1
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]
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
P
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 โ jumlah energi yang terdapat dipermukaan dengan jarak tertentu dari sumber akan menghasilkan insiden yang disebut arc flashโ [1]. Untuk perhitungan nilai arc flash dapat di hitung dengan rumus sebagai berikut: E = 4.184 ๐ถ๐ ๐ธ๐
๐ก
610 ๐ฅ
0.2
๐ท๐ฅ
(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. Nilainilai 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 ๐ธ t= (๐) (2) ๐ดโ ๐ธ๐
dimana A1 = 4.184
๐ถ๐ 0.2
610 ห
(
๐ทห
)
(3)
2
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 highresistance 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=
๐ธ A1 A`2 I1.081
(๐)
(5)
Dimana: A2= K1 + K2 + 0.0011 G Aยด2 = 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 1 2 3
N/AB 4 8 25
N/AB 16.74 33.47 104.6
Tabel 2. PPE clothing berdasarkan derajat bahaya Hazard/Risk Category 0
Clothing Description (Typical number of clothing layers is given in parentheses) 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-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 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
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 (%)
3.5 3.5
4.16 4.16
85 85
ZAN-8870-B GNet2
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 2 3 4 5 6 7 8
DPPAT1 DPPAT2 LG-T1 LG-T2 WHPB-T LG-T3 LG-T4 LO-HVAC-19JL-T LGES-1N11CL-T LGES-1N12AR LGES-1S-8 LGLTSWGR2-B LGLT-GECB LGLT-REF-B BUS-LPWHPB-3CL BUS-WHPB4K
4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV 0.48 kV
0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV 0.208 kV
1500 1500 2000 2000 500 2000 2000 30
0.48 kV
0.208 kV
15
0.48 kV
0.208 kV
45
0.48 kV 0.48 kV
0.208 kV 0.208 kV
30 10
9 10 11 12 13 14 15 16
Tabel 6. Data bus pada sistem WHPB No 1 2 3 4 5 6 7 8
ID Bus WHPB-UP WHPB-DOWN MCC-WHPB VSP-DOWNHOLE AC-DOWNHOLE JWP-DOWNHOLE BUS-LP-WHPB-3CL BUS-WHPB-4K
Tegangan (kV) 4.16 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.208 0.208
Tabel 7. Data kabel pada sistem WHPB No 1 2 3 4 5
ID Kabel WHPB-UPLGMV-1-WHPB-UP WHPB-DOWN-MCC-WHPB CABLE-VSP CABLE-AC CABLE-JWP
Panjang (FT) 16000 400 3281 3281 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. LG-9-52
LG-9-52
51
LGMV-1WHPB-UP WHPB-UP 4.16 kV
0.48 kV
0.208 kV
10
LBS-DOWN
WHPB-FUSE
0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV
0.208 kV 0.208 kV 0.208 kV
10 50
WHPB-CONTAKTOR
TIPIKAL 3 WHPB-T 500 KVA
30
TIPIKAL 2 TIPIKAL 1
WHPB-DOWN 0.48 kV
WHPB-DOWNMCC-WHPB
MCC-WHPB 0.48 kV
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 1 2 3
Transformator WHPB-T LG-T3 LG-T4
Primer 4.16 kV 4.16 kV 4.16 kV
Sekunder 0.48 kV 0.48 kV 0.48 kV
KVA 500 2000 2000
WHPB-3E
49
WHPB-7D
49
CABLE-VSP
VSPDOWNHOLE 0.48 kV
CABLE-AC
CABLE-JWP
JWPDOWNHOLE 0.48 kV
ACDOWNHOLE 0.48 kV
VSP-WHPB-3E 25 HP
WHPB-5A
49
AC-WHPB-7D 40 HP
Gambar 1. Single line diagram WHPB
JWP-WHPB-5A 100 HP
4
Tabel 7. Data beban No
ID BEBAN
RATING
1 2 3
JWP-WHPB-5A AC-WHPB-7D VSP-WHPB-3E
Perhitungan Ia pada bus WHPB-DOWN
JENIS BEBAN Motor Induksi Motor Induksi Motor Induksi
100 HP 40 HP 25 HP
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
JWP-DOWNHOLE VSP-DOWNHOLE AC-DOWNHOLE WHPB-UP MCC-WHPB WHPB-DOWN
0.48 0.48 0.48 4.16 0.48 0.48
Ia at FCT (kA) 1.6 1.3 1.3 2.2 4.9 4.8
Total Energi 2 (cal/cm ) 0.2 0.1 0.1 0.5 14.2 8.9
Hazard Category Cat 0 Cat 0 Cat 0 Cat 0 Cat 3 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) โ0.00304 G (lg Ibf) lg Ia = -0.097 + (0.662 ร lg 1.9) + (0.0966ร0.48) + (0.000526ร25) + 0.5588ร0.48ร(lg 1.9) โ 0.00304ร25ร(lg 1.9) lg Ia = -0.097 + 0.185 + 0.046 + 0.01315 + 0.07477 โ 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) + (1.081ร 0.2) + (0.0011 ร 25) lg En = - 0.555 โ 0.113 + 0.216 + 0.0275 lg En = - 0.4245 En = 0.376 J/cm2 E = 4.184 ๐ถ๐ ๐ธ๐
๐ก
610 ๐ฅ
0.2
๐ท๐ฅ
E = 4.184 ร 1.5 ร 0.376 ร
0.034 0.2
ร
610 1.641 455 1.641
37215 .7
E = 4.184 ร 1.5 ร 0.376 ร 0.17 ร 23003 .6 E = 4.184 ร 1.5 ร 0.376 ร 0.17 ร 1.6178 E = 0.633 J/cm2 = 0.2 cal/cm2
lg Ia = K + 0.662 lg Ibf + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg Ibf) โ0.00304 G (lg Ibf) lg Ia = -0.097 + (0.662 ร lg 7.4) + (0.0966ร0.48) + (0.000526ร32) + 0.5588ร0.48ร(lg 7.4) โ 0.00304ร32ร(lg 7.4) lg Ia = -0.097 + 0.57 + 0.046 + 0.0168 + 0.233 โ 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) + (1.081ร 0.6843) + (0.0011 ร 32) lg En = - 0.555 โ 0.113 + 0.7397 + 0.0352 lg En = 0.1069 En = 1.279 J/cm2 E = 4.184 ๐ถ๐ ๐ธ๐
๐ก
610 ๐ฅ
0.2
๐ท๐ฅ
0.831
E = 4.184 ร 1.5 ร 1.279 ร ร 0.2 E = 4.184 ร 1.5 ร 1.279 ร 4.155 ร 1 E = 33.35 J/cm2 = 8.004 cal/cm2
610 1.473 610 1.473
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. ๐ธ
t = A1 A`2 I1.081
(7)
Dimana A1 = 14.1755636, A'2 = 0.296824674, dan untuk 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.
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 WHPBFUSE.
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 MCCWHPB 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
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
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
B. Saran Metode kurva batas energi akan lebih bermanfaat jika di aplikasikan pada industri yang terdapat banyak bus di dalamnya. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3] [4] [5]
[6] [7] [8] [9]
IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, IEEE Std. 1584, 2002. H.W. Tinsley, III and M. Hodder, โA practical approach to arc flash hazard analysis and reduction,โ IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 1, pp. 144โ154, Jan./Feb. 2005. NFPA 70E-2000, Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces Dempsey uniform,www.dempseyuniform.com Gary Zahalka, P.E. and Hugh Hoagland, โARC Flash Hazard Assessment Requirementsโ, IEEE Transactionon, Paper no 07 C5, 1 -4244-1 002-99/07, 2007. Gurevich, Vladimir, โElectric Relays, Principle and Applicationโ,CRC Press, USA, Ch. 10, 2006 Hewitson, L.G. Brown, Mark. Balakrisnan, Ramesh., โPractical Power Sistem Protectionโ Elsevier, 2004 IEEE Std 1584-2002 Wikipedia,http://id.wikipedia.org/wiki/ConocoPhillips
