MCB atau lebih singkat "Circuit Breaker" merupakan alat pemutus yang memiliki perbedaan dengan SWITCH, dimana ia tidak hanya menghubungkan maupun sebagai pemutus Rangkaian ketika mengalirkan sejumlah I (Arus) secara normal. Kemampuan untuk menghubungkan dan sebagai pemutus Rangkaian (Circuit) pada kondisi system Abnormal. Sebagai pemutus maupun penghubung circuit pada kondisi "Berbeban" yang menunjukkan tidak adanya masalah yang nyata selama arus gangguan pada rangkaian MCB yang relatif rendah dgn factor daya yang tinggi. Ketika kondisi rangkaian dalam kondisi abnormal (hubungan singkat) menunjukkan kondisi arus mencapai ratusan ampere disertai faktor daya dibawah 0,1. Sebagaimana kemampuan MCB tersebut pembatas arus lebih guna menghindari timbulnya kerusakan pada peralatan yang dilindungi atau yang berada dalam satu sistem.
Ketika switching arus short circuit, arus induktif yang kecil dan arus kapasitif, luapan tegangan yang tinggi tampak pada circuit yang mengalami switching. Tegangan ini mungkin mecapai 5 kali ataupun lebih, tegangan circuit normal dan kerusakan isolasi circuit atau restrike yang mungkin terjadi pada circuit breaker. Untuk mengurangi tegangan tersebut, elemen-elemen eksternal yang ditambahkan pada breaker seperti switching resistor, inductor arresters dan circuit electronic switching yang dikontrol.
Circuit Breaker Rated Quantities
Umumnya rated voltage dan frequency pada breaker, terdapat kuantitas rated lainnya yang sangat penting selama pengoperasian dan seleksinya. Kuantitas tersebut dijelaskan secara ringkas pada paragraph berikut.
1. Rated Current
Rated current circuit breaker adalah nilai rms arus yang dapat membawa secara kontinu tanpa peningkatan temperature komponennya melebihi batas tertentu.
2. Rated Breaking Current
Rated breaking current adalah nilai rms arus yang dapat memutuskan pada keadaan tertentu dari tegangan recovery (recovery voltage).Vp adalah tegangan fasa sumber dan X adalah jumlah reaktansi induktif circuit per fasa. Rms komponen AC adalah:
Rms asymmetrical breaking current adalah Nilai breaking current adalah nilai arus pada short circuit sesaaat. Bagaimanapun, contact circuit breaker terpasang beberapa millisecond kemudian. Dan arus gangguan menjadi turun di bawah nilai ini (gambar 11.1). Normalnya, asymmetrical breaking current diperoleh dengan permodelan seperti 1,6 (Vp/X).
3. Rated Making Current
Rated making current didefinisikan sebagai nilai puncak arus dimana circuit breaker dapat menghubungkan ketika tertutup pada sebuah short circuit. Terlihat tugas yang dibebankan pada circuit breaker selama proses ini adalah berat, karena tekanan mechanical yang tinggi dihasilkan dengan circuit breaker. Rated curren circuit breaker bernilai:
Im = nilai maksimum komponen DC + nilai puncak komponen AC
Puncak arus pertama terjadi setelah hampir 1-4 (one-fourth) siklus dari sebuah short circuit sesaaat. Untuk membolehkan selama penurunan yang tipis pada arus, factor 2 (double-effect factor) digantikan oleh 1,8.
4. Rated Short-Time Current
Rated short-time current adalah arus maksimal dimana circuit breaker dapat mengalirkan selama 1 sekon (detik) tanpa kerusakan terhadap konduktor, isolasi, mekanisme operasi atau tank.
5. Circuit Breaker Breaking Capacity
Breaking capacity pada sebuah circuit breaker 3 fasa (MVA) bernilai:
Dimana V adalah rated voltage pada kV dan Ib adalah rms rated breaking current pada kA. Berdasarkan penelitian British, rated breaking current adalah nilai rms dari komponen alternative yang hanya terdapat pada pemisahan kontak sesaat dan keadaan ini disebut dengan symmetrical breaking capacity. Berdasarkan penelitian Amerika, rated breaking current termasuk component DC, yang meningkatkan breaking capacity dengan factor 1,6 dan keadaan ini disebut dengan asymmetrical breaking capacity.
6. Rated Insulation Level
Rated insulation level sebuah circuit breaker adalah frekuensi daya penahan dan tegangan impulse isolasinya.
7. Rated Operating Sequence (Duty Cycle)
Circuit breaker, terutama sekali dipasangkan dengan auto-reclosures yang ditujukan pada frequent dan successive operation. Pada keadaan seperti itu, breaker dan medium dielektrik mendapatkan mechanical yang buruk dan tekanan electrical secara berurutan. Circuit breaker harus memenuhi salah satu percobaan berikut.
O – t – CO – T – CO atau CO – t’ – CO, dimana O adalah sebuah opening operation, C adalah closing operation, CO adalah closing operation yang segera diikuti oleh opening operation, t adalah waktu antar operation (3 menit 0.3 detik untuk circuit breaker tanpa maupun dengan auto-reclosures secara berurutan). T adalah 3 menit dan t’ adalah 15 detik untuk circuit breaker yang digunakan dengan auto-reclosures yang cepat.
Switched Currents and Circuits
Pada penambahan beban pada arus normal, Circuit Breaker digunakan untuk menghentikan terjadinya Short-circuit, arus induktif dan kapasitansi kecil. Contohnya ketika kapasitansi dan arus induktif kecil maka tidak terjadi pengisian arus pada power trafo dan beban pada sebuah luas kabel penghubung secara berturut-turut. Pembebanan pada Circuit Breaker sangat berpengaruh besar dengan menahan besarnya arus dan juga dengan parameter sirkuit dan sejauh mana kesalahan dari terminal breakers.
Short Circuit 3 phasa
Beban sistem tiga phasa ditempatkan dengan sudut 120o dari yang lain, terlihat dalam satu phasa akan dimatikan pada sebuah arus zero normal, dimana system dua phasa yang lain masih arcing. Setelah 90o dari phasa pertama selesai, terjadi gangguan secara bersamaan dalam dua phasa yang lain. Jika system netral telah di isolasi tanpa didasari kesalahan, tegangan pengendali (tegangan recovery) diseberang phasa pertama akan selesai dalam 3 kali tegangan phasa maksimum, sehingga akan terjadi keseimbangan pada tiga phasa. Faktor penyelesaian satu phasa adalah 1,5. Nilai ini akan lebih berkurang untuk kesalahan pada pembumian dalam system Pembumian netral, dimana nilai ini tergantung pada perbandingan antara zero dan akibat impedansi positive.
Ketika terjadi kesalahan tiga phasa dari terminal circuit breaker, tegangan transient recovery akan memiliki nilai lebih dari component satu frekuensi. Rangkaian ini terdiri dari 2 bagian yaitu bagian Sumber dan bagian Rangkaian . Masing-masing rangkaian akan menghasilkan sebuah tegangan peubah. Tegangan transient pengendali pada terminal breaker berbeda vector dari kedua tegangan dan menjadikan frekuensi double secara alami.
Switching short circuit asymmetrical
Short circuit simetris dalam sistem pembangkitan sangat tidak lazim. Rangkaian tunggal dasar dapat ditunjukkan memiliki lebih dari 90% kesalahan dari total semua kesalahan dalam tegangan tinggi dan extra tegangan tinggi. Kesalahan rangkaian ganda jarang ditemukan pada tegangan medium dan tegangan rendah.
Kesalahan tenaga frekuensi pada tegangan recovery dibawah asimetris adalah sama untuk tegangan phasa maximum ketika sistem tenaga dibumikan murni.
Circuit breaker yang memiliki dasar kedudukan pada short circuit simmetris adalah tidak selalu bisa dalam mengatasi gangguan pada kesalahan yang terjadi di asimetris.
Capacitive current
Ketika sebuah circuit breaker menghentikan sebuah arus pada kapasitor, sebuah tegangan recovery muncul diseberang circuit breaker. Sehingga beban listrik mengikuti hingga frekuensi tinggi dan bisa terjadi gangguan yang mendahului peningkatan tegangan.
Ketika breaker menghentikan beban kapasitifpada kondisi normal, tegangan pada Vs adalah tegangan puncak. Kapasitansi C2 dibebani dengan nilai yang sama dan akan tersisa konstan jika tidak adanya tegangan puncak pada Vs. Tegangan akan menyeberangi circuit breaker setengah rangkaian siklus.
Types Of Circuit Breaker
Air Circuit Breakers
Dibangun diantara hubungan udara yang bertumbukan dalam atmosfer udara. Sering digunakan dalam sistem tegangan rendah dengan arus normal 3000 A. Dengan kontruksi dan perawatan yang mudah, mereka bisa menempati CB minyak dengan tingkat sama dalam sistem dimana resiko kebakaran dapat terjadi. Dalam Industri berat yang memiliki motor listrik besar dengan starting yang serimg terjadi, CB Udara dapat mengganti kerusakan minyak serta kontaminasi minyak. CB udara dapat digunakan lebih luas dengan tungku listrik.
Oil Circuit Breakers
Minyak disini menyediakan wadah yang tepat untuk menghentikan percikan api. Dalam kerusakan minyak, percikan api bias disebut pemadaman otomatis . Circuit Breakers minyak digolongkan menjadi 2 tipe yaitu Minyak besar dan minyak minimum. Penggolongan ini berdasarkan konrol percikan api dan kemampuan menghentikan yang berbeda dari macam tipe.
CB minyak besar dengan alat pengontrol percikan api disunakan dalam skala tegangann normal dan tegangan tinggi. Dalam tipe kerusakan ini percikan api dihentikan didalam tempat yang dinamakan “pot ledakan”.
Keterangan:
1. Vent
2. Air chamber
3. Upper main terminal
4. Tulip contact
5. Arc control chamber
6. contact rod
7. contact roller
8. lower main terminal
9. crank housing
10. oil level observation glass
Keuntungan Air-Blast CB :
• Murah dan mudah didapatkan.
• Reaksi kimia stabil dan memiliki uadara lembab.
• Pereduksi yang baik dalam kerusakan yang timbul dari operasi switching yang berkali-kali.
• Operasi cepat.
• Percikan api sebentar.
• Dapat beroperasi dilokasi yang beresiko kebakaran.
• Mengurangi biaya frekuensi.
• Waktu yang konstan dalam menghentikan tekanan untuk membuka tekanan.
SF6 Circuit Breakers
SF6 adalah isolasi yang sempurna dan memusakan dalam menghentikan percikan api. Bahan fisika, kimia dan elektriknya sangat cocok untuk berbagai macam tempat, seperti gas insulated switchgear (GIS), high voltage capacitors, bushings, dan gas insulated cables.
Bagian dari SF6
SF6 memilki konduktivitas suhu tinggi dan waktu yang konstan sekitar 1000 kali lebih cepat dari udara. Ini merupakan keuntungan yang bagus dalam pemadaman percikan api. Bahan kimia SF6 tidak bereaksi terahadap besi atau baja serta kaca dalam kondisi normal. Kekuatan dielektrik yang tinggi dan pemadaman percikan api dari bagian SF6 yang utama berasal dari electron yang saling bertumbukan. Masalah besar dalam penggunaan SF6 adalah kondensasi dalam tekanan yang tinggi dan temperature yang rendah. SF6 melindungi level tegangan dalam skala 6,6 – 765 KV.
Tekanan Ganda SF6 Circuit Breakers
Ini adalah bagian awal dari SF6 CB. Beroperasi dengan prinsip yang sama dengan Air-Blast CB. Bagian utama terdiri dari ruangan yang bertekanan tinggi, dimana SF6 disimpan dalam jumlah banyak.Dalam pemutusan arus, hubungan CB ketika tekanan gas yang kuat terjadi dari tempat pemadaman yang terpisah dimana terdapat percikan api. Setelah pemadaman arus, gas dipompa kembali ketempat penyimpanan tadi.
Pemadaman otomatis SF6 CB
Diadalam ruangan pemadaman tediri dari dua ruang terpisah. Ketika celah ditutup keduanya mempunyai tekna gas yang sama sekitar 5 atm. Ketika celah dibuka hubungan akan putus dan percikan api tercipta diantaranya. Panas yang diahsilkan dari percikan api tadi akan menghasilkan tekanan. Gas akan keluar dari bagian percikan api tadi dan bagian terpisah yang lainnya. Perluasan aliran pendinginan terhadap percikan api akan memadamkan api tersebut adan arus saat itu adalah nol.
SF6 Tipe Puffer
Biasa disebut “satu tekanan” atau “impuls” tipe pemadaman. Cara kerja dalam pemadaman percikan api adalah dengan mengalirkan gas SF6 selama hubungan terputus, dengan mengerakkan seperti piston.Dengan ini tekanan gas dalam ruangan pemadaman akan menigkat cepat ke level yang lebih tinggi. Ketika celah ditutup arus mengalir diantara 2 terminal arus, melalui hubungan utama yang terlibat dan juga hubungan yang bergerak. Ketika celah dibuka saat kntak terputus, percikan api menisolasi mulut pipa. Selama perjalanan silinder bergerak seperti piston dan memompa aliran gas SF6 sehingga percikan api padam.
Vacuum Circuit Breaker
Keuntungan dari vakum (hampa udara) adalah sebagai bahan isolator dan media pengganggu yang telah diketahui selama bertahun – tahun. Ruang yang hampa udara sekali memiliki tekanan 10-4 Pa, bertindak sebagai dielektrik yang kuat dan memiliki kemampuan isolasi yang tinggi untuk media lain, termasuk gas yang dimampatkan dan minyak. Pada pemutus vakum, sebuah kontak cukup terpisah sejauh 1 cm. Karena sangat rapat, diperlukan sedikit kekuatan untuk menutup dan membuka rangkaian untuk tipe pemutus yang lain. Tingkat pengembalian sifat dielektrik pada hampa udara setelah ada gangguan adalah sekitar 1 tingkat lebih cepat besarnya daripada pemutus ledakan udara. Perusak ruang hampa moderen dengan sukses merusak arus kapasitif dan arus induktifnya kecil serta kesalahan garis pendek tanpa memproduksi tegangan lebih secara berlebihan. Selama rapat, dengan mekanisme yang sederhana pemutus hampa udara mederen tidak memerlukan pemeliharaan yang lebih. Kelemahan utamanya adalah kegagalannya dalam ruang hampa udara sulit untuk diketahui.
Dalam rangkaian pemutus hampa udara setiap pasa terdiri dari ruangan kosong pengganggu dan operasi mekanisme eksternal.
Penghubung adalah area permukaan yang luas dengan segmen spiral sedemikian hingga memproduksi arus disuatu medan magnet di sekitar aksial untuk membantu akhir gerak permukaan kontak dan menghubungkan secara cepat. Menggerakkan sedikit akhir kontak memperkecil penguapan logam dan erosinya. Dinding ruang pengganggu adalah bagian keseluruhan atau sebagain dari material isolasi. Logam berikut (pada gambar 11.17a) dapat membuat kontak gerak bergerak selam pemeliharaan ruang hampa.
Dalam pemutus ruang hampa udara, proses pemadaman berbeda dari masing – maisng tipe pemutus. Ketika sebagian terhubung, titik akhir kontak untuk terpisah harus dipanaskan sampai mencapai titik didih logam. Uap logam ionisasi akan berkembang mengisi mediumnya. Oleh karena itu, logam atau alloy (logam campuran) dari kontak dibuat langsung mempengaruhi karakteristik pemutus hampa udara.
Uap logam meluas melingkar keluar mengelilingi sumbu untuk memadatkan diri pada pinggiran dinding ruangan pengganggu. Oleh karena itu, bagian isolasi dari pinggiran dinding harus terlindung dari uap logam untuk memelihara kekuatan isolasinya.
Saat arus kecil, pemutus tergolong dalam keadaan menyebar, sebaliknya, saat arus kuat sekitar 1 kA, batas kekuatan ionisasi adalah bagian paling tengah, karena panas yang berlebihan dan tercampur local pada titik – titik kontaknya. Oleh karena itu, putaran magnetic pada golongan tersebut untuk mengurangi kontak erosi.
Solid-State Circuit Breaker
Rangkaian pemutus tipe ini menggunakan bahan padat seperti tyristor, triacs atau tenaga transistor. Rangkaian ini tidak dapat melemahkan alat elektromekanik. Pemutus padat dapat membersihkan kesalahan hanya dengan 1,5 siklus. Jika pemutus tertutup, akan terjadi kesalahan pada rangkaian, itu akan masih merusak arus salah hanya dengan 1,5 siklus.
Pemutus padat tidak memiliki kontak bergerak yang dapat mengikis listrik dan juga tidak perlu dipertahankan atau diganti. Cara cepat membuat rangkaian pemutus padat dapat disinkronkan (disamakan) seperti mendoblekan (menduakan) aliran arus masuk ke rangkaian induktif dan mengiringi tegangan berlebih mesin listrik pada rangkaian konduktor dan mendukung untuk dikeluarkan. Peralihan tegangan berlebih juga dapat dihilangkan.
Prinsip operasi dari pemutus padat dapat dilihat pada rangkaian sederhana pada gambar. Pada gambar ini, 2 tenaga tiristor saling terhubung antiparalel. Setiap tiristor akan memuati arus menuju aliran selama 1,5 siklus penuh ketika ditriger dengan tepat. Seketika itu juga rangkaian arus melebihi tingkatan yang telah diset, sensor arus dan alat gerbang kendali akan memotong sinyal gerbang. Hal ini akan mematikan tiristor dan rangkaian arus akan rusak disaat terjadi silang kosong. Di beberapa tegangan rendah dan arus lemah system aplikasi tenaga, sebuah triac dapat digantikan dengan tenaga tiristor.
Sampai saat ini, pemutus padat telah digunakan di sedikit aplikasi system tenaga untuk rentang tegangan rendah. Untuk rangkaian seri-paralel tiristor, pemutus padat untuk tegangan tinggi dan arus tinggi dapat dibangun. Kerugian utama dari pemutus padat adalah kehilangan tenaga relative sangat tinggi. Keadaan ini dapat diperbaiki dengan meningkatkan penggunaan bahan semikonduktor baru.
Direct-Current Circuit Breaker
Saluran tegangan tinggi DC, sekarang biasanya digunakan untuk transmisi energi listrik jarak jauh. Rangkaian pemutus ini adalah system transmisi point-to-point (dari suatu titik ke titik yang lain). Rangkaian ini tidak dapat diparallelkan karena kekurangan pemutus tegangan tinggi DC dengan kapasitas pemutus tinggi.
Rangkaian pemutus udara biasanya digunakan untuk memutus arus DC rendah atau tegangan rendah DC. Pemutus udara biasanya diletakkan pada beberapa system daya tarik, pabrik elektrokimia dan aplikasi serupa.
Tidak semua tipe pemutus system tegangan tinggi AC dapat digunakan pada tegangan tinggi DC keculai dilengkapi dengan rangkaian tambahan untuk membawa sepenuhnya arus DC dengan perlahan menuju nol untuk pemutus. Prinsip dasarnya seperti rangkaian yang ditunjukkan pada gambar. Sebelum rangkaian pemutus utama terbuka (open), switch S tertutup untuk menghentikan pengisian kapasitor C1 di arah berlawanan rangkaian arus. Hal ini akan mendesak arus menuju nol dengan sedikit osilasi dan akan memutuskan rangkaian saat arus nol. Reactor saturasi sendiri L2 dan kapasitansi C membantu untuk mengurangi harga pengurangan rangkaian arus dan harga peningkatan pengembalian tegangan peralihan berturut – turut.
Lee Et al menjelaskan bahwa pada 500 kV DC rangkaian pemutus akan digunakan untuk memutus beban dan arus salah sampai mencapai 2200 A. Pemutus ini adalah modifikasi tipe gumpalan SF6. Empat buah rangkaian pemutus saling terhubung ketika kontak pemutus mulai terbuka untuk memutus rangkaian arus dan tertarik diantaranya.
Sebagai kontak tersambung untuk terbuka, tegangannya meningkat selama rangkaian memanjang dan mendingin. Setelah memberikan tegangan yang cukup, switch S1 tertutup dan hal ini menyebabkan arus beralih ke Cs. Pengalihan arus ini menghasilkan peningkatan osilasi arus. Ketika magnitudenya cukup besar arus nol dihasilkan oleh pemutus. Begitu arus nol dihasilkan, rangkaian terputus dan arus penuh dialihkan menuju Cs. Ketika tegangan melewati Cs meningkat, kecepatan tegangan ZnO tertahan, ini akan menyebabkan penghentian peningkatan tegangan lewat kontak berikutnya. Energi rangkaian akan diserap oleh arrester dan arus salah hilang dan beberapa milisekon.
Rangkaian pemutus angin udara dan gumpalan SF6 400 kV DC telah dikembangkan oleh Vithayathile (1985). Kedua pemutus ini termasuk dalam rangkaian ringan dan elemen penyerapan energi. Kecepatan operasi dari pemutus ini adalah sebanding dengan pemutus AC dengan tipe yang serupa.
