Abstrak - Teknik analisis penyederhanaan nilai untuk perlindungan diri (PPE) terhadap busur api berdasarkan IEEE Std. 1584-2002 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
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 35.000 derajat
fareinhet[1], dengan suhu seperti itu dapat menyebabkan tembaga memuai 67.000 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 1.584 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 1.584 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 = 4.184 𝐶𝑓𝐸𝑛 0.2𝑡 610
𝑥
𝐷𝑥 (1)
Dimana E adalah nilai inciden energi (J/cm2), Cf factor
pengali (1.0 untuk tegangan diatas 1kV dan 1.5 untuk
tegangan di bawah 1kV ), En 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 Cf dan x akan bernilai
konstan karena akan menjadi nilai default untuk D. Nilai-
nilai En dan t akan bervariasi tergantung dari peralatan
pengaman arus lebih yang terdapat di lokasi. Nilai En 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
t
=
𝐴₁ 𝐸𝑛𝐸 (𝑆) (2) dimana A1 = 4.184 𝐶𝑓 0.2 ( 610 ˟ 𝐷 ˟ ) (3)Penyederhanaan Perhitungan Nilai Arc-Flash
Dengan Menggunakan Metode Kurva Batas
Energi
Budianto Harry Prasetio, Margo Pujiantara, I Made Yulistya Negara
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - ITS
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail:
[email protected]
;
[email protected]
;
[email protected]
lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G (4) Dimana En incident energi normal (J/cm2) untuk jarak dan waktu, K1 adalah konstanta untuk konfigurasi peralatan (-0.792 untuk konfigurasi terbuka dan -0.555 untuk konfigurasi box), K2 adalah konstanta untuk sistem pentanahan (0 untuk sistem ungrounded atau high-resistance grounded dan -0.113 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 Ia. dari persamaan (4) dan (2)
dengan ketentuan Ia sama,maka didapat persamaan sebagai
berikut t = 𝐸 A1 A`2 I1.081 (𝑆) (5) Dimana: A2= K1 + K2 + 0.0011 G A´2 = 10A2
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/cm2) PPE Minimum Arc Rating (j/cm2)
0 N/AB N/AB
1 4 16.74
2 8 33.47
3 25 104.6
Tabel 2. PPE clothing berdasarkan derajat bahaya
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-2004. 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 1.584 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 masing-masing 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
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
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 3.5 4.16 85 GNet2 3.5 4.16 85 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 DPPAT1 4.16 kV 0.48 kV 1500 2 DPPAT2 4.16 kV 0.48 kV 1500 3 LG-T1 4.16 kV 0.48 kV 2000 4 LG-T2 4.16 kV 0.48 kV 2000 5 WHPB-T 4.16 kV 0.48 kV 500 6 LG-T3 4.16 kV 0.48 kV 2000 7 LG-T4 4.16 kV 0.48 kV 2000 8 LO-HVAC-1-9JL-T 0.48 kV 0.208 kV 30 9 LGES-1N-11CL-T 0.48 kV 0.208 kV 15 10 LGES-1N-12AR 0.48 kV 0.208 kV 45 11 LGES-1S-8 0.48 kV 0.208 kV 30 12 LGLT-SWGR2-B 0.48 kV 0.208 kV 10 13 LGLT-GEC-B 0.48 kV 0.208 kV 10 14 LGLT-REF-B 0.48 kV 0.208 kV 10 15 BUS-LP-WHPB-3CL 0.48 kV 0.208 kV 50 16 BUS-WHPB-4K 0.48 kV 0.208 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 0.48 kV 500
2 LG-T3 4.16 kV 0.48 kV 2000
3 LG-T4 4.16 kV 0.48 kV 2000
Tabel 6. Data bus pada sistem WHPB
No ID Bus Tegangan (kV) 1 WHPB-UP 4.16 2 WHPB-DOWN 0.48 3 MCC-WHPB 0.48 4 VSP-DOWNHOLE 0.48 5 AC-DOWNHOLE 0.48 6 JWP-DOWNHOLE 0.48 7 BUS-LP-WHPB-3CL 0.208 8 BUS-WHPB-4K 0.208
Tabel 7. Data kabel pada sistem WHPB
No ID Kabel Panjang (FT) 1 WHPB-UPLGMV-1-WHPB-UP 16000 2 WHPB-DOWN-MCC-WHPB 400 3 CABLE-VSP 3281 4 CABLE-AC 3281 5 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. 51 49 49 49 LG-9-52 WHPB-UP 4.16 kV WHPB-DOWN 0.48 kV MCC-WHPB 0.48 kV LGMV-1-WHPB-UP LBS-DOWN WHPB-FUSE WHPB-CONTAKTOR WHPB-T 500 KVA WHPB-DOWN-MCC-WHPB WHPB-3E CABLE-VSP VSP-DOWNHOLE 0.48 kV VSP-WHPB-3E 25 HP WHPB-7D CABLE-AC WHPB-5A CABLE-JWP JWP-WHPB-5A 100 HP AC-WHPB-7D 40 HP AC-DOWNHOLE 0.48 kV JWP-DOWNHOLE 0.48 kV LG-9-52 TIPIKAL 3 TIPIKAL 2 TIPIKAL 1
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/cm2) Hazard Category JWP-DOWNHOLE 0.48 1.6 0.2 Cat 0 VSP-DOWNHOLE 0.48 1.3 0.1 Cat 0 AC-DOWNHOLE 0.48 1.3 0.1 Cat 0 WHPB-UP 4.16 2.2 0.5 Cat 0 MCC-WHPB 0.48 4.9 14.2 Cat 3 WHPB-DOWN 0.48 4.8 8.9 Cat 3
Perhitungan Ia pada bus VSP-DOWNHOLE dengan
std IEEE 1584 lg Ia = K + 0.662 lg Ibf + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg Ibf) –0.00304 G (lg Ibf) lg Ia = -0.097 + (0.662 × lg 1.9) + (0.0966×0.48) + (0.000526×25) + 0.5588×0.48×(lg 1.9) – 0.00304×25×(lg 1.9) lg Ia = -0.097 + 0.185 + 0.046 + 0.01315 + 0.07477 – 0.0212 lg Ia = 0.2 Ia = 1.585 amp
Perhitungan Incident energy bus VSP-DOWNHOLE
lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G lg En = - 0.555 + (-0.113) + (1.081× 0.2) + (0.0011 × 25) lg En = - 0.555 – 0.113 + 0.216 + 0.0275 lg En = - 0.4245 En = 0.376 J/cm2 E = 4.184 𝐶𝑓𝐸𝑛 0.2𝑡 610 𝑥 𝐷𝑥 E = 4.184 × 1.5 × 0.376 × 0.034 0.2 × 6101.641 4551.641 E = 4.184 × 1.5 × 0.376 × 0.17 × 37215 .7 23003 .6 E = 4.184 × 1.5 × 0.376 × 0.17 × 1.6178 E = 0.633 J/cm2 = 0.2 cal/cm2
Perhitungan Ia pada bus WHPB-DOWN
lg Ia = K + 0.662 lg Ibf + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg Ibf) –0.00304 G (lg Ibf) lg Ia = -0.097 + (0.662 × lg 7.4) + (0.0966×0.48) + (0.000526×32) + 0.5588×0.48×(lg 7.4) – 0.00304×32×(lg 7.4) lg Ia = -0.097 + 0.57 + 0.046 + 0.0168 + 0.233 – 0.0845 lg Ia = 0.6843 Ia = 4.8 amp
Perhitungan Incident energy bus WHPB-DOWN
lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G lg En = - 0.555 + (-0.113) + (1.081× 0.6843) + (0.0011 × 32) lg En = - 0.555 – 0.113 + 0.7397 + 0.0352 lg En = 0.1069 En = 1.279 J/cm2 E = 4.184 𝐶𝑓𝐸𝑛 0.2𝑡 610 𝑥 𝐷𝑥 E = 4.184 × 1.5 × 1.279 × 0.831 0.2 × 6101.473 6101.473 E = 4.184 × 1.5 × 1.279 × 4.155 × 1 E = 33.35 J/cm2 = 8.004 cal/cm2
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 1584-2002 dengan menggunakan data tipikal MCC.
t =
𝐸A1 A`2 I1.081
(7)
Dimana A1 = 14.1755636,
A'2 = 0.296824674, danuntuk kategori 0 maka E diisi dengan 8.36 (J/cm2) sesuai
dengan tabel 1 kategori PPE. Maka didapatkan persamaan garis sebagai berikut,
t = 0.7198 Ia-1.081 (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.
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 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 1.584 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
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 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 1.584
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).
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.
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, 2002.
[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. 144–154, Jan./Feb. 2005.
[3] NFPA 70E-2000, Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces
[4] Dempsey uniform,www.dempseyuniform.com
[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] 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 1584-2002
