Masalah Faktor Daya dan Pemasangan Kapasitor

Salah satu permasalahan yang sering kita dengar dalam penggunaan energi listrik untuk level industri adalah masalah faktor daya atau cos φ dan pemasangan kapasitor. Apabila cos φ lebih rendah dari 0.85 maka daya reaktif yang dihasilkan dari beban industri tersebut akan dikenakan biaya dalam penentuan besarnya tagihan listrik. Dalam kasus ini, pihak industri diwajibkan membayar daya reaktif yang digunakan kepada penyedia layanan listrik. Untuk mengatasi masalah rendahnya faktor-daya atau tingginya daya reaktif, banyak industri atau bangunan modern memasang kapasitor. Penjelasan tentang kenapa hal ini dikenakan denda, gimana cara mengukurnya dan hal-hal apa saja yang perlu diperhatikan dalam pemasangan kapasitor, akan coba dibahas pada artikel di bawah ini.

I.  Dasar Teori

Dalam sistem tenaga listrik dikenal tiga jenis daya, yaitu daya aktif atau real power (P), daya reaktif atau reactive power (Q), dan daya nyata atau apparent power(S). Daya aktif adalah daya listrik yang dibangkitkan di sisi keluaran generator, kemudian termanfaatkan oleh konsumen; dapat dikonversi ke bentuk energi lainnya seperti energi gerak pada motor; bisa juga menjadi energi panas pada heater; ataupun dapat diubah kebentuk energi listrik lainnya. Perlu diingat bahwa daya ini memiliki satuan watt (W), kilowatt (kW) atau tenaga kuda (HP).

Sedangkan daya reaktif adalah suatu besaran yang digunakan untuk menggambarkan adanya fluktuasi daya pada saluran transmisi dan distribusi akibat dibangkitkannya medan/daya magnetik atau beban yang bersifat induktif (seperti : motor listrik, trafo, dan las listrik). Walaupun namanya adalah daya, daya reaktif ini tidak nyata dan tidak bisa dimanfaatkan. Daya ini memiliki satuan volt-ampere-reaktif (VAR) atau kilovar (kVAR). Pada konsumen level industri, beban induktif yang paling banyak digunakan adalah motor listrik atau pompa listrik.  Adanya daya reaktif ini menyebabkan aliran daya aktif tidak bisa dilakukan secara efisien dan memerlukan peralatan listrik yang kapasitasnya lebih besar dari daya aktif yang diperlukan.

Untuk menggambarkan seberapa efisien daya aktif yang dapat disalurkan, dalam dunia kelistrikan dikenal suatu besaran yang disebut faktor-daya atau cos φ. Nilai maksimum cos φ adalah 1 dan nilai minimumnya adalah 0. Semakin tinggi faktor-daya maka semakin efisien penyaluran dayanya. Artinya juga, semakin kecil faktor-daya maka semakin besar daya reaktifnya.

Bagi konsumen kecil atau rumah tangga, keberadaan daya reaktif tidak terlalu menjadi masalah karena PT. PLN tidak memperhitungkannya dalam penentuan tagihan listrik. Akan tetapi bagi konsumen besar, pabrik atau bangunan modern, PT. PLN mensyaratkan faktor-daya harus lebih dari 0,85. Jika nilai faktor-daya kurang dari nilai itu maka daya reaktif akan diukur dan diperhitungkan dalam penentuan besarnya tagihan. PT. PLN melakukan ini karena aliran daya reaktif yang besar menyebabkan peralatan milik PT. PLN tidak bisa bekerja secara efisien dan tidak bisa digunakan secara maksimum.

II. Faktor Daya

Daya nyata merupakan jumlah daya total yang terdiri dari daya reaktif (P) dan daya reaktif (Q) yang dirumuskan :

Hubungan ketiga daya itu dapat juga digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti pada Gambar 1 berikut :

Gambar 1. Segitiga Daya

Perbandingan antara daya aktif (P) dan daya nyata (S) inilah dikenal dengan istilah faktor daya atau power factor (PF). Apabila dilihat pada segitiga daya diatas, perbandingan daya aktif (P) dan daya nyata (S) merupakan nilai cos φ. Oleh karena hal ini, istilah faktor daya (PF) juga sering dikenal dengan sebutan nilai cos φ.

Seperti yang dijelaskan sebelumnya,  beban yang sering digunakan pada konsumen level industri kebanyakan bersifat induktif. Peningkatan beban yang bersifat induktif ini pada sistem tenaga listrik dapat menurunkan nilai faktor daya (PF) dalam proses pengiriman daya. Penurunan faktor daya (PF) ini dapat menimbulkan berbagai kerugian, yang antara lain:

1. Memperbesar kebutuhan kVA
2. Penurunan Efisiensi penyaluran daya
3. Memperbesar rugi-rugi panas kawat dan peralatan
4. Mutu listrik menjadi rendah karena adanya drop tegangan

Untuk alasan kerugian akibat penurunan faktor daya (PF) inilah, penyedia layanan listrik, PLN, menetapkan denda VAR, dalam usaha untuk menghimbau konsumennya agar ikut berkontribusi menjaga faktor daya pada kondisi idealnya.

Adapun perhitungan kelebihan pemakaian kVARH dalam rupiah dapat dilakukan dengan menggunakan rumus sbb :

[ B - 0,62 ( A1 + A2 ) ] Hk

dimana :

                     B = pemakaian k VARH

                    A1= pemakaian kWH WPB

                    A2 = pemakaian kWH LWBP

                    Hk = harga kelebihan pemakaian kVARH

II.   Perbaikan Faktor Daya atau Cos φ dan Perhitungan Kompensasi Daya Reaktif

Salah satu cara untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan memasang kompensasi kapasitif menggunakan kapasitor. Pada konsumen level industri istilah ini lebih dikenal dengan sebutan pemasangan power factor correction (PFC). Pemasangan PFC disini sama artinya dengan pemasangan PF controller dan capacitor bank (kumpulan dari kapasitor-kapasitor yang dipasang secara paralel).

Kapasitor adalah peralatan listrik yang bisa menghasilkan daya reaktif yang diperlukan oleh konsumen sehingga aliran daya reaktif di saluran bisa berkurang. Dengan kata lain, kapasitor bermanfaat untuk menaikkan faktor-daya. Dengan memasang kapasitor, konsumen besar bisa terhindar dari tambahan tagihan listrik karena daya reaktif yang berlebih. Semakin mahalnya tarif listrik dan semakin tingginya keinginan untuk mengoperasikan peralatan secara efisien, menyebabkan penggunaan kapasitor semakin banyak dan meluas. Idealnya, kapasitor dipasang di dekat peralatan yang memerlukan daya reaktif sehingga tidak perlu terjadi adanya aliran daya reaktif melalui kabel, trafo, atau peralatan lainnya.

II.1    PF controller

Fungsi PF controller adalah untuk mengatur switching step-step capacitor banksesuai dengan nilai kompensasi daya reaktifnya (Q_c) yang diperlukan untuk mencapai target faktor daya (PF) idealnya atau yang telah ditentukan. PF controller bekerja berdasarkan sensing 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 PF controller. Cara setting ini akan tergantung pada 4 parameter, yaitu :

 - nilai tegangan kerja kapasitor Un

-skala arus (rasio CT yang dipakai)

-konfigurasi jaringan,3 phasa atau 1 phasa

-rating kapasitor step pertama

PF 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 :

dimana,

                                      Q = reactive 3-phase power of one step (kVAR)

                                      U = system voltage (V)

                                       k = CT ratio

II.2   Capasitor Bank

Capacitor bank adalah kumpulan kapasitor yang digunakan untuk memberikan kompensasi reactive power (Qc). Kebutuhan kompensasi reactive power (Qc) yang dibutuhkan untuk mencapai power factor (p.f) dapat dihitung berdasarkan formula :

dimana :

Qc     　= kompensasi reactive power yang dibutuhkan (kVAR)

                         P     　  = active power (kW)

                          cos φ1  = power factor (p.f) lama

                          cos φ2  = power factor (p.f) baru atau target

Perhitungan ini juga dapat digambarkan pula dalam segitiga daya pada Gambar 2.

Gambar 2. Segitiga Daya Kompensasi KVAR

II.2.1  Proses Kerja Kapasitor

Kapasitor yang akan digunakan untuk meperbesar pf dipasang 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. 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 treaktif ke beban. Keran beban bersifat induktif (+) sedangkan daya reaktif bersifat kapasitor (-) akibatnya daya reaktif yang berlaku menjadi kecil.

II.2.2 Pemasangan Kapasitor

Kapasitor yang akan digunakan untuk memperkecil atau memperbaiki PF penempatannya ada dua cara :

1.  Terpusat kapasitor ditempatkan pada:

(a) Sisi primer atau sekunder transformator

                                          (b) Pada bus pusat pengontrol

2.  Cara terbatas kapasitor ditempatkan

                                         (a) Feeder kecil

                                         (b) Pada rangkaian cabang

                                          (c) Langsung pada beban

III.   Perawatan Capasitor Bank

III.1 Perawatan Fisik

Kapasitor yang digunakan untuk memperbaiki PF supaya tahan lama tentunya harus dirawat secara teratur. Dalam perawatan itu perhatian harus dilakukan pada tempat yang lembab yang tidak terlindungi dari debu dan kotoran. Sebelum melakukan pemeriksaan pastikan bahwa kapasitor tidak terhubung lagi dengan sumber. Kemudian karena kapasitor ini masih mengandung muatan berarti masih ada arus/tegangan listrik maka kapasitor itu harus dihubung singkatkan supaya muatannya hilang. Adapun jenis pemeriksaan yang harus dilakukan meliputi :

- pemeriksaan kebocoran

-pemeriksaan kabel dan penyangga

-pemeriksaan isolator

III.2  Proteksi Kapasitor dari Gangguan Harmonisa Frekuesi Tinggi

Sedikit orang yang memahami bahwa kapasitor mempunyai impedansi atau hambatan yang rendah pada frekuensi tegangan yang tinggi. Atau dengan kata lain apabila gelombang tegangan dan arus listrik mengandung harmonisa frekuensi tinggi, maka arus listrik cenderung mengalir melalui rangkaian yang hambatannya rendah, yaitu kapasitor yang terpasang ini.

Semakin banyaknya penggunaan perangkat elektronika daya seperti inverter untuk menaikkan efisiensi peralatan industri, penggunaan ballast elektronik untuk meningkatkan efisiensi lampu, dan penggunaan penyearah untuk memasok sumber daya searah membuat bentuk gelombang tegangan dan arus berubah menjadi non-sinusoidal. Suatu besaran yang digunakan untuk menggambarkan seberapa jauh suatu gelombang tidak berbentuk sinusoidal dinyatakan dengan besaran harmonisa. Arus harmonisa adalah arus listrik yang frekuensinya mengandung kelipatan bulat dari frekuensi dasarnya, dalam hal ini PT. PLN menggunakan frekuensi dasar sebesar 50 Hz.  Arus harmonisa yang banyak muncul akibat penggunaan alat-alat elektronika daya adalah arus harmonisa yang mempunyai frekuensi 150, 250, dan 350 Hz. Di banyak bangunan modern, kandungan arus harmonisa yang mengalir di jaringan listrik bisa mencapai lebih dari 30%.

Impedansi atau hambatan dari kapasitor berubah sesuai dengan frekuensi arus listrik yang mengalir melalui kapasitor. Jika hambatan kapasitor mempunyai nilai yang sama dengan hambatan jaringan sumber maka tercapailah suatu kondisi yang disebut resonansi. Pada kondisi resonansi, hambatan total sistem menjadi nol. Kondisi ini mirip dengan kondisi rangkaian pendek yang membahayakan kapasitor dan peralatan lainnya. Kondisi inilah yang sering menyebabkan rusaknya kapasitor dan peralatan lainnya.

Kapasitor sering dilalui arus lebih pada harmonisa frekuesi tinggi. Karena kapasitor biasanya berisi minyak, kapasitor akan mudah terbakar. Kejadian inilah yang sering memicu banyak kebakaran di industri dan bangunan modern.

Untuk mengatasi masalah terbakarnya kapasitor karena adanya arus harmonisa, bermacam cara sederhana bisa dilakukan. Cara pertama yang umum ditawarkan oleh banyak pabrik pembuat kapasitor adalah dengan memasang induktor secara seri dengan kapasitor untuk mencegah mengalirnya arus harmonisa melalui kapasitor. Cara ini cukup efektif tetapi menyebabkan biaya pemasangan kapasitor menjadi mahal.

Cara lain yang paling sederhana dapat dilakukan untuk mengatasi masalah ini adalah tentu saja menjauhkan pemasangan kapasitor dari posisi beban yang diperkirakan banyak menghasilkan harmonisa. Cara ini sering sekali bisa dilakukan tanpa banyak mengeluarkan biaya tambahan.

Secara umum, pemasangan kapasitor tidak mengkhawatirkan jika :

(i) kapasitas peralatan elektronik yang diperkirakan menghasilkan harmonisa tidak lebih dari 30% kapasitas sumber, dan

(ii) besar kapasitor yang dipasang tidak lebih dari 50% kapasitas sumber.

Jika penggunaan peralatan elektronik sangat banyak dan kapasitor yang akan dipasang besar maka suatu studi khusus tentang kemungkinan terjadinya resonansi harus dilakukan untuk mencegah terjadinya kebakaran. Di banyak bangunan modern yang penggunaan peralatan elektroniknya sangat banyak, peluang terjadinya resonansi sangat tinggi sehingga studi semacam ini menjadi sangat sering diperlukan. Dengan melakukan studi ini diharapkan kebakaran yang menyebabkan kerugian ratusan milyar rupiah bisa dicegah.

sumber