STUDI PEMASANGAN KAPASITOR BANK UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA PT. ASIAN PROFILE INDOSTEEL Ifhan Firmansyah-2204 100 166 Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya 60111 Abstrak Peningkatan jumlah beban industri terutama beban-beban yang bersifat induktif menyebabkan turunnya faktor daya. Penurunan faktor daya akan meningkatkan permintaan daya reaktif sehingga kualitas daya menurun dan rugi-rugi naik. Untuk memenuhi kebutuhan daya reaktif secara umum digunakan kapasitor bank. Pada PT. Asian Profile Indosteel digunakan kapasitor bank tipe fixed capacitor dengan metode pemasangan open rack yang berkapasitas 0.9 MVar. Pemasangan kapasitor bank ini dilakukan agar faktor daya dari PT. API lebih dari 0.85 sehingga tidak terkena denda dari PLN. Dari analisa yang telah dilakukan dengan pemasangan kapasitor bank tersebut faktor daya dari PT. API berkisar antara 0.85-0.95 lagging dalam keadaan berbeban dan 0.85 lead dalam keadaan tanpa beban. Dengan demikian kapasitor bank yang terpasang pada PT. API masih layak digunakan. Kata Kunci : faktor daya, perbaikan faktor daya, kapasitor bank. I. PENDAHULUAN Sebuah sumber atau generator AC menghasilkan dua macam daya yaitu daya aktif (P, KW) dan daya reaktif (Q, KVar). Kedua daya tersebut membentuk daya total yang disebut daya nyata (S, KVA). Daya nyata ini merupakan penjumlahan vektor dari daya aktif dan daya reaktif. Daya aktif merupakan daya yang terpakai sedangkan daya reaktif merupakan daya yang terbuang atau rugi-rugi. Maka dari itu penggunaan daya reaktif harus seminimal mungkin. Beban industri sebagian besar bersifat induktif sehingga pemakaian daya reaktif meningkat. Peningkatan pemakaian daya reaktif inilah yang menyebabkan faktor daya dari pelanggan turun. Faktor daya (cos ϕ) adalah perbandingan daya aktif dan daya nyata. Untuk itu perlu dipasang suatu alat yang berfungsi untuk mengkompensasi daya reaktif tersebut agar faktor daya tidak kurang dari standar yang telah ditetapkan oleh penyedia layanan jaringan listrik. Dalam hal ini PLN menetapkan batas minimum faktor daya sebesar 0.85. Untuk memperbaiki faktor daya secara umum digunakan kapasitor bank. Kapasitor bank memberikan sumbangan arus mendahului (leading), sehingga juga akan memberikan faktor daya leading. Dengan demikian kapasitor bank disebut juga KVar generator. Pemasangan kapasitor bank akan berpengaruh terhadap perbaikan faktor daya.
II. TINJAUAN UMUM PT. ASIAN PROFILE INDOSTEEL PT. Asian Profile Indosteel (PT. API) didirikan berdasarkan akta perseroan terbatas No. 26 Tanggal 12 Maret 1999. Akta tersebut dibuat dihadapan Notaris Johan Sidharta, SH, MS di Surabaya dan telah memperoleh pengesahan dari Menteri Kehakiman Republik Indonesia dengan surat keputusan No. C-885.HT.01.01.2000 tanggal 27 Januari 2000. PT. API merupakan salah satu industri baja yang terletak di daerah Surabaya Timur. Tepatnya terletak di daerah pergudangan Margomulyo Permai dengan alamat Jl. Margomulyo Permai Kv IX No. 32 Surabaya. Perusahaan ini bergerak di bidang manufaktur besi dan baja profil seperti besi beton, besi ulir, besi virkan, besi plat strip dan besi siku. Jenis produksi yang dihasilkan baik berupa Baja Tulangan Polos dan Baja Tulangan Deform telah diuji sesuai dengan persyaratan mutu Standar Nasional Indonesia. Selain memproduksi besi dan baja profil juga memproduksi bahan baku pembuatan besi dan baja profil berupa billet. Namun produksi billet hanya untuk digunakan sendiri karena kapasitas produksi masih kecil. III. DASAR TEORI 3.1 Daya Secara umum, pengertian daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha. Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi listrik yang digunakan untuk melakukan
usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan dalam satuan Watt. P = VI (1) Terdapat tiga macam daya yaitu : (a) Daya aktif (P) Daya aktif adalah daya yang terpakai untuk melakukan usaha atau energi sebenarnya. Satuan daya aktif adalah watt. P1Φ = V I cos φ (2)
Faktor daya terbelakang (lagging) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisikondisi sebagai berikut : a. Beban/ peralatan listrik memerlukan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat induktif. b. Arus (I ) terbelakang dari tegangan (V), V mendahului I dengan sudut φ V
(b) Daya reaktif (Q) Daya Reaktif (reactive power) adalah daya yang di suplai oleh komponen reaktif. Satuan daya reaktif adalah VAR. Q1Φ = V I sin φ (3) (c) Daya nyata (S) Daya nyata (apparent power) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan rms (Vrms) dan arus rms (Irms) dalam suatu jaringan atau daya yang merupakan hasil penjumlahan trigonometri antara daya aktif dan daya reaktif. Satuan daya nyata adalah VA. 3.2 Faktor Daya Faktor daya yang dinotasikan sebagai cos φ didefinisikan sebagai perbandingan antara arus yang dapat menghasilkan kerja didalam suatu rangkaian terhadap arus total yang masuk kedalam 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 akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu.
ϕ I Gambar 2 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.
(c)
Faktor Daya Mendahului (Leading) Faktor daya mendahului (leading) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisikondisi sebagai berikut : a. Beban/ peralatan listrik memberikan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat kapasitif. b. Arus mendahului tegangan, V terbelakang dari I dengan sudut φ
(4) 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. (a) 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 V
I
Gambar 1 Arus Sephasa Dengan Tegangan Pada Gambar terlihat nilai cos φ sama dengan 1, yang menyebabkan jumlah daya nyata yang dikonsumsi beban sama dengan daya semu.
(b)
Faktor Daya Terbelakang (Lagging)
I
ϕ
V
Gambar 3 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.
3.3 Kapasitor Bank Kapasitor merupakan komponen yang hanya dapat menyimpan dan memberikan energi yang terbatas sesuai dengan kapsitasnya. Pada dasarnya kapasitor tersusun oleh dua keping sejajar yang disebut electrodes yang dipisahkan oleh suatu ruangan yang disebut dielectric yang pada saat diberi tegangan akan menyimpan energi. Dalam sistem tenaga listrik kapasitor sering digunakan untuk memperbaiki tegangan jaringan
dan untuk menyuplai daya reaktif ke beban yang berfungsi untuk memperbaiki nilai faktor daya dari sistem. Dalam perbaikan faktor daya kapasitorkapasitor dirangkai dalam suatu panel yang disebut capacitor bank. Selain itu kapasitor bank dapat juga digunakan untuk aplikasi lain yaitu filter harmonisa, proteksi terhadap petir, untuk transformer testing, generator impuls, voltage divider kapasitor. 3.4 Metode Kompensasi Daya Metode perbaikan faktor daya dengan kapasitor bank disebut juga metode kompensasi yaitu menambah daya reaktif ke jaringan. Ada dua metode kompensasi yang digunakan yaitu metode kompensasi tetap dan metode kompensasi otomatis. (a) Kompensasi Tetap Kompensasi jenis ini biasanya digunakan pada beban yang relatif konstan. Kapasitor dipasangkan langsung pada pangkal motor atau transformator yang selalu bekerja tanpa memerlukan panel. Untuk kontrol pada pemasangan kapasitor seperti ini dapat menggunakan : • Sistem manual : dengan pemutus daya atau load break switch. • Sistem semi-automatis : dengan kontaktor • Koneksi langsung pada pangkal beban Keadaan lain penggunaan kompensasi tetap ini adalah jika perbandingan daya reaktif yang diperlukan (Qc) dengan daya trafo (Sn) lebih kecil dari 15%. (b) Kompensasi Otomatis Jika perbandingan daya reaktif yang diperlukan (Qc) dengan daya trafo (Sn) melebihi 15%, sebaiknya dipasang kompensasi otomatis. Juga jika perubahan beban agak besar, padahal faktor daya diinginkan selalu berada pada nilai tertentu. Dengan pemasangan regulator hal ini dapat dilakukan.
3.5 Metoda Pemasangan Instalasi Kapasitor Bank Metode pemasangan kapasitor tergantung dari fungsi yang diinginkan. Cara pemasangan instalasi kapasitor dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu : global compensation, individual compensation, group compensation.
Group Compensation Individual Compensation
M
M
M
Global Compensation
Gambar
4
Metode Pemasangan Kapasitor Bank
Instalasi
(a) 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. Kelebihan : • Pemanfaatan kompensasi daya reaktifnya lebih baik karena semua motor tidak bekerja pada waktu yang sama. • Biaya pemeliharaan rendah. Kekurangan : • Switching peralatan pengaman bisa menimbulkan ledakan. • Transient yang disebabkan oleh energizing grup kapasitor dalam jumlah besar. • Hanya memberikan kompensasi pada sisi atasnya (upstream). • Kebutuhan ruang. (b) Group Compensation Dengan metoda ini kapasitor yang terdiri dari beberapa panel kapasitor dipasang dipanel SDP. Cara ini cocok diterapkan pada industri dengan kapasitas beban terpasang besar sampai ribuan kva dan terlebih jarak antara panel MDP dan SDP cukup berjauhan. Kelebihan : • Biaya pemasangan rendah. • Kapasitansi pemasangan bisa dimanfaatkan sepenuhnya. • Biaya pemilaharaan rendah. Kekurangan : • Perlu dipasang kapasitor bank pada setiap SDP atau MV/LV bus. • Hanya memberikan kompensasi pada sisi atas. • Kebutuhan ruangan (c) 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 kekurangan nya 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 cost yang di perlukan lebih besar dari metode diatas.
Kelebihan : • Meningkatkan kapasitas saluran suplai. • Memperbaiki tegangan secara langsung. • Kapasitor dan beban ON/OFF secara bersamaan. • Pemeliharaan dan pemasangan unit kapasitor mudah. Kekurangan : • Biaya pemasangan tinggi. • Membutuhkan perhitungan yang banyak • Kapasitas terpasang tidak dimanfaatkan sepenuhnya • Terjadi fenomena transient yang besar akibat sering dilakukan switching ON/OFF. • Waktu kapasitor OFF lebih banyak dibanding waktu kapasitor ON IV. PEMBAHASAN 4.1 Analisa Aplikasi Kapasitor Bank Untuk Perbaikan Faktor Daya Pada PT. API perbaikan faktor daya dilakukan dengan memasang kapasitor bank tegangan menengah 20KV dengan kapasitas 0.9 MVar. Pemasangan kapasitor bank menggunakan metode global compensation dengan metode kompensasi tetap. Sedangkan kapasitor bank yang digunakan merupakan tipe open-rack capacitor. Dari monitoring yang telah dilakukan diketahui besar faktor daya rata-rata harian dari PT. API seperti pada grafik 4.1.
bisa terjadi over kompensasi keitka beban yang terpasang kecil. Dengan demikian dapat diambil kesimpulan bahwa pemasangan kapasitor bank 20KV, 900 KVar pada PT. API masih efektif untuk meningkatkan faktor daya sehingga perusahaan terhindar dari denda PLN. Namun perlu diperhatikan pada jumlah beban terpasang, karena ketika beban terpasang kecil akan terjadi over kompensasi. Hal ini dapat menyebabkan perubahan kapasitor menjadi beban. 4.2 Analisa Perbaikan Faktor Daya Terhadap Pemakaian Daya Reaktif Besarnya pemakaian daya listrik pada PT. API dimonitoring melalui meter listrik milik PLN. Untuk menghitung besarnya pemakaian daya digunakan persamaan berikut : Pemakaian KWH/KVarH = (Selisih pembacaan kVARh/KWH) x Faktor meter Faktor meter = Rasio CT x Rasio PT x Faktor register Tranfo arus dan tegangan yang digunakan pada PT. API adalah Trafo arus (CT) = 200/5 A, Rasio CT = 40 Trafo tegangan (PT) = 20.000/100 V, Rasio PT = 200 Dari monitoring dan perhitungan yang telah dilakukan pemakaian daya rata-rata harian PT. API adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 Pemakaian daya rata-rata harian Tgl 30 Juni 01 Juli 02 Juli 03 Juli 06 Juli 07 Juli 09 Juli 10 Juli
Gambar 4.1 Grafik faktor daya rata-rata harian hasil perhitungan Tingkat faktor daya dari PT. Asian Profile Indosteel bila dilihat dari grafik 4.1 relatif bagus ketika sedang produksi. Akan tetapi faktor daya menjadi relatif jelek ketika beban yang terpasang hanya beban-beban kecil. Besarnya faktor daya pada PT. API sangat dipengaruhi oleh besarnya beban terpasang. Hal ini terjadi karena penggunaan metode kompensasi tetap. Pada metode kompensasi tetap, berapapun jumlah beban terpasang daya reaktif yang disalurkan tetap sesuai dengan rating/kapasitas kapasitor bank terpasang. Sehingga
Selisih Pemakaian P Q 0,07 0,04 0,13 0,07 0,12 0,07 0,16 0,07 0,09 0,04 0,16 0,04 0,06 0,00 0,09 0,00
Cos ϕ 0,86 0,88 0,87 0,91 0,93 0,97 1,00 1,00
Pemakaian Daya P Q 530 320 1010 550 920 530 1240 550 740 290 1280 340 520 0 710 0
Rasio 0,60 0,54 0,58 0,44 0,39 0,27 0,00 0,00
Gambar 4.2 Grafik nilai rasio Q/P vs faktor daya Pemasangan kapasitor bank akan memperbaiki faktor daya dari sistem tenaga listrik. Perbaikan faktor daya inilah yang menyebabkan penurunan pemakaian daya reaktif karena sebagian daya reaktif akan disuplai dari kapasitor bank. Hal
ini dapat dilihat dari gambar 4.2 dimana nilai rasio Q/P akan semakin turun apabila faktor daya meningkat. Semakin tinggi nilai faktor daya maka semakin rendah pemakaian daya reaktif. Akan tetapi ketika faktor daya leading tidak terjadi pemakaian daya reaktif karena daya reaktif sistem diserap oleh kapasitor bank. Berkurangnya pemakaian daya reaktif mengakibatkan kapasitas dari sistem meningkat dan turunnya rugi-rugi daya..
4.3 Analisa
Pemasangan Kapasitor Bank Untuk Perbaikan Faktor Daya Terhadap Perubahan Jumlah Beban Terpasang Penggunaan kapasitor bank dengan kapasitas tetap mempunyai kelemahan yaitu berapapun jumlah beban yang terpasang maka daya reaktif yang disalurkan tetap. Sehingga mungkin saja suatu ketika terjadi perubahan beban secara drastis dan akan menyebabkan over compensated sehingga faktor daya leading. Ketika faktor daya leading maka kapasitor bank bisa berubah menjadi beban, sehingga kapasitor bank menerima daya reaktif. Apabila kapasitor bank tidak mampu maka kapasitor bank tersebut bisa meledak. Fluktuasi faktor daya dari PT. Asian Profile Indosteel pada pengamatan yang dilakukan pada tanggal 30 Juni 2009 sampai dengan 10 Juli 2009 ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 4.2 Grafik Fluktuasi Faktor Daya Tanggal 30 Juni-03 Juli 09
Gambar 4.3 Grafik Fluktuasi Faktor Daya Tanggal 06-07 Juli 09
Gambar 4.4 Grafik Fluktuasi Faktor Daya Tanggal 09-10 Juli 09 Fluktuasi faktor daya sutu sistem tenaga listrik dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain jumlah beban terpasang dan pembebanan yang terjadi. Perubahan jumlah beban terpasang akan menyebabkan perubahan faktor daya karena kebutuhan akan daya listrik juga berubah. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.2, grafik tanggal 03 Juli 2009. Pada pukul 08.00-12.00 faktor daya sistem berkisar antara 0.78-0.87 sedangkan pukul 14.00-16.00 faktor daya sistem meningkat menjadi 0.91. Penyebabnya adalah jumlah beban yang terpasang berkurang karena adanya perubahan ukuran baja yang akan diproduksi. Dalam hal ini penurunan kapasitas beban terpasang masih meningkatkan faktor dayanya. Pada gambar 4.2 dan 4.3 dapat dilihat adanya perubahan faktor daya sistem dari lagging menjadi leading. Hal ini disebabkan karena bebanbeban besar berhenti beroperasi secara keseluruhan sehingga terjadi over kompensasi. Kelebihan kompensasi daya reaktif inilah yang menyebabkan faktor daya menjadi leading. Seperti pada gambar 4.3 dimana beban yang terpasang hanya kumpulan beban tegangan rendah dan kapasitansi kapasitor bank terpasang tetap faktor dayanya leading. Kelebihan kompensasi daya reaktif terjadi karena
daya reaktif yang disuplai oleh kapasitor bank tetap sedangkan kebutuhan daya reaktif sistem rendah. Faktor daya leading menyebabkan tegangan sistem naik dan juga timbul pembebanan pada kapasitor karena kapasitor akan menyerap daya reaktif. Pembebanan yang berbeda pada bebanbeban listrik juga menimbulkan perubahan faktor daya. Ketika tidak berbeban daya yang diserap beban lebih rendah dibandingkan denga ketika berbeban. Seperti pada gambar 4.2 dengan kapasitas beban yang sama nilai faktor dayanya berbeda. Hal ini disebabkan perbedaan pembebanan pada motor-motor produksi. Ketika sebuah motor induksi mengalami pembebanan maka daya aktif dan daya reaktif yang diserap oleh beban meningkat sehingga kebutuhan daya reaktif sistem meningkat. Peningkatan kkebutuhan daya reaktif menyebabkan faktor daya sistem turun. Untuk lebih jelasnya, tingkat faktor daya PT. API untuk tingkat pembebanan yang berbeda dapat dilihat pada tabel 4.11. Dengan demikian dapat diambil kesimpulan bahwa perbedaan pembebanan dan kapasitas beban terpasang akan berpengaruh terhadap tinggi rendahnya faktor daya. Pelepasan beban yang terlalu besar akan menyebabkan sistem kelebihan kompensasi daya reaktif yang menyebabkan faktor daya leading. V. KESIMPULAN Berdasarkan pengumpulan dan pengolahan data yang telah dilakukan dalam studi pemasangan kapasitor bank untuk memperbaiki faktor daya pada PT. Asian Profile Indosteel Surabaya, maka peneliti dapat menarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Pemasangan kapasitor bank mampu menjaga faktor daya dari PT. Asian Profile Indosteel tetap berada di atas 0.85 sehingga terhindar denda dari PLN. 2. Penggunaan metode kompensasi tetap menyebabkan pengaruh perubahan kapasitas beban sangat mempengaruhi tingkat faktor daya. 3. Terjadi faktor daya leading ketika beban-beban motor besar berhenti beroperasi. DAFTAR PUSTAKA
[1] Dugan, Roger C. Electrical Power System Quality. London : Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 2003 [2] Gonen, Turan. Electric Power Distribution System Engineering. London : McGraw Hill Company, 1986 [3] Kadir, Abdul. Distribusi dan Utilisasi Tenaga Listrik. Jakarta : UI-Press, 2000
[4] Longland, T., et al. Power Capacitor [5] [6] [7] [8] [9]
Handbook, 1st ed. London : Butterworth & Co (Publisher) Ltd, 1985 Mazur, Glen. Power Quality Measurment and Troubleshooting. Homewood : American Publisher, Inc., 1999 Pabla, A.S. Sistem Distribusi Daya Listrik. Jakarta : Penerbit Erlangga, 1994 Sankaran, C. Power Quality. Florida : CRC Press., 2002 Tobing, Bogas L. Peralatan Tegangan Tinggi. Jakarta : PT. Gramedia Pustaka Utama, 2003 Tagare, D M. Reactive Power Management. New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 2004
