JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-5
1
Studi Busur Api Listrik pada Sistem Kelistrikan Joint Operating Body Pertamina – Petrochina East Java (JOB P-PEJ), Tuban. Raditya Fahmi Bachtiar, Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. 1), Ir. Arif Musthofa, MT.2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email:
[email protected]),
[email protected] 2) Abstrak - Arc flash merupakan kejadian berbahaya yang dapat terjadi di sistem kelistrikan industri. Hal ini salah satunya dapat disebabkan oleh kesalahan sistem ataupun karena kesalahan prosedur dalam maintenance. Arc flash dapat mengakibatkan kerusakan peralatan bahkan kematian pekerja yang berada di sekitar tempat kejadian. Oleh sebab itu pengamanan terhadap hal ini sangatlah diperlukan untuk menjaga peralatan maupun pekerja di dalam dunia industri. Pada tugas akhir ini akan dilakukan studi tentang arc flash di Joint Operating Body Pertamina – Petrochina East Java (JOB P-PEJ) Tuban. Studi tersebut menghitung arc flash sesuai standar dan melakukan pengurangan incident energy melalui rekoordinasi dan penambahan peralatan proteksi bila diperlukan. Hasil dari studi ini menunjukkan bahwa kondisi eksisting memerlukan rekoordinasi karena incident energy yang dihasilkan melebihi standar. Setelah dilakukan rekoordinasi terjadi penurunan kategori dari incident energy. Kata Kunci— busur api listrik, arc flash, incident energy.
I. PENDAHULUAN
J
OB P-PEJ (Joint Operating Body Pertamina – Petrochina East Java) merupakan salah satu perusahaan yang bergerak dalam bidang perminyakan di Indonesia yang terletak di Tuban, Jawa Timur. Sebagai perusahaan, tentu saja sangatlah penting untuk menjaga keselamatan dan keamanan pekerjanya. Arc flash merupakan kejadian berbahaya yang dapat terjadi di sistem kelistrikan industri. Hal ini salah satunya dapat disebabkan oleh kesalahan sistem ataupun karena kesalahan prosedur dalam maintenance. Arc flash dapat mengakibatkan kerusakan peralatan bahkan kematian pekerja yang berada di sekitar tempat kejadian. Karena JOB P-PEJ bergerak di bidang perminyakan, tentu saja akan sangat berbahaya jika terjadi api dari arc flash. . Oleh sebab itu pengamanan terhadap hal ini sangatlah diperlukan untuk menjaga peralatan maupun pekerja di dalam dunia industri. Studi ini dilakukan di JOB P-PEJ untuk mengetahui seberapa besar energi arc flash yang dapat ditimbulkan di sistem kelistrikan. Dengan penggolongan besar energi menurut NFPA 70E akan dapat diketahui kategori yang timbul untuk menghindarkan kecelakaan kerja. Selanjutnya dilakukan tindakan memperkecil incident energy yang terjadi dengan
cara rekoordinasi sistem kelistrikan sehingga keamanan pekerja dapat lebih baik. II. BUSUR API LISTRIK (ARC FLASH) A.
Pengertian Arc Flash Arc flash atau busur api listrik adalah suatu kondisi berbahaya disertai dengan adanya pelepasan energi yang disebabkan oleh arcing listrik [1]. Arc flash dapat menghasilkan temperatur sampai 35000o F. Ketika terjadi arc flash akan ada cahaya berintensitas tinggi yang dapat merusak mata dan juga ledakan udara yang sangat panas yang dapat menyebabkan luka bakar. Selain hal itu juga terjadi ledakan suara yang sangat keras dan lelehan besi yang sangat berbahaya bagi keselamatan [3]. Fenomena arc flash dapat mengakibatkan arc blast yaitu konduktor dan udara di sekeliling busur dipanaskan dan menguap menyebabkan tekanan gelombang yang sering menyebabkan peralatan, bahan isolasi, dan struktur pendukung meledak dengan kekuatan yang mengancam kehidupan [5]. Ada beberapa hal yang menyebabkan terjadinya arc flash, diantaranya : Debu, pengaratan, binatang. Spark discharge dari sentuhan/ peralatan yang terjatuh. Kegagalan isolasi dari peralatan Kegagalan kerja peralatan pengaman Besar energi yang dihasilkan arc flash dipengaruhi beberapa hal, diantaranya adalah besar level tegangan, jarak antar konduktor, dan juga waktu kerja rele untuk mengisolasi gangguan yang terjadi [2]. B.
Perhitungan Busur Api Listrik Menggunakan Standart IEEE 1584-2002 Pada perhitungan dengan standar IEEE 1584-2002 yang harus pertama kali diketahui adalah nilai dari arcing fault. Nilai arcing fault dapat digunakan perhitungan selanjutnya. Untuk perhitungan arcing fault pada level tegangan dibawah 1000 Volt dapat diselesaikan dengan persamaan : lg = K + 0.662 lg + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg ) – 0.00304 G (lg ) .....................................(1) Untuk perhitungan arcing fault pada level tegangan diatas 1000 Volt dapat diselesaikan dengan persamaan :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-5 lg Ia = 0.00402 + 0.983 lg ….............................................(2) Lalu nilai Ia dapat diperoleh : Ia = 10 lg Ia ..............................................................................(3) Dimana : lg log10 lg Ia arus arcing (kA) K -0.153 untuk konfigurasi terbuka dan -0.097 untuk konfigurasi box lg Ibf bolted fault current pada gangguan tiga fase (kA) V tegangan sistem (kV) G jarak antar konduktor (mm) Setelah Ia (arcing current) didapatkan, selanjutnya untuk menghitung incident energy yang dipakai kembali adalah nilai dari lg Ia . Setelah nilai arcing current diketahui maka nilai dari incident energy dapat dihitung. Untuk mendapatkan besar energy yang normal, waktu arcing yang digunakan adalah 0.2 detik dan jarak dari titik arcing ke manusia sebesar 610 mm. Persamaan yang digunakan adalah : lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G ...........................(4) Dimana : En incident energy (J/cm2) normalized untuk waktu dan jarak K1 –0.792 untuk konfigurasi terbuka (no enclosure) –0.555 untuk konfigurasi box (enclosed equipment) K2 0 untuk sistem ungrounded and high-resistance grounded –0.113 untuk sistem grounded G jarak antar konduktor (mm) Setelah itu besar energi En dapat diketahui : En= 10 lgEn ...............................................................................(5) Setelah nilai En didapatkan, untuk menghitung besar energi E digunakan persamaan : E = 4.184 .................................................(6) . Dimana : E incident energy (J/cm2) Cf faktor pengali 1.0 untuk tegangan diatas 1kV, dan 1.5 untuk tegangan dibawah 1kV En incident energy normalized t waktu arcing (detik) D jarak dari kemungkinan titik arcing ke orang (mm) x jarak exponent Ketika level tegangan berada diatas 15 kV atau jarak bus tidak terdapat di tabel, maka untuk menghitung energi dapat menggunakan metode Lee.
= 2.142 10 Dimana : E V t D Ibf
............................................(7)
incident energy (J/cm2) level tegangan (kV) waktu arcing (detik) jarak dari kemungkinan titik arcing ke orang (mm) bolted fault current
2 C.
Perhitungan Flash Protection Boundary Menggunakan Standart IEEE 1584-2002 Flash protection boundary adalah batas jarak dari peralatan tanpa isolasi dengan pekerja secara langsung yang dapat mengakibatkan luka bakar tingkat 2. Perhitungan flash protection boundary dilakukan dengan persamaan : DB = 4.184
..........................................(8)
.
Dimana : DB jarak batas dari titik arcing (mm) Cf faktor pengali 1.0 untuk tegangan diatas 1kV, dan 1.5 untuk tegangandibawah 1kV En incident energy normalized EB incident energy in J/cm2 at the boundary distance t waktu arcing (detik) x jarak exponent Untuk metode Lee, flash protection boundary dapat dihitung dengan persamaan berikut : =
2,142 10
I
...........................................(9)
Dimana : DB jarak batas dari titik arcing (mm) V level tegangan (kV) Ibf bolted fault current EB incident energy in J/cm2 at the boundary distance t waktu arcing (detik) D.
Pengelompokan Besar Energi Sesuai Standart NFPA 70E - 2003 PPE (Personel Protective Equipment) merupakan pakaian atau peralatan yang didesain untuk mengendalikan risiko terhadap kesehatan dan keselamatan di tempat kerja [6]. Ini termasuk: Perlindungan mata (kaca mata pengaman) Perlindungan pendengaran (sumbat telinga, penutup telinga) Perlindungan pernapasan (alat pernapasan, masker muka, penyaring isian) Perlindungan kaki (bot pengaman) Perlindungan kepala (topi keras, helm, topi matahari) Perlindungan tubuh (pakaian yang mudah dilihat, pakaian hangat, pakaian kerja, apron, celemek, harness pengaman) Bahan yang digunakan untuk melindungi kesehatan (krim matahari) Pakaian luar (rombi reflektif, jaket fluoro). Untuk mengetahui perlindungan apa saja yang harus dibutuhkan, maka dibutuhkan standar yang digunakan untuk pengelompokannya. Dengan menggunakan standar NFPA 70E diharapkan meminimalisir kecelakaan kerja ketika pekerja bekerja di dekat peralatan kelistrikan dan juga konduktor [4].
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-5
3
Berikut adalah tabel dari NFPA 70E Table 130.7(C)(11): G .ENG GEN.G102-D
Tabel 1 Kategori Incident Energy[4] Incident Energy Required Hazard (cal/cm2) Minimum Arc Risk Rating of PPE Category From To (cal/cm2) 0 1.2 0 N/A 1.2 4.0 1 4 4.0 8.0 2 8 8.0 25.0 3 25 25.0 40.0 4 40
MV-SWGR-03 -BB-" A"-2500 A
G.ENG G.ENG G.ENG GEN GEN.G102 -C GEN.G 102-B GEN.G102- A TG101-A
GEN TG101 -B
DIESL.ENG ONAN DIESL GEN TG101 - GEN TG KBT ENG GEN C 101-D (RENTAL) GN1102
M V-SW GR-03-BB-" B"-2500A LV-SWGR- 01-3500A
Class Color
U2
Gen 1
M Bus76
M M
M
M
M
M
M
M
M
* ** *** **** *****
Bus78
M M
M
M
M
M
Gambar 1 Single line diagram JOB P-PEJ
Ket. : (*)hijau , (**)biru, (***)kuning,( ****)oranye, (*****)merah
Tabel 2 PPE (Personal Protection Equipment) [4] Hazard Perlindungan Risk Category Kemeja Lengan Panjang Celana Panjang 0 Kacamata Pengaman Sarung Tangan Peralatan yang Berisolasi Kemeja Lengan Panjang (Tahan Api) Celana Panjang (Tahan Api) Kacamata Pengaman (Tahan Api) 1 Sarung Tangan Peralatan yang Berisolasi Pelindung Kepala (Tahan Api) Pelindung Kategori 1 Pakaian Berlapis yang Terbuat dari 2 Fiber Alami Sepatu Kerja Pelindung Kategori 2 Pakaian Tahan Api 3 Pelindung Wajah Pelindung Telinga Pelindung Kategori 3 4 Flash Suit
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Pada paper ini digunakan tipikal 1 sebagai contoh. Gambar 2 dibawah adalah pemodelan sistem pengaman eksisting tipikal 1. Dimulai dari MV-SWGR-03-BB-“B”2500A sampai ke Mtr-20. Pengaman yang digunakan pada tipikal ini berupa rele R-F.1.1, R-F.1.2, CB-F.1.1, CB-F.1.2, CB-F.1.3, CB-M20. MV-SWGR-03-BB-"B"-2500A R-F.1.1 CB-F.1.1 TR-MD-C 5 MVA MV-SWGR-05 1250 A CB-F.1.2 R-F.1.2 TR-MD-C1 1.25 MVA
CB-F.1.3 BB MCC PAD C CB-M20
M
Mtr-20 320 HP
Gambar 2 Sistem Pengaman JOB P-PEJ Tipikal 1 Berikut ini adalah bentuk kurva koordinasinya:
Dengan menggunakan PPE diatas diharapkan dampak dari kecelakaan akibat arc flash berkurang. III. PEMODELAN SISTEM Sistem kelistrikan JOB P-PEJ dimodelkan dengan software ETAP 7.0 dalam bentuk single line diagram. Pada analisa arc flash ini single line diagram dibagi menjadi dua kondisi, yaitu kondisi eksisting dan juga saat sudah direkoordinasi (resetting). Selanjutnya pemodelan akan dibagi menjadi 5 tipikal. Penggunaan software ETAP untuk mendapatkan nilai dari arc flash yang terjadi. Hasil running simulasi arc flash berupa nilai boulted fault current dan juga fault clearing time. Nilai tersebut yang akan menjadi acuan perhitungan besar arc flash. Pada kondisi eksisting, semua data sistem pengaman dimodelkan sesuai dengan kondisi di lapangan. Berikut pemodelan sistem pengaman JOB P-PEJ. :
1
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-5
4
Gambar 3 Kurva Koordinasi Sistem Pengaman Tipikal 1 Hasil plot eksisting terdapat tanda lingkaran merah yang menandakan bahwa koordinasi sistem pengaman kurang tepat, yaitu: 1. Setting rele R-F.1.1 dan R-F.1.2 adalah sama. Hal ini mengakibatkan saat terjadi gangguan, rele ini akan bekerja secara bersamaan. Seharusnya rele tersebut memiliki setting yang berbeda karena mengamankan tempat yang berbeda. Setelah melihat kurva koordinasi proteksi kondisi eksisting selanjutnya dilakukan simulasi arc flash. Tabel 3 Hasil Simulasi Arc Flash Tipikal 1 BUS MV-SWGR03-BB-“B”2500A MV-SWGR05-1250A BB MCC PAD-C
Bus MV-SWGR-03-BB-“B”-2500A Mencari Ia (Arcing current) : lg Ia = 0,00402 + 0,983 lg Ibf lg Ia = 0,00402 + 0,983 lg (6,102) lg Ia = 0,776139 Ia = 10 lg (0,776139) Ia = 5,97227 kA Mencari besar Incident energy: lg En = K1 + K2 + 1,081 lg Ia + 0,0011 G lg En = (-0,555) + 0 + 1,081 (0,776139) + 0,0011 (102) lg En = 0,396206 En = 10 lg (0,396206) En = 2,490040719 J/cm2
Protection boundary (ft)
Hazard Risk Category
7.887
20.771
2
= 4,184
1.164
0.754
1.862
0
= 4,184 (1) (2,490040719 )
15.84
24.264
15.396
3
kV
Ibf (kA)
4.16
6.102
13.8 0.48
TIPIKAL 1 Incident energy (cal/cm2)
Untuk perhitungan menggunakan standar IEEE 15822003 pada bus MV-SWGR-03-BB-“B”-2500A adalah sebagai berikut:
Setelah dilakukan resetting, maka kurva koordinasi pengaman pada tipikal 1 akan menjadi seperti gambar 4 dibawah ini :
610 0,2 610 , (36 2,54 10)
0,6 0,2
,
= 21,079474 / = 21,079474 0,24 = 5,05907376 / Mencari jarak protection boundary: = 4,184
610 0,2
= 4,184 (1) (2,490040719 )
0,6 0,2
610 , 5
,
= 4012,048662 = 4,012 Untuk perbandinga hasil dari arc flash seluruh tipikal adalah sebagai berikut : Tabel 5 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 1
Gambar 4 Kurva Koordinasi Resetting Tipikal 1 Hasil dari simulasi arc flash setelah resetting adalah sebagai berikut : Tabel 4 Hasil Simulasi Arc Flash Tipikal 1 Resetting BUS MV-SWGR03-BB-“B”2500A MV-SWGR05-1250A BB MCC PAD-C
kV
TIPIKAL 1 Incident Ibf energy (kA) (cal/cm2)
Protection boundary (ft)
Hazard Risk Category
4.16
6.102
6.102
13.107
2
13.8
1.164
0.503
1.227
0
0.48
15.84
6.769
6.472
2
TIPIKAL 1 Ibf (kA) MV-SWGR-03-BBIncident energy (cal/cm2) “B”-2500A Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) MV-SWGR-05-1250A Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) BB MCC PAD-C Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 6.102 7.887 20.771 2 1.164 0.754 1.862 0 15.84 24.264 15.396 3
Resetting 6.102 5.039 13.107 2 1.164 0.503 1.227 0 15.84 6.769 6.472 2
Tabel 6 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 2 TIPIKAL 2 Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) MV-SWGR-06-2500A Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) MV-SWGR-03-BBIncident energy (cal/cm2) “A”-2500A Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 5.982 8.382 22.112 3 6.102 7.887 20.771 2
Resetting 5.982 4.931 12.817 2 6.102 5.039 13.107 2
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-5
5
Tabel 7 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 3
LV-SWGR-02BB-“B”-5000A
LV-SWGR-02BB-“A”-5000A
LV-SWGR-013500A
BUS-11.1
BUS-16-17
TIPIKAL 3 Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 51.53 98.581 39.879 >4 51.53 111.379 43.324 >4 37.67 118.795 43.14 >4 37.67 21.099 14.03 3 51.53 98.581 39.879 >4
Resetting 51.53 31.393 18.338 4 51.53 31.393 18.338 4 37.67 21.099 14.003 3 37.67 5.744 5.789 2 51.53 31.393 18.338 4
Tabel 8 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 4a TIPIKAL 4a Ibf (kA) LV-SWGR-01Incident energy (cal/cm2) 3500A Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) 2500A-MVIncident energy (cal/cm2) SWGR-02B Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 37.67 118.795 43.14 >4 3.605 1.851 4.681 1
Resetting 37.67 21.099 14.003 3 3.605 0.722 1.779 0
Tabel 9 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 4b TIPIKAL 4b Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) MCC PAD A Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) 2500A-MV-SWGR- Incident energy (cal/cm2) 02B Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 22.35 19.825 13.424 3 3.605 1.851 4.681 1
Resetting 22.35 9.233 7.990 3 3.605 0.722 1.779 0
Tabel 10 Perbandingan Arc Flash Kondisi Eksisting dan Resetting Tipikal 5
Bus76
Bus78
TIPIKAL 5 Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category Ibf (kA) Incident energy (cal/cm2) Protection boundary (ft) Hazard Category
Eksisting 35.46
Resetting 35.46
15.725
15.725
11.469 3 14.6
11.469 3 14.6
-
34.868
-
16.201 4
V. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisa arc flash di sistem kelistrikan JOB P-PEJ (Joint Operating Body Pertamina – Petrochina East Java) didapatkan kesimpulan sebagai berikut. 1. Pada kondisi eksisting sistem kelistrikan JOB P-PEJ masih terdapat kesalahan setting pengaman, tetapi untuk kategori incident energy-nya sebagian besar masih masuk dalam NFPA 70E. 2. Pada bus78 tipikal 1 eksisting, bus tanpa pengaman dapat mengakibatkan timbulnya arc flash diluar kategori menurut standar NFPA 70E. 3. Untuk memperkecil incident energy dapat dilakukan dengan cara mempercepat waktu kerja rele sehingga FCT (Fault Clearing Time) yang didapat akan kecil. 4. Koordinasi yang tepat dapat menurunkan resiko timbulnya incident energy yang besar karena fault clearing time juga akan kecil nilainya. 5. Pada sistem kelistrikan JOB P-PEJ kondisi eksisting, nilai incident energy yang terbesar terdapat pada bus LV-SWGR-01-3500A yaitu sebesar 118,795 cal/cm2 dengan hazard kategori >4 dan dapat diturunkan menjadi 21,099 cal/cm2 dengan hazard kategori 3. 6. Untuk nilai incident energy terkecil pada kondisi eksisting yaitu sebesar 0,754 cal/cm2 dengan hazard kategori 0 dan diturunkan menjadi 0,503 cal/cm 2 dengan hazard kategori 0. DAFTAR PUSTAKA [1]. IEEE
Std. 1584-2002. “Guide for Performing Arc flash Hazard Calculations”.
[2]. Timothy B.
Dugan, “Reducing The Arc flash Hazard,”IEEE Industry Application Magazine., May-June 2007
[3].
Yasser Moustafa Atwa , “Mitigating Arc-Flash Exposure,” IEEE Industry Application Magazine., July-August 2011 [4]. NFPA 70E “Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces”, 2003 Edition. [5]. Daniel Doan, George DG, Herman O.Kemp, “How to Hamper Hazards,” IEEE Industry Application Magazine., May-June 2005 [6]. “PERALATAN PELINDUNG PRIBADI,” WorkCover NSW Government. [7]. Chet Davis PE, Conrat St. Pierre, “Practical Solution Guide to Arc flash Hazards,” ESA Inc, 2003 [8]. ETAP FAQ arc flash calculations [9]. ELECTROTECHNIK, “What is a Bolted Short Circuit,” A Magazine of Electrical Engineering [10]. Daniel Doan, Jennifer Slivka, and Chris Bohrer, “A Summary of Arc flash Assessment and Safety Improvements,” IEEE Paper No. PCIC-2007-40 [11]. Ottmar D Thiele, P.E. Vernon Beachum, BSET, “Case Studies In Arc flash Reduction To Improve Safety And Productivity”
[12].
Irwin Lazar, “Electrical System Analysis and Design for Industrial Plants,” McGraw-Hill Book Company, 1980
[13].
Muhammad Nashrudin. “Studi Koordinasi Proteksi Pada Joint Operating Pertamina-Petrochina Di Tuban Akibat Integrasi Sukowati Plant..” Jurusan Teknik Elektro, Surabaya, 2013.
