyata sourcenya yang ada di lapangan adalah 4-pin 3-phase 415 volt. Tak cocok jadinya. Nah, dari dasar mana cara berfikir untuk resolve masalah tersebut?

2. I just realize that a circuit of lighting is 3-phase 415 Volt sampai junction box, sedangkan lightingnya sendiri adalah 1-phase 240 volt. Heran saya. Tapi untung saya tidak sempat bertanya di mana penurun tegangannya dari 415 volt ke 240 volt. Setelah membahas point 1 di atas, saya jadi agak sedikit ngerti tentang 3-phase dan 1-phase. Kawan saya bilang “ada rumusnya yang pakai akar itu untuk mendapatkan 1-phase 240 Volt”. Uppsss…please stay away ‘rumus’ from my mind, unless no other way to understand it without you.

Kasus pertama pada electrical socket dengan plug 5 pins terdiri atas 3-phase+N+E (komplit 5). Pin ini memiliki tegangan phase to phasenya adalah 415 Volt, sedangkan phase to netralnya adalah 240 Volt. Sehingga dengan plug 5-pin ini equipment skid bisa mendapatkan dua macam tegangan. Kok bisa?

Untuk memahami listrik 3-phase, ternyata kita harus kembali ke teori pembangkitan listrik 1-phase dimana lilitan kumparan diputar memotong medan magnet. Electricity dan magnetism seperti dua pasang kekasih yang saling mencintai. Efek putar kumparan berpotongan terhadap medan magnit menyebabkan voltage dihasilkan membentuk gelombang ‘SINUSOIDAL’. Pertanyaan nakal: Kalau medan magnet yang digunakan memanjang di samping Rel Kereta Api dari Jakarta-Surabaya sedangkan kumparannya dipotongkan medan magnet diatasnya dari Jakarta-Surabaya, apakah voltage yang dihasilkan membentuk sinusoidal karena tidak ada putaran? Menurut saya tidak (bahkan kok saya justru meragukan listrik bisa timbul. Karena listrik timbul karena perubahan fluks magnet (delta fluks) yang menerpa lilitan). Menurut anda bagaimana?. Biar tidak terlalu dalam ke ilmu delta ini per delta itu maka kembali ke laptop dulu deh.

Tetapi karena generator di dunia ini menggunakan putaran untuk memotong medan magnet maka gelombang sinusoidal akan menjadi dasar evaluasi langkah berikutnya.

Single Phase Electrical Wave Form:

Electricity yang dibangkitkan membentuk gelombang sinusoidal. Kadang voltage penuh dan kadang nol. Seperti listrik di rumah kita yang tegangannya berkedip dengan frekuensi 50 Hz. 50 kali membentuk gelombang sempurna dalam satu detik sehingga sangat cepat dan tidak terdeteksi oleh mata. Untuk menghasilkan electricity yang lebih stabil (tak pernah 0) dengan voltage yang lebih tinggi maka dibuat listrik 3-phase.

3-Phase Electrical Wave Form:

Listrik 3-phase merupakan gabungan dari 3 gelombang listrik satu phase dengan jarak antar phase 120 degree. Sehingga resultan voltage listriknya setiap titik tidak pernah menyentuh 0. Pada setiap saat jarak amplitudo antar phase adalah akar tiga kali dari amplitudo satu fasa. Dari mana Akar Tiga berasal? Ia bukan konstanta yang didapat dari percobaan dan dihafalin.

Bayangkan gambar di atas adalah kumparan dengan sisi yang berjarak 120 deg dan berputar. Masing-masing meninmbukan voltage gelombang sinusoidal. Berapa amplitudo yang dihasilkan masing-masing phase? Adalah jarak dari Phase 1 ke N, Jarak dari Phase 2 ke N, dan Jarak dari Phase 3 ke N. Jarak ini disebut sebagai listrik satu phase.

Bagaimana dengan Listrik 3-phase? Adalah tegangan dari phase ke phase yang warna hijau. Gunakan aturan sinus. Perhatikan segitiga yang terbentuk Phase 1 – N – Phase 2.

• (Amplitudo Phase 1 – N) / (Sin 30) = (Amplitude Phase 1 ke Amplitudo Phase 2)/(Sin 120)
• Amplitudo Phase 1 ke Phase 2 = (Amplitudo phase 1 – N) x Akar 3
• Listrik 3 Phase = Listrik 1 Phase x Akar 3

Jadi kalau tegangan yang ditimbulkan antara Phase 1 – Neutral = 220 Volt, maka:

• Tegangan 3 Phase = 220 Volt x Akar 3 = 380 Volt.

Jadi kalau tegangan yang ditimbulkan antara Phase 1- Neutral = 240 Volt, maka:

• Tegangan 3 Phase = 240 Volt x Akar 3 = 415 Volt

Pertanyaan nakal: Gimana kalau dibikin 4-phase, 5-phase, 6 phase? Perbedaan fasanya berapa degree? Nah lho pikir-pikir lagi, karena belum pernah dengar. Mungkin listrik yang dihasilkan tidak seoptimal listrik 3-phase dengan jarak antar phasa 120 derajat.

Keluaran dari alat penghasil listrik dengan 3-konduktor disambung dengan rangkaian Delta (3-wire) atau dengan rangkaian star (4-wire). Delta + Ground jadi 4-wire (artinya 4-pin) sedangkan Star + Ground jadi 5-wire (artinya 5-pin). Nah sepertinya hal ini adalah pangkal persoalan saya nomer 1.

• Rangkaian Delta : L1,L2,L3 + Ground

• Rangkaian Star : L1,L2,L3 + Netral + Ground

Kembali ke kasus pertama bahwa equipment yang datang JB-nya menyediakan power untuk rangkaian star 3-phase + Netral + ground. Sedangkan source yang ada di lapangan adalah rangkaian delta 3-phase + ground. Kenapa equipment menggunakan rangkaian star yang ada netralnya? Karena equipment membutuhkan supply 3-phase 415 Volt dan juga membutuhkan supply 1-phase 240 volt, caranya dengan mengambil tegangan salah satu phase L1 dengan Netral. Nah karena supply lapangan tidak ada netral maka power yang bisa diambil oleh equipment hanya 415 Volt 3-phase + ground. Maka equipment JB harus diadjust dengan ditambah transformer untuk memenuhi kebutuhan 1-phase 240 volt. Andai source power di lapangan 3-phase+Netral+ground maka tidak memerlukan transformer.

Persoalan saya yang nomer-2 adalah lighting sirkuit 3-phase yang mana lampunya sendiri adalah 1-phase. Karena sedang menghadapi persoalan nomer 1 maka saya cepat menyimpulkan bahwa power dari main sirkuitnya adalah rangkaian star: L1,L2,L3 + Netral + Ground dengan tegangan Phase to Phase 415 Volt. Untuk menyalakan lampu yang 1-phase tinggal konek L1-N, atau L2-N, atau L3-N untuk mendapatkan 240Volt 1 phase. Ground ketemu ground tentunya. Karena ground tidak ikut dalam sirkuit.

415 V = 1.732 x 240 V

Nova Kurniawan