20

BAB III

PERACANGAN DAN SISTEM

Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan Sistem

Untuk melakukan penelitian perencanaan reduksi bahaya arc flash pada

sistem kelistrikan pabrik indarung VI PT. Semen padang, dapat dilakukan dengan

beberapa langkah seperti digambarkan dalam diagram alir berikut ini :

START

Pengumpulan Data dan Literatur

Pemodelan Single Line Diagram Sistem pada software ETAP

Simulasi dan analisis Hubung Singkat

Simulasi dan Analisis Koordinasi Sistem Proteksi

Sistem Koordinasi Aman ? Resetting /Add ProtectionTidak

Simulasi Arc Flash

Ya

Bahaya Arc Flash Aman ?Tidak

Pembuatan Laporan

Ya

STOP

Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir

21

Sistem Kelistrikan

Sistem kelistrikan di pabrik indarung VI PT. Semen Padang memiliki

sistem kelistrikan yang cukup kompleks dan sangat besar yang terhubung dengan

tegangan 150kV dari PLN. Sistem pendistribusian tenaga listik yang digunakan

adalah sistem distribusi radial. Tegangan listrik di distribusikan ke seluruh beban

melalui 3 unit trafo daya step down 150/6.3 kV dengan kapasitas masing-masing

trafo 30/35 MVA (ONAN/ONAF). Sistem distribusi tersebut terintegrasi, daya dari

suplai PLN di 150 kV disalurkan ke beban (substation) di Pabrik Indarung VI

melalui beberapa kabel tanah di 6.3 kV dan 20 kV (khusus untuk SS 268 PIT Limit

Tambang). Bus incoming PLN pada jaringan distribusi sistem tenaga listrik Pabrik

Indarung VI menggunakan level tegangan 150 kV, kemudian level tegangan

tersebut diturunkan menjadi 6.3 kV oleh trafo step down 150/6.3 kV untuk melayani

beban medium voltage. Selanjutnya, level tegangan diturunkan menjadi level

tegangan rendah 0.4 kV untuk melayani beban tegangan rendah.

Beban di Pabrik Indarung VI di bagi atas 3 kelompok dengan MVA

hubung singkat feeder PLN sebesar 2259.29 MVAsc. Data trafo dan pembebanan

dapat di lihat pada tabel 3.1, 3.2 dan 3.3

Tabel 3.1 Pembebanan Trafo Pada Gardu Induk 1

ID Substation dan Transformer

Tegangan

(KV)

Kapasitas (MVA)

Loading (Input)

Loading (Output)

MVA % MVA %

Trafo TRF 1 150/6.3 30 20.955 59.9 20.487 58.5

SS 158 LSC, SILICA-1:

6A1Q211T1 6.3/0.4 2 1.277 63.8 1.271 63.6

6C1Q211T1 6.3/0.4 1.6 1.229 61.4 1.214 60.7

SS 348 RAW MILL DRIVE:

6R1Q212T1 6.3/0.4 1.6 1.266 79.1 1.252 78.2

SS 348 RAW MILL (ID FAN):

6R1S01T1 6.3/0.7 0.8 0.309 38.7 0.307 38.4

22

Tabel 3.2 Pembebanan Trafo Pada Gardu Induk 2

ID Substation dan Transformer

Tegangan

(KV)

Kapasitas (MVA)

Loading (Input)

Loading (Output)

MVA % MVA %

Trafo TRF 2 150/6.3 30 16.684 47.7 16.417 46.9

SS 428 BHF & KILN FEED:

6J1P45T1 6.3/6.3 1.725 0.968 56.1 0.474 27.5

6J1P45T2 6.3/6.3 1.725 0.968 56.1 0.474 27.5 6W1Q221T1 6.3/0.4 2 1.616 80.8 1.569 78.5

6W1Q221T2 6.3/0.4 2 1.235 61.7 1.222 61.1

SS 448 COOLER:

6U1Q222T1 6.3/0.7 5.3 1.914 36.1 0.948 17.9

6U1Q222T2 6.3/0.4 2 1.356 67.8 1.335 66.7 SS 731 CCR:

6W1W03T1 6.3/0.7 1.5 0.443 29.5 0.219 14.6

6J1T01T1 6.3/6.3 1.725 0.958 55.5 0.469 27.2

6J1T01T2 6.3/6.3 1.725 0.958 55.5 0.469 27.2

6J1T03T1 6.3/6.3 1.725 0.958 55.5 0.469 27.2

6J1T03T2 6.3/6.3 1.725 0.958 55.5 0.469 27.2

6X1Q223T1 6.3/0.4 2 0.937 46.9 0.934 46.7 SS 468 COALMILL & RAWCOAL:

Trafo 6.3/0.7 0.63 0.161 25.6 0.157 24.9

6K1Q224T1 6.3/0.4 1.6 0.870 54.4 0.863 53.9 Tabel 3.3 Pembebanan Trafo Pada Gardu Induk 3

ID Substation dan Transformer

Tegangan

(KV)

Kapasitas (MVA)

Loading (Input)

Loading (Output)

MVA % MVA %

Trafo TRF 3 150/6.3 30 21.67 61.9 21.09 60.2

SS 548.1 CEMENT:

6Z1P48T1 6.3/6.3 2.1 1.262 60.1 0.617 29.4

6Z1P48T2 6.3/6.3 2.1 1.262 60.1 0.617 29.4

6Z1S01T1 6.3/0.7 0.5 0.096 19.2 0.094 18.8

6Z1Q231T1 6.3/0.4 2 1.781 89.0 1.720 86.0

SS 538 ADDITIVE STORAGE & CLINKER INTAKE:

6G1Q23T1 6.3/0.4 1.6 1.003 62.7 0.987 61.7

SS 628 CEMENT SILOS & KLINKER TRANSPORT :

6N1Q233T1 6.3/0.4 2 0.432 21.6 0.428 21.4

GARDU INDUK INDARUNG IV:

6S1Q234T1 6.3/20 10 6.647 66.5 6.545 65.4

SS 268 PIT LIMIT TAMBANG:

6A1Q234T1 20/6.3 10 6.534 65.3 6.473 64.7

23

6A1Q234T2 6.3/0.4 2 0.771 38.5 0.760 38.0

6A1Q234T3 6.3/0.4 2 0.908 45.4 0.903 45.1

Distr Trafo Mosher II 6.3/0.4 2 0.891 44.5 0.884 44.2

Tabel 3.4 Tabulasi pembebanan SS pada setiap gardu induk 150/6.3 kV

Transformer Substation Loading (MW)

SS 158 LSC, SILICA, -1 2.475 SS 348 RAW MILL DRIVE 9.076 SS 348 RAW MILL (ID-FAN) 8.175

Subtotal 19.726

SS 428 BHF & KILN FEED 4.627 SS 428 COOLER 3.213 SS 731 CCR 4.917 SS 468 COALMILL & RAWCOAL 3.142

Subtotal 15.899

SS 548.1 CEMENT MILL 1: 8.655

SS 628 CEMENT SILOS & CLINKER TRANSPORT 0.987

SS 268 ADDITIVE STORAGE CLINKER INTAKE 0.424

SS 548.2 CEMENT MILL 2 1.699 SS 268. PIT LIMIT TAMBANG 6.472 INTERCONNECTION 1.699

Subtotal 19.936

TOTAL 55.561

Single Line Diagram

Pemodelan sistem kelistrikan pabrik indarung VI PT. Semen Padang

dilakukan dengan cara membuat single line diagram pada software ETAP 12.6.0.

menggunakan standar Interanational Electrotechnical Comission (IEC). Dalam

memodelkan SLD dibutuhkan beberapa data peralatan, yaitu trafo,generator, motor,

bus, rele, beban statik dan beban dinamik. Didalam sistem kelistrikan pabrik

indarung VI PT. Semen Padang di bagi berdasarkan gardu induk 1, garduk induk 2

dan gardu induk 3, setiap gardu memiliki beban yang bervariasi. Berikut rancangan

SLD pada masing-masing gardu induk.

24

Gambar 3.2 Single Line Diagram Gardu Induk 1

25

Gambar 3.3 Single Line Diagram Gardu Induk 2

Gambar 3.4 Single Line Diagram Gardu Induk 3

26

Gambar 3.5 Single Line Diagram Sederhana

Analisis Hubung Singkat (short circuit)

Dalam melakukan analisis short circuit pada software ETAP 12.6.0, dapat

dilakukan dengan menggunakan opsi short-circuit analysis pada menu toolbar.

Gambar 3.6 Menu Toolbar Software ETAP 12.6.0

Analisis ini digunakan untuk menentukan setting rele arus lebih, terdapat 2

parameter yang digunakan dalam penyetelan arus lebih, yaitu arus hubung singkat

maksimum dan arus hubung singkat minimum 30 cycle.

Perlu diperhatikan dalam analisis short circuit adalah lokasi terjadinya hubung

singkat, dalam tugas akhir ini analisis short circuit di berlakukan untuk switchgear

tegangan medium voltage 6.3 kV.

27

Pada simulasi short-circuit analysis dilakukan 2 skenario yaitu Run-3 Phase, LG,

LL, LLG (12 � cycle) untuk mengetahui nilai arus hubung singkat maksimum dan

Run-3 phase, LG, LL, LLG (30 cycle) untuk mengetahui nilai arus hubung singkat

minimum.

Hasil simulasi hubung singkat dapat dilihat pada Tabel 3.5 di bawah ini

Tabel 3.5 Data Hubung Singkat Maksimum dan Minimum

No BUS

Isc MAX 1/2 Cycle

Isc MIN 30 Cycle

ID kV A A

1 HDTB 6EQ211 (SS 158) 6.3 17.41 KA 13.5 KA

2 HDTB 6R1Q212 (SS 348.1) 6.3 26.05 KA 16.68 KA

3 HDTB 6R1Q213 (SS 348.2) 6.3 25.49 KA 16.68 KA

4 HDTB 6W1Q221 (SS 428) 6.3 15.46 KA 13.5 KA

5 HDTB 6U1Q222Q1 (SS 448) 6.3 14.97 KA 13.5 KA

6 HDTB 6K1Q224 (SS 468) 6.3 16.14 KA 13.5 KA

7 HDTB 6X1Q223 (SS 731) 6.3 15.2 KA 13.5 KA

8 HDTB 6Z1Q231 (SS 548) 6.3 22.45 KA 16.68 KA

Penyetelan Rele Proteksi Arus Lebih Kondisi Eksiting

Rele-rele yang digunakan pada sistem kelistrikan di pabrik indarung VI

berbeda-beda tergantung fungsi dan letaknya. Untuk feeder Penyetelan rele harus

mempertimbangkan kecepatan dan selektivitas kerja dari setiap rele pada masing-

masing daerah kerjanya. Pada dasarnya rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman

gangguan hubung singkat, tetapi dalam beberapa hal dapat berfungsi sebagai

pengaman beban lebih. Berikut adalah beberapa langkah penyetelan arus lebih :

1. Langkah awal mencari arus nominal (In) :

In = ���

√�×�� ................................................................................................ (3.1)

2. Kemudian mencari arus yang mengalir pada sekunder CT.

Is = ���

�� × ��........................................................................................... (3.2)

Dimana :

Kfk : 1.2 (setting inverse)

: 1.1 (setting definite)

Kd : 1.0 (setting inverse)

28

: 0.7-0.9 (setting inverse)

TAP = Is × �

�� ........................................................................................ (3.3)

3. Menentukan time multiplier setting dengan selisih waktu (∆�) 0.1-0.9 detik.

M = t ....................................................................................................... (3.4)

4. Kemudian langkah terakhir menentukan time dial pada rele :

t = ��.� × ��

���� ���

���

� � �

Td = � �

��� ���

���

� � �

��.� .................................................................................. (3.5)

(very inverse time dial)

Berikut adalah data penyetelan rele pada bus medium voltage 6.3 kV

sebelum kondisi resetting pada sistem kelistrikan pabrik indarung VI.

Tabel 3.6 Data Setelan Rele Eksiting

Pickup Range Pickup Time Dial

Nama Incoming 158-1

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 348.1

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 348.2

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 428-1

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 448

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 468

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 731

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

Nama Incoming 548

Manufacture Siemens

Model 7SJ62

No CT RatioRele ID

600/5 0.5 -20 sec - 5A 3.54 0.4

5

2000/5 0.5 -20 sec - 5A 3

1

2 2000/5 0.5 -20 sec - 5A 3.75 0.4

3

4

6

7

8

0.4

1000/5 0.5 -20 sec - 5A 5 0.4

4.5 0.4

1000/5 0.5 -20 sec - 5A 3 0.4

1000/5 0.5 -20 sec - 5A

2000/5 0.5 -20 sec - 5A 4 0.4

2000/5 0.5 -20 sec - 5A 4 0.4

29

Studi Analisis Arc Flash

Tujuan dari studi analisis arc flash adalah untuk mengetahui nilai incident

energy saat terjadi fenomena arc flash.

Pada software ETAP ada dua pilihan untuk melakukan perhitungan

analisis arc flash yaitu :

Menggunakan quick incident energi calculator untuk analisis 1 bus

Menggunakan running a global AF calculation untuk semua bus

3.6.1 Quick Incident Energy Calculator

Berdasarkan standar perhitungan energi arc flash IEEE 1584, salah satu

parameter dalam perhitunagn arc flash ialah gap dan x-faktor dimana x-faktor

sebagai pengali dalam perhitungan energi arc flash dan gap merupakan jarak antar

konduktor.

Jarak antar konduktor ini ditentukan oleh tegangan dan tipe bus itu sendiri, ada

beberapa tipe bus antara lain : MCC, switchgear, switchboard, panel board dan

open air. Sehingga dalam melakukan analisis diharuskan memilih tipe bus

kemudian menetukan gap/jarak antar konduktor dengan cara memilih typical data

yang berada pada tampilan bus editor seperti pada gambar 3.7

Gambar 3.7 Menu Bus Editor

30

Kemudian selanjutnya menetukan working distance atau jarak kerja,

dimana working distance didefiniskan sebagai jarak tubuh pekerja dengan peralatan

bertegangan, biasanya pada tegangan rendah working distance adalah 18 inci.

Kemudian menetukan konfigurasi grounding peralatan bertegangan dan fault

clearing time (FCT), fault clearing time merupakan waktu kerja sebuah peralatan

pengaman dimana FCT ini menjadi parameter penting untuk menetukan nilai dari

arc flash. Langkah untuk menentukan nilai-nilai working distance, konfigurasi

grounding dan fault clearing time pada tampilan yang sama bus editor menuju tab

arc flash dan beralih pada user-defined seperti pada gambar 3.8

Gambar 3.8 Tab Arc Flash Bus Editor

3.6.2 Running a Global AF Calculation

Bagian sebelumnya telah menjelaskan cara cepat untuk melakukan

skenario analisis arc flash, namun hal ini tidak efisien apabila diperbelakukan untuk

31

bus yang berjumlah banyak, sehingga untuk terhindar dari kesalahan input data

analisis digunakan cara kedua yaitu running a global AF calculation.

Langkah pertama dengan memilih toolbar short-circuit analysis dilanjutkan dengan

edit study case dan kemudian mengatur konfigurasi seperti pada gambar 3.9

Gambar 3.9 Study Case AF Data

Langkah kedua menetukan metode perhitungan arc flash, dalam tugas akhir ini

digunakan metode perhitungan IEEE 1584 sehingga pada opsi dipilih metode yang

sesuai dan menentukan nilai fault clearing time, pada opsi ini terdapat 2 pilihan

yaitu auto select dimana nilai FCT akan mengacu pada setingan rele dan user

defined yaitu nilai FCT akan ditentukan oleh user.

32

Gambar 3.10 Study Case Arc Flash

Langkah ketiga menjalankan program simulasi Run AF Calculation untuk

mengetahui nilai incident energy, sehingga akan ditampilkan output berdasarkan

konfigurasi. Parameter yang ditampilkan berupa kategori arc flash, arcing fault

current, working distance dan nilai short circuit seperti pada gambar 3.11.

Gambar 3.11 Contoh Program Tool Analisis Arc Flash

33

Yang terakhir melakukan analisis menggunakan tool AF result analyser, dalam tool

ini dapat meninjau hasil dari beberapa output sebagai perbandingan, menemukan

potensi masalah dengan mudah, dan menentukan kondisi terburuk saat terjadi arc

flash. Pada tool yang sama dapat dibuat label peringatan, work permits, dan lembar

data dihasilkan dan langsung dapat dicetak untuk pengaplikasian langsung seperti

pada gambar 3.12

Gambar 3.12 Contoh AF result analyzer

Perhitungan Energi Arc Flash Berdasarkan Standar IEEE 1584

Pada perhitungan dengan standar IEEE 1584 yang harus pertama di cari

adalah nilai arcing fault current, nilai arcing fault current dapat ditemukan

dengan persamaan berikut :

Arcing fault current (Ia) :

lg Ia = 0,00402 + 0,983 lg Ibf ................................................................................................................. (3.6)

Dari persamaan (3.6) dapat ditulis kembali dengan persamaan sebagai berikut :

lg Ia - 0,983 lg Ibf = 0,00402

lg Ia - lg Ibf 0,983

= 0,00402

lg ( Ia / Ibf 0,983 ) = 0,00402

Ia / Ibf 0,983 = 10 0,00402

Ia / Ibf 0,983 = 1,00929

34

Ia = 1,01 × Ibf 0,983 ....................................................................................................................................... (3.7)

dimana,

lg = log10

Ia = arus busur api / arcing current (kA)

Ibf= bolted three-phase fault at the bus symetrical rms (kA)

Selanjutnya untuk menghitung incident energy normalized dengan persamaan

berikut :

Energi arc-flash (Joule/cm2):

lg En = K1 + K2 + 1,081 lg Ia + 0,0011G ......................................................... (3.8)

kemudian bisa dituliskan dengan persamaan berikut,

En =10���� ........................................................................................................................................................ (3.9)

Dimana :

En = incident energy (j/�� �).

K1 = -0.792 untuk konfigurasi terbuka.

= -0.555 untuk konfigurasu tertutup.

K2 = 0 untuk sistem ungrounded or high resistance, dan

=-0,113 untuk sistem grounded.

G = jarak antar konduktor.

Dengan adanya variabel waktu, x faktor dan jarak antara peralatan dengan

pekerja maka akan menghasilkan jumlah energi yang dilepaskan ke udara. Besarnya

dapat dituliskan dalam persamaan berikut dalam satuan cal/cm2.

E = Cf × En × (�

�.�) × (

����

�� ) ............................................................................. (3.10)

Dimana :

E = incident energy (cal/�� �)

Cf = faktor pengali

1.0 untuk tegangan diatas 1 kV, dan

1.5 untuk tegangan dibawah 1 kV.

En = incident energy (j/�� �) normalized

t = waktu arcing (detik)

D = jarak dari kemungkinan titik arcing ke pekerja (mm)

x = jarak exponent

35

salah satu parameter untuk menentukan suatu nilai arc flash sebagaimana pada

persamaan 3.10 adalah durasi waktu terjadinya arc flash atau waktu kerja suatu alat

pengaman mengisolir suatu gangguan yang menyebabkan arc flash biasa disebut

fault clearing time (FCT), berikut persamaan mencari durasi waktu terjadinya arc

flash.

Rumus dasar pencarian durasi waktu terjadinya arc flash :

t = � ×(�.��)×�.����

(�.���)×��×��(�������.���×���(��)��.���� × � ×(����

�� ) ............................................ (3.11)