Abstrak - Sistem electric submersible pump (ESP) memiliki arus hubung singkat yang khas jika dibandingkan system pada fasilitas lain. Hal ini dikarenakan, pada sistem ESP menggunakan kabel yang panjang untuk menyalurkan daya dari bagian permukaan ke bagian dasar sumur. Panjang kabel sistem ESP menyebabkan arus hubung singkat bagian dasar sumur dengan bagian permukaan memiliki beda yang cukup besar yaitu pada lajur tipikal 3 sebesar 78.70%. Akibat perbedaan arus hubung singkat yang besar menyebabkan pengaman yang terletak dipermukaan tidak dapat mengamankan hubung singkat minimum yang terjadi didalam sumur. Sehingga diperlukan penambahan pengaman untuk mengatasi permasalahan tersebut. Pada sistem ini juga dianalisa mengenai bahaya arc flash kondisi pengaman eksisting, setelah resetting dan setelah rekomendasi penambahan pengaman. Dari analisa ketiga kondisi tersebut, kategori bahaya arc flash turun dari kategori melebihi ketentuan NFPA 70E menjadi kategori 2. Kategori bahaya arc flash digunakan untuk menentukan Personal Protective Equipment (PPE).
Kata Kunci – Arus hubung singkat, bahaya arc flash, electric submersible pump, sistem pengaman
I. PENDAHULUAN
istem Electric Submersible Pump (ESP) sering digunakan perusahaan minyak untuk memompa minyak dari dasar sumur ke permukaan. Penggerak utama sistem ESP adalah motor listrik yang terletak pada dasar sumur dengan kedalaman rata-rata lebih dari seribu meter dari permukaan. Sumber listrik dan kontrol peralatan yang terletak dipermukaan dihubungkan dengan kabel yang dimasukkan kedalam dasar sumur. Dengan panjangnya kabel penghubung, arus hubung singkat pada bus dasar sumur dengan bus permukaan memiliki beda yang besar.
Pemasangan sistem pengaman ESP harus memperhatikan ke khas-an arus hubung singkat tersebut, sehingga sistem pengaman mampu mengamankan hubung singkat dibagian dasar sumur maupun dipermukaan.
Selain itu, setting peralatan harus mampu mengamankan pekerja dari bahaya arc flash. Incident energi arc flash digunakan untuk menentukan Personal Protective Equipment (PPE) bagi pekerja. Syarat sistem pengaman
tersebut harus dipenuhi dalam sistem ESP sehingga sistem tersebut aman untuk peralatan maupun pekerja.
Metodologi yang digunakan untuk menganalisa permasalahan tersebut ditunjukkan dalam diagram alir pada gambar 1.
START
Pengumpulan Data dan Literatur Pemodelan Single Line Diagram Sistem
Simulasi dan Analisis Loadflow
Simulasi dan Analisis Hubung Singkat
Simulasi dan Analisa Koordinasi Sistem Proteksi
Sistem Koordinasi Aman?
Resetting/Add Protection
Pembuatan Laporan STOP
Tidak Ya
Simulasi Arc Flah
Bahaya Arc Flash Aman? Ya
Tidak
Gambar 1. Metodologi pelaksanaan tugas akhir
II. PENGAMAN SISTEM ESP
Electric Submersible Pump adalah pompa yang
digunakan untuk mengalirkan minyak dari dasar sumur ke permukaan dengan cara pengangkatan buatan. Peralatan ESP terdiri dari dua bagian yaitu peralatan yang terdapat pada permukaan yang terdiri dari wellhead, switchboard, transformer, dll. Sedangakn peralatan yang berada dalam sumur terdiri dari motor listrik, pelindung, intake, unit pompa dan kabel listrik serta alat penunjang lainnya.
Pengaman motor listrik pada sistem ESP menggunakan rele overload dan Low Voltage Circuit Breaker (LVCB) yang terpasang pada LOAD-BUS. Bus LOAD-BUS terletak pada permukaan tanah dengan tipe bus motor control center (MCC). LOAD-BUS terhubung pada
BUS-TRAFO-Analisa Sistem Proteksi dan Arc Flash pada
Sistem Kelistrikan Ladang Minyak
Firmansyah Rizal, I Gusti Ngurah Satriyadi Hernanda, Margo Pujiantara
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - ITS
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: firmansyahr.its@gmail.com;didit@ee.its.ac.id;margo@ee.its.ac.id
DOWN yang bertipe switchboard. Pada switchboard terdapat fuse sebagai pengaman trafo dan rele arus lebih sebagai pengaman jalur penghubung antar bus yang juga berfungsi sebagai back-up pengaman trafo. Gambar tipikal koordinasi pengaman dapat dilihat pada gambar 2.
GEN-A 3500 kW GEN-B 3500 kW BUS-GEN-A BUS-GEN-B BUS-GEN-A-MAIN-BUS BUS-GEN-B-MAIN-BUS CB1 CB 2 MAIN-BUS CB 3 MAIN-BUS-BUS-TRAFO-UP BUS-TRAFO-UP 4.16kV LBS-DOWN FUSE CONTACTOR TRAFO ESP 500 KVA BUS-TRAFO-DOWN 0.48kV BUS-TRAFO-DOWN-LOAD-BUS LOAD-BUS 0.48kV 51 51 51 LVCB 1 TRAFO-1 50kV BUS-STATIC-LOAD-1 0.208kV STATIC-LOAD-1 LVCB 2 49 49 49 CABLE-MOTOR 1 MOTOR 1-DOWNHOLE 0.48kV MOTOR 1 25 HP LVCB 3 CABLE-MOTOR 2 MOTOR 2-DOWNHOLE 0.48kV MOTOR 2 40 HP MOTOR 3 100 HP MOTOR 3-DOWNHOLE 0.48kV CABLE-MOTOR 3 LVCB 4 MOTOR-LOAD LVCB 5 TRAFO-2 50kV BUS-STATIC-LOAD-2 0.208kV STATIC-LOAD-2 = TIPIKAL 3
Gambar 2. Tipikal koordinasi pengaman
Pada gambar 2 terdapat pengaman ESP yang terdiri dari motor induksi dengan sistem pengamannnya. Data
eksisting pengaman dapat dilihat pada table 1 dan plot kurva eksisting tipikal 3 pada gambar 3.
Dari hasil plot kurva koordinasi eksisting pengaman tipikal 3 terdapat kekurang tepatan dalam mensetting rele arus lebih, fuse dan LVCB. Dari plot kurva gambar 3, fuse FUSE yang berfungsi melindungi trafo tidak tepat spesifikasinya, rele RELAY 1 yang digunakan untuk mengamankan jalur yang menghubungkan bus MAIN-BUS dengan BUS-TRAFO-UP dan juga sebagai back up pengaman trafo TRAFO ESP tidak mampu melindungi trafo dari gangguan dan LVCB 4 tidak sesuai dengan spesifikasi datasheet produk.
Resetting peralatan dibutuhkan untuk memperbaiki
kinerja peralatan sehingga mampu bekerja sesuai dengan fungsinya. Data resetting koordinasi eksisting pengaman dapat dilihat pada table 2 dan plot kurva resetting dapat dilihat pada gambar 4.
TABELI
DATAPENGAMANKONDISIEKSISTING
ID peralatan pengaman & Model Setting OL-MOTOR 3 Model: Siemens 3UF50 Type Class 10
Trip Range 50-205 Primary
Trip 118.8 Trip Amps 118.8 LVCB 4 Model: Cutler-Hummer HMCP (050K2) Size 50 Continous Amp 50 Interrupting kA 100 Trip E FUSE Model: Gould Shawmut (Ferraz) CL-14 Size 150E Countinous Amp 150 Interrupting 63 RELAY 1 Model: Basler Electric BE1-1051 CT 200/5
Curve Type C-Extremely Inverse Overcurrent
Pickup Range 0.5 – 9.99 Sec – 5A
Pickup 7.5
Time Dial 2 Instanteneous
Pickup Range 10 – 99.9 Sec – 5A
Pickup 25
Delay (Sec) 0.8
TABELII
DATAPENGAMANKONDISIRESETTING
ID peralatan pengaman & Model Setting OL-MOTOR 3 Model: Siemens 3UF50 Type Class 10
Trip Range 50-205 Primary
Trip 118.8 Trip Amps 118.8 LVCB 4 Model: Cutler-Hummer HMCP (050K2) Size 150 Continous Amp 150 Interrupting kA 100 Trip H FUSE Model: Gould Shawmut (Ferraz) CL-14 Size 65E Countinous Amp 65 Interrupting 63 RELAY 1 Model: Basler Electric BE1-1051 CT 200/5
Curve Type V1- Very Inverse Overcurrent
Pickup Range 0.5 – 9.99 Sec – 5A
Pickup 1.9
Time Dial 3.575 Instanteneous
Pickup Range 10 – 99.9 Sec – 5A
Pickup 23.75
Delay (Sec) 0.1
Gambar 4. Plot kurva resetting koordinasi eksisting pengaman tipikal 3
Dari plot kurva resetting peralatan pengaman koordinasi tipikal 3, fuse FUSE dan rele RELAY 1 mampu melindungi trafo jika terjadi ganguan. LVCB 4 sudah sesuai dengan datasheet namun jika terjadi hubung singkat
minimum didaerah downhole, LVCB 4 tidak dapat mengamankan gangguan.
III. PENGARUH PANJANG KABEL PADA SISTEM
PENGAMAN
Panjang kabel daya pada sistem ESP berkisar sampai seribu meter dan memiliki impedansi cukup besar. Jika terjadi hubung singkat pada daerah downhole arus yang dirasakan daerah permukaan jauh lebih kecil dari arus daerah downhole. Jika setting LVCB tidak tepat maka akan mengakibatkan LVCB terlambat trip atau tidak trip.
Untuk menganalisa ke khas-an arus hubung singkat tersebut, pada sumur ESP ditambahkan bus wellhead yang ditujukan untuk mengetahui arus pada bagian permukaan. Gambar 5 menunjukkan ke khas-an arus hubung singkat pada sumur ESP.
BUS-TRAFO-DOWN-LOAD-BUS LOAD-BUS 0.48kV LVCB 2 49 49 49 CABLE-MOTOR 1 MOTOR 1-DOWNHOLE 0.48kV MOTOR 1 25 HP LVCB 3 CABLE-MOTOR 2 MOTOR 2-DOWNHOLE 0.48kV MOTOR 2 40 HP MOTOR 3 100 HP MOTOR 3-DOWNHOLE 0.48kV CABLE-MOTOR 3 LVCB 4 MOTOR 3-WELLHEAD 0.48kV MOTOR 2-WELLHEAD 0.48kV MOTOR 1-WELLHEAD 0.48kV 6.48kA 1.38kA
Gambar 5. Arus hubung singkat maksimum pada sumur ESP
Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa perbedaan arus hubung singkat bus MOTOR 3-DOWNHOLE adalah 78.70% dari arus hubung singkat MOTOR 3-WELLHEAD. Panjang kabel penghubung downhole dan wellhead sangat berpengaruh pada arus hubung singkat yang dirasakan daerah permukaan. Setting peralatan pengaman harus memperhatikan ke khas-an arus hubung singkat tersebut sehingga dapat mengamankan gangguan di daerah downhole dan wellhead.
Pada koordinasi tipikal 3 terdapat ke khas-an arus hubung singkat yang tidak mampu dilindung oleh LVCB 4. Saat terjadi arus hubung singkat minimum arus yang mengalir pada bus downhole adalah 1.054kA. Sedangkan minimal clearing time LVCB 4 adalah 1.189 kA, sehingga LVCB 4 tidak dapat mengamankan arus hubung singkat.
Selain itu diperlukan pengaman tambahan untuk mengamankan saluran BUS-TRAFO-DOWN-LOAD-BUS sehingga jika ada gangguan pada bus LOAD-BUS dapat diamankan dengan cepat. Pengaman tersebut juga berfungsi
sebagai pengaman trafo, menurunkan bahaya arc flash dan sebagai back up untuk pengaman pada beban.
Sebagai rekomendasi, rele arus lebih (RELAY 2) dan LVCB baru dipasang pada bus BUS-TRAFO-DOWN. Sedangkan rele arus lebih tambahan untuk hubung singkat bus MOTOR 3-DOWNHOLE (RELAY 3) dipasang pada bus LOAD-BUS pada lajur MOTOR 3. Spesifikasi pengaman tambahan dapat dilihat pada tabel 3 dan plot
kurva penambahan pengaman dapat dilihat pada gambar 6.
TABELIII
DATAPENAMBAHANPENGAMAN ID peralatan pengaman & Model Setting RELAY 2 Model: Basler Electric BE1-1051 CT 1500/5
Curve Type V1- Very Inverse Overcurrent
Pickup Range 0.1 – 3.2 Sec – 1A
Pickup 2.205
Time Dial 3.48 Instanteneous
Pickup Range 0.5 – 9.99 Sec – 5A
Pickup 3.4 Delay (Sec) 0.3 RELAY 3 Model: Basler Electric BE1-1051 CT 1500/5 Instanteneous
Pickup Range 0.1 – 9.99 Sec – 1A
Pickup 3
Delay (Sec) 0.1
Gambar 6. Plot kurva rekomendasi pada lajur motor JWP-WHPB-5A
Dengan penambahan pengaman, arus hubung singkat minimum pada bus MOTOR 3-DOWNHOLE dapat diamankan dalam waktu 0.1 detik. Sedangkan jika terjadi hubung singkat minimum pada bus LOAD-BUS dan bus BUS-TRAFO-DOWN dapat diamankan dalam waktu 0.3 detik.
IV. BAHAYA ARC FLASH
Bahaya arc flash adalah adalah kondisi bahaya yang berhubungan dengan lepasnya energy akibat electric arc[3].
Electric arc terjadi jika terjadi hubung singkat listrik antara
konduktor yang beraliran listrik dengan ground atau konduktor dengan konduktor lain yang beraliran listik.
Bahaya yang dihasilkan oleh arc flash dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan dan cedera parah pada orang yang berada dekat dengan ledakan. Beberapa cedera yang disebabkan oleh arc flash adalah kehilangan pendengaran, patah tulang, luka bakar, kematian, gagar otak, kebutaan sementara, luka bakar jaringan paru-paru.
Untuk menghitung besarnya incident energy digunakan rumus berikut:
Pertama kali digunakan log10 normalized. Persamaan
ini berdasarkan data normalized untuk waktu arcing yaitu 0.2 detik dan jarak dari titik arcing ke orang yaitu 610 mm.
lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G (1)
dimana:
En = incident energy (J/cm2) normalized untuk waktu dan jarak
K1 = –0.792 untuk konfigurasi terbuka (no enclosure) dan –0.555 untuk konfigurasi box (enclosed equipment) K2 = 0 untuk sistem ungrounded and high-resistance grounded
–0.113 untuk sistem grounded
G = gap antara conductors (mm) lg Ia = arus arcing (kA)
Selanjutnya.
En = 10lgEn (2)
Selanjutnya diconvert dari kondisi normalized
E = x x n f D t E C 610 2 . 0 184 . 4 (3) Dimana: E = incident energy (J/cm2) Cf = factor pengali
1.0 untuk tegangan diatas 1kV, dan 1.5 untuk tegangandibawah 1kV t = waktu arcing (detik)
D = jarak dari kemungkinan titik arcing ke orang (mm) x = jarak exponent
Pada studi kasus ladang minyak ini dianalisa bahaya
arc flash saat kondisi eksisting, resetting dan penambahan
rele.
1. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi eksisting
TABELIV
DATAARCFLASHKONDISIEKSISTING
ID kV (kV) Ia at FCT (kA) Total Energy (cal/cm²) Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category MOTOR 1-DOWNHOLE 0.48 1.284 0.065 0.25 Cat 0 MOTOR 2-DOWNHOLE 0.48 1.331 0.076 0.28 Cat 0 MOTOR 3-DOWNHOLE 0.48 1.582 27.868 10.19 Cat 4 LOAD-BUS 0.48 4.803 148.035 28.21 > Cat 4 BUS- TRAFO-DOWN 0.48 4.906 86.583 36.52 > Cat 4 BUS-TRAFO-UP 4.16 2.195 1.216 3.04 Cat 1
Terdapat dua bus yang memiliki kategori melebihi batas dari yang diijinkan yaitu bus LOAD-BUS dan BUS-TRAFO-DOWN. Hal ini sangat berbahaya bagi pekerja jika terjadi hubung singkat, jika kategori bahayanya melebihi 4 karena menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa “Total
energy 40-100 cal/cm2: Most work should be done by remote or not at all. NFPA 70E tables do not address PPE for these levels. Arc Blast can become the major issue here. Suits are designed to take the thermal portion of arcs with <8 kA fault current. >8kA should use extreme caution[5].”
Oleh sebab itu sistem harus dikoreksi lagi sehingga
hazard category tidak melebihi batas yang diperbolehkan.
2. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi resetting
TABELV
DATAARCFLASHKONDISIRESETTING
ID kV (kV) Ia at FCT (kA) Total Energy (cal/cm²) Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category MOTOR 1-DOWNHOLE 0.48 1.284 0.065 0.25 Cat 0 MOTOR 2-DOWNHOLE 0.48 1.331 0.102 0.33 Cat 0 MOTOR 3-DOWNHOLE 0.48 1.582 27.868 10.19 Cat 4 LOAD-BUS 0.48 4.803 14.193 6.76 Cat 3 BUS- TRAFO-DOWN 0.48 4.906 8.926 7.81 Cat 3 BUS-TRAFO-UP 4.16 2.195 0.522 1.27 Cat 0
Dari data table resetting koordinasi proteksi diatas, dapat diketahui ada perbaikan dalam bahaya arc flash yang mungkin dialami oleh pekerja. Dari yang sebelumnya terdapat kategori yang melebihi standart menjadi kategori 3. Untuk kategori 3 ini menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa
“10-20 cal/cm2: Blue Jeans will ignite and continue to burn, All commercial non-FR winter jacket shells will ignite and continue to burn, Most lightweight FR shirts will prevent burns if a cotton underlayer is worn. Faceshields with balaclava hoods reach their limit based on the faceshield limits. [5].“
3. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi penambahan rele arus lebih
TABELVI
DATAARCFLASHKONDISIPENAMBAHANRELE
ID kV (kV) Ia at FCT (kA) Total Energy (cal/cm²) Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category MOTOR 1-DOWNHOLE 0.48 1.284 0.065 0.25 Cat 0 MOTOR 2-DOWNHOLE 0.48 1.331 0.102 0.33 Cat 0 MOTOR 3-DOWNHOLE 0.48 1.582 0.565 0.95 Cat 0 LOAD-BUS 0.48 4.803 4.884 3.53 Cat 2 BUS- TRAFO-DOWN 0.48 4.906 3.172 3.87 Cat 1 BUS-TRAFO-UP 4.16 2.195 0.522 1.27 Cat 0
Dari data rekomendasi penambahan pengaman didapatkan hasil kategori bahaya 3 turun menjadi kategori 2. Untuk kategori 2 ini menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa “Total energy 2-6 cal/cm2: Most non-FR cotton
shirt materials will ignite and cause life threatening injuries (basically a 50% probability of death if a shirt ignites and burns off of a worker). Light weight FR shirts will prevent most skin burns and will not ignite Additional face protection is required by NFPA 70E based on task. [5].”
V. PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan analisis, terdapat beberapa permasalahan
setting eksisting sistem pengaman yang menyebabkan
pengaman tidak berfungsi sebagaimana fungsinya, oleh karena itu perlu dilakukan resetting untuk memperbaiki kinerja sistem pengaman.
Panjang kabel pada sistem ESP menyebabkan arus hubung singkat daerah DOWNHOLE jauh lebih kecil dari daerah WELLHEAD dan menyebabkan LVCB 4 tidak dapat mengamankan arus hubung singkat minimum pada
daerah DOWNHOLE, sehingga direkomendasikan untuk menambahkan pengaman tambahan.
Dari analisa arc flash kondisi eksisting, terdapat kategori
incident energy yang melebihi standart NFPA 70E sehingga
membahayakan pekerja. Setelah dilakukan resetting sistem pengaman, incident energy turun menjadi kategori 3 dan memenuhi standart NFPA 70E. Penambahan rele arus lebih pada sistem menyebabkan incident energy turun menjadi kategori 2 dengan nilai total energi 2-6 cal/cm2.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Hewitson, L.G. Brown, Mark. Balakrisnan, Ramesh., “Practical
Power System Protection” Elsevier, 2004
[2] Arindya, R, “Penggunaan Electric Submersible Pump (ESP) pada
sumur minyak bumi”, Buku Pintar Migas Indonesia.
[3] IEEE Std 1584-2002, “IEEE Guide for Performing Arc-Flash
Hazard Calculations”, The Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc., New York, 2002
[4] IEEE std 242-2001, “IEEE Recommended Practice for Protection
and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems”,
The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, 2001, Ch. 15.
[5] Gary Zahalka, P.E. and Hugh Hoagland, “ARC Flash Hazard Assessment Requirements”, IEEE Transactionon, Paper no 07 C5, 1 -4244-1 002-99/07, 2007.
[6] X. Liang and J. Lim, “Power Systems Protection in an Oil Field Distribution System”, Industry Applications, IEEE Transactions on , Vol. 46, pp. 340-348, 2010.
[7] NFPA 70E, “Electrical Safety Requirements for Employee
