Teknik Konservasi Energi di Sistem Kelistrikan - Menghitung Kebutuhan Capasitor Bank

Menghitung Kebutuhan Kapasitor Bank Di Jaringan Listrik

Salah satu ukuran efisiensi jaringan listrik adalah faktor daya listrik yang didefinisikan sebagai  perbandingan antara daya aktif terhadap daya nyata (apparent). Jaringan listrik yang tidak efisien tidak hanya merugikan secara sistem tapi juga menyebabkan biaya tinggi. Jaringan listrik yang memiliki faktor daya (cos phi) dibawah 0.85 akan mendapatkan denda (kVArh) dari PLN. Denda ini hanya berlaku untuk pelanggan besar seperti gedung dan pabrik, sementara rumah tangga tidak mendapatkan denda jenis ini.

Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi jaringan listrik pada faktor dayanya adalah dengan pemasangan kapasitor bank (Bank Capacitor). Kapasitor bank ini akan meningkatkan cos phi diatas 0.85 yaitu diatas batas minimal yang ditetapkan PLN. Sesungguhnya peningkatan faktor daya listrik gedung tidak hanya mengurangi denda kVArh dari PLN tapi juga mengurangi daya listrik nyata (apparent) yang disuplai dari PLN. Penjelasannya adalah sebagai berikut :

Daya  listrik terdiri dari tiga komponen yaitu daya aktif, daya reaktif dan daya nyata atau apparent. Daya aktif adalah daya yang mejadi energi aktif seperti pada lampu dan alat elektronik.

 

                           Gambar 1a - Tanpa Capasitor                Gambar 1b  Dengan Capasitor

 Daya aktif dinyatakan dalam satuan watt dengan symbol (P). Daya reaktif adalah daya yang tidak menjadi energi yang bisa dimanfaatkan oleh alat-alat elektronik. Daya reaktif ini digunakan untuk memfungsikan sifat-sifat kapasitif atau induktif dari alat listrik. Artinya daya reaktif ini dipakai untuk membentuk magnetisasi alat-alat yang memiliki komponen kumparan atau koil, sementara alat-alat yang bersifat menyimpan akan menghisap daya reaktif ini sehingga alat-alat tersebut menjadi bersifat kapasitif seperti misalnya peralatan elektronik TV. Sesungguhnya daya reaktif ini harus dikurangi karena tidak menjadi energi yang dimanfaatkan karena setelah alat-alat tadi membentuk sifat kapasitif atau induktif, daya reaktifnya dikembalikan lagi ke jala-jala PLN. Daya reaktif ini dinyatakan dalam satuan VAr dengan symbol (Q). Komponen terakhir dari daya listrik adalah daya nyata atau apparent. Daya inilah yang ditarik langsung dari jala-jala PLN dan merupakan penjumlahan vector dari daya-daya aktif dan reaktif. Daya nyata ini dinyatakan dalam satuan VA dengan symbol (S). Gambar penjumlahan vector daya-daya terlihat pada gambar 2.9a. Untuk meningkatkan efisiensi aliran listrik pada jala-jala maka daya reaktif harus dikurangi. Pengurangan daya reaktif yang disuplai dari jala-jala PLN adalah dengan pemasangan kapasitor bank. Dengan pemasangan kapasitor bank maka dari semula daya reaktif awal (Q) diubah menjadi daya reaktif akhir (Q’). sebagai akibatnya daya nyata yang ditarik dari jala-la PLN berkurang dari daya nyata awal (S) menjadi daya nyata akhir (S’).

Tentunya jadi pertanyaan Bagaimana bisa kapasitor melakukan hal ini ? seperti dijelaskan diatas peralatan listrik arus bolak balik dikelompokkan atas 2 jenis yaitu yang bersifat kapasitif seperti computer dan TV serta yang bersifat induktif seperti motor dan setrika listrik. Baik peralatan yang bersifat kapasitif maupun induktif membutuhkan daya reaktif untuk beroperasinya peralatan. Kalau yang bersifat induktif akan menarik daya reaktif ini dari jala-jala PLN sementara yang bersifat kapasitif sebaliknya akan mengalirkan daya reaktif ke jala-jala PLN. Dengan adanya kapasitor bank kebutuhan daya reaktif dipenuhi oleh kapasitor dengan cara melepas dan menerima daya reaktif bolak balik ke beban. Jadi kapasitor seperti penampungan dan penyaluran sementara dari daya reaktif dan beban tak perlu menambah daya reaktif setiap saat dari jala-jala PLN. Gambaran perbaikan efisiensi aliran listrik adalah seperti terlihat pada gambar 2.9b

Karena ketiga komponen daya listrik tadi merupakan vector maka penjumlah daya aktif dengan daya reaktif yang menghasilkan daya nyata (apparent) dinyatakan dengan persamaan komplek sbb :

 

                                                            S^k = P^k + jQ

Atau dalam satuan nominal dinyatakan dengan persamaan

Dimana :

S = daya nyata (apparent), VA –> Volt Ampere

P = daya aktif, watt

Q = daya reaktif , VAr –> Volt Ampere reaktif

 

Menentukan Kapasitas Kapasitor Bank

Untuk meningkatkan efisiensi aliran listrik dengan menurunkan daya reaktif ditentukan oleh besar daya kVAr (kilo Volt Ampere reaktif) kapasitor bank.  Bagaimana menentukan kapasitas kapasitor bank? Ada berbagai cara untuk menentukan daya reaktif yang dibutuhkan untuk meningkatkan efisiensi aliran listrik diantaranya

a.        secara diagram.

b.        Pengukuran langsung

kita akan bahas satu per satu kedua metode ini dengan mengupas kelebihan dan kekurangannya.

a.        Dengan Metode diagram

Diagram yang dimaksud adalah seperti yang terlihat pada gambar 2.9 diatas dimana yang akan kita hitung atau kita butuhkan adalah daya reaktif yang akan disuplai oleh kapasitor.

Kita lihat kembali gambar 2.9,   daya reaktif yang disuplai kapasitor adalah  Q_c  maka

Daya reaktif yang disuplai kapasitor =  Q_c =  daya reaktif awal – daya reaktif akhir

               Q_c = Q -  Q’

Dengan persamaan trigonometri dikaitkan dengan daya aktif P maka,

Q = P tg φ

Q’ = P tg φ’

Maka         Q_c  = P tg φ - P tg φ’

                  Q_c  = P (tg φ - tg φ’)

               Kita definisikan Koefisien pengali  k =(tg φ - tg φ’)

Koefisien k dapat dibuat dengan persamaan trigonometri sehingga untuk factor daya lama cosφ dengan Koefisien pengali k dapat dihitung factor daya baru cos φ’  dan akhirnya didapatkan daya reaktif kapasitor yang dibutuhkan Q_c  untuk daya aktif beban P yang diketahui. Tabel koefisien pengali adalah seperti terlihat pada table 2.1 berikut ini:

Tabel 2.1 koefisien pengali factor daya listrik reaktif

Contoh :

Dari pengukuran penggunaan listrik di sebuah gedung didapatkan data-data sebagai berikut :

b.        beban listrik total di main panel = 500 kW

c.        factor daya listrik di main panel  cos phi = 0.65

pertanyaan : berapakah daya kVAr kapasitor bank yang perlu dipasang untuk meningkatkan factor daya listrik dari 0.65 ke 0.9

1.         jawaban : lihat persamaan :

                  Q_c  = P (tg φ - tg φ’)

                  Q_c  = P k

K adalah koefisien pengali factor daya listrik reaktif pada table 2.1. Untuk :

Cos phi awal = 0.65

Cos phi akhir = 0.9

Didapatkan angka k (pada angka yang dilingkari pada tabel 2.1) = 0.685

Jadi daya kapasitor bank yang disuplai

                                 Q_c  = 500 x 0.685 = 342.5 kVAr

2.     Atau dengan cara trigono metric

1.        Cos phi awal = 0.65     tan phi awal = 1.16913

2.                Cos phi akhir = 0.9      tan phi akhir = 0.48436

Maka daya kapasitor yang diperlukan adalah :

      Q_c  = P (tg φ - tg φ’)

      Q_c  = 500 (1.16913 - 0.48436)

      Q_c  =  500 x 0.685 = 342.5    sama dengan cara Tabel.

Jadi menentukan daya kapasitor bank bukan sesuatu yang sulit namun harus hati-hati jangan sampai daya yang terpasang kelebihan atau kekurangan. Kunci utama dalam menetapkan daya kVAr yang tepat adalah ketepatan dalam mendapatkan daya aktif (kW) dari jaringan listrik gedung. Pengukuran sesaat pada daya terpasang kurang tepat karena pada umumnya  besarnya pemakaian daya gedung berfluktuasi. Pengukuran secara periodic khususnya dalam kegiatan audit energi listrik gedung akan memberikan informasi pemakaian daya listrik gedung yang lebih lengkap sehingga penetapan daya aktif yang dipakai lebih akurat dan penetepan daya kapasitor akan lebih optimal.

Besaran kapasitor bank yang dipasang dinyatakan dengan kVAr, dimana sesungguhnya ini merupakan daya reaktif  yang dipakai oleh satu unit kapasitor bank yang terpasang. Di pasaran sudah tersedia paket-paket kapasitor bank dalam satuan  5, 10, 15, 20, 25, 50, 100 kVAr, jadi kita tak perlu lagi menghitung dari persamaan yang berkaitan dengan nilai besar (farad) kapasitor. Paket-paket ini merupakan modul yang terpisah dan digabung tergantung besar jumlah kapasitor bank yang akan dipasang. Sebagai contoh diatas untuk daya reaktif kapasitor bank  sebesar 342.5 jika dibulatkan menjadi 350 kVAr,  maka bisa digunakan modul kapasitor bank yang masing-masing nilainya 50 kVAr sejumlah 350 :  50 = 7 modul. 

 Gambar. Photo panel kapasitor bank

Satu panel kapasitor bank terdiri atas modul-modul kapasitor, sistem control PLC, breaker dan fuse serta lampu indicator dan tombol manual. Gambar dari panel kapasitor bank adalah seperti terilhat pada gambar .

Fungsi kapasitor bank adalah mengkoreksi  factor daya keseluruhan sistem kelistrikan gedung, karena itu kapasitor bank dipasang parallel dengan jala listrik di panel utama. Koreksi akan dilakukan dengan secara otomatis tergantung kebutuhan kVAr sistem listrik gedung. Proses koreksi dilakukan oleh rangkain digital controller (PLC) yang terpasang di panel kapasitor bank.

Controller ini yang akan menentukan berapa step modul kapasitor akan masuk (on) untuk mengkoreksi factor daya listrik gedung. Sebagai contoh jika dibutuhkan koreksi daya 300 kVAr, maka dalam contoh diatas akan masuk 300 : 50 = 6 modul kapasitor. Adanya modul-modul kapasitor memudahkan untuk kontroler mengoreksi factor daya lebih akurat. Berikut ini gambar rangkaian kapasitor dengan jumlah modul hanya digambarkan 2 saja

Gambar.  Rangkaian kapasitor (digambarkan 2 modul saja)

Sedangkan gambaran fisik dari modul modul kapasitor adalah seperti terlihat pada gambar  berikut.

                         

 Gambar.  modul kapasitor dengan besar daya kVAr-nya dan isinya

a.    Dengan Metode Pengukuran

Beban listrik gedung tidaklah menunjukkan angka yang tetap setiap saat. Besarnya beban listrik gedung dalam  kWatt bisa bervariasi setiap hari, bahkan untuk gedung jenis hotel beban listriknya bisa sangat fluktuatif karena tidak tetapnya jumlah pengunjung ke hotel. Menghitung kebutuhan daya reaktif kapasitor (kVAr) dengan hanya menyandarkan pada satu kali pengukuran yang sesaat tentunya amat riskan. Pengukuran periodik khususnya melalui audit energi akan memberikan gambaran yang lebih akurat tentang pola penggunaan energi listrik dan pola beban dari kelistrikan gedung. Periode pengukuran listrik gedung bisa dilakukan minimal 1 minggu karena dapat dikatakan pola hidup didalam gedung berulang setiap minggu. Sementara untuk hotel perlu pengukuran yang lebih akurat dengan mengkaji waktu-waktu peak dan low season. Melalui pengukuran akan didapatkan angka optimal daya listrik kWatt serta rata-rata factor daya (cos phi) kelistrikan gedung. Lebih jauh lagi dengan pengukuran kelistrikan ini tidak hanya menghindari denda beban energi  reaktif (kVARh) yang diterapkan oleh PT PLN apabila factor daya listrik gedung lebih rendah dari 0.85, dari hasil pengukuran bahkan bisa menghilangkan sama sekali daya reaktif yang harus disuplai dari jala-jala PLN ke sistem kelistrikan gedung sehingga pada gilirannya dapat mengurangi daya nyata (apparet/kVA) yang harus disuplai oleh jala-jala PLN. Berikut ini contoh gambar pola factor daya (cos phi) dari hasil pengukuran listrik pada suatu Gedung untuk hari kerja dan libur.

              Gambar.  factor daya listrik gedung

Dari gambar  terlihat bahwa nilai factor daya kelistrikan gedung pada jam kerja menunjukkan angka yang rendah dibandingkan pada hari libur. Hal ini menunjukkan bahwa pada hari kerja beban-beban listrik gedung banyak yang bersifat induktif sehingga menurunkan factor daya listrik gedung. Angkanya  cukup fluktuatif antara 0,75  s.d 0,90. karena secara total jumlah waktu kondisi factor daya dibawah 0,85 lebih banyak maka gedung ini mendapatkan denda (penalty) energi reaktif (kVARh) dari PLN. Dengan adanya denda ini maka diperlukan untuk memasang kapasitor bank pada sistem kelistrikan gedung. berdasarkan gambaran diatas maka akan kita gunakan angka acuan  factor daya (cos phi) terendah pada angka 0,8 sementara  factor daya baru yang ingin dicapai adalah 0,99. Kemudian pertanyaan selanjutnya adalah berapa besar daya beban kW untuk menentukan daya reaktif kapasitor bank.

Untuk medapatkan hal itu maka kita gunakan data hasil pengukuran daya beban lisitrik gedung seperti terlihat pada gambar dibwah. Pada gambar terlihat pola beban daya listrik gedung kantor rata-rata untuk hari kerja. Pola beban listrik bentuknya mirip lonceng terbalik, ini menunjukkan bahwa pemakaian energi gedung dimulai pada saat jam kerja dan cenderung stabil mencapai waktu akhir jam kerja. Dari gambar didapatkan bahwa daya maksimum yang dibutuhkan adalah pada angka 800 kWatt.

 

Gambar.  pola beban daya listrik gedung  kantor

Angka beban daya listrik  pada  800 kW adalah acuan untuk menghitung kebutuhan daya listrik reaktif dari kapasitor.

Bagaimanakah menentukan daya kapasitor bank dengan metode pengukuran :

Jika ingin menghilangkan sepenuhnya daya reaktif dari jala-jala PLN dimana cos phi=1, maka besar daya kVAR yang terukur sudah merupakan daya kapasitor bank yang dibutuhkan. Apabila ingin dibuat cos phi kelistrikan pada nilai lebih rendah dari 1 maka  cara menghitungnya tetap menggunakan tabel koefisien pengali  atau dengan persamaan :

               Q_c  = P (tg φ - tg φ’)

Hanya saja penentuan besaran daya (P) dan cos phi awal (φ) dilakukan  melalui pengukuran yang lebih detail. Berdasarkan hasil pengukuran diatas jika diinginkan factor daya baru cos phi = 0.95, maka  daya kapasitor yang dibutuhkan adalah  :

               P = 800 kWatt

               Cos φ = 0,75  maka tan φ= 0,881

               Cos φ’ = 0,95  maka tan φ’= 0,328

Maka, 

               Qc = P x (0,881    -  0,328) = 800 x 0,553 = 442,4

Atau jika menggunakan table 2.1 koefisien pengali  didapatkan  k = 0,553

 

               P = 800

               K = 0,553

Maka  

               Qc = P x k

                    = 800 x 0,553  = 442,4  kVAR

 

Untuk pengetesan (lihat gambar 2.9a dan 2.9b)

Kondisi lama  P = 800 kw     Cos φ = 0,75  maka tan φ= 0,881 maka daya kVAR total awal =

               Q  = P x tan φ = 800 x 0,881 = 704,8 kVAR

 

Dengan Qc = 442,4 kVAR  maka

               Q’ = Q – Qc = 704,8 -  442,4 = 262,4

Kita lihat   daya reaktif baru 

tan sudut = 262,4 : 800 = 0,328 rad

Sudut(radiant) = tan^-1  (0,328) = 0,316 ^o   

maka   Cos (0,316) = 0,95    

hasilnya sesuai dengan perhitungan

Metode pengukuran ini tidak hanya dapat dilakukan untuk mengurangi daya reaktif di panel utama saja, tapi juga dapat dilakukan pada beban beban individual seperti motor-motor dan alat induktif lainnya. Dengan pengukuran pada beban individual akan didapatkan kebutuhan daya reaktif kapasitor yang lebih teliti dan akan lebih meningkatkan efisiensi kelistrikan gedung. Selain itu pemasangan kapasitor bank pada beban individual akan membutuhkan biaya yang lebih murah karena tidak dibutuhkannya panel dan alat-alat tambahan lainnya seperti breaker dan controller.

Apabila kita telah mendapatkan besaran daya reaktif kapasitor  yang akan dipasang dalam kelistrikan gedung kita, maka selanjutnya bisa dicari vendor (supplier) kapasitor bank untuk memasang barangnya  di sistem kelistrikan kita dengan besaran sesuai dengan hasil yang kita dapatkan.

Metode Pemasangan Kapasitor Bank

Seperti telah diuraikan diatas fungsi kapasitor bank dalam sistem kelistrikan gedung adalah untuk memperbaiki efisiensi listrik gedung. Cara kerja kapasitor bank ini adalah dengan memberikan daya reaktif yang dibutuhkan beban dan menyimpannya lagi manakala beban melepaskannya serta memberikan lagi disaat beban membutuhkan.

Berkaitan dengan fungsi kerjanya tadi maka metode pemasangan kapasitor bank ada tiga macam yaitu :

b.    Pemasangan mandiri (individual compensation)

c.    Pemasangan kelompok (group compensation)

d.    Pemasangan terpusat (centralized compensation)

Skematik metode pemasangan adalah seperti terlihat pada gambar dibawah , pada gambar terlihat untuk metode individual dan group sebagai contoh yang menjadi beban adalah motor-motor. Digambarkan pula panel kapasitor bank dengan lambang kapasitor sederhana. Sementara itu untuk metode pemasangan terpusat artinya daya reaktif kapasitor akan mengatasi kebutuhan beban keseluruhan sistem kelistrikan gedung dimana jumlah daya reaktif kapasitor kVAR yang masuk sistem (On) ditentukan oleh controller yanga ada pada panel kapasitor berdasarkan informasi yang diperoleh oleh alat ukur yang ada di panel kapasitor itu sendiri.

Gambar.  berbagai metode pemasangan kapasitor bank 

Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekuranganya dan penggunaannya tergantung kondisi sistem kelistrikan yang ada di gedung yang bersangkutan.

Sistem yang paling mudah dan murah adalah sistem individual karena langsung ke beban yang membutuhkan, kelemahannya jika ketidakefisienan terjadi di unit lain maka akan muncul di jalur utama sehingga secara keseluruhan menjadi tidak efisien.

Sistem central adalah yang paling baik untuk mengatasi segala kemungkinan kebutuhan daya reaktif beban kelistrikan gedung dengan syarat bahwa daya kVAr terpasang kapasitor bank optimal dan sanggup mengatasi variasi beban yang fluktuatif. Kelemahannya adalah bahwa sistem ini lebih mahal dibandingkan dengan metode lainnya.

Metode grouping adalah kombinasi atas sistem individual dan central dimana diharapkan peningkatan efisiensi dimulai dari unit yang terkecil yang bisa dicover dengan tetap berusaha pada jalur utama tidak terlewatkan suplai kebutuhan daya kVAr-nya. Sistem group ini cocok untuk kelistrikan gedung yang besar dan terdiri atas panel-panel lisitrik yang banyak dimana sulit untuk memasang dengan metode sistem individual