Cable Sizing: Pemilihan Ukuran Kabel Tegangan Rendah vs Shortcircuit

Bahasan ini pasti sangat menarik bagi dunia electrical engineering. Terutama pada engineer yang mengerjakan Green Field atau project baru. Yang dimana belum ada guidance atau petunjuk pemilihan cable sebelumnya.

Cable Sizing Calculation adalah dokumen yang digunakan untuk menentukan ukuran kabel yang akan digunakan baik di tegangan tinggi, menengah, dan tegangan rendah. Kali ini saya tidak akan membahas perhitungan pemilihan ukuran kabel pada tegangan tinggi dan menengah. Saya akan membahas pemilihan ukuran kabel di tegangan rendah, tapi tidak semua aspek. Karena telah banyak berterbangan di website-website lain yang membahas secara umum pemilihan kabel.

Umumnya pemilihan ukuran kabel akan mempertimbangkan:

1. Kebutuhan terhadap beban
2. Faktor penurunan kapasitas kabel akibat temperatur dan instalasi
3. Tegangan jatuh akibat panjangnya kabel
4. Untuk tegangan menengah dan tegangan tinggi ditambahkan, Ketahanan Kabel karena shortcircuit

 Sebenarnya ada satu lagi yang harus dilakukan yaitu:

1.  Mempertimbangkan panjang maksimum yang diperbolehkan agar alat pengaman proteksi bekerja. -> yang ini akan kita bahas di artikel berikutnya:(Link)

Karena saya telah menyampaikan tidak akan membahas yang telah umum, maka mana yang akan dibahas? Saya akan membahas khusus untuk point nomor 4.

Kebanyakan konsultan akan mengabaikan nomor 4 ini untuk perhitungan low voltage. Dan hanya menggunakan kategori ini untuk tegangan menengah dan tegangan tinggi dengan rumusan sebagai berikut sesuai IEC 60364-4-43:

 Persamaan 1. Ukuran Minimum Diameter Kabel

Dimana:

S: adalah ukuran minimum diameter kabel(sqmm)

I: adalah arus shortcircuit (ampere)

t: adalah durasi tripping alat pengaman (second)

k: adalah konstanta temperature rise sesuai Tabel 1

Tabel 1. Konstanta Temperature Rise dari Konduktor

Contoh hasil perhitungan:

Tabel 2. Contoh Hasil Perhitungan

 

Dari Tabel 2 sekilas ukuran kabel yang digunakan masuk akal. Tapi coba pakai rumus di atas untuk menghitung ukuran kabel tegangan rendah dengan load 16A yang di proteksi dengan MCCB dengan tripping time 0.01 second. Hasilnya adalah minimal ukuran kabel tembaga yang digunakan adalah 25 mm2. Padahal seyoganya hanya butuh kabel 2.5 mm2. 10 kali lebih kacil dari hasil perhitungan. Oleh karenanya, daripada tidak masuk akal. Banyak konsultan menghindar dari pada mencari solusi yang seharusnya. Atau dengan kata lain, Persamaan 1 kurang tepat jika diaplikasikan ke tegangan rendah.

Bagan 1. Kurva Karakteristik Tripping TMD16 Schneider

Setelah membaca beberapa literature, rupanya ada salah satu solusi. Yaitu menggunakan Breaker yang memiliki kemampuan membatasi energy shortcircuit yang terjadi.  Sehingga persamaan 1 dapat kita ubah menjadi:

Persamaan 2. Ukuran Minimum Diameter Kabel menjadi Energy (A²s)

Sehingga:

Persamaan 3. Ukuran Minimum Diameter Kabel ditinjau dari  Limitasi Energy (A²s)

Dari persamaan diatas, untuk mendapatkan ukuran minimum kabel dapat diperoleh dari Energi yang dibatasi dibagi dengan konstanta temperature rise. Data limited energy dari shortcircuit dapat dilihat pada Bagan 2. Jika kita masih ragu akan perhitungan kita. Bisa kita bandingkan shorcircuit limited energy breaker dengan maximum energy atau thermal stress dari kabel. Data thermal stress kabel dapat dilihat pada Bagan 4.

 

Bagan 2. Kurva Limitasi Energi Beberapa Breaker (NSX dan C60H)

Tabel 3. Data Thermal Stress Kabel

Dari data-data diatas, kita dapat membuat tabel sebagai berikut:

Tabel 4. Ukuran Minimal Diameter Kabel Tegangan Rendah Sesuai Shortcircuit Limited Energy

   Dari Tabel 4 diatas dapat kita tarik kesimpulan:

1. Pemilihan ukuran minimum diameter kabel menggunakan besaran shortcircuit bus kurang tepat jika diaplikasikan pada tegangan rendah.
2. Penggunaan breaker atau pemutus tegangan dengan kemampuan limitasi energi hasil shortcircuit menawarkan pemilihan ukuran minimum diameter kabel yang lebih masuk akal.
3. Untuk ukuran breaker 100A-250A, minimum diameter kabel yang dapat digunakan adalah 10mm2.
4. Untuk ukuran breaker 400A-630A, minimum diameter kabel yang dapat digunakan adalah 25mm2.
5. Untuk ukuran breaker dibawah 100A minimum diameter kabel yang dapat digunakan adalah 2.5mm2 jika menggunakan 10kA-15kA breaker.
6. Untuk ukuran breaker dibawah 100A dan menggunakan breaker diatas 15kA harus dihitung menggunakan persamaan limited shortcircuit energy.

Menghitung Drop Tegangan Akibat Motor Starting Menggunakan Metode MVA

Setelah mempelajari perhitungan arus hubung singkat 3 ph menggunakan menggunakan metode MVA, kita dapat mengembangkannya untuk hubung singkat lainnya termasuk hubung singkat asimetri. Selain perhitungan hubung singkat, perhitungan ini bisa juga dimanfaatkan untuk menghitung drop tegangan pada bus.

Perbedaan dengan perhitungan hubung singkat, perhitungan drop tegangan ini tetap memasukkan beban statis. Ini dikarenakan perhitungan ini lebih bersifat loadflow analysis. Untuk lebih jelasnya mari melihat pada gambar berikut:

Dari data diatas didapat

• MVAsc Utility sebesar 952 MVAsc
• Trafo mempunyai $MVAsc= \frac{3}{0.06} = 50MVAsc $
• Load Statis 1 MVA
• Motor 1MVA saat starting menjadi 4 kali menjadi 4MVAsc

Untuk bus 22kV, saat hanya load running maka c diseri dengan b menghasilkan 0.98 MVA karena motor belum running.

Tegangan bus saat itu $ \%V= \frac{952}{952+0.98} *100\% =99.9\%) $

 

Saat motor starting muncul d. Sehingga dapat dilihat bahwa c dan d harus dipararel menghasilkan 5 MVAsc. Hasil dari pararel diseri dengan b menghasilkan 4.55 MVAsc .

Tegangan bus 22 kV menjadi $ \%V= \frac{952}{952+4.55} *100\% =99.5\%) $

 

Dari dua perhitungan di atas terlihat bahwa voltage drop yang terjadi adalah 99.9%-99.5%= 0.4%

Mungkin ada yang punya masukan untuk menghitung drop tegangan saat terjadi arus hubung singkat dengan metode MVA? Karena sampai sekarang saya masih belum menemukan jawabannya.

Menghitung Arus Hubung Singkat 3ph menggunakan Metode MVA

Mengetahui arus hubung singkat suatu bus sangat penting karena memperngaruhi pemilihan spesifikasi alat pengaman dan pearlatan kelistrikan yang digunakan. Kesalahan pemilihan akan menyebabkan akibat fatal baik bagi peralatan maupun bagi manusianya. Perhitungan yang mudah dan paling mendasar adalah perhitungan arus hubung singkat simetri 3ph.

Metode ini adalah solusi untuk orang yang benci dengan perhitungan rumit arus hubung singkat menggunakan metode impedansi. Metode ini juga saya temukan artikelnya di IEEE dan telah saya bandingkan dengan perhitungan ETAP. Hasilnya memuaskan. Metode MVA menawarkan kesederhanaan, tidak perlu merubah base impedansi atau koreksi impedansi. Yang diperlukan adalah MVAsc dari masing-masing peralatan.

MVAsc didapat dari :

$MVAsc=\frac{MVA}{Zpu}$ atau $MVAsc=\frac{kV^{2}}{Zohm}$

Setelah didapat masing-masing nilai MVAsc setiap peralatan maka kita tinggal mengkombinasikan MVAsc tersebut. 

$MVAsc Seri=\frac{MVA_{1}\times MVA_{2}}{MVA_{1}+MVA_{2}}$

Sedangkan untuk MVAsc Pararel tinggal menambahkan seperti resistor seri. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada persoalan berikut:

Gambar a merupakan Single Line Diagram yang selanjutnya kita konversi ke diagram MVAsc. Pada konversi ini hanya sumber arus hubung singkat yang dikonversi. Untuk beban statis dihilangkan. Dari diagram MVAsc dapat diketahui bahwa kotak 1, 2, dan 3 diseri lalu dipararel dengan kotak 4. Didapat MVAsc sebesar 228MVAsc. Untuk mendapatkan Isc (arus hubung singkat) maka kita tinggal membagi dengan tegangan bus yang terjadi fault. Pada masalah di atas adalah 12kV. Sehingga didapat Isc sebesar 19kA.

Seputar Estimasi Beban Elektrikal pada Pabrik Petroleum atau Petrochemical part.1

Yang dimaksud beban pada judul di atas adalah konsumsi listrik yang harus disuplai oleh sumber listrik. Untuk mensuplai beban ini bermacam-macam level tegangan yang digunakan. Beberapa yang digunakan di industry migas sesuai adalah:

Tegangan rendah dibawah ini bertujuan untuk distribusi listrik.

Tegangan Rendah (V)
1ph	220
	230
	240
3ph	380
	400
	415
	440
	600

 

Tegangan Tinggi (kV)	Tegangan Tinggi Transmisi (kV)
11	33
13.2	34.5
13.8	66
3	69
3.3
4.16
6
6.6
7.2

 

Beban sendiri sesuai dengan tingkat penting tidaknya akan dibagi menjadi tiga yaitu:

1. Beban Vital
   Beban yang saat tidak tersuplai akan menyebabkan kerusakan parah baik untuk peralatan maupun manusia.
2. Beban Essensial
   Beban yang apabila tidak tersuplai akan menyebabkan kerugian produksi.
3. Beban non-Esensial
   Beban yang apabila tidak tersuplai tidak akan menyebabkan kerusakan perlatan maupun kerugian produksi.

Beban-beban di atas akan bekerja sesuai dengan waktu kerja yang dibagi menjadi tiga:

1. Beban Kontinu (Continuous Duty)
2. Beban Intermittent (Intermittent Duty)
3. Beban Stanby (Standby Duty)-Not Out of Service
   

Setelah mengetahui kategori beban, kita dapat menganalisa total beban puncak (TPPL-total plant peak load) maupun total beban kerja (TPRL-total plant running load) sesuai tingkat diversity factor.

 

Dengan menggunakan faktor diversitas diatas maka dapat dihitung TPPL maupun TPRL sesuai:

Dimana n adalah banyaknya switcboard.

 

Studi Kasus (to be continued..)

Surat untuk Diriku

Telah lama rasanya dalam diri ini memendam cita-cita untuk berbuat, bermanfaat bagi orang banyak. Tapi semua terhalang keadaan. Keadaan yang merupakan tantangan. Tantangan yang sangat besar. Masa depanku berada pada tantangan tersebut.

Ada pencapaian ada kegagalan, hari ini yang terasa adalah pencapaian tak ada kegagalan. Tapi pencapaian tak pernah memuaskan diri ini. Apa yang salah? Diri bersabarlah. Ada waktu untuk berbuat. Mungkin ini adalah proses pembelajaran yang harus kita ikuti untuk menjadi besar. Besar tapi tetap rendah hati.

Terlalu banyak omong dan tidak melakukan. Mungkin itu banyak orang bilang. Lebih baik diam. Kita sedang belajar. Bersabarlah. Suatu saat mereka akan melihat dirimu yang berbeda dengan sekarang. Ingatlah, tujuan hidup, ingatlah target hidupmu. Tetaplah rendah hati.

Banyak orang hanya melihat kesuksesan seseorang tanpa melihat apa yang orang tersebut usahakan. Jangan lupakan faktor x yang selalu ada. Lihat lah orang sukses sekililingmu. Sholat di masjid 5 waktu. Jangan lupakan SMS yang pernah masuk ke inboxmu. Bahwa mengejar dunia tak ada gunakan, dunia itu jual mahal. Jika mengejar, malah jauh. Mungkin ilfiil lihat kita mengejarnya. Dan dia tidak melihat kita bisa diamanahi oleh kekuatan dunia.

Suatu saat pasti kita dapat membuat tangis haru orang tua. Ayah, Ibu, anakmu juara kehidupan. Istriku, suamimu bisa diandalkan.

Saya percaya, bukan usaha yang harus didewakan

Allah punya cara sendiri untuk melancarkan rencana kita, jangan pernah berburuk sangka kepada-Nya. Itu lah pelajaran yang akhir-akhir ini sering saya dapat.  Ketika saya berputus asa dan bertanya-tanya mengapa segala sesuatu yang saya inginkan selalu tak sesuai harapan walaupun saya telah berusaha keras dan tak lupa berdo’a, Allah menjawab dengan cara-Nya.

Akhir-akhir ini saya lebih banyak memulai dengan basmalah dan menyerahkan apa yang saya usahakan hasilnya kepada kuasa-Nya. Dan yang saya dapat adalah ketika saya lupa tentang sesuatu, Allah selalu mengingatkan, secara tiba-tiba ada kejadian yang menyebabkan saya ingat. Misalnya saat ada tugas yang harus dikumpulkan pagi itu, saya telah mempersiapkannya dari malam. Ketika akan berangkat kuliah, saya lupa membawanya. Eh, ketika berada di teras rumah. Ada yang tertinggal, kunci sepeda motor, yang pastinya saya tak akan bisa berangkat kalau tidak pakai sepeda motor. Dan ajaibnya, ketika saya berjalan ke kamar saya yang terletak di lantai 2 saya ingat ada tugas kuliah yang tertinggal di meja belajar. Kejadian ini  tidak hanya sekali, tapi berulang kali. Kejadian lainnya adalah ada  kegiatan yang saya susun dengan sangat rapi dan tinggal melaksanakan. Akan tetapi karena ada suatu hal kegiatan yang saya susun harus terkendala semua (kocar-kacir). Saya dengan sedikit asa berdo’a semoga dilancarkan. Dan akhirnya, lancar juga hari itu. Berkali-kali pula seperti ini. Saya tak bisa memahami bagaimana persoalan yang secara akal tak bisa diselesaikan hari itu bisa terselesaikan pula. Saya hanya bisa mensyukuri nikmat, dan memahami bahwa itu adalah karunianya.

Saya percaya, bukan usaha yang harus didewakan. Tetapi usaha/ikhtiar yang dibarengi do’a dan penyerahan diri/tawakkal yang seharusnya saya lakukan. Allah SWT punya jalan untuk kita semua.