BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Daya Aktif, Daya Reaktif & Daya Semu Daya aktif (P) adalah daya beban listrik yang terpasang pada jaringan distribusi termasuk rugi-rugi yang ditimbulkan oleh kabel, trafo dan peralatan lainnya. Satuan daya aktif adalah Watt dan dirumuskan sebagai berikut : Daya aktif untuk sistem tegangan satu fase : P = V x I x cos φ...(2.1) Daya aktif untuk sistem tegangan tiga fase : P = x V x I x cos φ...(2.2) Dimana : P V I = Daya aktif (Watt) = Tegangan (Volt) = Arus (Ampere) Cos φ = Faktor Daya Daya reaktif (Q) adalah daya yang ditimbulkan akibat pembentukan medan magnet, dimana akan terbentuk fluks medan magnet. Daya reaktif terdapat pada trafo, motor-motor listrik, lampu TL dan lain sebagainya. Daya reaktif juga dapat didefinisikan sebagai daya yang ditimbulkan akibat adanya perbedaan sudut fasa antara gelombang arus dan tegangan. Satuan daya reaktif adalah VAR atau volt ampere reaktif dan dirumuskan sebagai berikut : Q = P x tan φ... (2.3)
8 Dimana : Q P = Daya reaktif (VAR) = Daya Aktif (Watt) tan φ = tangen sudut beda fase antara arus dan tegangan. Daya semu (apparent power) adalah daya yang digunakan untuk menentukan kapasitas pembangkit berdasarkan beban listrik (P) dan faktor daya (cos φ). Satuan daya semu adalah VA dan dirumuskan sebagai berikut : Daya semu untuk sistem tegangan satu fase : S = V x I... (2.4) Daya semu untuk sistem tegangan tiga fase : S = x V x I...(2.5) Jika digambarkan dalam bentuk segitiga daya, maka daya semu direpresentasikan oleh sisi miring dan daya aktif maupun reaktif direpresentasikan oleh sisi-sisi segitiga yang saling tegak lurus. Gambar 2.1. Segitiga Daya Jika gelombang tegangan dan arus listrik berhimpit maka sudut φ = 0 yang dapat pula dikatakan cos 0 = 1 atau antara daya semu dan daya aktif sama besar dan daya reaktif atau daya yang hilang sama dengan 0.
9 2.2. Faktor Daya Faktor daya yang dinotasikan sebagai cos φ didefinisikan sebagai perbandingan antara arus yang dapat menghasilkan kerja di dalam suatu rangkaian terhadap arus total yang masuk ke dalam rangkaian atau dapat dikatakan sebagai perbandingan daya aktif (kw) dan daya semu (kva). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya (cos φ ) akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu dan dapat dirumuskan sebagai berikut :...(2.6) Dalam sistem tenaga listrik dikenal 3 jenis faktor daya yaitu faktor daya unity, faktor daya terbelakang (lagging) dan faktor daya terdahulu (leading) yang ditentukan oleh jenis beban yang ada pada sistem. Adapun sistem faktor daya tersebut di dalam kurva adalah sebagai berikut : Gambar 2.2. Gelombang Tegangan & Arus
10 2.2.1. Faktor Daya Unity Faktor daya unity adalah keadaan saat nilai cos φ adalah satu dan tegangan sephasa dengan arus. Faktor daya Unity akan terjadi bila jenis beban adalah resistif murni. Gambar 2.3. Arus Sephasa Dengan Tegangan Pada Gambar terlihat nilai cos φ sama dengan 1, yang menyebabkan jumlah daya aktif yang dikonsumsi beban sama dengan daya semu. 2.2.2. Faktor Daya Terbelakang (Lagging) Faktor daya terbelakang (lagging) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisi-kondisi sebagai berikut : 1. Beban / peralatan listrik memerlukan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat induktif. 2. Arus (I) terbelakang dari tegangan (V), V mendahului I dengan sudut φ. Gambar 2.4. Arus Tertinggal Dari Tegangan Sebesar Sudut φ Dari Gambar terlihat bahwa arus tertinggal dari tegangan maka daya reaktif mendahului daya semu, berarti beban membutuhkan atau menerima daya reaktif dari sistem.
11 2.2.3. Faktor Daya Mendahului (Leading) Faktor daya mendahului (leading) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisi-kondisi sebagai berikut : 1. Beban / peralatan listrik memberikan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat kapasitif. 2. Arus mendahului tegangan, V terbelakang dari I dengan sudut φ Gambar 2.5. Arus Mendahului Tegangan Sebesar Sudut φ Dari Gambar terlihat bahwa arus mendahului tegangan maka daya reaktif tertinggal dari daya semu, berarti beban memberikan daya reaktif kepada sistem. 2.3. Pengaruh Rendahnya Faktor Daya (Power Faktor) Power Faktor (faktor daya) merupakan hal yang penting dalam sebuah jaringan tenaga listrik, baik jaringan tiga phasa maupun jaringan satu phasa. Kerugian akibat rendahnya Faktor Daya dapat dijelaskan dengan nilai arus yang mengalir pada jaringan tersebut dengan menggunakan persamaan perhitungan Daya baik tiga phasa maupun 1 phasa, sebagai berikut : 1. Jaringan 3 phasa : P = x V x I x cos φ...(2.7) sehingga I = P / ( x V x cos φ ), sehingga dapat dikatakan bahwa I 1/ cos φ, yaitu : I (arus) berbanding terbalik terhadap cos φ.
12 2. Jaringan 1 phasa : P = V x I x cos φ...(2.8) Sehingga I = P / ( V x cos φ ), sehingga dapat dikatakan bahwa I 1/ cos φ, yaitu : I (arus) berbanding terbalik terhadap cos φ. Dari kedua persamaan diatas, jelas terlihat bahwa arus (I) berbanding terbalik dengan cos φ, yang merupakan faktor daya. Sehingga apabila faktor daya meningkat maka arus menjadi turun, dan sebaliknya apabila faktor daya rendah, arus yang mengalir akan menjadi tinggi. Dari penjelasan diatas, terlihat bahwa faktor daya rendah mengakibatkan arus (I) yang mengalir pada sistim jaringan tenaga listrik tersebut mengalami kenaikan, dan kenaikan arus mengakibatkan kerugian - kerugian pada jaringan itu sendiri, dengan rincian sebagai berikut : 1. Kerugian pada jalur penghantar ( Rugi Tembaga ) Pada sebuah penghantar, kerugian yang timbul akibat arus yang mengalir adalah berbanding lurus dengan nilai arus pangkat 2 (I 2 ). Sehingga rugi - rugi daya pada penghantar tersebut menjadi : Rugi daya = I 2 x R...(2.9) yaitu : semakin besar arus yang mengalir pada penghantar tersebut, semakin besar kerugian (losses daya) pada jaringan tersebut. Dengan kata lain, Power Loss = I 2 x R ; dari penjelasan diatas telah dinyatakan bahwa I = 1 / cos φ, sehingga I 2 = 1/ cos φ 2. Jadi, jika faktor daya = 0,8 maka kerugian atas faktor daya ini adalah = 1/ cos φ 2 = 1 / 0,82 = 1,56, sehingga kerugian yang ditimbulkan adalah 1,56 kali dibanding bila faktor daya jaringan tersebut 1.
13 2. Besarnya pembangkit. Besarnya pembangkit yang dibutuhkan untuk sebuah peralatan yang akan digunakan hampir semua peralatan mesin Listrik (Transformer, Alternator dan lain-lain) dihitung dalam satuan kva. Sedangkan Faktor daya merupakan perbandingan antara daya aktif (P = kw) dengan daya semu (S = kva), yaitu :...(2.10) Sehingga semakin rendah faktor daya, semakin besar rating kva sebuah peralatan mesin listrik tersebut, dan semakin besar rating kva sebuah mesin, semakin besar pula ukuran mesin dan semakin besar mesin semakin besar biaya pengadaannya dan perawatannya. 3. Ukuran Penghantar. Ketika faktor daya rendah maka arus yang mengalir akan meningkat dan dengan demikian, untuk mengalirkan arus yang besar dibutuhkan ukuran penghantar konduktor yang lebih besar dan semakin besar penghantar atau konduktor akan semakin besar biaya yang dibutuhkan untuk pengadaannya. Pada kabel konduktor pasti memiliki nilai impedansi dan sehingga setiap kali arus mengalir melalui kabel tersebut, akan ada jatuh tegangan disepanjang kabel, yang dapat diturunkan dengan Hukum Ohm (yaitu V = IZ ). Penurunan tegangan tersebut tergantung pada dua hal, yaitu : 1. Aliran arus melalui kabel - semakin tinggi arus, semakin besar tegangan drop.
14 2. Impedansi konduktor - semakin besar impedansi, semakin besar tegangan drop. Impedansi kabel merupakan fungsi dari ukuran kabel (luas penampang) dan panjang kabel. Umumnya produsen kabel akan melampirkan data kabel yang diproduksinya seperti nilai resistansi kabel dan reaktansi kabel dalam satuan Ω / km. 4. Voltage Drop (Tegangan Jatuh) dan jeleknya regulasi tegangan (V R ). Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Maksimum merupakan drop tegangan tertinggi yang diperbolehkan timbul sepanjang kabel yang dialiri oleh arus listrik. Bila drop tegangan yang timbul melebih batas maksimum, maka ukuran kabel yang lebih besar harus dipilih. Tegangan Jatuh (Voltage Drop) disepanjang kabel lebih ditentukan karena beban konsumen (misalnya peralatan) sehingga tegangan yang sampai diinput peralatan tidak melebihi batas toleransi. Ini berarti, jika tegangan pada alat tersebut lebih rendah dari tegangan minimum, maka alat tidak dapat beroperasi dengan benar. Secara umum, sebagian besar peralatan listrik akan beroperasi normal pada tegangan serendah 80 % dari tegangan nominal. Sebagai contoh, jika tegangan nominal adalah 230VAC, maka sebagian besar peralatan dapat dijalankan pada > 184VAC. Pemilihan ukuran untuk kabel penghantar yang baik adalah ukuran yang hanya mengalami drop tegangan sebesar kisaran 5-10% pada beban penuh.
15 Beberapa peralatan listrik ada yang membutuhkan nilai voltage regulasi yang rendah, sehingga dengan kondisi faktor daya yang rendah maka operasional alat akan menjadi terganggu. Biasanya, untuk menjaga penurunan tegangan dalam batas tertentu, perlu menginstal peralatan regulasi ekstra yaitu regulator Voltage, yang tentu saja membutuhkan biaya tambahan. 5. Efisiensi Rendah Dalam kasus rendahnya Faktor Daya, akan ada drop tegangan yang cukup besar dan kerugian disepanjang penghantar dan hal ini akan menyebabkan sistem atau peralatan akan memiliki nilai efisiensi yang rendah. Hal ini jelas terlihat pada sistim pembakitan (generator). 6. Penalti dari Penyedia Layanan Listrik (PLN) PLN akan membebankan denda faktor daya di bawah 0,85 tertinggal dalam tagihan tenaga listrik. 2.4. Kabel Menentukan pemilihan kabel dapat dilakukan dengan beberapa cara, dengan menggunakan rumus atau dengan menggunakan tabel kabel yang telah disediakan oleh produsen kabel pada umumnya. Berikut ini adalah pemilihan kabel berdasarkan rumus & berdasarkan tabel, antara lain : 1. Pemilihan Kabel Berdasarkan Rumus a....(2.11)
16 Dimana : q = L = N = Penampang kabel dlm mm2. Jarak dalam meter. Daya dalam watt. y = Daya hantar jenis (Tembaga=56 ; Aluminium=32,7 ; Besi = 7) ev = Rugi tegangan yang diinginkan dalam Volt. (Maks 5%) E = Tegangan dalam Volt b. Instalasi Satu Fase φ...(2.12) c. Instalasi Tiga Fase φ...(2.13) Dimana : A = luas penampang penghantar yang diperlukan (mm 2 ) = daya hantar jenis penghantar Untuk Tembaga = 56,2 x 10 6 (Ohm.m) -1 Untuk Aluminium = 33 x 10 6 (Ohm.m) -1 = panjang penghantar (meter) I = kuat arus yang mengalir (Ampere) V = rugi tegangan (Volt) maksimal 5%
17 2. Pemilihan Kabel Berdasarkan Tabel Tabel 2.1. Kapasitas Kabel & Breaker PT. PLN No Daya Breaker Ukuran Kabel 1 450 W 1 x 2 A 3 x 4 mm 2 2 900 W 1 x 4 A 3 x 4 mm 2 3 1.300 W 1 x 6 A 3 x 4 mm 2 4 2.200 W 1 x 10 A 3 x 4 mm 2 5 3.500 W 1 x 16 A 3 x 4 mm 2 6 4.400 W 1 x 20 A 3 x 4 mm 2 7 5.500 W 1 x 25 A 3 x 6 mm 2 8 7.700 W 1 x 35 A 3 x 6 mm 2 9 11.000 W 1 x 50 A 3 x 16 mm 2 10 13.900 W 1 x 63 A 3 x 25 mm 2 11 17.600 W 1 x 80 A 3 x 25 mm 2 12 22.000 W 1 x 100 A 3 x 35 mm 2 13 3.900 W 3 x 6 A 4 x 4 mm 2 14 6.600 W 3 x 10 A 4 x 4 mm 2 15 10.600 W 3 x 16 A 4 x 6 mm 2 17 13.200 W 3 x 20 A 4 x 6 mm 2 18 16.500 W 3 x 25 A 4 x 10 mm 2 19 23.000 W 3 x 35 A 4 x 10 mm 2 20 33.000 W 3 x 50 A 4 x 16 mm 2 21 41.500 W 3 x 63 A 4 x 25 mm 2 22 53.000 W 3 x 80 A 4 x 25 mm 2 23 66.000 W 3 x 100 A 4 x 35 mm 2 24 82.500 W 3 x 125 A 4 x 50 mm 2 25 105.000 W 3 x160 A 4 x 70 mm 2 26 131.000 W 3 x 200 A 4 x 95 mm 2 27 147.000 W 3 x 225 A 4 x 95 mm 2 28 164.000 W 3 x 250 A 4 x 120 mm 2 29 197.000 W 3 x 300 A 4 x 150 mm 2 30 233.000 W 3 x 355 A 4 x 185 mm 2 31 279.000 W 3 x 425 A 2 x 4 x 95 mm 2 32 329.000 W 3 x 500 A 2 x 4 x 150 mm 2 33 414.000 W 3 x 630 A 2 x 4 x 185 mm 2 34 526.000 W 3 x 800 A 2 x 4 x 240 mm 2 25 630.000 W 3 x 1000 A 3 x 4 x 240 mm 2
18 2.5. Circuit Breaker Kapasitor bank membutuhkan peralatan listrik yang berfungsi sebagai pengaman terhadap terjadinya gangguan yang disebabkan oleh hubung singkat (short circuit) dan pembebanan yang melebihi kapasitas arus yang terjadi secara cepat (over loading), keandalan dari suatu breaker ditentukan dari kecepatan memutus jika terjadi gangguan dan kemampuan untuk menahan arus hubung singkat secara cepat. Dalam kapasitor bank terdiri dari bermacam macam breaker sesuai dengan kapasitasnya yaitu antara lain : moulded circuit breaker (MCCB), no fuse breaker (NFB), NT fuse, air blast circuit breaker (ACB), yang mempunyai berbagai kutub dari satu sampai empat kutub. Dalam memilih kutub circuit breaker, hal hal yang harus dipertimbangkan adalah : Karakteristik sistem dimana circuit breaker tersebut dipasang. Kebutuhan akan kontinuitas pelayanan sumber daya listrik. Aturan dan standar proteksi yang berlaku. 2.5.1. Karakteristik Sistem Pemasangan Circuit Breaker Berikut ini adalah karakteristik sistem pemasangan circuit breaker : 1. Sistem Tegangan Tegangan operasional dari Circuit Breaker harus lebih besar atau minimum sama dengan tegangan sistem. 2. Frekuensi sistem Frekuensi pengenal Circuit Breaker harus sesuai dengan frekuensi sistem.
19 3. Arus pengenal Arus pengenal Circuit Breaker harus disesuaikan dengan arus beban yang dilewatkan oleh kabel dan harus dari arus ambang yang diijinkan pada kabel. 4. Kapasitas pemutusan Kapasitas pemutusan Circuit Breaker paling sedikit sama dengan arus hubung singkat prospektif yang mungkin terjadi. 5. Jumlah pole Jumlah pole dari Circuit Breaker tergantung dari sistem pembumiannya. Kebutuhan kontinuitas sumber daya dalam memilih Circuit Breaker harus diperhatikan : 1. Diskriminasi total dari dua Circuit Breaker yang ditempatkan secara seri. 2. Diskriminasi terbatas (sebagian), diskriminasi hanya dijamin sampai tingkat arus gangguan tertentu. 2.5.2. Menentukan Kapasitas Breaker Di dalam penentuan kapasitas breaker yang akan di pakai, ada baiknya dilakukan perhitungan agar kapasitasnya tidak terlalu kecil sehingga sering trip & agar tidak terlalu besar sehingga tidak trip pada saat adanya hubung singkat (short). Adapun perhitungan kapasitas breaker adalah sebagai berikut : a. Instalasi Satu Fase...(2.14)
20 b. Instalasi Tiga Fase...(2.15) Dimana : I P V = kuat arus listrik (Ampere) = daya terpasang (Watt) = 220 V untuk Satu Fase atau 380 V untuk Tiga Fase = faktor daya c. Faktor safety breaker untuk beban bukan motor = 1,2 x I untuk beban motor = 1,6 x I 2.6. Perhitungan beban Beban listrik pada suatu bangunan harus dihitung dengan tepat sebelum bangunan itu disuplai listrik PLN atau sumber listrik lain. Perhitungan besar beban sebenarnya (actual load) banyak faktor yang mempengaruhi, seperti faktor diversitas (diversity factor) dan faktor pemakaian (demand factor). Jumlah beban tersambung (connected load) tidak bisa langsung dipakai untuk menentukan besarnya kebutuhan daya. Untuk menentukan beban listrik dengan tepat yaitu melalui perencanaan beban. Ada beberapa hal yang perlu diketahui dalam perencanaan beban, yaitu : 1. Beban Tersambung (Connected Load) Beban tersambung (connected load) adalah semua beban listrik yang akan dipasang pada suatu bangunan. Untuk memudahkan perhitungan jumlah beban
21 perlu adanya pengelompokan beban berdasarkan lokasi dimana beban itu akan terpasang. Pengelompokan ini selain untuk kebutuhan diatas juga untuk menentukan besarnya panel distribusi. Beban tersambung harus dikonversikan dalam satu satuan daya listrik, umumnya dalam satuan kw atau kva. Hal ini untuk memudahkan pemilihan besarnya sambungan daya PLN, transformator dan generator yang akan dipasang untuk mensuplai beban tersebut. 2. Faktor Diversitas (Diversity Facktor) Faktor diversitas (diversity facktor) digunakan sebagai faktor yang mempengaruhi perhitungan beban listrik. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa dalam kelompok beban listrik yang terdiri dari berbagai macam beban pada suatu bangunan tidak akan terjadi seluruh beban bekerja dalam waktu bersamaan, artinya pasti akan ada satu atau lebih beban yang mati (off). Misalnya dalam suatu bangunan besarnya beban tersambung dari berbagai macam beban adalah 1.000 kw, sedangkan beban maksimum yang terukur dalam meteran listrik hanya 750 kw. Faktor diversitas (diversity facktor) atau faktor keanekaragaman adalah perbandingan antara jumlah daya maksimum yang dibutuhkan konsumen atau sub bagian dari sembarang sistem atau sebagian dari sistem terhadap kebutuhan maksimum keseluruhan atau bagian dari sistem yang dimaksud. Yang dirumuskan sebagai berikut : Faktor diversitas =...(2.16)
22 Dimana : = Jumlah kebutuhan maksimum sub bagian atau konsumen. = kebutuhan maksimum seluruh sistem atau bagian sistem. Dalam perencanaan, nilai faktor diversitas diambil berdasarkan asumsi, data-data dari literatur atau perencanaan terdahulu. Berikut ini perkiraan besarnya faktor diversitas untuk berbagai kebutuhan : (Pabla, 1991:7) - Perumahan : 1,2 1,3 - Komersil : 1,1 1,2 - Industri : 1,1 1,3 - Pertanian : 1 1,5 3. Faktor Kebutuhan (Demand Factor) Faktor kebutuhan (demand factor) merupakan perbandingan antara kebutuhan maksimum sebenarnya terhadap beban tersambung, yang dirumuskan : (Theraja, 1997:1571) Faktor kebutuhan =...(2.17) Kebutuhan maksimum atau sering disebut beban puncak adalah kebutuhan terbesar pada periode tertentu. Umumnya beban puncak diambil pada interval waktu yang pendek, misalnya 1 jam 15 menit. Faktor kebutuhan ini digunakan untuk menghitung total beban yang akan disambungkan pada sistem pembangkit atau power plant. Faktor kebutuhan ini perlu diketahui karena pada kenyataannya pada kw normal atau kebutuhan maksimum kva pada grup peralatan listrik selalu lebih rendah daripada rating
23 kw atau kva atau kapasitas sebenarnya dan pada satu grup peralatan tidak pernah bekerja secara serentak. Dalam perencanaan beban, faktor kebutuhan juga diambil berdasarkan asumsi atau literatur yang ada. Berikut ini faktor kebutuhan untuk berbagai kebutuhan : (Pabla, 1991:7) - Perumahan : 70% 100% - Komersil : 90% 100% - Industri : 70% 90% - Kota : 100% - Pertanian : 90% 100% 4. Beban Sebenarnya (Actual Load) Beban sebenarnya adalah perbandingan antara beban tersambung dikali faktor kebutuhan terhadap faktor diversitas. Yang dirumuskan : (Theraja, 1997:1577) Beban sebenarnya =...(2.18) Faktor diversitas dalam hal ini dihitung grup yang paling rendah sampai yang paling tinggi. Beban sebenarnya merupakan total daya yang digunakan untuk menentukan besarnya peralatan-peralatan listrik dan pembangkit listrik yang akan dipasang. Untuk keperluan kedepannya besarnya daya yang dibutuhkan bisa ditambahkan cadangan listrik 10% atau lebih dari daya sebenarnya. Hal ini
24 sangat penting diberikan karena kenyataannya pada gedung yang baru dibangun ada mesin-mesin tambahan diluar perencanaan. 2.7. Kapasitor Bank Kapasitor Bank adalah beberapa sekumpulan-sekumpulan kapasitor yang dihubungkan paralel dengan rangkaian beban. Bila rangkaian itu diberi tegangan maka elektron akan mengalir masuk ke kapasitor. Pada saat kapasitor penuh dengan muatan elektron maka tegangan akan berubah. Kemudian elektron akan ke luar dari kapasitor dan mengalir ke dalam rangkaian yang memerlukannya dengan demikian pada saaat itu kapasitor membangkitkan daya reaktif. Gambar 2.6. Kapasitor Bank Bila tegangan yang berubah itu kembali normal (tetap) maka kapasitor akan menyimpan kembali elektron. Pada saat kapasitor mengeluarkan elektron (Ic) berarti sama juga kapasitor menyuplai daya reaktif ke beban. Karena beban bersifat induktif (+) sedangkan daya reaktif bersifat kapasitif (-) akibatnya daya reaktif yang berlaku menjadi kecil.
25 Gambar 2.7. Single kapasitor Secara umum beban yang sering digunakan, terutama pada industri adalah beban induktif, seperti motor listrik, lampu TL, heater dan lain sebagainya. Dengan adanya beban induktif ini menyebabkan nilai cos phi yang rendah. Standar dari PLN adalah minimal 0.85. PLN akan membebankan biaya kelebihan pemakaain kvarh pada pelanggan, jika faktor daya (cos phi) kurang dari 0.85. Untuk memperbaiki faktor daya ini, maka digunakan kapasitor bank yang berfungsi sebagai kompensator dari beban-beban induktif. Dalam memperbaiki nilai cos phi ini, diperlukan sebuah alat kontrol automatis yaitu Reactive Power Regulator. Selain itu fungsi lain dari pemasangan Panel kapasitor Bank : Menghilangkan Denda / Kelebihan Biaya (kvarh). Dan manfaat dari pemasangan kapasitor bank antara lain : - Menghindari kelebihan beban transformer / trafo over load - Menghindari kenaikan Arus / Suhu pada kabel, - Memaksimalkan Pemakaian Daya yang terpasang (kva), - Menghindari voltage drop pada Line end, - Meningkatkan kualitas sumber daya listrik, - Memelihara peralatan / perangkat electric yang terpasang.
26 2.7.1. Menghitung Daya Reaktif Ada beberpa cara untuk menentukan daya reaktif (Qc), yaitu : 1. Metode Sederhana. Metode ini digunakan agar dengan cepat bisa menentukan daya reaktif yang akan dikompensasi dengan menggunakan tabel pengali yang tersedia. Tabel ini merupakan kondisi faktor daya sebelum dikoreksi atau dikompensasi dengan faktor daya setelah diperbaiki, sehingga didapatkan faktor pengali terhadap daya listrik yang sebenarnya. Secara teoritis dapat dirumuskan sebagai berikut : Q = Q 1 -Q 2 = P x K...(2.19) K = tan φ 1 tan φ 2...(2.20) Dimana : Q = Daya reaktif yang akan dikompensasi (kvar) Q 1 = Daya reaktif sebelum diperbaiki (kvar) Q 2 = Daya reaktif sebelum diperbaiki (kvar) P K = Daya Aktif = Konstanta Pengali (didapat dari tabel) φ 1 = Sudut fase sebelum diperbaiki φ 2 = Sudut fase sesudah diperbaiki atau yang diinginkan. Gambar 2.8. Segitiga kompensasi daya reaktif
27 Adapun konstanta pengali (K) didapat dari tabel faktor pengali untuk berbagai kondisi dari faktor daya dengan rincian sebagai berikut : Tabel 2.2. Tabel Faktor Pengali Sumber : Schneider Electric
28 Contoh : Perkiraan rata-rata faktor daya suatu instalasi = 0,65 Faktor daya yang diinginkan = 0,95 Maka dari tabel cos φ di dapat angka = 0,84 Maka untuk menghindari beban PLN suatu instalasi dengan beban 100 kw memerlukan daya reaktif (Qc) sebesar = 0,84 x 100 kw = 84 kvar. 2. Metode cos φ Metode ini menggunakan tabel cos φ. Data yang diperlukan adalah daya beban total dan faktor daya (cos φ). Contoh : Sebuah instalasi pabrik memiliki faktor daya : 0,70 untuk beban puncak 600 kw. Untuk meningkatkan faktor daya menjadi 0,93 diperlukan daya kapasitor sebesar : Dari tabel didapat angka = 0,62 Maka daya reaktif yang diperlukan = 0,62 x 600 kw = 372 kvar Jika tidak memiliki untuk daya beban, dapat dihitung menggunakan rumus : P = x V x I x cos φ...(2.21) Untuk menentukan kvar per step dapat dilakukan dengan membagi kvar yang sudah didapat berdasarkan perhitungan dengan step yang ada (bermacam macam steps dari 6 steps, 8 steps, 12 steps sampai 18 steps).
29 2.7.2. Metode Pemasangan Instalasi Kapasitor Cara pemasangan instalasi kapasitor dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu : 1. Global compensation Dengan metode ini kapasitor dipasang di induk panel (MDP). Arus yang turun dari pemasangan model ini hanya di penghantar antara panel MDP dan transformator. Sedangkan arus yang lewat setelah MDP tidak turun dengan demikian rugi akibat disipasi panas pada penghantar setelah MDP tidak terpengaruh. Terlebih instalasi tenaga dengan penghantar yang cukup panjang Delta Voltagenya masih cukup besar. Gambar 2.9. Global Compensation 2. Sectoral Compensation Dengan metoda ini kapasitor yang terdiri dari beberapa panel kapasitor dipasang dipanel SDP (Sub Distribusi Panel). Metode ini diterapkan pada industri dengan kapasitas beban terpasang besar sampai ribuan kva dan terlebih jarak antara panel MDP dan SDP cukup berjauhan.
30 Gambar 2.10. Sectoral Compensation 3. Individual Compensation Dengan metoda ini kapasitor langsung dipasang pada masing masing beban khususnya yang mempunyai daya yang besar. Cara ini sebenarnya lebih efektif dan lebih baik dari segi teknisnya. Namun ada kekurangannya yaitu harus menyediakan ruang atau tempat khusus untuk meletakkan kapasitor tersebut sehingga mengurangi nilai estetika. Disamping itu jika mesin yang dipasang sampai ratusan buah berarti total biaya yang diperlukan lebih besar dari metode lainnya. Gambar 2.11. Individual Compensation
31 2.7.3. Komponen Utama Pada Panel Kapasitor Bank Berikut ini adalah komponen utama dari panel kapasitor bank, antara lain : 1. Main breaker. Main breaker berfungsi sebagai pengaman apabila terjadi hubung singkat atau konsleting pada kabel penghantar kapasitor bank. Penggunaan main breaker sangat penting agar apabila terjadi hubung singkat atau konsleting tidak berimbas rusaknya panel MDP (Main Distribution Panel). Adapun perhitungan dalam pemilihan breaker adalah sebagai berikut : In + 25% (In)...(2.22) Dimana : In = I nominal atau arus nominal Untuk menghitung besarnya arus dapat digunakan rumus In = Qc / (. V)...(2.23) Dimana Qc = daya reaktif V = voltase 2. Breaker pada modul kapasitor. Breaker digunakan untuk mengamankan instalasi kabel dari main breaker ke kapasitor bank. Adapun pemilihan kapasitas breaker yang digunakan adalah sebagai berikut : In + 50% (In)...(2.24)
32 Selain breaker dapat pula digunakan Fuse, pemakaian Fuse ini sebenarnya lebih baik karena respon dari kondisi over current dan Short circuit lebih baik namun tidak efisien dalam pengoperasian jika dalam kondisi putus harus selalu ada penggantian fuse. Jika memakai fuse perhitungannya juga sama dengan pemakaian breaker. 3. 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 20% lebih tinggi dari arus nominal (pada AC 3 phasa dengan beban induktif/kapasitif). Pemilihan magnetic dengan range ampere lebih tinggi akan lebih baik sehingga umur pemakaian magnetic contactor lebih lama. 4. Kapasitor Bank Kapasitor daya untuk koreksi faktor daya biasanya dalam µf. Namun setelah masuk kepasaran, kapasitor ini sudah dalam satuan kvar. Hal ini untuk memudahkan pemilihan kapasitor tersebut dengan kebutuhan koreksi faktor daya yang akan dilakukan. Nilai kapasitor yang dipakai untuk kompensasi atau koreksi faktor daya diambil dari daya reaktif yang telah diketahui. Dari sini dapat diketahui harga arus kapasitif dan reaktansi kapasitif yang dipakai untuk kompensasi dalam sistem distribusi. Secara empiris dapat dirumuskan sebagai berikut :
33 Arus kapasitor (satuan Ampere) : Ic =...(2.25) Reaktansi Kapasitif (satuan Ω) X c =...(2.26) Maka kapasistansi yang diperlukan setiap fase (dengan satuan µf) adalah C =...(2.27) Jika kapasitor dihubungkan delta, maka kapasitansi total yang diperlukan adalah C tot = x Kapasitas fase...(2.28) Kapasitor bank adalah peralatan listrik yang mempunyai sifat kapasitif yang akan berfungsi sebagai penyeimbang sifat induktif. Kapasitas kapasitor dari ukuran 5 kvar sampai 60 kvar. Dari tegangan kerja 230 V sampai 525 Volt atau Kapasitor Bank adalah sekumpulan beberapa kapasitor yang disambung secara parallel untuk mendapatkan kapasitas kapasitif tertentu. Besaran yang sering dipakai adalah Kvar (Kilovolt ampere reaktif) meskipun didalamnya terkandung / tercantum besaran kapasitansi yaitu Farad atau microfarad. Kapasitor ini mempunyai sifat listrik yang kapasitif (leading). Sehingga mempunyai sifat mengurangi / menghilangkan terhadap sifat induktif (leaging) 5. Power Factor controller Peralatan ini berfungsi untuk mengatur kerja kontaktor agar daya reaktif yang akan disupply ke jaringan / sistem 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
34 mengatur kapan dan berapa daya reaktif yang diperlukan. Peralatan ini mempunyai bermacam macam steps dari 6 steps, 8 steps, 12 steps sampai 18 steps. Fungsi Power Factor controller adalah untuk mengatur switching step-step kapacitor bank sesuai dengan nilai kompensasi daya reaktifnya (Q c ) yang diperlukan untuk mencapai target faktor daya (Power Factor) idealnya atau yang telah ditentukan. Power Factor controller bekerja berdasarkan setting parameter yang disebut C/k faktor yang diperoleh dari input tegangan dan arus. Ada 2 cara untuk mensetting faktor C/k, yaitu secara automatic dan manual. Cara automatic mensetting C/k dapat dilakukan dengan cara mengaktifkan mode automatic pada perhitungan C/k pada Power Factor controller. Cara setting ini akan tergantung pada 4 parameter, yaitu : Nilai tegangan kerja kapasitor (V) Skala arus (rasio CT yang dipakai) Konfigurasi jaringan, 3 phasa atau 1 phasa Rating kapasitor step pertama Power Factor controller secara otomatis akan mengeset nilai C/k apabila ada perubahan pada 4 parameter diatas. Untuk cara manual dapat dilakukan dengan mengacu pada perhitungan berikut : C/k =...(2.29) dimana, Q = reactive 3-phase power of one step (kvar) V = system voltage (V) K = CT ratio
35 6. Peralatan Tambahan Peralatan tambahan yang biasa digunakan pada panel kapasitor antara lain: - Push button on dan push button off yang berfungsi mengoperasikan magnetic contactor secara manual. - Selektor auto off manual yang berfungsi memilih sistem operasional auto dari modul atau manual dari push button. - Exhaust fan + thermostat yang berfungsi mengatur temperature (suhu udara sekitar) dalam ruang panel kapasitor. Karena kapasitor, kontaktor dan kabel penghantar mempunyai disipasi daya panas yang besar maka temperature panel kapasitor meningkat. Setelah setting dari thermostat terlampaui maka exhaust fan akan otomatis berhenti. Adapun dalam pemilihan fan adalah 2,5 Cfm/KVA. 2.7.4. Bentuk Kontruksi Kapasitor Sistem penghantaran biasanya dibuat dari lapisan aluminium murni atau semprotan logam. Sistem dielektrik dapat dibuat dari : (i) dielektrik seluruhnya kertas (kondensator kertas tissue), (ii) lapisan campuran kertas-plastik dan (iii) lapisan dengan cairan perekat yang dipadatkan. Untuk semua kapasitor berdielektrik kertas, umumnya digunakan askarel sebagai pemadat. Dalam praktek yang dipakai di India untuk kapasitor-kapasitor ini didesain untuk menahan tekanan 10-12 V per mikron sedangkan di negaranegara barat biasa dipakai 15 V per mikron. Kerugian berkisar 2,5 3,5 W/KVAR.
36 Pada kapasitor plastik, biasanya dipakai tiga tipe konstruksi : 1. Dielektrik askarel yang dipadatkan dicampur dengan kertas Polypropylene. Dielektrik ini dipasaran seringkali terdiri dari dua lapisan tipis polypropylene 12,5 mikron dengan lapisan tipis kertas kerapatan rendah diletakkan secara bergantian dan seluruhnya dipadatkan dengan askarel. Konstruksi ini mempunyai keuntungan : (i) Pemadatan mudah dilakukan karena permukaan kertas yang kasar memudahkan masuknya bahan pemadat diantara polypropylene dan kertas. (ii) Kapasitor akan mempunyai kerugian dielektrik yang lebih kecil dari pada yang seluruhnya dibuat dari kertas. Meskipun dengan tiga lapisan ketebalan dielektrik masih kecil sehingga kebocoran yang tinggi dari tekanan-tekanan tegangan permulaan bisa didapat. (iii) Karena kertas mempunyai permittivitas yang jauh lebih tinggi dari polypropylene, maka lebih memungkinkan untuk menggunakan kapasitor kertas. Jadi tekanan pada lapisan kertas akan sekitar 18 V per micron. (iv) sebagai contoh hasil penurunan ukuran, sistem dielektrik jenis ini memungkinkan membuat kapasitor 150 KVAR dengan ukuran yang sama dengan kapasitor kertas biasa 100 KVAR. Kerugiannya adalah sekitar 0,15 1 W/KVAR. 2. Dielektrik Polypropylene-askarel yang dipadatkan : Konstruksi ini memungkinkan untuk membuat kapasitor tegangan tinggi dengan kebocoran tegangan mula lebih dari 100 V per mikron, yang memungkinkan untuk mempunyai tekanan kerja pada dielektrik sekitar 50 V per mikron. Hal ini memungkinkan besarnya dielektrik dikurangi
37 sampai sekitar seperempat kapasitor kertas dengan batas KVAR yang sama dan ini menurunkan besar kapasitor keseluruhan sekitar 3 kali dengan diikuti penurunan harga. Kapasitor semacam ini bila terlalu panas akan bersifat jelek. Dalam praktek di India kapasitor semacam ini didesain untuk mampu menahan tekanan sampai sekitar 30 V per mikron. Kerugian tipe ini kurang dari 0,5 W/KVAR. 3. Dielektrik polypropylene yang Dipadatkan dengan Minyak Mineral dan Elektroda Kertas Berlapis Logam : dalam sistem ini, dielektrik terdiri dari lapisan tunggal setebal 6 mikron polypropylene, dengan elektroda kertas setebal 9 mikron dan dilapisi logam aluminium pada kedua sisi. Karena penggunaan kertas berlapis logam perlu dipakai pemadat minyak mineral. Secara relatif pemadatan mudah dilakukan, karena permukaan kertas berlapis tidak rata. Kapasitor-kapasitor ini bekerja pada tekanan tiga kali kapasitor yang memakai dielektrik kertas sedang ukurannya setengahnya (untuk batas KVAR yang sama). Kapasitor tegangan rendah dengan lapisan kering plastik berlogam (kerugian <0,5 W/KVAR). 2.7.5. Proses Jangka Waktu Pemakaian Kapasitor Dengan tekanan arus bolak balik yang sama lapisan plastik dengan kerapatan rendah yang dipadatkan dapat lebih lama dipakai dari pada kapasitor kertas yang dipadatkan. Pada suhu tinggi, secara kimia polypropylene lebih stabil dari kertas. Pada suhu lebih dari 90-100 0 C, lama hidup kapasitor kertas yang dipadatkan atau campuran kertas/plastik dipengaruhi oleh penurunan kemampuan
38 karena panas dari bagian selulosa dielektrik meskipun pada tekanan listrik ac yang relatif lebih rendah. Di atas 120 0 C pengaruh penurunan kemampuan karena suhu lebih cepat dibanding dengan kebutuhan lama dipakai dalam pelayanan biasa. Penurunan kemampuan polypropylene karena tidak ada udara jauh lebih kecil dari pada kertas selulosa. Polypropylene mempunyai kerugian dielektrik lebih rendah (tan δ sekitar 2 x 10-4 atau kurang pada suhu kamar) dari kapasitor kertas yang paling baik dan mempunyai kuat listrik lebih tinggi. Juga dapat dipakai pada tekanan listrik yang lebih tinggi dari pada kapasitor kertas tanpa takut akan menjadi panas. Karenanya dimungkinkan untuk mendesain kapasitor yang jauh lebih kecil untuk KVAR yang ditentukan dengan menghemat biaya pembuatan dan penggunanaan. Dalam memastikan karakteristik listrik, fisik dan kimia, kemantapan dalam desain akhirnya ditentukan dalam pengujian, yang harus dilakukan pada tegangan lebih 1,4 sampai 1,6 pu pada suhu yang dinaikkan untuk mempercepat ketuaan. Besarnya tegangan lebih dibatasi karena adanya kemungkinan faktor lain seperti misalnya ionisasi. Pengujian terhadap kapasitor kertas telah menunjukkan adanya hubungan pangkat lima antara tekanan listrik dan lama hidup. [L.L Alston] Parkman menyatakan bahwa lama hidup kapasitor berbanding terbalik dengan tekanan yang ada pangkat 5 sampai 7. [N. Parkman] Untuk kapasitor kertas yang dipadatkan pada suhu yang tinggi sekitar 25-70 0 C, harapan masa hidup mengikuti model reaksi kimia, dalam hal ini setengahnya untuk setiap kenaikan suhu 10 0 C. Bagaimanapun juga diatas 75 0 C, masa hidup setengahnya untuk setiap kenaikan suhu 5 0 C. Hubungan ini bersifat empirik dan perubahan karakteristik pada 75 0 C tidak mendadak. [L.L Alston].
39 2.7.6. Bentuk-Bentuk Kerusakan Kapasitor Gaya-gaya elektromekanik dan proses-proses yang dibangkitkan oleh kombinasi tekanan listrik dan suhu menjadi penyebab kerusakan kapasitor. Hasil akhir kerusakan kapasitor selalu berupa rusaknya dielektrik. Beberapa faktor cenderung mempercepat proses kerusakan sistem dielektrik. Di antaranya adalah cacat bahan, proses atau penyusunan yang tidak benar dan cara yang salah. Kekurangan bahan dan prosedur pemrosesan menyebabkan cepat terjadinya kerusakan. Kapasitor yang diproses kurang baik dengan tempat-tempat kering akan bekerja dengan ada kebocoran, menyebabkan bahan menurun kualitasnya, dan akan terjadi kerusakan dielektrik dalam waktu beberapa menit atau beberapa hari. Kerusakan awal menunjukkan bahwa bahan tidak sesuai untuk meghadapi tekanan listrik dan suhu yang diharapkan. Kerusakan bentuk kedua pada kapasitor adalah kerusakan acak. Kerusakan acak tidak ada hubungan dengan kerusakan awal tetapi terjadi karena waktu. Sebagai contoh, kerusakan yang terjadi dua tahun sesudah di komisi yang mungkin disebabkan oleh adanya tegangan yang tidak biasa. Bentuk kerusakan ketiga adalah kerusakan sistem dielektrik. Umumnya, bentuk kerusakan dielektrik terjadi sesudah dipakai 20 tahun. Waktu kerusakan biasa diikuti dengan sering terjadinya kerusakan. 2.7.7. Tanda Kerusakan Kapasitor Karena Masa Hidup Kerusakan-kerusakan kapasitor yang disebabkan karena penurunan kualitas isolasi disebabkan karena suhu, tegangan dan proses kimia yang mengakibatkan perubahan kuat mekanik isolasi, derajat polimerisasi isolasi
40 selulosa, perkembangan gas-gas, nilai tan δ dan kebocoran-kebocoran. Telah didapatkan suatu teknik yang memuaskan dengan pengukuran tan δ secara berkala (sesuai IS : 2834-1964) untuk mengukur perkiraan masa hidup atau penurunan kualitas kapasitor. 1. Kapasitor Kertas Yang Dipadatkan. Dari pengujian-pengujian dilapangan terhadap kapasitor kertas yang dipadatkan didapatkan bahwa bila kebocoran terjadi dalam dielektrik kapasitor kertas yang mengalami tekanan ac, relatif masa hidupnya terbatas dan sangat bergantung pada tekanan. Meskipun pada tekanan rendah 20 V per mikron (rms 50 HZ), dapat disimpulkan bahwa rata-rata hidupnya tidak lebih dari 1000 jam. Bila kebocoran pada dielektrik mulamula tidak ada, kesimpulan yang didapat dari 300 pengujian dengan suhu yang dinaikkan dan tekanan ac wajar menunjukkan bahwa masa hidupnya lebih lama. Didapatkan bahwa pada tekanan 15 V per mikron dan suhu dibawah 85 0 C, lama hidup lebih dari 50 tahun. Pada tekanan yang sama, tetapi dengan suhu 130 0 C, masa hidup rata-rata hanya beberapa hari. 2. Kapasitor Dengan Lapisan Tipis Yang Dipadatkan (Impregnated Film Capasitors) Kapasitor yang dibuat dengan dielektrik lapisan tipis plastik kerugian rendah (polypropylene atau polystyrene) dan larutan pemadat yang lekat dapat dipakai lebih lama dari yang menggunakan dielektrik kertas yang dipadatkan. Ini disebabkan karena tekanan kebocoran mula untuk kapasitor ini lebih tinggi dari yang menggunakan kertas yang dipadatkan.
41 2.7.8. Bahan Tambahan untuk Memperpanjang Masa Hidup Kapasitor [N. Parkman] Saat ini telah dikembangkan suatu jenis gandarukem untuk dipakai pada kapasitor daya ac yang menggunakan askarel dan bahan pemadat lain. Bahan ini dapat memperpanjang masa pakai kapasitor pada suhu dan tekanan tinggi. Ini dikarenakan netralisasi asam yang terbentuk selama dipakai, mungkin sebagai akibat pembuangan gas. Masa perpanjangan hidup rata-rata yang dilaporkan dalam berbagai kondisi kerja untuk kapasitor kertas askarel pada 50 Hz berkisar dua sampai beberapa ratus kali. Baik kapasitor dengan dielektrik kertas semua maupun dengan campuran kertas polypropylene mempunyai waktu kerusakan dua sampai lima kali lebih besar dari yang menggunakan askarel pada pengujianpengujian nyata. 2.7.9. Kerusakan-kerusakan Kapasitor Yang Dapat Diterima Kerusakan-kerusakan tidak dapat dihindari sama sekali. Di Inggris, berdasarkan pengalaman dilapangan dan teknologi yang ada pada saat ini, pabrikpabrik kapasitor, misalnya BICC Ltd., Dublier Ltd., Plessey, Johnsons and Philips Co. Ltd. telah menerima kerusakan tahunan rata-rata normal satu sampai dua persen untuk kapasitor kertas yang menggunakan dielektrik kertas yang dipadatkan maupun dielektrik lapisan plastik. Banyaknya kerusakan ini dapat diterima mesipun di India masih lebih banyak lagi. Berdasarkan studi [A.C Mehra] di Dewan Listrik Negara bagian Punjab mengenai sistem kerja kapasitor paralel dengan kertas yang dipadatkan (buatan dalam negeri maupun luar negeri) pada sekitar 60 substasion, jumlah kerusakan
42 rata-rata didapatkan lebih dari 3,14%. Angka ini untuk buatan dalam negeri tertentu adalah 4,94% dan 17% dan untuk buatan Swedia 1%. 2.7.10. Desain Panel Kapasitor Bank Ada beberapa model panel kapasitor yang harus dipertimbangkan dalam pembuatannya, antara lain sejajar dan menumpuk. Disini tidak menjelaskan secara lebih rinci mengenai ukuran panel kapasitor bank yang akan dibuat dikarenakan pengunaan komponen kapasitor bank berbeda-beda, tergantung dari merk komponen yang akan dipakai. Namun sebagai gambaran dasarnya akan diberikan seperti gambar-gambar dibawah ini. Gambar 2.12. Desain Panel Kontrol Kapasitor & Panel Kapasitor Gambar 2.13. Desain Komponen Panel Kontrol Kapasitor
43 Gambar 2.14. Desain Komponen Panel Kapasitor Gambar 2.15. Keseluruhan Panel Kontrol Kapasitor & Panel Kapasitor Gambar 2.16. Koneksi Panel MDP & Kapasitor Bank