Penyederhanaan Perhitungan Nilai Arc-Flash Dengan Menggunakan Metode Kurva Batas Energi

Transkripsi

1 Penyederhanaan Perhitungan Nilai Arc-Flash Dengan Menggunakan Metode Kurva Batas Energi 1 Budianto Harry Prasetio, Margo Pujiantara, I Made Yulistya Negara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya budianto.prasetyo@gmail.com ; margo@ee.its.ac.id ; yulistya@ee.its.ac.id Abstrak - Teknik analisis penyederhanaan nilai untuk perlindungan diri (PPE) terhadap busur api berdasarkan IEEE Std dengan karakteristik pengaman arus lebih sebagai dasarnya. Berbeda dengan persamaan sederhana di IEEE 1584, teknik analisis kurva batas energi dapat diterapkan untuk semua jenis pengaman arus lebih pada setiap sistem listrik dalam kisaran penerapan persamaan dari 1584 IEEE. Sedangkan pada metode ini tidak sesuai dengan persamaan dari 1584 IEEE melainkan dimodifikasi dengan menggunakan metode kurva batas energi. Hal ini memungkinkan untuk penentuan yang akurat tentang tingkat perlindungan diri (PPE) yang diperlukan dan batas perlindungan maksimum terhadap Arc-Flash. Pada tugas akhir ini akan diaplikasikan untuk perusahaan perminyakan offshore. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa pengurangan yang signifikan dalam pengumpulan data yang dibutuhkan dan analisis waktu dapat dicapai dengan menggunakan metode kurva batas energi. Kata kunci : arc flash, metode kurva batas energi P I. PENDAHULUAN ada perusahaan tambang offshore banyak yang belum memperhitungkan nilai dari arc-flash. Arc-flash sendiri adalah ledakan listrik yang diakibatkan oleh hubungan impedansi yang rendah atau hubungan antar fasa dalam sistem listrik. Arc-flash dipasok oleh energi yang cukup untuk menyebabkan kerusakan, kebakaran, dan kecelakaan. Electric arc menghasilkan temperature derajat fareinhet[1], dengan suhu seperti itu dapat menyebabkan tembaga memuai kali dari volume semula. Fenomena ini menyebabkan ledakan bertekanan, merusak peralatan dan cedera parah pada orang yang berada di dekat peristiwa arcing foult. Arcing foult dapat menghasilkan semua spectrum radiasi termasuk infrared, UV, dan cahaya tampak yang terkait seperti gelombang bertekanan yang dapat menyebabkan kehilangan pendengaran atau bahkan patah tulang [2]. Sedangkan efek dari infrared dan panas berlebihan dapat menyebabkan luka bakar yang parah pada kulit atau bahkan dapat menyebabkan kematian. Sedangkan untuk perhitungan arc-flash dengan menggunakan standart IEEE membutuhkan banyak parameter dalam perhitungannya. Jika perhitungan tersebut diterapkan pada perusahaan minyak offshore yang terdapat banyak bus, maka perhitungan tersebut membutuhkan waktu yang lama. Berdasarkan hal tersebut maka digunakan perhitungan arc-flash dengan menggunakan metode kurva batas energi. Dengan menggunakan metode kurva batas energi maka data yang diperlukan lebih sedikit dan waktu pengerjaannya lebih singkat. Akan tetapi jika menggunakan metode kurva batas energi maka nilai persis dari insiden arc-flash tidak dapat diketahui,melaikan dapat menentukan kategori PPE yang tepat. II. LANDASAN TEORI untuk insiden arc flash di definisikan dalam IEEE sebagai jumlah energi yang terdapat dipermukaan dengan jarak tertentu dari sumber akan menghasilkan insiden yang disebut arc flash [1]. Untuk perhitungan nilai arc flash dapat di hitung dengan rumus sebagai berikut: E = C f E t 610 x n Dx (1) Dimana E adalah nilai inciden energi (J/cm 2 ), C f factor pengali (1.0 untuk tegangan diatas 1kV dan 1.5 untuk tegangan di bawah 1kV ), E n adalah inciden enrgi normalized, t adalah waktu arcing (s), D adalah jarak kemungkinan titik arcing ke orang (milimeter), x adalah jarak exponent dari tabel. Untuk jenis peralatan tertentu (misalnya, 480-VMCC atau 208-V panelboard) maka C f dan x akan bernilai konstan karena akan menjadi nilai default untuk D. Nilainilai E n dan t akan bervariasi tergantung dari peralatan pengaman arus lebih yang terdapat di lokasi. Nilai E n dan t akan bervariasi, tergantung dari peralatan yang ada di lapangan dan karakteristik dari pengaman arus lebih yang ada. Dari persamaan (1) dapat di tulis sebagai E t = (S) (2) A₁ En dimana A 1 = Cf (610 D ) (3)

2 2 lg E n = K1 + K lg I a G (4) Dimana E n incident energi normal (J/cm 2 ) untuk jarak dan waktu, K1 adalah konstanta untuk konfigurasi peralatan ( untuk konfigurasi terbuka dan untuk konfigurasi box), K2 adalah konstanta untuk sistem pentanahan (0 untuk sistem ungrounded atau highresistance grounded dan untuk sistem yang menggunakan sistem pentanahan), G adalah jarak antar konduktor (milimeter), selanjutnya. Semua nilai pada sisi kanan (2) adalah tetap untuk jenis peralatan tertentu selain I a. dari persamaan (4) dan (2) dengan ketentuan I a sama,maka didapat persamaan sebagai berikut t = E A1 A`2 I1.081 (S) (5) Dimana: A 2 = K 1 + K G A 2 = 10 A2 National Fire Protection Association (NFPA) 70E-2004 [3] mendefinisikan 5 categori PPE untuk arc-flash. Dari persamaan (5) untuk mendapatkan persamaan garis kategori PPE maka nilai E dapat diisi sesuai dengan tabel 1. Tabel 1. Kategori PPE Hazard / risk Kategori PPE Minimum Arc rating (cal/cm 2 ) PPE Minimum Arc Rating (j/cm 2 ) 0 N/A B N/A B Tabel 2. PPE clothing berdasarkan derajat bahaya Hazard/Risk Category Clothing Description (Typical number of clothing layers is given in parentheses) 0 Non-melting, flammable materials (i.e., untreated cotton wool, rayon, silk, or blends of these materials) with a fabric weight of at least 4.5 oz/yd2 (1) 1 FR Shirt and FR pants or FR coveralls (1) 2 Cotton underwear - conventional short sleeve and brief/shorts, plus FR shirt and FR pants (1 or 2) 3 Cotton underwear plus FR shirt and FR pants plus FR coverall, or cotton underwear plus two FR coveralls (2 or 3) 4 Cotton underwear plus FR shirt and FR pants plus multilayer flash suit (3 or more) Adapun dari tabel 4 dijelaskan tentang pakaian pengaman yang dapat digunakan sesuai dengan derajat bahaya dari arc flash III. PERANCANGAN SISTEM SIMULASI Untuk melakukan studi terhadap penyederhanaan perhitungan arc flash dengan menggunakan kurva batas energi pada sistem kelistrikan di Conocophilips Indonesia, dalam menyelesaikan tugas akhir ini dilakukan beberapa tahap pengerjaan. Hal pertama yang dilakukan adalah pengumpulan data dan literatur sebagai pendukung pengerjaan tugas akhir ini. Data yang dibutuhkan adalah data sistem kelistrikan Conocophilips Indonesia pada plant belida yaitu berupa data-data spesifikasi peralatan seperti generator, trafo, beban, peralatan pengaman serta data konfigurasi sistem dan pengoprasiannya. Setelah data didapatkan, maka dilakukan pemodelan sistem menggunakan software ETAP versi 7.0 yang kemudian dilakukan analisis aliran daya (loadflow). Analisa hubung singkat (short circuit) dilakukan pada bagian sistem kelistrikan belida dengan Identity Document (ID) WHPB. setelah data hubung singkat didapatkan, langkah selanjutnya adalah mensimulasikan setting peralatan pengaman WHPB, apakah koordinasinya sudah baik atau belum. Jika koordinasi peralatan pengaman sudah baik, selanjutnya disimulasikan dan dianalisis bahaya arc flash pada sistem kelistrikan WHPB. Selanjutnya dilakukan perhitungan persamaan dari kurva batas energi yang mengacu pada tabel PPE sesuai dengan standart NFPA 70E Kemudian plot dari sistem pengaman digabungkan dengan plot dari kurva batas energi dari penggabungan plot tersebut dapat diketahui level kategori PPE yang tepat. Dan digunakan perhitungan manual dengan standart IEEE sebagai pembuktian kebenaran nilai arc flash yang telah dihitung dengan metode kurva batas energi. A. Data Sistem kelistrikan plant belida Data sistem kelistrikan plant Belida ini berbentuk radial dengan bus utama memiliki ID LGMV-1. Bus LGMV-1 memiliki tegangan 4.16 kv yang di supply langsung oleh generator utama dan memiliki 8 lajur beban. B. Data Pembangkit Pada sistem kelistrikan plant Belida memiliki total supply utama yang terletak pada bus LGMV-1 sebesar 7MW yang terbagi menjadi dua generator dengan masingmasing generator sebesar 3.5MW. Sedangkan tiga generator cadangan pada bus LV-101 sebesar 1063kW, satu generator cadangan untuk supply bus LGLV sebesar 750kW dan satu generator cadangan pada bus MCC-WHPB sebesar 360

3 3 kw. Seluruh generator cadangan tidak dioperasikan ketika generator utama beroperasi normal. Berikut adalah data-data pembangkit yang digunakan: Tabel 3. Data pembangkit pada sistem simulasi ID Rating Daya (MW) Rating Tegangan (KV) PF (%) ZAN-8870-B GNet C. Sistem Distribusi Distribusi daya pada plant Belida didukung oleh beberapa bus dan trasformator untuk menyalurkan daya kebeban dengan rating tegangan yang berbeda-beda. Berikut ini adalah daftar beberapa bus dan transformator yang digunakan pada plant Belida. Tabel 4. Data Trafo pada sistem simulasi No Transformator Primer Sekunder Kva 1 DPPAT kv DPPAT kv LG-T kv LG-T kv WHPB-T 4.16 kv LG-T kv LG-T kv LO-HVAC-1-08 kv 30 9JL-T 9 LGES-1N- 08 kv 15 11CL-T 10 LGES-1N- 08 kv 45 12AR 11 LGES-1S-8 08 kv LGLT- 08 kv 10 SWGR2-B 13 LGLT-GEC- 08 kv 10 B 14 LGLT-REF-B 08 kv BUS-LP- 08 kv 50 WHPB-3CL 16 BUS-WHPB- 4K 08 kv 30 D. Data sistem WHPB Sistem distribusi WHPB terdiri dari 3 transformer, 8 bus dan kabel untuk menyalurkan daya kebeban. Berikut data bus, transformer dan kabel. Tabel 5. Transformator pada sistem WHPB No Transformator Primer Sekunder KVA 1 WHPB-T 4.16 kv LG-T kv LG-T kv 2000 Tabel 6. Data bus pada sistem WHPB No ID Bus Tegangan (kv) 1 WHPB-UP WHPB-DOWN MCC-WHPB VSP-DOWNHOLE AC-DOWNHOLE JWP-DOWNHOLE BUS-LP-WHPB-3CL 08 8 BUS-WHPB-4K 08 Tabel 7. Data kabel pada sistem WHPB No ID Kabel Panjang (FT) 1 WHPB-UPLGMV-1-WHPB-UP WHPB-DOWN-MCC-WHPB CABLE-VSP CABLE-AC CABLE-JWP 3281 E. Data Beban Beban pada sistem kelistrikan WHPB berupa motor induksi, lump load dan static load. Beban sistem ESP pada kasus berikut disimulasikan dengan motor induksi. Motor induksi pada beban ESP memiliki ID VSP-WHPB-3E, AC-WHPB-7D, JWP-WHPB-5A. Berikut data beban sistem kelistrikan WHPB dan gambar single line diagram dari WHPB. MCC-WHPB WHPB-UP 4.16 kv WHPB-DOWN WHPB-3E LG LBS-DOWN WHPB-FUSE WHPB-CONTAKTOR WHPB-T 500 KVA VSP-WHPB-3E 25 HP CABLE-VSP AC-WHPB-7D 40 HP WHPB-7D CABLE-AC LG-9-52 LGMV-1- WHPB-UP WHPB-DOWN- MCC-WHPB VSP- DOWNHOLE AC- DOWNHOLE JWP- DOWNHOLE Gambar 1. Single line diagram WHPB TIPIKAL 3 TIPIKAL 2 TIPIKAL 1 JWP-WHPB-5A 100 HP WHPB-5A CABLE-JWP

4 4 Tabel 7. Data beban No ID BEBAN RATING JENIS BEBAN 1 JWP-WHPB-5A 100 HP Motor Induksi 2 AC-WHPB-7D 40 HP Motor Induksi 3 VSP-WHPB-3E 25 HP Motor Induksi IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA A. Analisa bahaya arc-flash kondisi eksisting Dari data table 8 dapat dianalisa bahwa terdapat dua bus yang memiliki kategori 3 yaitu bus MCC-WHPB dan WHPB-DOWN. Pada bus lainnya hanya kategori 0. Dari running ETAP 7.0. Tabel 8. Hasil simulasi arc flash ID Kv Ia at FCT (ka) Total Energi (cal/cm 2 ) Hazard Category JWP-DOWNHOLE Cat 0 VSP-DOWNHOLE Cat 0 AC-DOWNHOLE Cat 0 WHPB-UP Cat 0 MCC-WHPB Cat 3 WHPB-DOWN Cat 3 Perhitungan I a pada bus VSP-DOWNHOLE dengan std IEEE 1584 lg I a = K lg I bf V G V (lg I bf ) G (lg I bf ) lg I a = (0.662 lg 1.9) + ( ) + ( ) (lg 1.9) (lg 1.9) lg I a = lg I a = I a = amp Perhitungan Incident energy bus VSP-DOWNHOLE lg E n = K1 + K lg I a G lg E n = (-0.113) + (1.081 ) + ( ) lg E n = lg E n = E n = J/cm 2 E = C f E n t 610 x D x E = Perhitungan I a pada bus WHPB-DOWN lg I a = K lg I bf V G V (lg I bf ) G (lg I bf ) lg I a = (0.662 lg 7.4) + ( ) + ( ) (lg 7.4) (lg 7.4) lg I a = lg I a = I a = 4.8 amp Perhitungan Incident energy bus WHPB-DOWN lg E n = K1 + K lg I a G lg E n = (-0.113) + ( ) + ( ) lg E n = lg E n = E n = J/cm 2 E = C f E n t 610 x D x E = E = E = J/cm 2 = cal/cm B. Menghitung dengan metode kurva batas energi Dalam penggunaan metode kurva batas energi hal terpenting adalah gambar kurva category PPE. Dan untuk mendapatkan persamaan garis PPE maka digunakan persamaan dari IEEE dengan menggunakan data tipikal MCC. t = E A1 A`2 I1.081 (7) Dimana A1 = , A'2 = , dan untuk kategori 0 maka E diisi dengan 8.36 (J/cm 2 ) sesuai dengan tabel 1 kategori PPE. Maka didapatkan persamaan garis sebagai berikut, t = Ia (8) Dan untuk persamaan garis kategori selanjutnya dapat dihitung seperti kategori 0 akan tetapi E disesuaikan dengan kategori yang ingin dicari. Adapun gambar plot dari kategori 0 sampai kategori 4 untuk peralatan mcc adalah sebagai berikut E = E = E = J/cm 2 = cal/cm 2

5 5 persamaan (8) untuk kategori 0. Dan untuk kategori selanjutnya digunakan persamaan (7) dengan nilai E sesuai dengan kategori yang ingin dicari. Untuk bus MCC-WHPB kurva PPE dipotongkan dengan WHPB-FUSE. Hal tersebut karena yang melindungi bus MCC-WHPB adalah WHPB- FUSE. Gambar 2. Kurva PPE untuk 480 V Panel/MCC Pada WHPB-3E terdapat beban motor yang memiliki daya paling kecil diantara WHPB-7D dan WHPB-5A yaitu 25 HP. Adapun gambar karakteristik dari pengaman WHPB-3E yang telah dipotongkan dengan kurva category PPE dapat dilihat pada gambar 3. Gambar 4. WHPB-FUSE dengan kategori PPE Dari gambar 4 untuk bus MCC-WHPB, kategori PPE yang dipakai adalah kategori 3. Kategori PPE untuk MCC- WHPB dengan perhitungan kurva batas energi dibandingkan dengan perhitungan standart IEEE adalah sama. Dan clothing yang digunakan adalah Cotton underwear plus FR shirt and FR pants plus FR coverall, or cotton underwear plus two FR coveralls (2 or 3). Gambar 3. WHPB-3E dengan kategori PPE Dari gambar 3 untuk bus VSP-DOWNHOLE, kategori PPE yang dipakai adalah kategori 0. Kategori PPE untuk VSP-DOWNHOLE dengan perhitungan kurva batas energi dibandingkan dengan perhitungan standart IEEE adalah sama. Dan clothing yang digunakan Non-melting, flammable materials (i.e., untreated cotton), wool, rayon, silk, or blends of these materials) with a fabric weight of at least 4.5 oz/yd2 (1) Selanjutnya penentuan PPE untuk bus MCC-WHPB. Pada bus tersebut digunakan persamaan garis sesuai V. PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan hasil penggunaan metode kurva batas energi pada Conoco Philips Indonesia, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan menggunakan kurva batas energi data yang digunakan lebih sedikit dari pada menggunakan persamaan IEEE. 2. Dapat mempersingkat waktu dalam perhitungan untuk industri besar yang terdapat banyak bus. 3. Dengan menggunakan kurva batas energi tidak dapat mencari secara tepat nilai energi arc-flash akan tetapi dengan menggunakan metode tersebut dapat menentukan categori PPE. 4. Tingkat categori PPE bergantung pada seting peralatan pengaman.

6 6 B. Saran Metode kurva batas energi akan lebih bermanfaat jika di aplikasikan pada industri yang terdapat banyak bus di dalamnya. DAFTAR PUSTAKA [1] IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, IEEE Std. 1584, [2] H.W. Tinsley, III and M. Hodder, A practical approach to arc flash hazard analysis and reduction, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 1, pp , Jan./Feb [3] NFPA 70E-2000, Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces [4] Dempsey uniform, [5] Gary Zahalka, P.E. and Hugh Hoagland, ARC Flash Hazard Assessment Requirements, IEEE Transactionon, Paper no 07 C5, /07, [6] Gurevich, Vladimir, Electric Relays, Principle and Application,CRC Press, USA, Ch. 10, 2006 [7] Hewitson, L.G. Brown, Mark. Balakrisnan, Ramesh., Practical Power Sistem Protection Elsevier, 2004 [8] IEEE Std [9] Wikipedia,