4 BAB II TEORI DASAR
2.1 Kapasitor
Kapasitor adalah komponen elektronik yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik, dan secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat (bahan dielektrik) tiap konduktor disebut keping. Kapasitor disebut juga kondensator adalah alat atau komponen listrik yang dibuat sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik untuk sementara waktu. Kapasitor terdiri dari dua konduktor (lempengan logam) yang dipisahkan oleh bahan penyekat (isolator). Isolator ini sering disebut bahan (zat) dielektrik. Sebuah kapasitor mempunyai prinsip sebagai generator yang bisa menghasilkan daya reaktif.
Bagian utama dari suatu sel kapasitor adalah 2 elektroda yang terbuat dari foil alumunium yang dipisahkan oleh dielektrik terlapis. Agar kapasitor lebih handal, maka jumlah lapisan dielektrik dibuat sekurangnya 2 lapis. Tebal foil alumunium biasanya kurang lebih 7 mikron, sedang tebal dielektrik biasanya antara 8 – 24 mikron, tergantuna kepada tegangaan kerja kapasitor.
Gambar 2.2 Bahan dasar dari suatu sel kapasitor
(Sumber) Bongas L.Tobing,”Peralatan Tegangan Listrik”,Jakarta,2003,hal.165 Dengan adanya muatan pada kapasitor maka antara lembaran kapasitor terdapat beda potensial sehingga terjadi suatu aliran elektron yauti aliran arus yang mengalir pada kapasitor dan hal ini tergantung pada perubahan tegangan waktu. Arus pengisian terbesar pada saat awal pengsian yaitu pada t = 0 dan menurun ketika tegangan meningkat. Pengisian akan berhenti saat tegangan kapasitor sama dengan tegangan sumber.
Satuan dari kapasitor adalah farad (F). Kapasitor akan mempunyai kapasitansi 1 farad jika potensial yang dikenakan 1 volt dan kapasitor mengambil muatan sebesar 1 coulomb.
Kapasitor banyak digunakan di indusri misalnya sebagai alat kompensator faktor daya, memperbaiki drop tegangan padu ujung jaringan,atau kenaikan suhu dan arus pada penghantar bisa diperkecil dengan di pasang kapaasitor.
Pada kapasitor tegangan tinggi dibentuk dari beberapa sel kapasitor seperti gambar 7. Sel- sel kapasitor disusun dalam hubungan paralel atau seri tergantung pada rancangan kapasitas daya yang diinginkan, maka beberapa sel kapasitas dihubungkan paralel. Sedangkan untuk memenuhi tegangan yang diinginkan maka beberapa sel kapasitor dihubungkan seri.
Gambar 2.3.Kontruksi Kapasitor Tegangan Tinggi
(Sumber) Bongas L.Tobing.”Peralatan Tegangan Tinggi”,Jakarta,2003,hal.175 Suatu sel kapasitor dibuat dari susunan kapasitor plat sejajar yang awalnya digulung berbentuk silinder. Untuk memperkecil dimensinya, gulungan ditekan sehingga berbentuk plat. Sel kapasitor yang sudah berbentuk plat ini dibungkus dengan beberapa lapis kertas isolasi keras dan disusun berdampingan dengan sel kapasitor lain. Antara suatu sel kapasitor dengan sel kapasitor lain diberi isolasi
pembatas untuk mencegah kerusakan pada selkapasitor lain jika kapasitor disebelahnya mengalami kerusakan. Setiap selmjuga dilengkapi fuse sebagai pengaman arus hubung singkat. Untuk mengisolir susunan sel kapasitor dengan tangki digunakan isolasi kertas. Kemudian asolasi kertas dan semua sel kapasitor diikat dengan plat pengikat dan akhirnya dimasukkan dalam tangki baja atau bejana isolasi. Untuk menghantarkan panas yang terjadi pada kapasitor ke medium sekitar maka tangki diisi dengan minyak isolasi yang tidak mengandung gelembung udara.
Sebelum susunan kapasitor dimasukkan ke dalam tangki, susunan kapasitor dikeringkan dengan metode pemanasan ruang vakum hingga semua kertas isolasi kering dan semua gas keluar dari kertas.
Jenis dielektrik yang digunakan umumnya adalah isolasi kertas impregnasi yang dapat berupa minyak mineral atau cairan sintesis. Kekuatan dielektrik minyak mineral lebih tinggi tetapi memiliki kelemahan yaitu :
1) Konstanta dielektriknya rendah 2) Distribusi tegangan tidak seragam
3) Minyak mineral mudah teroksidasi dan hasil oksidasinya berupa asam, air dan lumpur halus.
4) Mudah disusupi rongga udara. Pada tegangan tertentu di rongga udara akan terjadi peluahan listrik yang menghasilkan hidrogen dan molekul hidrokarbon berbobot rendah.
5) Mudah terbakar sehingga membutuhkan alat pengaman dan mengakibatkan biaya pembuatan mahal.
Dengan menggunakan bahan cairan sintesis dimensi kapasitor semakin kecil karena konstanta dielektrik cairan sintesis relatif lebih tinggi dan cairan sintesis disusupi rongga udara sehingga proses peluahan pada rongga udar tidak melebihi tegangan operasinya sehingga dapat beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi.
Jenis kapasitor pada suatu system daya listrik di bedakan menjadi dua yaitu sebagai berikut:
a. Pemasangan secara seri b. Pemasangan shunt 2.1.1 Kapasitor Seri
Kapasitor seri dalam pemakaian system daya listrik dapat dipasang pada jaringan-jaringan transmisi ataupun pada jaringan distribusi. Kapasitor seri yang dilalui arus beban mempunyai sifat yang menonjol dalam mengkompensasi secara langsung, kerugian tegangan yang disebabkan dengan adanya reaktansi induktif sesuaia dengan perubahan yang ada.
2.1.2 Kapasitor Shunt
Pemakaian kapasitor shunt dalam daya listrik paling banyak dijumpai, dengan tujuan untuk memeperbaiki faktor daya maupununtuk mengurangi kerugiana tegangan.
Pemilihan kapasitor shunt sebagai salah satu alat pengatur tegangan dalam system daya berdasarkan sifatnya yang dapat menaikkan tegangan pada titik pemasangannya.
2.2 Kapasitor Bank
Kapasitor bank adalah peralatan listrik untuk meningkatkan power faktor (pf), yang terdiri dari rangkaian-rangkaian kapasitor yang dirangkai dalam suatu panel yang disebut panel kapasitor bank, yang sisusun seri atau paralel dalam suatu grup dengan lapisan logam. Dalam kapasitor bank terdapat resistor yang berfungsi sebagai alat internal untuk membuang sisa tegangan. Biasanya kapasitor bank disusun dalam variasi rating tegangan sekitar 240 V – 24940 V dan dalam rating kapasitas sekitar 2,5 – 1000 kVAr.
Gambar 2.4. Kontruksi Kapasitor Bank
(Sumber) ABB, Power Factor Correction Capacitors, hal.3
Biasanya kapasitor seri dipasang pada sistem dengan kebutuhan daya lebih besar daripada kapasitor paralel dan peralatan proteksi yang dibutuhkan lebih kompleks sehingga biaya pemasangan kapasitor seri juga lebih besar daripada pemasangan kapasitor paralel. Faktor-faktor yang mempengaruhi pemilihan antara kapasitor paralel dan seri dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 2.1. Pemilihan Pemakaian Kapasitor Seri dan paralel No Tujuan Pemilihan Prioritas Kapasitor Seri Paralel 1. 2. 3 4 5. . 6. 7.
Memperbaikan faktor daya
Memperbaiki tingkat tegangan pada sistem saluran udara dengan faktor daya normal dan rendah.
Memperbaiki tingkat tegangan pada sistem saluran udara dengan faktor daya normal dan tinggi
Memperbaiki tingkat tegangan pada sistem saluran bawah tanah dengan faktor daya normal dan rendah
Memperbaiki tingkat tegangan pada sistem saluranbawa tanah dengan faktor daya normal dan rendah
Mengurangi kerugian saluran Mengurangi fluktuasi tegangan
Kedua Pertama -- Pertama -- Kedua Pertama Pertama Kedua Pertama -- -- Pertama Kedua
Fungsi utama dari kapasitor bank adalah :
1. Menghilangkan denda / kelebihan biaya (kVArh) 2. Menghindari kelebihan beban transformator 3. Memberikan tambahan daya yang yang ada 4. Menghemat daya
5. Menghindari kenaikan suhu pada kabel 6. Memaksimalkan pemakaian (kVA)
Dalam suatu jaringan listrik selalu terdapat kerugian-kerigian. Yang dimaksud disini adalah kerugian daya, tepatnya rugi daya induktif. Yang dimaksud beban induktif adalah beban yang tertinggal atau arus yang tertinggal dari suatu tegangan. Tetapi ada juga beban yang mendahului atau biasa leading yaitu kapasitor , kebalikan dari induktor yaitu arus yang mendahului tegangan. Akibatnya dari beban-beban induktif, nilai cos jaringan akan turun dan akan berdampak pada pembayaran kVArh pada penyuplai daya PLN.
Teori tan adalah parameter dasar untuk pengukuran daya disuatu instalasi listrik. Ini merupakan perbandingan antara daya reaktif dan daya aktif.
= (2.1)
Keterangan : Q = Daya Reaktif P = Data Aktif
Maka dengan adanya jenis daya diatas ini maka secara langsung akan menimbulkan faktor daya (cos ) dalam pemakaiannya. Karena daya reaktif (kVAr) ini bersifatmerugikan PLN akan memberikan denda berupa pembayaran tambahan pada sejumlah nilai daya reaktif (kVAr) kepada pemilik dengan ketentuan sebagai berikut :
PLN membebankan biaya kelebihan pemakaian kVARH :
• Pemakaian kVArh total > 0,62 x pemakaian kWh total (LWBP+WBP)
ℎ = ℎ - (0,62 x ℎ )
2.3 Konsep Dasar Daya
Definisi Daya adalah kecepatan perubahan energi terhadap waktu. Daya yang diserap oleh beban setiap saat sama dengan jatuh tegangan dalam volt dalam beban dikalikan dengan arus yang mengalir melewati beban dalam ampere.
Arus yang mengalir dalam rangkaian AC dapat dianggap terdiri dari 2 komponen yaitu komponen yang sefase dengan tegangan dan komponen yang berbeda fase 90" dengan tegangan seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 2.5. Diagram Daya
(Sumber) Scheneider Electric Indonesia (2010:330)
Gambar 2.5 menunjukkan bahwa komponen yang sefase dengan tegangan disebut komponen aktif. Sedangkan komponen yang tidak sefase dengan tegangan disebut komponen reatif. Sudut # adalah sudut fase- fase rangkaian. Alas segitiga pada gambar I menyatakan daya reaktif, tinggi segitiga menyatakan daya reaktif dan sisi miring segitiga adalah daya semu dan rangkaian.
2.3.1 Daya Aktif
Jika daya dinyatakan terhadap resistansi R maka akan sebanding dengan kuadrat arus atau tegangan yang dinyatakan dalam persamaan.
= $%/ R (2.2)
Keterangan :
P = Daya aktit (watt)
I = Arus (Ampere)
V = Tegangan (volt)
R = Resistansi (ohm)
P adalah kuantitas daya dan juga disebut sebagai daya aktif atau daya nyata. Daya aktif adalah perkalian AC dapat dinyatakan dalam persamaan 2 dimana daya aktif adalah perkalian antara arus, tegangan dengan faktor daya atau cos # . Sudut # adalah sudut fase-fase rangkaian seperti yang ditunjukkan pada gambar I. Dan pada saat beben penuh dapat menggunakan rumus berikut :
P = S. Cos # (Watt) (2.3)
Keterangan :
P = Daya aktif / daya nyata (watt) S = Daya Semu
Cos = Power faktor 2.3.2 Daya Reaktif
Pada rangkaian AC, dengan beban yang bersifat induktif misalnya transformator, motor, mesin pengelasan, penerangan, dll menyerap daya yang disebut daya reaktif.
Dalam komponen reaktif (induktif atau kapasitor) tidak ada transfer bersih dari energi daya rata-ratanya sama dengan nol. Komponen ini menyimpan energi tetapi tidak menghilangkannya. Ketika Arus yang melewati induktor naik dikirim dari rangkaian ke induktor dan disimpan dalam bentu medan magnet tetapi ketika arus turun maka energi akan di kembalikan kerangkaian. Demikian juga ketika tegangan pada kapasitor naik maka energi dialirkan dari rangkaian ke kapasitor dan di simpan dalam bentuk medan listrik. Ketika tegangan turun, energi yang tersimpan ini di lepaskan lagi ke sistem dan inilah yang menjadi konsep dari kompensasi daya reaktif untuk menaikkan pada saluran atau bus tertentu. Jadi meskipun daya rata-ratnya nol, bagaimanapun juga tetap ada penyimpanan dan penembaliaan energi secara periodik. Hal ini dinyatakan dalam persamaan 3.
& = $%.X (2.4)
Keterangan :
& = Daya Reaktif (VAR) I = Arus (Ampere) X = Reaktansi (ohm)
Tetapi secara umum daya reaktif & dinyatakan dengan notasi Q seperti pada persamaan 4.
Q = V.I.sin# (2.5)
Keterangan :
Q = Daya Reaktif (VAr) V = Tegangan (volt) I = Arus (Ampere)
2.3.3 Daya Semu
Daya Semu atu S adalah perkalian harga arus dan tegangan efektif dinyatakan dalam voltampere (VA) atau kilovoltampere (kVA) sama dengan 1.000 VA. Rumus daya semu seperti persamaan 5.
' = . $ ( ) (2.6)
Keterangan :
S = Daya Semu (VA) $ = Arus
V = Tegangan 2.4. Faktor Daya
Pengertian faktor daya menurut (Michael Neidle, 1985:99) faktor daya (cos ϕ) adalah perbandingan antara daya aktif (kW) dengan daya semu (kVA). Sebuah instalasi listrik akam semakin optimum, baik dari segi teknis maupun dari segi ekonomis , jika faktor daya mendekati atau sama dengan satu.
Gambar 2.6. Diagram Segitiga Daya.
(Sumber) Eugene C Lister,”Mesin dan Rangkaian Listrik”,Jakarta.1993.hal.147
Kerugian Faktor Daya Rendah
a. Jika cos ϕ rendah maka arus akan bertambah besar berarti penambahan daya diperlukan dan berarti pula investasi akan mahal.
b. Dengan rendahnya cos ϕ maka VA dari peralatan akan tinggi, berarti biaya pengoperasian akan semakin naik.
Jadi dengan rendahnya faktor daya tersebut maka akan mengalami kerugian yang cukup besar sehingga tidak efisien.
2.5 Perbaikan Faktor Daya
Prinsip dari perbaikan faktor daya adalah memeberikan arus dengan phasa mendahului dalam rangkaian sehingga meemberikan perlawanan yang akan menetralisir arus pemagnetan yang ketinggalan phasanya. Faktor daya harus ditingkatkan agar dapat memperbaiki daya keluaran maksimal dan dengan perbaikn faktor daya menyababkan penghematan terhadap energi listrik yang dipakai untuk menyuplai daya beban.
Diagram phasor untuk perbaikan faktor daya adalah sebagai berikut :
Gambar 2.7. Diagram Phasor Perbaikan Faktor Daya (Sumber) Scheneider Electric Indonesia (2010:327)
Dari gambar diatas dapat diperoleh : Q1 = P sin + (2.7) Q2 =P sin % (2.8) Keterangan: % = Daya Reaktif S = Daya
Kapasitor yang digunakan pada perbaikan faktor daya adalah bekerja pada frekuensi yang berlaku di Indonesia yaitu 50 Hz. Berikut rumus yang digunakan untuk perbaikan faktor daya :
P = , (2.9)
Qc = Pf x Daya Beban (2.10)
- = (./ +− ./ %) kVAr (2.11)
Keterangan :
P = Daya nyata (Watt) + = Faktor daya lama
% = Faktor daya setelah diperbaiki Qc = Daya reaktif kapasitor (kVAr)
Suatu cara yang sampai saat ini dianggap handal dalam perbaikan faktor daya adalah dengan menggunakan kapasitor. Menggunakan kapasitor untuk perbaikan power faktor selain mudah pemasangannya juga harganya lebih ekonomis.
Kebanyakan beban yang digunakan untuk penerangan dan daya bersifat induktif. Misalnya motor-motor listrik, lampu TL, transformator, dll. Karena beba bersifat induktif,maka banyak daya (VA) yang tidak bisa dimanfaatkan hal ini
secara teknis dan ekonomis kurang menguntungkan. Salah satu cara untuk memenfaatkan daya (VA) tersebut adalah dengan memasang kapasitor paralel dengan beban. Dari phasor daya berikut dapat dilihat bahwa:
Daya Aktif (P) = V.I cos ϕ (Watt) Daya Aktif (Q) = V.I sin ϕ (Watt) Daya Semu (S) = V.I (VA)
- = +− % (2.12)
- = (./ +− ./ %) (2.13)
Gambar 2.8. Phasor Daya
(Sumber) Schneider Electric Indonesia (2010:338) Sehingga: - = % -(2.14) - = % -(2.15)
- = 1 23. 4. 5
-(2.16)
(a) (b)
Gambar 2.9. (a) Sebelum Kompensasi : Energi Reaktif Seluruhnya disupply oleh Trafo, (b) Sesudah Kompensasi : Energi Reaktif Sebagaian atau Seluruhnya disupply oleh Capacitor Bank.
(Sumber) Schneider Electric Indonesia (2010:338) 2.5.1 Kerugian Faktor Daya Rendah
Faktor daya yang rendah mengakibatkan beberapa kerugian terhadap sistem antara lain:
a. Rendahnya tegangan pada sisi beban. b. Rugi tegangan dan daya yang besar.
c. Terjadi pemanasan pada kawat penghantar yang dapat merusak isolasi. d. Memperpendek umur peralatan.
2.5.2 Keuntungan Perbaikan Faktor Daya.
Faktor daya yang rendah mengakibatkan kerugian yang tidak diinginkan, maka perlu sekali diadakan perbaikan faktor daya yang rendah. Hal ini dilaksanakan selama biaya untuk memeperbaiki masih lebih murah dari pada kerugian yang ditimbulkan.
Dengan adanya perbaikin faktor daya akan memperoleh beberapa keuntungan antara lain :
a. Keuntungan bagi konsumen
1. Menghilangkan denda PLN atas kelebihan pemakaian daya reaktif. 2. Menurunkan pemakaian kVA total.
3. Meningkatkan daya yang disuplai oleh trafo. 4. Penurunan rugu tegangan.
5. Menurunkan rugi pada kabel. b. Keuntungan PLN
1. Meningkatkan persediaan daya yang tersedia pada trafo. 2. Optimasi jaringan :
a) Optimasi biaya : ukuran kabel diperkecil. b) Penurunan rugi tegangan.
c) Meningkatkan kemampuan jaringan dalam menyalurkan daya.
3. Optimasi mengurangi naiknya arus/ suhu pada kabel, sehingga mengurangi rugi-rugi.
2.6 Penentuan Kebutuhan Daya Reaktif
Medan magnet pada motor dan pada transformator selalu memerlukan daya reaktif. Induktansi seri pada jaringan transmisi juga memerlukan daya reaktif. Reaktor, lampu pijar, dan semua rangkaian induktif pasti banyak memerlukan banyak energi reaktif untuk bekerja. Kebutuhan daya reaktif untuk masing-masing komponen berbeda.
Tabel 2.2. Tabel Kebutuhan Daya Reaktif
No Komponen Kebutuhan Daya Reaktif
1 Transformator 0,05 kVAr / kVa
2 Motor Induksi 0,5 – 0,9 kVAr / kVa
3 Lampu fluorescent 2 kVAr / kVa
4 Jaringan Transmisi 20 – 50 kVAr / kVa
(Sumber) ABB,Reaktive Power Compensation, hal 1
Di dalam suatu induksi dalam memperhitungkan kebutuhan daya reaktif bisa dilakukan dengan beberapa cara yang cukup praktis. Cara-cara tersebut adalah :
1) Metode memakai tabel cos
Metode ini menggunakan cos ϕ, misalnya diketahui faktor daya yang sekarang adalah 0,76. Faktor daya yang diinginkan adalah 0,965. Daya aktif sekarang adalah 100 kW. Lihat tabel cos (Tabel 2) tari garis lurus pada sebelum kompensasi yaitu 0,53 dan faktor daya yang
diinginkan 0,96, maka akan ada pertemuan garis yang menunjukkkan angka faktor pengali 0,53. Maka daya reaktif yang diperlukan :
2) Metode Kuitansi PLN
Metode ini memerlukan data dari kwintansi untuk pembayaran denda kVArh yang tertinggi selama satu periode (misal: selama 1 tahun). Misalnya diketahui pabrik 24 jam per hari. Data pengukuran kVArh tertinggi per bulan dalam waktu satu tahun adalah 1740 kVArh.
- = ℎ 6 .7 89: ; (2.17) - = 1740 24 > : ? 30ℎ ;/B7C = 1252.800 kVAr
3) Metode Sederhana dan Tepat
Metode ini digunakan agar digunakan dengan cepat dapat menentukan Qc. Angka kunci 0,85 untuk setiap kW beban. Angka tersebut di ambil dari perkiraan rata-rata faktor daya suatu instalasi, misalanya 0,76 yang inginkan ditingkatkan menjadi0,95. Dari tabel cos ϕ didapat 0,56 D = 84 ? B9B (2.18) Keterangan: Qc = Daya Reaktif Pf = power waktor - = 0,56 ?1840 = 1030,4 kVAr
2.7. Penentuan Rating Kapasitor Untuk Perbaikan Faktor Daya Beban
Dari hubungan fasor diagram daya reaktif dapat ditulis beberapa
persamaan matematis sebagai berikut :
Karena komponen daya aktif biasanya konstan, sedang daya nyata dan komponen daya reaktif berubah sesuai dengan faktor daya, maka persamaan yang dinyatakan dalam komponen daya aktif yang paling tepat digunakan.
Persamaan ini dapat ditulis sebagai berikut :
Daya reaktif pada faktor daya mula-mula = Daya aktif x Tan +
= (kW)x Tan +
Daya reaktif pada faktor daya baru = Daya aktif x Tan %
= (kw) x Tan %
Dengan : += sudut dari faktor daya mula-mula
% = sudut dari faktor daya yang telah diperbaiki
Rating kapasitor yang dibutuhkan perbaikan faktor daua :
IJK =L M .;4 L M '9:7= (2.19) '; = L M N9 .;4 L M '9:7 = (2.20) =L M N9 .;4 L M ;4 = (2.21)
Daya reaktif (kVAr) = Daya aktif x (tan +− % )
(kVAr) = (kW) x (tan +− % )
Untuk penyederhanaan (tan +− % ) sering ditulis ∆ tan, yang merupakan faktor pengali untuk menentukan daya reaktif.
Daya reaktif (kVAr) = Daya aktif x ∆ tan
(kVAr) = (kW) x ∆ tan
2.8. Instalasi Kapasitor
Komponen penyusun tumpuk kapasitor :
• Kapasitor dengan jenis yang cocok dengan kondisi jaringan.
• Regulator untuk pengaturan daya tumpuk kapasitor (kapasitor bank otomatis).
• Kontaktor untuk switching otomatis.
• Pemutus daya untuk tumpuk kapasitor.
Selain itu diperlukan VT ( Voltage Transformer) dan CT (Current Transformer), untuk catu daya dan arus bagi mekanisme regulator.
Untuk kompensasi tetap detuned reactor dapat disambungkan kebeberapa tumpuk kpasitor (capasitor bank) yang menentukan daya total sesuai denga kebutuhan detuned reactor.
2.9 Pengertian CT (Curren Transformator)
CT (Current Transformer ) juga dikatakan trafo arus yang berfungsi sebagai menurunkan besar arus beban suatu rangkaian. Dengan menggunkan trafo
arus, arus beban akan yang besar padat diperkecil dan dapat diukur dengan perbandingan yang sudah diketahui. Nilai nominal arus standar sebuah CT adalah 5 A atau 1 A, dengan nilai nominal daya 5VA. Kebanyakan alat ukur arus atau amper dilengkapi dengan starting link yang memestikan bahwa rangkaian sekunder tidak terbuka saat alat ukur dilepas dari rangkaian tersebut. Didalam trafo arus terdapar arus class dari trafo tersebut, dimana class ini menentukan kualitas atau ketelitian yang dimiliki oleh sebuah trafo arus maka nilai yang dihasilkan akan lebi presisi dan harganya akan lebih mahal.
Gambar 2.10. CT (Curren Transformator)
Pada rangkaian capasitor bank ini, trafo arus berfungsi sebagai alat penurun arus sistem yang akan diperbaiki faktor dayanya, dengan arus sekunder 5A dengan burden ditentukan berdasarkan PFC yang ditentukan.
Tabel 2.4. Rating Transformator Arus Rating CT Rating CT 50 /5A 450 /5 A 100 / 5 A 500 / 5 A 150 / 5 A 600 / 5 A 200 / 5 A 700 / 5 A 250 / 5 A 800 / 5 A 300/ 5 A 1000 / 5 A 400 / 5 A 1200 / 5A
(Sumber)PT. PLN (persero),Kursus Operasi Gardu Induk.
Dalam penentuan CT (Current Transformer),yang digunakan untuk menyensor arus listrik pada main panel adalah dengan menentukan besarnya arus listrik yang mengalir padamain panel. Sedang untuk kelas dari CT itu sendiri ditentukan berdasarkan pada regulator yang digunakan. Dengan diketahui arus listri yang mengalir pada main panel maka rumus yang digunakan untuk mencari besar arus listrik pada CT yang digunakan adalah:
$ = '
√3. Q
(2.22)
Keterangan : $ = 7K I
' = Daya pada trafo
2.10 Pengaman Switching Kapasitor bank
Pengaman juga dapat diartikan usaha menjaga keandalan dan kontinuitas pelayanan serta menjaga peralatan jaringan distribusi dari kerusakan yang fatal akibat terjadinya gangguan maka harus digunakan suatu peralatan pengaman.
Fungsi dari peralatan pengaman tersebut adalah untuk mendeteksi gangguan sekecil mungkin, melindungi dan mengamankan manusia dari bahaya yang timbul karena adanya arus listrik, melindungi semua peralatan sistem serta mengamankan secepat mungkin dari gangguan yang terjadi, dengan koordinasi pemutus beban mencegah meluasnya gangguan, mengisolasi, memadamkan dan memulihkan sistem setelah gangguan berakhir atau berhenti serta menjaga kontinuitas daya dan stabilitas penyaluran daya.
Untuk memenuhi fungsi-fungsi peralata pengaman maka sistem pengaman harus memenuhi persyaratan sebagai berikut :
a. Seleksi b. Handal c. Cepat d. Peka
Selain itu fungsi pengaman adalah agar peralatan yang dipakai tidak mengalami kerusakan akibat naiknya arus listrik yang besar. Untuk itu diperlukan peralatan yang bisa mengamankan keadaan yang timbul akibat kenaikan arus listrik yang pada umumnya diakibatkan oleh :
1 Terjadinya hubung singkat antar fasa, fasa dengan netral atau disebabkan gangguan dalam suatu peralatan.
2 Adanya pembebanan lebih akibat pemasangan yang berlebihan.
2.11 Pengaman Beban
Circuit Breaker merupakan peralatan listrik yang berfungsi untuk
menghubungkan dan memutuskan rangkaian listrik pada saat berbeban. Circuit Breaker bekerja memutuskan arus yang mengalir secara otomatis apabila melebihi
rating arus yang dimilikinya.
Dalam memilih Circuit Breaker harus mempertimbangkan hal-hal sebagai berikut :
a. Karakteristik sistem Circuit Breaker ketika dipasang. b. Kebutuhan kontinyuitas pelayanan sumber daya listrik. c. Aturan-aturan dan standar proteksi yang berlaku. Berdasarkan besar rating pemutusnya ,CB dibagi menjadi :
1 Mini Circuit Breaker (MCB)
Mini Circuit Breaker merupakan peralatan yang digunakan untuk
membatasi besarnya arus sekaligus memutuskan beban saat terjadi gangguan hubung singkat dan beban lebih karana dilengkapi dengan pengaman elektromagnetik untuk arus hubung singkat.
Cara kerja dari MCB adalah apabila terjadi arus lebih, maka bimetal Th akan memerintahkan kontak K jatuh. Sedangkan apabila terjadi hubung singkat oleh arus listrik yang besar sekali maka kumparan magnetik R akan memerintahkan kontak K jatuh.
Prinsip kerja MCB adalah karena pada MCB terdapat bimental maka pada waktu keadaan beban lebih maka bimental dialiri arus melebihi kemampuan normal bimental yang digunakan, yang mengakibatkan bimental menjadi panas dan lentur sehingga surkit yang terputus. Untuk mengamankan terhadap arus hubung singkat yang bekerja adalah pengaman elektromagnetik untuk memutuskan rangkaian.
Pemutus sirkit (circuit breaker) diperlukan sebagai alat proteksi tampak kapasitor. Kapasitor pemutusan dari CB ini harus sama dengan arus hubung pendek maksimum yang mugkin terjadi pada tumpuk kapasitor. Dan untuk menghitung pengaman kapasitor dapat menggunakan rumus sebagai berikut :
$ =
-√3?Q
(2.23)
Keterangan : $ = Arus Nominal
- = Daya Kapasitor Bank
Q = Tegangan Jaringan 3 fasa (Volt)
Dalam pengaman hubung singkat arus lebih pada kapasitor dapat ditentukan melalui besarnya arus nominal kapasitor dikalikan dengan faktor daya pengali ditentukan berdasarkan Besarnya faktor pengali ditentukan berdasarkan Standrat Panduan Aplikasi Teknis Schneider Electric Indonesia Bab 3.4.2 hal 107 mengenai pemutus sirkit kapasitor tipe standart yaitu 2,5 x In.Dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
Besarnya nilai pengaman = In x fk = In x 2,5
(2.24)
Pemutus tegangan diperlukan sebagai alat proteksi tumpuk kapasitor.Kapasitor pemutusan dari alat ini minimal harus sama dengan hubung singkat maksimum yang mungkin terjadi pada sekitar pangkal tumpuk kapasitor.
2 Moulded Case Circuit Breaker (MCCB)
Moulded Case Circuit Breaker (MCCB) Merupakan peralatan listrik
fungsinya sama dengan MCB namun rating arus pemutusnya berkisar 100 sampai 3200 Ampere. Sebenarnya rating MCCB juga ada yang memepunyai rating 15 sampai 100 Ampere. Biasanya rating ini digunkan untuk pengaman utama (back up) pada sup panel dengan daya yang kecil.
Selain rating diatas, juga terdapat rating MCCB yang diatur. Kelebihannya adalah jika suatu saat terdapat penambahan beban maka tidak perlu mengganti pengaman.
2.12 Penghantar
Untuk menentukan besarnya penghantar yang digunakan untuk menghubungkan kapasitor dengan kontaktor dan busbar maka harus diketahui terlebih dahulu besarnya arus yang akan dilaluinya. Setelah mengetahui besarnya penghantar dapatnkita hitung dengan mengalikan besarnya arus nominal kapasitor dengan faktor pengali. Dimana besarnya faktor pengali berdasarkan PUIL 2000 5.10.2.1.KHA penghantar sirkit kapasitor tidak boleh kurang dari 135% dari arus pengenal kapasitor. KHA penghantar yang menghubungkan kapasitor dengan terminal suatu motor-motor atau dengan penghantar sirkit motor harus mencukupi
arus kapasitor yang diperlukan, tetapi tidak boleh kurang dari sepertiga dari KHA penghantar sirkit motor. Untuk menentukan besarnya penghantar untuk kapasitor adalah : $ = Q. √3 (2.25) KHA = In x fk = In x 1,35
Setelah diketahui besarnya KHA maka dapat diketahui basarnya penghantar yang digunakan dengan melihat tabel KHA.
2.13 Busbar
Busbar berfungsi untuk menyalurkan dan memebagikan tenaga listrik keperalatan-peralatan lain. Kontruksi dari busbar bermacam-macam tergantung dari sistem hubungan rangkaianya.
Bentuk-bentuk busbar yang banyak digunakan adalah : 1 Busbar Plat (Stip Busbar)
2 Busbar Pita (tubular busbar) 3 Busbar Kanal (Chanal busbar)
4 Busbar bulat padat (Round solid busbar) 5 Busbar kawat ayam (Stranded busbar)
Karena busbar merupakan salah satu peralatan listrik yang penting dan merupakan tempat saluran transmisi maupun distribusi, maka busbar harus kuat dalam menahan berat kawat maupun menahan tegangan yang tinggi, sehingga dibutuhkan bahan-bahan yang khusus untuk membuatnya.
1 Tembaga
Karena bahab ini memepunyai tahanan spesifik yang rendah dan mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi, maka banyak digunakan untuk bahan busbar terutama pada kapasitas arus yang besar.
2 Alumunium
Bahan ini mempunyai bahan spesifik 1,6 kali lebih besar dari tembaga. Sehingga untuk arus yang sama alumunium busbar memepunyai penampang yang lebih besar. Akan tetapi bahan alumunium lebih ringan daripada tembaga, sehingga harga dari alumunium busbar menjadi lebih murah. Busbar ini banyak digunakan pada instalasi outdoor pada tegangan tinggi.
3 Besi
Busbar yang menggunakan bahan besi biasanya untuk instalasi dengan arus yang keci, karena harganya cukup murah.
4. Baja
Karena mempunyai tahanan spesifik yang tinngi sekitar 7 kali tembaga, maka bahan ini jarang digunakan untuk busbar.
Dalam melaksanakan pemilihan busbar harus diperhatikan beberapa faktor: a) Pengaruh korosi.
b) Pengaruh skin effect (efek isolasi) yang akan timbul. c) Kemampuan untuk menerima arus hubung singkat. d) Biaya pembangunan yang tersedia,
Untuk menentukan busbar yang digunakan adalah dengan menentukan terlebih dahulu besarnya arus total yang akan mengalir di busbar. Setelah mengetahui besarnya arus yang mengalir dibusbar kemudian dikalikan dengan
faktor pengali yang besarnya sesuai dengan ketentuan PUIL2000 yaitu 135% arus nominal. Dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
$ = Q. √3 (2.26) Besarnya busbar = In x fk =In x 1,35 2.14 Discharge Resistor
Untuk mencegah pada saat panel capasitor di matikan masih terdapat tegangan sisa, maka pada masing-masing fasa unit capasitor dihubung singkat dengan menggunakan Discharge Resistor. Hal ini sesuai dengan PUIL 2000 Bab 5.10.1.6 hal 198 mengenai suatu capasitor harus dilengkapi dengan suatu gawai untuk meluahkan muatan yang disimpan.
a) Sisa tegangan dari suatu capasitor tegangan rendah harus turun sampai atau kurang dari 50 Volt dalam 2 menit setelah capasitor diputuskan dari sumber dan dalam 5 menit untuk capasitor tegangan menengah atau tegangan tinggi.
b) Sirkit peluah muatan dapat dihubungkan dengan terminal dari capasitor , baik secara tetap maupun secara otomatis bila capasitor
diputuskan dari sumber tegangan. Tidak boleh digunakan gawai untuk menghubungkan sirkit peluah muatan yang dijalankan dengan tangan. 2.15. Power Faktor Control (PFC)
Power Faktor Control (PFC) adalah suatu alat yang berfungsi sebagai
pengatur kerja unit-unit capasitor dan step-step secara otomatis. Peralatan ini secara terus-menerus mendekati tegangan dan arus sistem yang akan diperbaiki
faktor dayanya. Memproses dan menentukan hubungan dengan step-step capasitor sistem. Menghubungkan step-step capasitor dengan sistem jika sistem
tersebut bersifat capasitif.
Gambar 2.11. Power Faktor Control (PFC)
2.16 Pentanahan (Grounding)
Dalam suatu instalasi listrik pentanahan sangatlah mutlak diperlukan untuk mencegah adanya tegangan sentuh yang besar yang diakibatkan oleh kegagalan isolasi dan untuk mempercepat kerja pengaman.
Dalam PUIL 2000 ayat 3.3.1.1 hal 34 disebutkan bahwa tegangan sentuh yang diijinkan yaitu 50 V untuk arus bolak-balik dari 120 V untuk arus searah.
Sedangkan dalam PUIL 2000 ayat 3.13.2.10, hal 68 disebutkan bahwa besarnya pentanahan seluruhnya yang diijinkan tidak boleh melebihi 5 Ω.
Tabel 2.5. Tanahan Jenis Tanah 1 2 3 4 5 6 7 Jenis Tanah Rawa Tanah liat dan tanah ladang Pasir Basah Kerikil basah Pasir dan kerikil kering Tanah berbatu Tahanan jenis (Ω-m) 30 100 200 500 1000 3000 (Sumber) PUIL.2000,tabel 3.18-1:80
2.17 Jenis-jenis Elektroda Pentanahan
Elektroda pentanahan yang ditanam biasanya berasal dari bahan tembaga, plat besi maupun baja yang digalvanis agar elektroda tidak mudah korosi. Bahan ini harus kuat dan tahan pengaruh kimiawi, perubahan iklim dan tahan lama.Elektroda pentanahan dapat dibagi menjadi tiga macam yaitu :
1. Elektroda Pita
Elektroda pita adalah elektroda-elektroda yang berbentuk pita ditanam di dalam tanah dari hantaran yang dipilih. Elektroda pentanahan ini berbentk radial, lingkaran atau suatu kombinasi dari bentuk –bentuk tersebut.
2. Elektroda Plat
Elektroda ini dibuat dar plat logam yang biasanya ditanam tegak lurus (drive ground) atau secara sejajar (Counter Ground). Pemakaian beberapa plat yang dihubungkan paralel untuk memperoleh tahana pentanahan yang lebih rendah, jarak antara plat-plat ini harus sekurang-kurangnya 3 meter.Untuk
mencapai tahanan pentanahan yang sama elektroda-elektroda plat dierlukan banyak bahan dibandingkan pita atau benang.
3. Elektroda Batang
Elektroda batang dibuat dari pipa atau besi baja profil yang dipancangkan tegak lurus kedalam tanah. Biasanya digunakan dari bahan tembaga, baja tahan karat (Stainless Steel) atau baja yang digalviniskan(Galvanized Stell). Perlu diperhatikan dalam pemilihan bahan agar dihindarkan kopeling galvani (galvani couple) yang dapat menyebabkan korosi. Elektroda batang ini mampu melepaskan arus pelepasan dari petir maupun untuk keperluan pemakaian pentanahan yang lain.
Tabel 2.6. Resistansi pembumian pada resistansi jenis pl = 100 Ω-meter
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Jenis elektroda Pita atau penghantar pilin
Batang atau pipa Plat vertikal dengan sisi atas - ± 1 bawah permukaan tanah
Panjang (m) Panjang (m) Ukuran
(:%) Tanahan jenis pembumian 10 25 50 100 1 2 3 5 0,5x 1 1x1 20 10 5 3 70 40 30 20 35 25
Besarnya tahanan pentanahan tergantung pada tahanan jenis tanah dan ukuran serta susunan elektroda yang ditunjukkan pada tabel 5 dan 6.
Untuk menghitung besarnya tahanan atau elektroda dengan pemakaian
rumus sebagai berikut : Keterangan :
R = tahanan pentanahan (Ω) S = tahanan jenis tanah (Ωmeter) L = panjang dari batang elektroda (m) A = jari –jari elektroda (m)
Untuk menentukan macam elaktroda bumi yang akan dipakai,harus diperhatikan terlebih dahulu kondisi setempat, sifat tanah dan tahanan pembumian yang diijinkan.
Permukaan elektroda bumi harus dihubunhkan baik dengan tanah sekitarnya. Batu dan kerikil yang langsung mengenai elektroda bumi , akan memperbesar tahanan pembumian.
Dalam PUIL 2000 ayat 3.13.2.10, hal 68 tahanan pentanahan seluruh sistem tidak boleh lebih dari 5 Ω. Untuk daerah yang resistansi jenis tanahnya sangat tinggi tahanan pentanahan total seluruh sistem boleh mencapai 10 Ω.
Bila tahanan pentanahan yang dikehendaki tidak dapat dicapai oleh elektroda batang tunggal maka dua elaktroda atau lebih dapat dipergunakan. Jika beberapa elektroda diperlukan untuk memperoleh resitans pembumian yang
N = S
23C{; 4C
rendah, jarak antara elektroda tersebut minimum harusdua kali panjangnya (PUIL 2000,3.19.1.4:83).
2.18 Panel
Perencanaan panel meliputi perencanaan mekanik dan perencanaan elektrik. Faktor-faktor yang mencakup perencanaan panel adalah keandalan,ekonomis, dan keindahan.
Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perencanaan panel adalah : 1 Panel digunakan untuk tegangan menengah 6 KV.
2 Jenis panel,jenis komponen, merek dan tipe yang akan digunakan. 3 Penetuan tata letak panel.
Tata letak komponen direncanakan sesuai dengan pertimbangan faktor-faktor : 1 Keandalan.
2 Keamanan.
3 Kemudahan dalam pengoperasian. 4 Ekonomis.
5 Keindahan.
2.19 Rancangan Hubungan Kapasitor
Di dalam hubungannya kapasitor dibedakan menjadi dua yaitu memakai hubungandan hubungan bintang, tetapi pada umumnya menggunakan hubungan delta karena jika kapasitor di hubungkan bintang maka ditakutkan akan terjadi over kompensasi
a. Hubungan Delta
Gambar 2.12. Kapasitor Hubungan Delta (Sumber) Schneider Electric Indonesia (2010:338) b. Hubungan Bintang
Gambar berikut menunjukan tentang kapasitor hubungan bintang
Gambar 2.13. Kapasitor Hubungan Bintang (Sumber) Schneider Electric Indonesia (2010:338)
Standrat IEEE (IEEE Std 18-1992) menyatakan bahwa jumlah minimum kapasitor unityang tersusun secara paralel atau seri dimana isolasi setiap satu buah kapasitor dalam group tidak boleh menyebabkan
ketidak seimbangan tegangan sampai batas 110% dari rating tegangan kapasitor bank,
Jumlah maksimum sel-sel kapasitor yang ditrmpatkan dalam paralel per group diatur karena berbagai pertimbangan. Ketika sebuah kapasitor rusak maka kapasitor yang lain dalam satu grup panel yang sama akan mengandung sejumlah muatan yang kemudian akan mengalirkan arus transien berfrekuensi tinggi dan akan mengalir melewati kapasitor yang rusak. Kapasitor yang rusak dan fusenya harus manahan arus transien ini. Arus transien ini cukup untuk menyebabkan kapasitor yang rusak meletus, memutuskan fuse dan bisa menyebabkan trip pada bus yang satu dengan hubungan dengan kapasitor tersebut.
Untuk mencegah agar tidak melebihi batas tersebut, beberapa grup kapasitor pada rating tegangan rendah dihubungkan seri dengan lebih sedikit unit dalam paralel per gup dan ini mungkin adalah solusi yang cocok. Sedang pada tegangan yang lebih tinggi atau lebih dari 12 kV pembagian kapasitor bank ke dua bagian dalam rangkaian double wye adalah pilihan solusi yang bagus dan pad hubungan double wya sebagai pengaman untuk proteksi pendeteksian ketidak seimbangan menggunakan rele, kemungkinan lain adalah membatasi arus menggunakan fuse.
Hubungan yang optimum untuk kapasitor paralel harus didukung peralatan pengaman yang handal pada kapasitor yaitu pengaman arus, dan rele proteksi. Penentuan hubungan kapasitor bank yang akan dipakai mengacu pad standar yang ada. Kapasitor bank dengan total kapasitas dibawah 1000 kVAR pad rating tegangan dibawah 12 kV akan dihubungkan delta. Hal ini dijelaskan pada “IEEE Guide for Application of Shunt Capacitors” (IEEE Std 1036-1992). Sedang
kapasitor berkapasitas lebih dari 1000 kVAR dengan rating tegangan yang lebih tinggi di atas 12 kV dihungkan wye yang dilengkapi proteksi ketidak seimbangan. Perhatian terhadap identifikasi gangguan yang akan terjadi diperlukan untuk menentukan hubungan kapasitor. Pada kapasitor tegangan rendah hubungan delta peralatan proteksi harus dapat mengamankan kapasitor dari arus transien bila ada kapasitor yang meletus. Arus transien ini sekitar 2,5-3 kali dari arus kapasitor. Sedang pada kapasitor hubungan wye pada tegangan tinngi harus ada pengaman gangguan ketidak seimbangan tegangan menggunakan rele proteksi karena akan mempunyai nilai tegangan line to netral.
Dan untuk mengetahui kapasitor bank dihubungkan bintang atau delta maka dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
$VWV = -√3. QW
(2.28)
Keterangan:
$VWV = Arus (A)
Qc = Daya reaktif Kpasitor
QVWV = Tegangan (pada saat transformator no load)
Dan untuk mencari Kapasitas penghantar dapat menggunakan rumus sebagai berikut : $- = $VWV √3 (2.29) Keterangan : Ic = Kapasitas Penghantar
Dan untuk mencari Reaktansi kapasitor dapat menggunakan rumus sebagai berikut : 5- = VWV$ -(2.30) Keterangan : Xc = Reaktansi Kapasitor Ω Ic = Kapasitas Penghantar $VWV = Arus
Dan untuk mencari Kapasitas kapasitor dapat menggunakan rumus sebagai berikut : I = 1 2. 3. 4. 5 -(2.31) Keterangan : C = Kapasitor 3 = Phi (3,14) F = frekuensi (Hz) XC = Reaktansi Kapasitor
2.20 Metode Penempatan Kapasitor
Metode penempatan dan hubungan kapasitor tergantung dari mana kita akan menggunakan kapasitor tersebut dan berapa output kapasitor yang kita perlukan. Ada tiga jenis dasar dalam merencanakan penempatan kapasitor yaitu Global Compensation, Individual Compensation, Group Compensation
Gambar 2.14.Metode Pemasangan Instalasi Kapasitor Bank (Sumber) Schneider Electric Indonesia (2010:338)
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.
Kelebihan :
• Pemanfaatan kompensasi daya reaktifnya lebih baik karena semua motor tidak bekerja pada waktu yang sama.
• Biaya pemeliharaan rendah. Kekurangan :
• Transient yang disebabkan oleh energizing grup kapasitor dalam jumlah besar.
• Hanya memberikan kompensasi pada sisi atasnya (upstream).
• Kebutuhan ruang.
2. 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.
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 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.
