Pembumian elektrik

Dalam bidang kejuruteraan elektrik, istilah pembumian elektrik merujuk kepada sambungan litar elektrik ke bumi, sama ada secara fizikal ataupun sebagai "laluan balik" ke punca kuasa elektrik, bergantung kepada aplikasi yang digunakan.

Rajah 1: Elektrod bumi (kiri) pada sebuah rumah di Australia. Perhatikan warna wayar bumi yang ditandakan dengan warna hijau-kuning.

Terdapat beberapa sebab mengapa litar elektrik dibumikan. Dalam sistem bekalan elektrik sesalur, sambungan ke bumi dilakukan atas sebab keselamatan, terutamanya bagi mencegah bahagian peralatan elektrik yang dapat disentuh oleh manusia daripada diuja dengan voltan tinggi yang berbahaya akibat kegagalan penebat elektrik, atau dengan kata lain, melindungi pengguna daripada kebocoran arus elektrik dengan menyediakan satu laluan elektrik ke bumi. Sambungan ke bumi juga boleh mengehadkan pembentukan cas elektrik statik semasa mengendalikan bahan mudah terbakar ataupun semasa membaiki peralatan elektronik. Bagi pendawaian kenderaan pula, semua peralatan elektrik kenderaan dibumikan ke badan kenderaan (tanpa sambungan secara fizikal ke bumi) bagi menyediakan satu laluan balik ke bateri, sekaligus menjimatkan penggunaan kuprum.

Sejarah

Sistem talian telegraf jarak jauh sejak tahun 1820 menggunakan dua atau lebih wayar untuk membawa isyarat serta arus balikan. Kemudian, satu penemuan baru, mungkin oleh seorang saintis Jerman bernama Carl August Steinheil pada tahun 1836-1837 [1], mendapati bahawa bumi boleh digunakan sebagai laluan balik bagi melengkapkan litar tanpa memerlukan wayar balikan. Walau bagaimanapun, sistem tersebut terdapat beberapa masalah, contohnya melalui talian telegraf jarak jauh yang dibina pada tahun 1861 oleh Western Union Company antara Saint Joseph, Missouri, dan Sacramento, California. Semasa cuaca kering, sambungan bumi sering membentuk rintangan tinggi, menyebabkan pengguna terpaksa menyiram air pada elektrod bumi bagi membolehkan telegraf berfungsi.

Lama kemudian, setelah telefon mula menggantikan telegraf, didapati bahawa arus di dalam bumi yang diaruh oleh sistem bekalan elektrik, landasan kereta api elektrik, sistem telefon dan telegraf, serta kilat menyebabkan gangguan yang tidak boleh diterima pada isyarat bunyi; oleh itu, sistem dua wayar diperkenalkan semula.

Keperluan bagi membumikan peralatan elektrik bermula hasil ciptaan plag 3 pin oleh Philip F. Labre, semasa beliau masih menuntut di Sekolah Kejuruteraan Milwaukee (MSOE). Dikatakan tuan rumahnya mempunyai seekor kucing yang suka melanggar kipasnya semasa datang dari arah tingkap. Setiap kali dia memalamkan kipas itu semula, dia akan terkena kejutan elektrik. Labre mendapati bahawa jika plag tersebut dibumikan, arus elektrik akan pergi ke bumi dan bukannya ke badan tuan rumahnya. Beliau memohon dan seterusnya diberikan paten bagi plag dan soket yang dibumikan pada 5 Jun 1928.^[1] Setelah keperluan bagi pemasangan yang lebih selamat menjadi semakin ketara, sistem 3 pin yang dibumikan diwajibkan di kebanyakan negara industri.

Pendawaian pada sistem AC

Dalam sistem pendawaian bekalan elektrik sesalur arus ulang-alik (AC), wayar bumi merupakan wayar dengan sambungan elektrik ke bumi. Dengan menyambungkan peralatan elektrik ke bumi, sebarang kegagalan penebat akan menyebabkan arus elektrik mengalir ke bumi; jika tidak, peralatan elektrik tersebut akan diuja dengan voltan tinggi, mendedahkan pengguna kepada bahaya kejutan elektrik. Sambungan bumi yang betul akan menyebabkan peralatan perlindungan arus berlebihan untuk berfungsi bagi melumpuhkan litar yang gagal itu. Dengan turut menyambungkan objek logam yang tidak membawa arus elektrik bersama-sama ke bumi, sebarang kegagalan litar pada sistem tidak mengujakan voltan berbahaya pada bahagian logan berkenaan yang boleh menyebabkan kejutan elektrik.

Wayar bumi disambungkan ke satu atau lebih elektrod bumi. Selain sistem pendawaian, sistem perpaipan bekalan air dan gas ada kalanya turut dibumikan bersama. Ada kalanya paip bekalan air turut digunakan sebagai elektrod bumi tetapi ia diharamkan di beberapa negara yang menggunakan paip plastik seperti PVC. Selain itu, sesetengah antena radio dan televisyen serta sistem perlindungan kilat turut dibumikan.

Peralatan elektrik yang dipasang secara kekal biasanya disambung ke pengalir bumi kekal. Peralatan elektrik mudah alih pula mungkin turut mempunyai sambungan bumi melalui pin bumi pada plag masing-masing. (sila rujuk Plag dan soket AC domestik). Saiz pengalir bumi biasanya ditetapkan oleh pihak berkuasa kebangsaan.

Komponen yang wajib dibumikan

Antara komponen yang wajib dibumikan adalah seperti berikut:-

• Peralatan elektrik yang menggunakan elemen pemanas
• Motor elektrik
• Pembuluh logam pada sistem pendawaian elektrik
• Rangka bumbung yang diperbuat daripada logam

Jenis sistem pembumian

Piawaian antarabangsa IEC 60364 membahagikan sistem pembumian elektrik kepada tiga keluarga utama, dengan menggunakan kod dua huruf iaitu TN, TT, dan IT.

Huruf pertama menandakan sambungan antara bumi serta peralatan bekalan kuasa elektrik (seperti janakuasa dan transformer):

Huruf kedua menandakan sambungan antara bumi serta peralatan elektrik yang dibekalkan kuasa:

Rangkaian TN

Di dalam sistem pembumian TN, satu daripada titik pada penjana elektrik atau transformer disambungkan ke bumi, biasanya pada titik sambungan bintang dalam sistem bekalan tiga fasa. Badan peralatan elektrik dihubungkan ke bumi melalui sambungan bumi pada transformer.

Wayar pengalir yang menyambungkan bahagian berlogam yang terdedah dipanggil wayar bumi (PE). Pengalir yang disambungkan ke titik bintang pada sistem tiga fasa, ataupun yang membawa arus balikan pada sistem fasa tunggal, dikenali sebagai neutral (N). Terdapat tiga varian utama sistem TN:

TN-S: Wayar bumi (PE) dan neutral (N) berasingan dari transformer ke unit pengguna, yang tidak disambungkan bersama pada mana-mana titik selepas titik pengagihan bangunan.	TN-C: Pengalir gabungan PE dan N sepanjang sistem dari transformer ke unit pengguna.	TN-C-S: Pengalir gabungan PEN dari transformer ke titik pengagihan bangunan, tetapi dipecahkan kepada pengalir PE dan N pada pendawaian dalaman kekal serta wayar kuasa boleh lentur.

Adalah tidak mustahil untuk menggunakan kedua-dua sistem TN-S dan TN-C-S daripada transformer yang sama. Contohnya, pelindung pada sesetengah kabel bawah tanah terkakis dan berhenti menyediakan sambungan bumi yang baik, maka sistem pembumian bagi rumah-rumah dengan sambungan bumi yang "kurang baik" didapati bertukar kepada TN-C-S.

Rangkaian TT

Di dalam sistem pembumian TT, sambungan bumi pengguna disediakan melalui sambungan tempatan ke bumi, bebas daripada sebarang sambungan pada penjana elektrik.

Rangkaian IT

Di dalam sistem pembumian IT, sistem pengagihan tidak mempunyai sebarang sambungan bumi, ataupun ia hanya mempunyai sambungan bergalangan tinggi. Di dalam sistem sebegini, satu alat pemantau penebatan digunakan untuk memantau galangan.