Electricity: Phase, Neutral, and Ground

I was not graduated from electrical engineering department and also I did not act as an electrical (power) engineer during my 7 years working experience. Anyhow dealing with power equipment interface and little bit lighting issues currently made me aware there was something lost in my basic understanding on electricity.

1. Suatu equipment skid memerlukan power dengan plug 5-pin 3-phase 415 Volt. Ketika mau dicolokkan ternyata sourcenya yang ada di lapangan adalah 4-pin 3-phase 415 volt. Tak cocok jadinya. Nah, dari dasar mana cara berfikir untuk resolve masalah tersebut?

2. I just realize that a circuit of lighting is 3-phase 415 Volt sampai junction box, sedangkan lightingnya sendiri adalah 1-phase 240 volt. Heran saya. Tapi untung saya tidak sempat bertanya di mana penurun tegangannya dari 415 volt ke 240 volt. Setelah membahas point 1 di atas, saya jadi agak sedikit ngerti tentang 3-phase dan 1-phase. Kawan saya bilang “ada rumusnya yang pakai akar itu untuk mendapatkan 1-phase 240 Volt”. Uppsss…please stay away ‘rumus’ from my mind, unless no other way to understand it without you.

Kasus pertama pada electrical socket dengan plug 5 pins terdiri atas 3-phase+N+E (komplit 5). Pin ini memiliki tegangan phase to phasenya adalah 415 Volt, sedangkan phase to netralnya adalah 240 Volt. Sehingga dengan plug 5-pin ini equipment skid bisa mendapatkan dua macam tegangan. Kok bisa?

Untuk memahami listrik 3-phase, ternyata kita harus kembali ke teori pembangkitan listrik 1-phase dimana lilitan kumparan diputar memotong medan magnet. Electricity dan magnetism seperti dua pasang kekasih yang saling mencintai. Efek putar kumparan berpotongan terhadap medan magnit menyebabkan voltage dihasilkan membentuk gelombang ‘SINUSOIDAL’. Pertanyaan nakal: Kalau medan magnet yang digunakan memanjang di samping Rel Kereta Api dari Jakarta-Surabaya sedangkan kumparannya dipotongkan medan magnet diatasnya dari Jakarta-Surabaya, apakah voltage yang dihasilkan membentuk sinusoidal karena tidak ada putaran? Menurut saya tidak (bahkan kok saya justru meragukan listrik bisa timbul. Karena listrik timbul karena perubahan fluks magnet (delta fluks) yang menerpa lilitan). Menurut anda bagaimana?. Biar tidak terlalu dalam ke ilmu delta ini per delta itu maka kembali ke laptop dulu deh.

Tetapi karena generator di dunia ini menggunakan putaran untuk memotong medan magnet maka gelombang sinusoidal akan menjadi dasar evaluasi langkah berikutnya.

Single Phase Electrical Wave Form:

Electricity yang dibangkitkan membentuk gelombang sinusoidal. Kadang voltage penuh dan kadang nol. Seperti listrik di rumah kita yang tegangannya berkedip dengan frekuensi 50 Hz. 50 kali membentuk gelombang sempurna dalam satu detik sehingga sangat cepat dan tidak terdeteksi oleh mata. Untuk menghasilkan electricity yang lebih stabil (tak pernah 0) dengan voltage yang lebih tinggi maka dibuat listrik 3-phase.

3-Phase Electrical Wave Form:

Listrik 3-phase merupakan gabungan dari 3 gelombang listrik satu phase dengan jarak antar phase 120 degree. Sehingga resultan voltage listriknya setiap titik tidak pernah menyentuh 0. Perhatikan garis MERAH, sebelum gelombang listrik garis merah mencapai nol maka gelombang HITAM sudah naik voltage-nya. Resultant total voltage-nya di setiap titik adalah Voltage 3-Phase = 1.732 x Voltage Single Phase. Dari mana angka 1.732? atau Akar 3? Perhatikan perpotongan gelombang BIRU dan MERAH kemudian puncak gelombang HITAM. Jarak dari titi perpotongan itu ke puncak merupakan 1.732 (akar 3) kali jarak 0 ke +e. Jadi angka akar 3 diperoleh dari metode generate electricity dengan membedakan jarak antar phase-nya 120 degree. Pertanyaan nakal: Gimana kalau dibikin 4-phase, 5-phase, 6 phase? Perbedaan fasanya berapa degree? Nah lho pikir-pikir lagi, karena belum pernah dengar.

Keluaran dari alat penghasil listrik dengan 3-konduktor disambung dengan rangkaian Delta (3-wire) atau dengan rangkaian star (4-wire). Delta + Ground jadi 4-wire (artinya 4-pin) sedangkan Star + Ground jadi 5-wire (artinya 5-pin). Nah sepertinya hal ini adalah pangkal persoalan saya nomer 1.

  • Rangkaian Delta : L1,L2,L3 + Ground

  • Rangkaian Star : L1,L2,L3 + Netral + Ground

Kembali ke kasus pertama bahwa equipment yang datang JB-nya menyediakan power untuk rangkaian star 3-phase + Netral + ground. Sedangkan source yang ada di lapangan adalah rangkaian delta 3-phase + ground. Kenapa equipment menggunakan rangkaian star yang ada netralnya? Karena equipment membutuhkan supply 3-phase 415 Volt dan juga membutuhkan supply 1-phase 240 volt, caranya dengan mengambil tegangan salah satu phase L1 dengan Netral. Nah karena supply lapangan tidak ada netral maka power yang bisa diambil oleh equipment hanya 415 Volt 3-phase + ground. Maka equipment JB harus diadjust dengan ditambah transformer untuk memenuhi kebutuhan 1-phase 240 volt. Andai source power di lapangan 3-phase+Netral+ground maka tidak memerlukan transformer.

Persoalan saya yang nomer-2 adalah lighting sirkuit 3-phase yang mana lampunya sendiri adalah 1-phase. Karena sedang menghadapi persoalan nomer 1 maka saya cepat menyimpulkan bahwa power dari main sirkuitnya adalah rangkaian star: L1,L2,L3 + Netral + Ground. Untuk menyalakan lampu yang 1-phase tinggal konek L1-N, atau L2-N, atau L3-N. Ground ketemu ground tentunya. Karena ground tidak ikut dalam sirkuit.

415 V = 1.732 x 240 V

Nova Kurniawan

Advertisements

SDV; Shutdown Valve

Banyak tulisan saya yang belum selesai, karena tidak ada waktu yang cukup untuk konsentrasi menyelesaikan tulisan tersebut. Namun demikian setiap ada ide tentang topik baru akan kita coba untuk bahas dan diskusikan. Pagi ini ada pertanyaan tentang SDV (Shutdown Valve) dengan segala aspeknya. Apa saja aspek SDV yang perlu menjadi perhatian: Pertama tentu apa maunya orang proses sehingga perlu SDV? Dari kemauan itu bagaimana bentuk mechanically body-valve itu agar fungsi prosesnya terpenuhi? Apa aksesoris yang diperlukan untuk menjalankannya? Bagaimana integrasi-nya dengan safety automation system?

1. Apa maunya orang proses pasang SDV?

Jawabannya adalah tanya orang proses. Tapi kalau jawaban yang sifatnya “nduga-nduga” sendiri, ambil P&ID dan perhatikan di mana-mana SDV dipasang. Setiap equipment inlet dan outlet pasti ada SDV. Defaultnya begitu, kalau ternyata antar equipment boleh tidak dipasang SDV, hanya piping saja, maka ilmu evaluasi proses di equipment tersebut yang membolehkan tanpa terisolasi waktu shutdown perlu dipelajari. (Makin banyak saja yang perlu dipelajari!). Bottom line yang saya tangkap dari P&ID hanyalah ketika terjadi shutdown maka antar equipment harus dilakukan isolasi. Stop semua proses yang lewat equipment dan perpipaan. Jadi fungsi shutdown valve adalah hanya untuk isolasi waktu shutdown. Tidak ada fungsi yang lain seperti mengatur flow, bukan juga berfungsi untuk membuka dan menutup ketika proses sedang berjalan, bukan yang lain pula kalau ada. Fungsinya hanya satu diam saja membuka ketika proses berjalan normal dan tiba-tiba menutup ketika harus shutdown. Bedakan fungsinya dengan control valve yang untuk mengatur aliran secara analog (0% – 100%) dan bedakan juga dengan on-off valve yang mengatur aliran secara diskrit (0% or 100%) untuk regulatory control or process control. Note: ada juga SDV yang memberikan fasilitas parsial stroke untuk maintenance, hanya untuk membuktikan bahwa SDV tidak dalam kondisi stuck.

2. Bagaimana SDV dirancang?

Untuk memenuhi kebutuhan orang proses tersebut maka jenis katup yang mendukung fungsi isolasi perlu diketahui. Ada macam-macam katup di dunia perkatupan. Katup itu apaan sih? bahasa SNI-nya valve maksudnya. Untuk keperluan isolasi atau ngeblock maka body valve yang dipilih adalah yang tight shut-off  memenuhi standar-standar API 6D juga API 598. Body yang sering digunakan adalah berbentuk Ball-Valve dan Gate Valve juga bisa. Kenapa? karena kedua bentuk body valve ini yang benar-benar bisa mengisolasi aliran. Kalau globe valve dan butterfly valve gampang passing. (Meski sebenarnya ball valve dan gate valve juga bisa passing kalau seal antara bola / gate dan body-nya sudah rusak, tapi keduanya yang terbaik). Rule of thumbnya aja untuk memilih SDV cari body yang berbentuk ball valve dengan tight shut off memenuhi kriteria API 598 atau API 6D. Materialnya apa? Ahaiiii cukup berat buat saya mengerti ilmu material ASTM-ASTM-an, ilmu macam forging dan casting dll. Ambil ASTM A182, ASTM A105, ASTM A193, dan ASTM A194, coba-coba dipelajari material yang sesuai untuk valve, flange, baut, dan nut, sekalian.

3. Actuator dan accesoriesnya apa?

Actuator adalah kepalanya SDV yang bertugas untuk menggerakkan ball-nya SDV. Medium apa yang bisa digunakan untuk menggerakkan ball valve-nya SDV? Teoritically pneumatic, hydraulic, dan electric bisa. Tapi factually yang saya temui di lapangan hanya actuator pneumatic. Tentu ada kelemahan dan keunggulan masing-masing yang bisa jadi topik pembahasan tersendiri. Tetapi actuator SDV dengan pneumatic sudah sedemikian robustnya sehingga tipe power yang lain belum bisa menggantikan. Coba anda bayangkan dengan pneumatic actuator menekan spring actuator untuk membuka valve, ketika terjadi shutdown udara dalam actuator dibuang ke atmospher sehingga spring kembali ke kondisi relax-nya untuk menutup valve. Pneumatic is very simple. Yang lainnya jadi tidak simple.

Meskipun pekerjaan simple hanya memasukkan dan mengeluarkan udara dalam actuator, tetapi bagaimana mekanismenya, melalui berapa banyak port di actuator, kapan harus memasukkan dan mengeluarkan udara, dan apa alat yang harus dipasang sebagai switching on atau off, adakah interfensi manualnya, dll menjadi sedikit tidak simple tetapi bukan berarti sulit. Ini diejawantahkan dalam design panel SDV yang berisi solenoid dan flow pertubingannya. Saya menemui banyak design yang berbeda-beda yang semuanya bisa dipelajari dengan satu tujuan switching kapan ON dan kapan OFF. Tetapi saya belom sempat untuk menarik kesimpulan bahwa perbedaan design panel karena tergantung dari proses servicenya atau karena dimensi dari fisik SDV-nya sendiri atau karena kombinasi ke dua-duanya. Nanti kalau sudah dapat gambar contoh arrangement panel SDV kita bahas satu-satu. Saya cari digambar-gambar hook-up lama saya, semua cuma dikasih note: By Vendor. Sedangkan gambar vendor sudah tidak saya simpan lagi.

Besarnya tabung aktuator merupakan hasil perhitungan torsi (gaya putar) yang diperlukan memutar SDV, konversi ke gaya mendatar yang diperlukan oleh piston terhadap tekanan instrument air sekitar 8 bar (dunia pneumatic). Dipertimbangkan juga efek gaya gesek dan gaya balik dari spring dalam aktuator. Semakin besar tabungnya maka semakin besar gayanya dan torsinya. Berbeda dengan dunia hydraulic yang bekerja pada hi-pressure sekitar 200 bar maka aktuator hydraulik dimesinya lebih kecil dibanding aktuator pneumatic untuk valve yang memerlukan torsi yang sama. Tekanan lebih besar tabung jadi lebih kecil.

SDV harus fail closed. Normalinya apa? ahh saya bingung kalau pakai kata Normally, makanya saya tak mau pakai kata normally. Yang penting ketika Fail, SDV harus closed dan ketika kondisi operasi SDV harus buka. Saling berkebalikan dengan BDV.

4. Bagaimana integrasinya dengan Safety Automation System?

Untuk mengetahui kapan SDV harus bekerja maka “kitab suci”nya adalah Cause and Effect Matrix atau SAFE chart atau bisa juga shutdown logic diagram. “Kitab suci” ini yang menjelaskan kapan SDV harus beraksi. Penyebabnya datang dari sensor yang berasal dari intenal proses (pressure hi-hi, level hi-hi, dll) dan atau yang berasal dari hazard environment (fire and gas system). Kerja logic-nya dijalankan oleh PLC/DCS kemudian mengirimkan signal 24 VDC ke solenoid valve di setiap SDV. Dalam kondisi energize solenoid melewatkan udara ke actuator menutup vent. Begitu kondisi de-energized (atau fail) maka solenoid membuka vent, artinya membuang udara dari actuator. Sehingga spring SDV kembali ke kondisi relax-nya yaitu ball valve closed.

Nova Kurniawan