6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1. Gangguan Hubung Singkat Pada System Kelistrikan

Short Cicuit atau yang lazim disebut gangguan hubung singkat yang

memiliki arti suatu ganguan yang dapat terjadi dikarenakan adanya

kesalahan antar bagian – bagian yang saling bertegangan. Kesalahan

tersebut berpotensi menyebabkan lonjakan current yang sangat besar yang

berdampak pada kerusakan peralatan listrik yang terletak pada area titik

gangguan[6]. Kerusakan tersebut mempunyai dampak pada keselamatan

pekerja dan kerugian perusahaan.

Berdasarkan jenisnya, short circuit dapat terjadi pada 2 phase, 3

phase, 1 phase menuju tanah, atau 3 phase menuju tanah. Jenis – jenis

gangguan tersebut kemudian dibagi menjadi golongan simetri dan asimetri.

Jenis gangguan yang termasuk ke dalam simetri adalah three phase short

circuit. Gangguan lainnya termasuk ke dalam golongan asimetri. Gangguan

pada golongan asimetri akan memberikan dampak lonjakan arus pada fasa

yang terganggu. Dampak lainnya juga terjadi pada kenaikan voltage pada

phase yang tidak terjadi gangguan [7].

Mengacu pada contoh di tabel (2.1), dapat dipahami bahwa beberapa

jenis gangguan mempunyai tingkat persentase kejadian yang berbeda –

beda. Persentase kejadian terkecil terdapat pada klaster gangguan hubung

singkat 3 phase menuju tanah yaitu sebesar 5%. Persentase terbesar terdapat

pada jenis hubung singkat 1 menuju tanah yaitu sebesar 70%. Lebih detail

persentase kejadian dari setiap jenis short circuit dipaparkan pada tabel

(2.1).

7

Tabel 2.1. Jenis gangguan pada hubung singkat [8]

Tipe Gangguan

Rangkaian Gangguan

Persentase

Kejadian

(%)

Short Circuit 1

Phase Menuju Ke

Tanah

70 %

Short Circuit 2

Phase Menuju

Tanah

10 %

Short Circuit 3

Phase Menuju

Tanah

5 %

Short Circuit Antar

Phase

15 %

2.2. ARC FLASH

2.2.1. Pengertian ARC FLASH

Dijelaskan oleh (National Fire Protection Association) 70E-2004,

dampak dari peristiwa energy release yang dipicu oleh bunga api listrik

disebut sebagai arc flash. Peristiwa Arc flash dapat menyebabkan keadaan

8

yang berbahaya baik bagi peralatan maupun manusia di sekitarnya. Arc

Flash yang terjadi sebagai akibat terbentuknya arus yang trouble dengan

kata lain arcing fault pada sebuah electric system dapat menyebabkan

bermacam gangguan maupun kegagalan.

Terdapat banyak faktor – faktor yang dapat memicu terjadinya suatu

arc flash. Beberapa faktor yang sering kali terjadi yaitu kesalahan pada

pekerja yang bertugas pada area peralatan bertegangan, terdapat debu dan

korosi pada alat bertegangan, serta kegagalan isolasi dan mekanik. Selain

arus gangguan, pada level energy yang dikeluarkan oleh arc flash juga

disebabkan oleh beberapa variabel diantaranya adalah jarak pekerja dari

titik arcing, durasi waktu yang digunakan oleh peralatan pengaman untuk

memetakan adanya gangguan, dan juga faktor tegangan [9].

2.2.2. Analisa Insiden Energy ARC FLASH Dengan Menggunakan Metode IEEE

1584-2002

Menurut standard IEEE 1584-2002, untuk mendapatkan level yang

diperoleh dari energy arc flash dibutuhkan nilai yang menghasilkan arcing

current. Nilai arcing current didapatkan melalui short circuit tiga phase.

Nilai arcing current dapat dihitung dengan dua metode berdasarkan

besarnya tegangan system. Persamaan (2.1) menunjukkan metode

perhitungan arcing current pada tegangan system di bawah 1000V.

perhitungan arcing current pada tegangan system di atas 1000V dapat dilihat

pada persamaan (2.2).

keterangan :

Ia : Arus arcing (kA)

lg : log10

G : Jarak antar konduktor (mm)

V : Tegangan sistem (kV)

Ibf : I Bolted fault pada gangguan tiga fasa (symmetrical RMS)

(kA)

9

K : -0.153 untuk konfigurasi terbuka dan -0.097 untuk

konfigurasi box

Persamaan (2.2) adalah untuk melakukan perhitungan arcing

current pada voltage system lebih dari 1000V.

sebagaimana persamaan (2.2) dapat dilihat bahwa nilai Ia dependensi

terhadap persamaan (2.3). sehingga untuk mendapatkan arcing current pada

tegangan diatas 1000V maka harus mencari nilai Ia terlebih dahulu

menggunakan persamaan 2.3.

Ia = 10lg Ia (2.3)

Keterangan :

lg : log10

V : Tegangan sistem (kV)

Ia : Arus Arcing (kA)

K : -0.153 untuk konfigurasi open dan -0.097 untuk

konfigurasi box

G : Jarak antar konduktor (mm)

Ibf : Bolted fault current pada gangguan 3 phase (symmetrical

RMS) (kA)

Setelah diperoleh nilai arcing current, maka langkah selanjutnya

yaitu mencari nilai yang diperoleh dari incident energy normalisasi. Dalam

nilai energy yang normal perhitungan memakai acuan waktu arcing dengan

durasi 0,2 detik dan jarak antara titik arcing dengan manusia sebesar 610

mm. Perhitungan yang dipakai seperti pada Persamaan berikut (2.4).

En = Ia1,08110(K1+K2+0,0011G) (2.4)

Keterangan :

G : Jarak antar konduktor (gap)(mm), dilihat pada Tabel 2.2.

K1 : -0,792 pada konfigurasi peralatan open -0,555 untuk

konfigurasi peralatan dengan box

En : Insiden energi normalisasi (cal/cm2)

K2 : –0.113 pada sistem yang ditanahkan

10

Terdapat variable pada waktu, (x) faktor, dan pada jarak antara

pekerja dengan peralatan industri maka akan diperoleh sejumlah energy

yang direlease ke udara. Nilai insiden energi yang dilepaskan dapat

diketahui dalam Persamaan (2.5).

(2.5)

Keterangan :

E : Insiden energi (J/cm2)

t : Waktu arching (detik)

Cf : 1,0 untuk tegangan diatas 1kV

1,5 untuk tegangan dibawah 1kV

x : eksponen jarak, dilihat pada Tabel 2.2.

D : Jarak antara titik arc flash dengan pekerja (mm)

Tabel 2.2. Faktor Untuk Peralatan Dan Kelas Tegangan

11

2.2.3. Menghitung Nilai Flash Protection Boundary

Limit antara perlindungan dengan titik arc flash atau biasa disebut

Flash Protection Boundary. Flash Protection Boundary adalah jarak yang

mempunyai potensi seseorang terkena bahaya arc flash (arc flash hazard)

disekitar konduktor. Penentuan kategori jarak Flash Protection Boundary

dapat dilakukan setelah diketahui nilai dari insiden energi arc flash.

Penentuan limit perlindungan bahaya arc flash membutuhkan

analisa lanjut. Hal tersebut bertujuan untuk mengetahui secara akurat batas

aman bagi pekerja terhadap peralatan bertegangan. Persamaan 2.6

menunjukkan perhitungan jarak aman pekerja terhadap peralatan

bertegangan. Persamaan tersebut mengacu pada standart dari IEEE 1584-

2002. Dengan level voltage

12

memanagement lonjakan arus listrik. Management gangguan pada alat

bertegangan tinggi merupakan kebutuhan urgent untuk meminimalisir

kecelakaan kerja pada sistem kelistrikan.

Untuk memenuhi standart sistem electrical yang mumpuni, tapi

masih harus mempunyai nilai ergonomis, pada sebuah relay pengaman

harus mempunyai klasifikasi pada poin berikut:

a. Kecepatan

Kecepatan pada relay sangat penting karena relay harus dapat

cut off sistem yang terdapat gangguan dengan waktu yang cepat agar

dapat meminimalisir kemungkinan mengalami kerusakan alat. Relay

harus dapat bekerja dalam waktu sesingkat mungkin. Hal tersebut

mempunyai tujuan agar dapat meminimalkan kerusakan dan menjaga

stabilitas sistem dengan baik.

b. Selektifitas

Relay yang baik harus dapat melakukan isolasi hanya pada

bagian sistem yang terganggu dan melakukan cut off instalasi dengan

membuka CB yang paling dekat.

c. Sensifitas

Sensifitas relay untuk mendeteksi gangguan pada jaringan dan

mengirim perintah kepada CB untuk dapat segera aktif.

d. Keandalan

Keandalan relay pada keadaan ready untuk aktif disaat setiap

waktu terdapat adanya gangguan. Relay harus dapat aktif berdasarkan

jumlah gangguan yang terjadi. Hal tersebut memiliki arti relay harus

dapat selalu siap ketika pada suatu waktu dibutuhkan. Presentase tingkat

keandalan relay yang baik adalah 90-99 %.

2.4. OCR (Over Current Relay)

2.4.1. Mengenal OCR

Over Current Relay atau bisa disebut Relay arus lebih diartikan

sebagai relay untuk keamanan yang aktif karena disebabkan adanya besaran

arus. Besaran arus tersebut telah terpasang di jaringan high voltage, medium

13

voltage, dan terletak di pengaman power transformator. OCR berfungsi

sebagai pengaman peralatan listrik karena dampak adanya trouble fasa ke

fasa, dan trouble fasa menuju tanah [10].

OCR akan aktif dan bekerja jika arus yang mengalir pada sistem

kelistrikan lebih besar dari nilai settingnya (Iset). Terdapat dua jenis over

current relay yaitu time overcurrent relay (arus lebih waktu) dan

instantaneous relay (arus lebih sesaat). Time overcurrent relays aktif

dengan jeda waktu yang mengacu pada arus yang melewati relay,

sedangkan pada instantaneou s relays dapat aktif tanpa jeda waktu yang

disengaja dan digunakan untuk mengamankan adanya gangguan yang

terletak di dekat area pusat ketika arus gangguan tinggi. Management setting

OCR harus memperhatikan limit besarnya arus dimana saat relay

mengalami beban maksimum maka relay tidak boleh bekerja. Mengacu

pada british BS 142-1983, limit seting dalam range nominal 1.05-1.3 Iset

[2].

2.4.2. Prinsip Kerja OCR

OCR merupakan sebuah relay yang akan aktif jika terdapat arus

lebih. OCR akan aktif saat arus yang mengalir pada sistem instalasi lebih

dari nilai settingnya (Iset). Kondisi tersebut dapat terjadi pada banyak

variabel seperti disebabkan adanya gangguan short circuit atau over load

dan selanjutnya memberikan instruksi berupa trip ke PMT sesuai

karakteristik waktunya [10]. Prinsip kerjanya berdasarkan pada masuknya

sejumlah arus. Jika aliran arus listrik yang melewati limit arus yang diseting

(Set), relay bereaksi dan menginstruksikan CB (circuit breaker) untuk open.

Berdasarkan jenis kurvanya, rele pengaman dibagi menjadi tiga yaitu, rele

Instantaneous, Definite, dan Invers.

2.4.3. OCR Waktu Invers

Konfigurasi pada OCR nilai inverse-nya harus memperhatikan full

load current suatu peralatan. Hal tersebut bertujuan agar rele tetap dalam

14

kondisi siaga. Rele arus lebih waktu invers akan on jika arus yang bergerak

menuju ke peralatan melebihi current maksimal peralatan.

Karakteristik yang dimiliki oleh OCR waktu inverse yaitu besaran

gangguan arus berbanding lurus dengan kecepatan waktu yang digunakan

untuk proses operasi rele. Karakteristiknya diperumpamakan dalam grafik

arus terhadap time atau yang biasa disebut TCC (time-current

characteristic). TCC merupakan suatu grafik dengan perbandingan dalam

time dial. Perbandingannya yaitu semakin besar time dial, maka semakin

lama waktu operasi dari relay tersebut.

Karakteristik inverse yang dituangkan pada ketentuan IEC 60255-3

dan BS 142. Ketentuan berikut mengklasifikasikan macam-macam

pengaman time inverse yang diklasifikasikan menurut gradien curve, yaitu

extremely inverse, very inverse, dan standad inverse. Ketentuan yang lain

sebagai contoh IEEE 242 - 2001 yaitu (long time inverse, very inverse, short

time inverse, standard inverse dan extremely inverse).

Gambar 2.1. Karakteristik Kurva Invers

2.4.4. Setting OCR Menggunakan Metode standart

Persamaan 2.7 adalah pengaturan arus yang dibutuhkan untuk kerja

relay ketika terjadi trouble yang diartikan dengan (Pickup Setting) untuk

relay arus lebih menggunakan metode standart British BS142. Sebagaimana

dipaparkan pada persamaan 2.7, nilai Iset harus berada diantara range 1,05

IFL dan 1,3 IF. Persamaan 2.8 menunjukkan bahwa untuk mendapatkan

15

hasil Tap dibutuhkan nilai I pickup dan arus primer CT. nilai I pick up

didapatkan dari Iset kemudian nilai arus primer didapatkan dari besarnya

arus masuk terhadap CT.

(2.7)

Tap = 𝐼 𝑝𝑖𝑐𝑘 𝑢𝑝

𝐴𝑟𝑢𝑠 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝐶𝑇 (2.8)

Langkah berikutnya menjalankan setting pada time dial yang

berguna untuk menentukan kerja relay saat mengalami trouble. Nilai Time

Dial dependensi terhadap proses sebelumnya karena membutuhkan nilai

arus pick up (Iset). Time dial dihasilkan melalui persamaan 2.9 sebagai

berikut :

Td = 𝑡.[(

𝐼𝑠𝑐𝑚𝑎𝑥

𝐼𝑠𝑒𝑡)

𝛼−1]

𝑘 (2.9)

Keterangan :

Td : time dial

t : waktu operasi (detik)

Iset : arus pickup (ampere)

I : nilai arus (ampere)

𝛼 : koefisien invers 2

k : koefisien invers 1

𝛽 : koefisien invers 3

Tabel 2.3. Koefisien invers time dial

16

2.5. Analisa Setting Relay Menggunakan Metode Differential Evolution

Metode Differential Evolution (DE) merupakan metode hasil

pemikiran dan dikembangkan seseorang bernama Price Kenneth dan

dipublish pada bulan Oktober tahun 1994 dimuat majalah Dr. Dobb’s

Journal (Price et al., 2005). Metode tersebut termasuk dalam kelompok

evolutionary algorithm dimana metode yang digunakan berdasarkan

optimasi matematis fungsi multidimensional.

Tercetusnya metode DE ini diawali usaha untuk menyelesaikan

masalah tentang fitting polinomial Chebychev. Usaha tersebut kemudian

membuahkan ide pemakaian pada perbedaan vektor untuk mengacak

populasi vektor. Telah larut dalam perkembangannya, dalam ICEO

(International Contest on Evolutionary Optimization) yang awal, DE telah

menjadi salah satu algoritma genetika yang baik dan dapat menemukan

global optimum yang multidimensi (yaitu menunjukkan lebih dari satu nilai

optimum) dengan probabilitas yang baik [11].

Pengaplikasian algoritma DE ini digunakan dalam pengoprasian

relay dengan tujuan untuk menemukan nilai setting yang ideal untuk

memperoleh masa kerja OCR yang optimal. Implementasi dilakukan

dengan langkah pertama yaitu menginput variabel seting OCR pada

algoritma. Sehingga algoritma akan mengolah pencarian nilai, hal yang

dilakukan setelahnya yaitu melakukan pencarian nilai yang paling optimal

dari seluruh iterasi untuk OCR. Penggunaan algoritma optimasi harapannya

akan membuat proses perhitungan OCR menjadi lebih efisien dan mudah.

Penting untuk dilakukan yaitu setting pada OCR. Hal tersebut

dibutuhkan karena setiap sistem tenaga listrik memiliki perbedaan pada

sistem distribusi. Oleh sebab itu dibutuhkan suatu analisis menyeluruh pada

komponen didalamnya terutama setting pada OCR. Melakukan analisa

OCR dapat dianalisa dengan menggunakan perhitungan sebagaimana pada

persamaan (2.15).

𝑚𝑖𝑛𝑇𝐷𝑆𝑖 ,𝑃𝑆𝑖𝑓 = ∑ 𝑤𝑖 𝑡𝑖,𝑘𝑛𝑖=0 (2.10)

TDSi merupakan time dial setting untuk relay i, Psi merupakan

current cadangan untuk relay i, n merupakan angka pada relay, Wi

17

merupakan nilai, nilai tersebut bergantung pada probabilitas trouble yang

terjadi di setiap zone protection dan terkadang digunakan sebagai satu nilai

acuan. Dan ti,k merupakan time operation pada relay primer i untuk

gangguan pada area proteksi itu sendiri.

2.6. Pengelompokan Insiden Energi Arc Flash Dengan APD Sesuai

Ketentuan NFPA 70E

Klasifikasi tentang arc flash danger dikelompokkan berdasarkan

nomor yang meinterpretasi level bahaya berdasarkan insiden energinya.

Sebagaimana dijelaskan pada tabel 2.4, jenis kategori berhubungan dengan

level energi sehingga mendapatkan kesimpulan PPE – PPC yang

dibutuhkan. Klaster bahaya 0 mewakili adanya sedikit bahaya atau tidak

sama sekali. Klaster bahaya 4 merupakan yang very danger. Tabel 2.4

menjabarkan klaster resiko yang berpedoman pada standar NFPA 70E.

Sebagaimana telah diuraikan di atas, faktor yang mempengaruhi

kecelakaan kerja tidak hanya pada human errors saja namun bisa jadi

dipengaruhi oleh sistem yang digunakan pada peralatan. Meskipun begitu,

kedua faktor tersebut tetap saja mempengaruhi kinerja para pekerja baik

terhambatnya kinerja bahkan pada level tinggi mampu mengakibatkan

kecelakaan kerja skala besar yang membahayakan tenaga kerja.

Mengantisipasi hal tersebut Para karyawan wajib melengkapi diri

menggunakan perlengkapan maupun peralatan Personal Protective

Equipment yang memenuhi klaster resiko sebelum melakukan kegiatan atau

pengecekan di sekitar wilayah yang bertegangan. Dokumentasi dan label

peringatan juga diperlukan.

Tabel 2.4. Kategori Alat Pelindung Diri

18

Tabel 2.4. Kategori Perlengkapan Pelindung Diri (Lanjutan)

Penggunaan PPE seperti yang tertera pada Tabel 2.4 diatas

diharapkan dapat meminimalisir efek kecelakaan yang diakibatkan oleh arc

flash. Contoh secara visual pengklasifikasian APD berdasarkan kategori

pada gambar 2.2.

Gambar 2.2. Klasifikasi Alat Pelindung Diri Berdasarkan Level Arc Flash