25 BAB III PENGGUNAAN KAPASITOR SHUNT UNTUK MEMPERBAIKI FAKTOR DAYA 3.1 Pengertian Faktor Daya Listrik Faktor daya (Cos φ) dapat didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktif (watt) dan daya nyata (VA) yang digunakan dalam sirkuit AC atau beda sudut fasa antara V dan I yang biasanya dinyatakan dalam cosφ. = ( ) ( ) = =.. =cos (3.1) Faktor daya bisa dikatakan sebagai besaran yang menunjukkan seberapa efisien jaringan yang kita miliki dalam menyalurkan daya yang bisa kita manfaatkan. Faktor daya dibatasi dari 0 hingga 1, semakin tinggi faktor daya (mendekati 1) artinya semakin banyak daya tampak yang diberikan sumber bisa kita manfaatkan, sebaliknya semakin rendah faktor daya (mendekati 0) maka 25
26 semakin sedikit daya yang bisa kita manfaatkan dari sejumlah daya tampak yang sama. Di sisi lain, faktor daya juga menunjukkan besar pemanfaatan dari peralatan listrik di jaringan terhadap investasi yang dibayarkan. Seperti kita tahu, semua peralatan listrik memiliki kapasitas maksimum penyaluran arus, apabila faktor daya rendah artinya walaupun arus yang mengalir di jaringan sudah maksimum namun kenyataan hanya porsi kecil saja yang menjadi sesuatu yang bermanfaat bagi pemilik jaringan. Baik penyedia layanan maupun konsumen berupaya untuk membuat jaringannya memiliki faktor daya yang bagus (mendekati 1). Bagi penyedia layanan, jaringan dengan faktor daya yang jelek mengakibatkan dia harus menghasilkan daya yang lebih besar untuk memenuhi daya aktif yang diminta oleh para konsumen. Apabila konsumen didominasi oleh konsumen jenis residensial maka mereka hanya membayar sejumlah daya aktif yang terpakai saja, artinya penyedia layanan harus menanggung sendiri biaya yang hanya menjadi daya reaktif tanpa mendapatkan kompensasi uang dari konsumen. Sebaliknya bagi konsumen skala besar atau industri, faktor daya yang baik menjadi keharusan karena beberapa penyedia layanan kadang membebankan pemakaian daya aktif dan daya reaktif (atau memberikan denda faktor daya) tentu saja konsumen tidak akan mau membayar mahal untuk daya yang tidak termanfaatkan bagi mereka. 3.1.1 Faktor Daya Terdahulu (Leading) Faktor daya leading atau lagging akan tergantung kepada macam bebannya. Jika tegangan diambil sebagai referensi untuk menentukan keadaan leading atau lagging, maka keadaan dikatakan leading jika arus mendahului
27 tegangan. Gambar 3.2 menggambarkan diagram vektor arus dan tegangan pada fektor daya leading. Faktor daya akan menjadi leading bila beban memberikan daya reaktif (kvar). Begitu juga motor sinkron dengan penguatan lebih akan mempunyai faktor dayaa leading karena mengirim atau memberikan daya reaktif ke beban. Gambar 3.1 Grafik faktor daya leading Gambar 3.2 Diagram vektor arus dan tegangan pada faktor daya leading
28 3.1.2 Faktor Daya Terbelakang (Lagging) Keadaan lagging adalah keadaan dimana arus tertinggal terhadap tegangan. Gambar 3.4 faktor daya lagging. mengambarkan diagram vektor arus dan tegangan pada Faktor daya terbelakang (lagging) terjadi bila beban memerlukan atau menyerap daya reaktif dari jaringan. Motor induksi juga mempunyai faktor daya terbelakang karena memerlukan arus reaktif dari jaringan atau sumber. Gambar 3.3 Grafik faktor daya lagging Gambar 3.4 Diagram vektor arus dan tegangan pada faktor daya lagging
29 3.1.3 Penyebab Rendahnya Faktor Daya Faktor daya sangat mempengaruhi besar kecilnya komponen arus reaktif, sehingga faktor daya tersebut sudah tentu akan mempengaruhi jatuh tegangan. Dengan faktor daya rendah, maka akan sulit untuk mendapatkan kestabilan tegangan di sisi beban, dengan kata lain akan menyebabkan jatuh tegangan pada sisi penerima. Sedangkan faktor daya yang tinggi akan memperbaiki nilai komponen reaktif sehingga jatuh tegangan dapat diminimalisir. Ada beberapa penyebab rendahnya faktor daya, antara lain : Pemakaian Motor Induksi Faktor daya pada motor induksi bervariasi, tergantung pada pembebanannya. Untuk motor induksi tanpa beban atau dengan beban ringan, motor menunjukan faktor daya yang rendah. Transformator Faktor daya pada transformator sangat bervariasi sebagai fungsi dari beban. Transformator tanpa beban akan sangat induktif dan menunjukan faktor daya yang rendah. Dan peralatan lain yang memerlukan daya reaktif seperti kondenser sinkron dengan penguatan kurang, dan lain lain.
30 Tabel 3.1 Harga faktor daya untuk berbagai peralatan Load Type Motor Induksi < 100 kw > 250 kw Approximate Power Faktor 0,6 0,8 0,6 0,9 Lampu Pijar 1,0 Lampu TL 0,4 0,5 Pemanas elektrik 1,0 Mesin las 0,5 0,6 Mercury Arc Lamp 0,5 3.1.4 Akibat Rendahnya Faktor Daya Dengan membandingkan faktor daya pada table diatas, karena chiller umumnya terdiri dari motor motor listrik terutama motor induksi, maka efisiensi daya listrik yang digunakan semakin kecil. Sejaln dengan menurunnya daya reaktif yang digunakan. Akibat lain dari rendanya faktor daya adalah : Arus yang mengalir akan lebih besar, pada daya yang sama sehingga memerlukan penghantar (kabel) yang lebih besar. Dengan demikian biaya yang dikeluarkan akan lebih besar. Pada busbar dan switch, bertambahnya arus akan membutuhkan penampang busbar serta kapasitas switch yang lebih besar. Arus yang besar mengakibatkan umur pemakain peralatan semakin pendek.
31 Pada transformer biasanya dibatasi oleh besarnya arus nominal, sehingga untuk daya yang sama pada faktor daya yang rendah memerlukan kapasitas yang lebih besar. Arus yang mengalir pada saluran semakin besar, sehingga terjadi hatuh tegangan yang besar. Hal ini menyebabkan beban serta peralatan lainnya bekerja dibawah tegangan nominal. Daya terpakai (daya aktif) yang dipergunakan semakin kecil. Denga demikian efisiensi sistem semakin rendah. Untuk menghindari kerugian kerugian tersebut, adalah sangat penting untuk menaikan faktor daya. 3.1.5 Keuntungan Faktor Daya Yang Tinggi Beberapa keuntungan meningkatkan faktor daya : Tagihan listrik akan menjadi kecil (PLN akan memberikan denda jika pf lebih kecil dati 0,85) Kapasitas distribusi sistem tenaga listrik menjadi lebih meningkat Mengurangi rugi rugi daya pada sistem Adanya peningkatan tegangan karena daya yang meningkat Jika pf lebih kecil dari 0,85 maka kapasitas daya aktif (kw) yang digunakan akan berkurang. Kapasitas itu akan terus menurun seiring dengan menurunnya pf sistem kelistrikan. Denda atau biaya kelebihan daya reaktif dikenakan apabila jumlah pemakaian kvarh yang tercatat dalam sebulan lebih tinggi dari 0,62 jumlah kwh pada bulan yang bersangkutan sehingga pf rata rata kurang dari 0,85.
32 Beberapa strategi untuk koreksi faktor daya adalah : Meminimalkan operasi dari beban motor yang ringan atau tidak bekerja Menghindarkan operasi dari peralatan listrik diatas dengan tegangan rata ratanya Mengganti motor motor yang sudah tua dengan efisiensi motor. Meskipun dengan energy efisiensi motor, bagaimanapun faktor daya dipengaruhi oleh beban yang variasi. Motor ini harus dioperasikan sesuai dengan kapasitas rata ratanya untuk memperoleh faktor daya yang tinggi Memasang kapasitor pada jaringan AC untuk menurunkan medan dari daya reaktif 3.1.6 Efek Ekonomi Dari Rendahnya Faktor Daya Rendahnya faktor daya secara tidak langsung akan mempengaruhi efisiensi suatu sistem dari tenaga listrik tersebut serta beban itu sendiri. Besarnya arus yang mengalir akibat rendahnya faktor daya akan membutuhkan penghantar yang lebih besar. Hal ini pun akan berlaku pada switch ataupun busbar yang digunakan. Bearnya arus yang mengalir pada penghantar melibihi arus nominal peralatan akan memperpendek umur pemakaian dari peralatan yang dipergunakan. Hal ini berarti mempercepat penggantian alat alat ataupun komponen operasional listrik yang rapuh akibat arus tersebut. Disamping itu bagi konsumen tertentu (golongan 1 4) bila terjadi pemakaian kvarh total selama sebulan lebih besar dari 0,62 dari pemakaian kwh total maka akan terkena penalty dari PLN, sehingga biaya pemakaian listrik,
33 operasional dan pemeliharaan akan iktu meningkat. Tentu saja semua berkaitan dengan biaya produksi an perawatan. Bagaimanapun bagi kalangan ondustri, kenaikan biaya listrik serta kekurangan energi listrik akan menjadi perhatian khusus. 3.2 Perbaikan Fakor Daya Energi listrik yang digunakan berbanding lurus dengan biaya produksi yang dikeluarkan. Semakin besar energi listrik yang digunakan maka semakin besar pula biaya produksi yang dibutuhkan. Dengan menggunakan power monitoring system dapat diketahui pemakaian energi listrik dan kondisi energi listrik dari peralatan listrik sehingga meningkatkan efisiensi dari energi listrik yang digunakan dalam pekerjaan dan meminimalkan rugi rugi pada system untuk penyaluran energi listrik yang lebih efisien dari sumber listrik ke beban. Karena komponen daya aktif umumnya konstan (komponen kva dan kvar berubah sesuai dengan faktor daya), maka dapat ditulis seperti berikut : ( )= ( ) (3.2) = ( ) = ( ). (3.3)
34 Gambar 3.5 Vektor perbaikan faktor daya Misalkan suatu beban yang mempunyai daya aktif sebesar P (kw), daya reaktif Q (kvar) dan daya semu S (kva), maka faktor daya sebesar : cos = atau : cos = Bila kapasitor shunt telah dipasang dengan kapasitas Q C, maka faktor daya menjadi : cos = = cos =..(3.4) ( ) Maka untuk menentukan nilai besarnya kapasitor Q C, dapat dihitung dengan rumus : = ( ).. (3.5) ( ) = ( ) ( )
35 dimana : Qc = daya reaktif kapasitor (kvar) Q 2 = daya reaktif setelah diperbaiki (kvar) Q 1 = daya reaktif awal (kvar) P = daya aktif (kw) φ 1 = sudut fasa awal φ 2 = sudut fasa setelah diperbaiki Bila dilihat dari penjelasan diatas maka akan terjadi pengurangan daya semu (kva), yang semula S 1 menjadi S 2. Jadi terdapat pengurangan daya semu sebesar : =( ) Dilihat dari segi ekonomi, bila terjadi penurunan daya semu berarti terjadi juga penurunan biaya pemakaian energi. Bila dimisalkan X adalah biaya beban rupiah /kva pertahun, maka dalam setahun terjadi penghematan biaya sebesar :. =( ). =.( ) / h... (3.6) Dari uraian diatas, sudah jelas untuk memperbaiki faktor daya maka kita harus memasang kapasitor shunt, dengan kapasitas sebesar Qc. Kita juga dapat menghitung biaya investai dengan jangka waktu kembali atau pay-back-period, dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : = (3.7) Dimana : PV = biaya investai (harga paket kapasitor) PMT = penghematan tunai perbulan (nilai denda kvar perbulan)
36 3.3 Perhitungan Denda Atau Biaya Kelebihan Daya Reaktif Dan Pemakaian kwh Denda atau biaya kelebihan daya reaktif dikenakan apabila jumlah pemakaian kvarh yang tercatat dalam sebulan lebih tinggi dari 0,62 jumlah kwh pada bulan yang bersangkutan sehingga Pf rata rata kurang dari 0,85. Sedangkan perhitungan kelebihan pemakaian kvarh dalam rupiah menggunakan rumus sebagai berikut : h = 0,62( + ).(3.8) dimana : B A 1 A 2 Hk = pemakaian kvarh = pemakaian kwh WBP (waktu beban puncak) = pemakaian kwh LWBP (luwar waktu beban puncak) = harga kelebihan pemakaian kvarh Untuk menghitung pemaiakan total Kwh pada WBP (Waktu Beban Puncak), LWBP (Luar Waktu Beban Puncak), dan juga Pemakaian kwh kvarh dapat menggunakan persamaan di bawah ini : =.. (3.9) Untuk menghitung nilai biaya total pemakaian kwh dapat menggunakan persamaan di bawah ini : = 2010...(3.10) Dimana tarif dasar istrik (2010) untuk WBP = Rp 1200, LWBP = Rp 800, dan untuk denda kelabihan kvar = Rp 905
37 3.4 Metode Pemasangan Instalasi Kapasitor Dalam pemasangan instalasi kapasitor umumnya terdapat tiga cara pemasangan kapasitor shunt sebagai kompensator penghasil daya reaktif untuk memperbaiki faktor daya, yaitu : 1. Individual Compensation ( Penempatan Secara Tiap Beban) 2. Group Compensation ( Penempatan Secara Kelompok) 3. Centralization Compensation ( Penempatan Secara Terpusat) 3.4.1 Individual Compensation ( Penempatan Secara Tiap Beban) Penempatan secara terpusat merupakan salah satu metode pemasangan instalasi kapasitor shunt dengan memasang kapasitor pada masing masing beban yang akan diperbaiki faktor dayanya, seperti pada gambar dibawah ini : Gambar 3.6 Metode pemasangan kapasitor shunt secara tiap beban
38 Adapun keuntungan dari pemasangan kapasitor shunt secara tiap beban, antara lain: 1. Proses optimalisasi daya akan bekerja lebih efektif bila dinandingkan dengan metode lainnya. 2. Arus reaktif langsung mengalir ke beban (tidak mengalir ke jaringan), sehingga penghantar dan sistem pengamanannya dapat diperkecil. 3. Rugi rugi padaa jaringan menjadi lebih kecil. 4. Perbaikan faktor daya bisa langsung dilakukan pada beban, sehingga kapasitor bekerja pada saat beban bekerja. 3.4.2 Group Compensation ( Penempatan Secara Kelompok) Penempatan kapasitor shunt secara kelompok merupakan suatu metode yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya pada kelompok kelompok beban, cara pemasangann secara kelompok dapat dilihat pada gambar dibawah ini : Gambar 3.7 Metode pemasangan kapasitor shunt secara kelompok Keuntungan dari pemasangan kapasitor shunt secara kelompok adalah mudah dalam pengontrolannya karena letaknya tidak terpisah / terletak secara kelompok.
39 Sedangkan kerugian dari pemasangan kapasitor secara kelompok adalah apabila kapasitor shunt mengalami kerusakan maka kebutuhan daya reaktif dari kelompok beban tersebut sepenuhnya akan diambil dari pembangkit tenaga listrik. 3.4.3 Centralization Compensation ( Penempatan Secara Terpusat) Metode pemasangan instalasi kapsitor shunt yang lainnya adalah pemasangan kapasitor shunt secara terpusat pada sumber energi listrik, seperti pada gambar di bawah ini : Gambar 3.8 Metode pemasangan kapasitor shunt secara terpusat Keuntungan dari metode pemasangan kapasitor shunt secara terpusat adalah sebagai berikut : 1. Perbaikan faktor daya dapat dilakukan secara terpusat (untuk seluruh beban). 2. Instalasi menjadi lebih murah dan mudah karena dilakukan secara terpusat.
40 Sedangkan kerugian dari metode ini adalah : 1. Arus reaktif akan mengalir ke seluruh jaringan yang berasal dari kapasitor shunt, yang mengakibatkan luas penampang kabel dan sistem proteksi yang dibutuhkan menjadi lebih besar. 2. Apabila kapasitor shunt mengalami kerusakan, maka perbaiakan faktor daya pada seluruh beban akan terganggu. 3.5 Komponen - Komponen Utama Yang Terdapat Pada Panel Kapasitor Di dalam panel kapasitor ada beberapa komponen pendukung kapasitor shunt. Komponen - komponen ini juga sangat berpengaruh karena berguna untuk sistem pengamanan dan juga sebagai pengontrol dari kerja kapasitor, beberapa komponen tersebut diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Main Switch / Load Break Switch Main switch ini sebagai peralatan kontrol dan isolasi jika ada pemeliharaan panel. Sedangkan untuk pengaman kabel / instalasi sudah tersedia disisi atasnya (dari) MDP. Mains switch atau lebih dikenal load break switch adalah peralatan pemutus dan penyambung yang sifatnya on load yakni dapat diputus dan disambung dalam keadaan berbeban, berbeda dengan on-off switch model knife yang hanya dioperasikan pada saat tidak berbeban. Untuk menentukan kapasitas yang dipakai dengan perhitungan minimal 25 % lebih besar dari perhitungan KVar terpasang.
41 2. Magnetic Contactor Magnetic contactor diperlukan sebagai Peralatan kontrol.beban kapasitor mempunyai arus puncak yang tinggi, lebih tinggi dari beban motor. Untuk pemilihan magnetic contactor minimal 10 % lebih tinggi dari arus nominal. Pemilihan magnetic dengan range ampere lebih tinggi akan lebih baik sehingga umur pemakaian magnetic contactor lebih lama. 3. Reactive Power Regulator Peralatan ini berfungsi untuk mengatur kerja kontaktor agar daya reaktif yang akan disupply ke jaringan/ system dapat bekerja sesuai kapasitas yang dibutuhkan. Dengan acuan pembacaan besaran arus dan tegangan pada sisi utama Breaker maka daya reaktif yang dibutuhkan dapat terbaca dan regulator inilah yang akan mengatur kapan dan berapa daya reaktif yang diperlukan. 4. Kapasitor Shunt Kapasitor shunt adalah kapasitor yang dipasang secara paralel dengan beban. Kapasitor shunt mencatu daya reaktif atau arus yang menentang komponen arus beban induktif. Kegunaan dari kapasitor shunt, antara lain : perbaikan tegangan dan perbaikan faktor daya. 3.5.1 Peralatan Tambahan Pada Panel Kapasitor Dalam panel kapasitor ada beberapa peralatan tambahan yang digunakan sebagai alat pendukung dari kerja kapasitor agar dapat mampu bekerja dengan maksimal, beberapa peralatan diantaranya adalah :
42 1. Push button on dan push button off yang berfungsi mengoperasikan magnetic contactor secara manual. 2. Selektor auto off manual yang berfungsi memilih system operasional auto dari modul atau manual dari push button. 3. Exhaust fan + thermostat yang berfungsi mengatur ambeint temperature (suhu udara sekitar) dalam ruang panel kapasitor. Karena kapasitor, kontaktor dan kabel penghantar mempunyai disipasi daya panas yang besar maka temperature ruang panel meningkat.setelah setting dari thermostat terlampaui maka exhust fan akan otomatis berhenti.