Kalkulator Penurunan Tegangan

Rumus jatuh tegangan VD = (2 × K × I × L) / CM menghitung penurunan tegangan dalam satuan volt, di mana:

• K adalah konstanta resistivitas (12,9 untuk tembaga, 21,2 untuk aluminium pada suhu 75°C)
• I adalah arus beban dalam ampere
• L adalah panjang sirkuit satu arah dalam satuan kaki (feet)
• CM adalah luas penampang konduktor dalam satuan circular mil

Untuk sirkuit tiga fasa, gantilah faktor pengali 2 dengan 1,732.

Contohnya, sirkuit 20 ampere menggunakan kabel tembaga 12 AWG (6530 CM) sepanjang 100 kaki: VD = (2 × 12,9 × 20 × 100) / 6530 = 7,9V, atau setara dengan 6,6% pada sirkuit 120V — melampaui anjuran 3%. Jika ukuran kabel ditingkatkan ke 10 AWG (10380 CM), jatuh tegangan turun menjadi 5,0V (4,1%), dan penggunaan 8 AWG (16510 CM) menghasilkan 3,1V (2,6%).

Bentangan kabel yang panjang hampir selalu membutuhkan penampang konduktor yang lebih besar daripada batas minimum kapasitas hantar arus (KHA).

Tabel kuat hantar arus (KHA) NEC (Tabel 310.16) menentukan ukuran kabel minimum berdasarkan kapasitas hantar arus, tetapi susut tegangan sering kali mengharuskan penggunaan konduktor yang lebih besar untuk bentangan kabel melebihi 50-100 kaki.

Skenario umum yang memerlukan penambahan ukuran kabel:

• subpanel garasi (bentangan tipikal 50-100 kaki membutuhkan 4 AWG atau lebih besar untuk daya 60A)
• pompa sumur (bentangan 200-500 kaki mungkin memerlukan 6 AWG untuk pompa 10A 240V)
• sirkuit penerangan luar ruangan (bentangan panjang untuk lampu lanskap)
• bangunan pertanian

Tabel penentuan ukuran praktis untuk sirkuit 120V, 20A dengan susut tegangan maks 3%:

• hingga 50 kaki gunakan 12 AWG
• 50-80 kaki gunakan 10 AWG
• 80-120 kaki gunakan 8 AWG
• 120-200 kaki gunakan 6 AWG

Untuk sirkuit 240V, ukuran kabel yang sama dapat mencakup jarak dua kali lipat lebih jauh karena persentase susut tegangan berkurang setengahnya akibat voltase yang lebih tinggi.

Motor listrik sangat sensitif terhadap penurunan tegangan. Motor yang menerima tegangan 5% di bawah rating nominal akan menarik arus sekitar 5% lebih banyak (untuk mempertahankan output daya), sehingga meningkatkan suhu lilitan sebesar 10-15% dan memperpendek masa pakai isolasi. Pada susut tegangan 10%, torsi motor turun sekitar 19% (torsi berbanding lurus dengan kuadrat tegangan), yang berpotensi menyebabkan kegagalan saat menyala di bawah beban. Variable frequency drive (VFD) sedikit lebih toleran tetapi dapat mengalami gangguan (fault) akibat input tegangan rendah.

Dari perspektif biaya energi, penurunan tegangan adalah pemborosan murni — daya yang terbuang menjadi panas pada konduktor setara dengan I²R. Bentangan 100 kaki kabel 12 AWG yang mengalirkan arus 20A secara terus-menerus membuang daya sekitar 158 watt (7,9V × 20A), dengan biaya $140 per tahun pada tarif $0,12/kWh. Menggantinya ke 10 AWG mengurangi pemborosan ini hingga 37%, dan selisih biaya kabel biasanya akan kembali modal dalam waktu 2-3 tahun berkat penghematan energi.

Untuk menghitung susut tegangan pada sirkuit satu fasa, gunakan rumus VD = (2 × K × I × L) / CM, dengan keterangan:

• K adalah konstanta resistivitas (12,9 untuk tembaga, 21,2 untuk aluminium pada suhu 75 derajat C)
• I adalah arus dalam ampere
• L adalah panjang kabel satu arah dalam kaki (feet)
• CM adalah luas penampang konduktor dalam circular mils

Faktor pengali 2 memperhitungkan konduktor bolak-balik (pergi dan pulang). Untuk sirkuit tiga fasa, ganti angka 2 dengan akar kuadrat dari 3 (1,732).

Contoh: beban 20 A pada tembaga 12 AWG (6.530 CM) sepanjang 80 kaki menghasilkan VD = (2 × 12,9 × 20 × 80) / 6.530 = 6,32 V.

Perhitungan ini berakar dari hukum Ohm (V = IR) — hubungan yang sama seperti yang diterapkan kalkulator hukum ohm kami — sebagaimana dijelaskan oleh HyperPhysics dari Georgia State University.

Susut tegangan diukur dalam volt (V), satuan SI untuk beda potensial listrik yang didefinisikan oleh BIPM sebagai satu joule per coulomb. Arus menggunakan ampere (A), satuan dasar SI, dan resistansi menggunakan ohm, yang setara dengan satu volt per ampere.

Luas penampang konduktor dalam standar AS dinyatakan dalam circular mils (CM), di mana satu circular mil adalah luas lingkaran berdiameter 0,001 inci; 1.000 CM sama dengan satu kcmil. Dalam sistem metrik, luas penampang menggunakan milimeter persegi dan resistivitas dalam ohm-meter.

NIST memelihara definisi satuan-satuan listrik ini, dan standar IEC menyelaraskan penggunaannya secara internasional dalam spesifikasi perkabelan.

Susut tegangan berbanding lurus dengan panjang konduktor: melipatgandakan panjang bentangan akan melipatgandakan susut tegangan, dengan asumsi faktor lainnya sama. Karena rumusnya menggunakan panjang satu arah L tetapi menyertakan faktor pengali 2 (atau 1,732 untuk tiga fasa) untuk jalur kembali, total jarak yang ditempuh arus melalui konduktor tembaga adalah hal yang menentukan.

Bentangan kabel tembaga 12 AWG sepanjang 50 kaki pada 20 A mengalami penurunan sekitar 3,95 V, sedangkan kabel yang sama pada 100 kaki mengalami penurunan sekitar 7,9 V.

Hubungan linier inilah yang menjadi alasan mengapa sirkuit panjang, seperti pompa sumur, area parkir RV, dan pencahayaan luar ruangan, sangat sering membutuhkan ukuran kabel yang lebih besar. Khan Academy mencatat proporsionalitas yang sama pada resistansi, karena R meningkat secara linier seiring bertambahnya panjang konduktor untuk penampang yang tetap.

Tembaga menghantarkan listrik lebih baik daripada aluminium, sehingga menghasilkan susut tegangan yang lebih kecil untuk ukuran kabel yang sama. Resistivitas aluminium memberikannya nilai K sekitar 21,2 dibandingkan 12,9 untuk tembaga, yang berarti aluminium menghasilkan susut tegangan sekitar 64% lebih besar pada konduktor berukuran serupa.

Untuk mengimbanginya, perkabelan aluminium biasanya berukuran satu hingga dua tingkat AWG lebih besar; sebagai contoh, sirkuit yang membutuhkan tembaga 6 AWG sering kali menggunakan aluminium 4 AWG.

Aluminium lebih ringan dan lebih murah per ampere, itulah sebabnya perusahaan listrik lebih menyukainya untuk kabel feeder besar dan saluran masuk layanan listrik. Encyclopaedia Britannica mencantumkan perak dan tembaga sebagai konduktor umum terbaik, disusul aluminium tepat di belakangnya, berdasarkan nilai resistivitas yang dipublikasikan.

Sirkuit tiga fasa menggunakan faktor pengali 1,732 (akar kuadrat dari 3), bukan 2 dalam rumus susut tegangan, sehingga untuk arus, panjang, dan ukuran kabel yang sama, susut tegangannya sekitar 13,4% lebih rendah dibandingkan sirkuit satu fasa.

Yang lebih penting, distribusi tiga fasa menyalurkan daya lebih besar pada arus saluran tertentu, sehingga konduktor membawa arus (ampere) lebih kecil untuk beban yang sama, yang pada gilirannya semakin meminimalkan rugi-rugi I kali R.

Inilah alasan mengapa sistem komersial dan industri, motor listrik, serta peralatan HVAC besar lebih memilih daya tiga fasa. Hubungan ini mengacu pada teori sistem tiga fasa seimbang yang dijelaskan dalam standar teknik elektro IEEE dan IEC, di mana tegangan antar-fasa (line-to-line) bergabung pada sudut fasa 120 derajat.

Analisis penurunan tegangan sangat penting dalam berbagai situasi praktis.

• Teknisi listrik menentukan ukuran kabel feeder ke subpanel garasi dan bangunan terpisah, di mana bentangan kabel sepanjang 50 hingga 150 kaki berisiko membuat beban kekurangan tegangan jika tidak dihitung dengan benar.
• Pemasang panel surya menghitung penurunan tegangan pada kabel DC dan AV untuk menjaga output susunan panel surya, serta teknisi RV dan kapal yang menangani sistem tegangan rendah 12 V dan 24 V, di mana penurunan kecil sekalipun menghasilkan persentase yang signifikan.
• Perancang sistem otomotif dan bank baterai menggunakannya untuk perkabelan derek (winch) dan inverter.
• Pompa pertanian dan irigasi, pencahayaan lanskap, serta sirkuit pengisi daya kendaraan listrik (EV) semuanya mengandalkan perhitungan matematis yang sama.

NEC memberikan rekomendasi susut tegangan (3% untuk sirkuit cabang, 5% untuk total sistem) yang menjadi panduan dalam berbagai proyek residensial, komersial, dan industri.

Kesalahan yang paling sering terjadi adalah menggunakan panjang total bolak-balik alih-alih panjang satu arah L, yang menyebabkan jarak terhitung dua kali lipat karena rumus sudah menyertakan faktor pengali 2.

• Kesalahan lainnya adalah menerapkan faktor pengali satu fasa yaitu 2 pada sirkuit tiga fasa, alih-alih 1,732.
• Banyak orang juga lupa menggunakan nilai K yang tepat untuk aluminium (21,2) dibandingkan tembaga (12,9), atau mengabaikan fakta bahwa resistansi meningkat seiring suhu, sehingga konduktor yang panas mengalami susut tegangan lebih besar daripada konduktor yang dingin.
• Mengacaukan ukuran gauge kawat dengan circular mils, atau mencampuradukkan satuan metrik dan imperial, dapat menimbulkan kesalahan perhitungan yang besar.

Terakhir, menganggap angka 3% dan 5% dari NEC sebagai aturan wajib mutlak dan bukan sekadar rekomendasi adalah kesalahpahaman umum, sebagaimana dicantumkan dalam catatan informasional NEC.

Cara paling efektif untuk mengurangi susut tegangan adalah dengan memperbesar ukuran konduktor, karena susut tegangan berbanding terbalik dengan circular mils; menaikkan ukuran kabel dari 12 AWG (6.530 CM) ke 10 AWG (10.380 CM) memangkas susut tegangan sekitar 37%.

Memperpendek jarak bentangan, menggunakan tembaga alih-alih aluminium, dan menaikkan tegangan sistem juga sangat membantu, karena pada tegangan yang lebih tinggi, nilai susut tegangan absolut yang sama mewakili persentase yang lebih kecil. Contohnya, memindahkan beban dari 120 V ke 240 V memangkas separuh persentase susut tegangan untuk perkabelan yang identik.

Membagi beban berat ke beberapa sirkuit paralel dapat mengurangi arus per konduktor.

HyperPhysics dan Khan Academy sama-sama menggambarkan bagaimana masing-masing penyesuaian ini mengubah rugi-rugi I kali R pada sebuah konduktor.