Sähköenergiatekniikka

Transkriptio

1 Sähköenergiatekniikka Luento 13 Sähkön laatu Matti Lehtonen

2 Jännitteen laatu (EN Standardi) taajuus jännitetason vaihtelut nopeat jännitemuutokset harmoniset yliaaltojännitteet epäsymmetria signaalijännitteet jännitekuopat epäharmoniset yliaaltojännitteet käyttötaajuiset ylijänniteet transienttiylijännitteet Keskeytykset

3 Taajuus Std 50160: rajat määritellään 10 sekunnin arvoille: 95% oltava välillä 50 Hz +/- 1% (49,5 50,5 Hz) kaikkien oltava välillä 50 Hz +4/-6% (47 52 Hz) Pohjoismaisessa yhteiskäyttöverkossa taajuus vaihtelee normaalikäytössä +/- 0,1 Hz

4 Jännitetason vaihtelut Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille 95% arvoista tulee olla välillä U n +/- 10% Mittaus suoritetaan viikon ajalta Pienjänniteverkon laatukriteerit (Sener): hyvä laatu: 10 min arvot välillä V normaalilaatu: 10 min arvot välillä V standardilaatu: 10 min arvot välillä V Keskijänniteverkon laatukriteerit (Sener): hyvä laatu: 10 min arvot välillä U n +/- 4% normaalilaatu: 10 min arvot välillä U n +/- 10% standardilaatu: 10 min arvot 95% välillä U n +/- 10% sekä kaikki 10 min arvot välillä -15%. +10% Jännitetason määrää kuormavirran aiheuttama jännitteenalenema yhdessä jännitteensäädön kanssa: käämikytkin, väliottokytkin, loistehon kompensointi.

5 Nopeat jännitteenmuutokset Vaikuttaa etenkin valaistukseen ja sitä kautta näkemiseen. Myös mm. elektroniset kuormalaitteet sattavat häiriintyä. Nopeat jännitteenmuutokset aiheutuvat mm. käämikytkimen ohjauksesta moottorien käynnistyksistä hitsauslaitteista Rajat nopeille jännitteenmuutoksille CENELEC:n mukaan: Jakelujännitteen suositeltu suurin suhteellinen muutos muutostaajuuden funktiona.

6 Jännitteen epäsymmetria Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille: 95% ajasta jännitteen vastakomponentin oltava korkeintaan 2% myötäjännitteestä Mistä aiheutuu: kuorman epätasainen jakaminen kolmen vaiheen kesken yksivaiheinen sulakepalo pj-verkossa

7 Signaalijännitteet Std: Määritellään 3 s keskiarvoina, mitattuna pj-verkon liittämiskohdassa; 99% ajasta jännitteen tulee olla yhtäsuuri kuin: Yleisessä jakeluverkossa käytettävien signaalijännitteiden suositellut maksimitasot prosentteina nimellisjännitteestä U n Taajuuksia 95 khz 148,5 khz voidaan käyttää asiakkaan asennuksissa

8 Jännitekuopat Aiheutuvat verkon oikosulkukuvioista, ei ole annettu raja-arvoja. Epäharmoniset yliaaltojännitteet Taso kasvamassa taajuusmuuttajien kehityksen vuoksi, ei ole annettu raja-arvoja. Käyttötaajuiset ylijännitteet Syntyvät vian seurauksena (verkko tai kuluttajan asennukset), noudatetaan hitaiden jännitteenvaihteluiden raja-arvoja. Transientit ylijännitteet Aiheutuvat vioista ja kytkentätoimenpiteistä.

9 Sähkön laatu Ali- ja ylijännitteiden jännite / aika-alueet laitevaurioiden kannalta: % Vaurioalue Suojausalue Suojausalue Normaali toiminta-alue Vaurioalue min 9

10 Harmoniset yliaaltojännitteet Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille Jakelujänniteen kokonaissärö THD korkeintaan 8% Muut harmoniset: THD = 40 å h= 2 (U h ) 2 Harmonisten yliaaltojännitteiden arvot liittämiskohdassa järjestyslukuun 25 saakka prosentteina nimellisjännitteestä U n kolmella jaottomat järjestys- suhteelli- järjestys- suhteelli- järjestys- suhteelliluku n nen jännite luku n nen jännite luku n nen jännite 5 6 % 3 5 % 2 2 % 7 5 % 9 1,5 % 4 1 % 11 3,5 % 15 0,5 % ,5 % 13 3 % 21 0,5 % 17 2 % 19 1,5 % 23 1,5 % 25 1,5 % Parittomat yliaallot kolmella jaolliset Parilliset yliaallot

11 Harmoninen sarjaresonanssi Syöttöverkko yliaaltojännitelähteenä Muuntajan induktanssi ja kondensaattori sarjassa Muuntajan toision jännitesärö vahvistuu Resonanssiehto : 2 pf = 1 LC T C Z L E C

12 Harmoninen rinnakkaisresonanssi Käytännössä sarjaresonanssia vaarallisempi Muuntajan kuorma yliaaltovirtalähteenä Muuntajan induktanssi ja kondensaattori rinnan Rinnakkainen resistiivinen kuorma vaimentaa Kondensaattorin tuhoutumisriski Resonanssiehto : 2 pf = 1 LC S C T Y L C Y J

13 Pienjänniteverkko Jännitteen ominai- Hyvä laatu Normaalilaatu Standardin Huom/Viittaus suus (PJ) SFS-EN tekstiin mukainen laatu Taajuus 50 Hz ± 1 % 50 Hz ± 1 % 95 % välillä Mittaus 10 sek. 50 Hz ± 1 %, kaikki jaksoina viikon ajan välillä 50 Hz +4% / -6% Jännitetason vaihtelu V V 95 % välillä Mittaus 10 min.. ja keskiarvo V jaksoina viikon ajan V Nopeat jännitemuu- P st,3max 1 ja P lt,max 1 95 % P lt -arvoista 1 Manuaalisesti myös tokset P lt,max 0,74 *) kuvan 1 avulla Harmoniset yliaallot THD < 3 % U nsh < taulukon 2 95 % U nsh ja THD < Mittaus 10 min. arvot ja THD < 6 % taulukon 2 arvot jaksoina viikon ajan Epäsymmetria u nsh < 2 % u nsh < 2 % 95 % u nsh < 2 % Mittaus 10 min. jaksoina viikon ajan Signaalijännitteet U n < kuvan 2 U n < kuvan 2 99% U n < kuvan 2 Mittaus 3 sek. rajakäyrä rajakäyrä rajakäyrä jaksoina 1 vrk *) Käytännössä välkyntämittareita on toistaiseksi vähän käytössä

14 Keskijänniteverkko Jännitteen ominai- Hyvä laatu Normaalilaatu Standardin Huom/Viittaus suus (KJ) SFS-EN tekstiin mukainen laatu Taajuus 50 Hz ± 1 % 50 Hz ± 1 % 95 % välillä Mittaus 10 sek. 50 Hz ± 1 %, kaikki jaksoina viikon ajan välillä 50 Hz +4% / -6% Jännitetason vaihtelu U n ± 4 % ja ka. U n ± 10 % 95 % välillä Mittaus 10 min.. U n ± 2,5 % U n ± 10 % jaksoina viikon ajan Nopeat jännitemuu- P st,3max 1 ja P lt,max 1 95 % P lt -arvoista 1 Manuaalisesti myös tokset P lt,max 0,74 *) kuvan 1 avulla Harmoniset yliaallot THD < 3 % U nsh < taulukon 2 95 % U nsh ja THD < Mittaus 10 min. arvot ja THD < 6 % taulukon 2 arvot jaksoina viikon ajan Epäsymmetria u nsh < 2 % u nsh < 2 % 95 % u nsh < 2 % Mittaus 10 min. jaksoina viikon ajan Signaalijännitteet U n < kuvan 2 U n < kuvan 2 99% U n < kuvan 2 Mittaus 3 sek. rajakäyrä 9 rajakäyrä rajakäyrä jaksoina 1 vrk 9 khz saakka 9 khz saakka 9 khz saakka *) Käytännössä välkyntämittareita on toistaiseksi vähän käytössä

15 Keskeytykset Suunnitellut keskeytykset vs. vikojen aiheuttamat Valtaosa vioista ja keskeytyksistä KJ-jakeluverkosta Siirtoverkon yksittäinen vika ei aiheuta katkosta (n-1 kriteeri) Kuluttajien katkoskustannukset merkittäviä

16 Keskijänniteverkkojen keskeytysmääriä aiheuttajittain eri johtotyypeillä kokonaisjohtopituutta kohti kpl/100 km VIAN SYY AVOJOHDOT ERISTETTY AVOJOHTO ILMAKAAPELI MAAKAAPELI Luonnolliset syyt 3,39 0,24 0,07 0,10 - Tuuli ja myrsku 2,38 0,19 0,07 0,01 - Lumi ja jää 0,53 0,05 0,05 0,00 - salamat 0,29 0,03 0,08 0,05 - Muu sääsyy 0,20 0,01 0,01 0,20 - eläimet 0,18 0,07 0,00 0,03 Tekniset syyt 0,54 0,04 0,11 0,33 - Mekaaninen vika 0,39 0,03 0,12 0,24 - käyttövirhe 0,19 0,03 0,02 0,15 Muut syyt 0,84 0,04 0,02 0,38 - ilkivalta 0,30 0,02 0,01 0,29 - tuntematon 0,51 0,02 0,04 0,13 Yhteensä 4,71 0,29 0,12 0,70

17 Taajama- ja maaseutulaitosten keskimääräinen keskeytysaika h/a vuosina Maaseutu Taajama Energiateollisuus 2015

18 Taajama- ja maaseutulaitosten keskimääräinen häiriökeskeytysaika h/a vuosina Maaseutu Taajama Energiateollisuus 2015

19 U, Z S Z T Z L Z F Sähkön laatu Jännitekuopat Oikosulun aiheuttama jännitekuoppa: Lähellä sähköasemaa tapahtuva oikosulku aiheuttaa muihin johtolähtöihin jännitekuopan. Kuoppa on oikosulkusuojauksen laukaisuajan pituinen. U sag Z L + Z F U sag = U Z + Z + Z + Z S T L F 19

20 Sähkön laatu Jännitekuoppajakauma Kuoppien määrä Kesto (jaksoina) Jäljellejäävä jännite (%) 20

21 Sähkön laatu Jännitekuopat Aiheuttajia: Siirtojärjestelmän viat Kaukaisen jakeluverkon viat Paikallisen jakeluverkon viat Suurien moottorien käynnistys Lyhyet katkokset Sulakkeet jännite 100 % 80 % 50 % 0 % ,1 s 1 s kestoaika 5 4 Jännitekuopan tyypillinen kestoaika ja syvyys riippuu aiheuttajan tyypistä. Mikä numero kuvassa liittyy mihinkin aiheuttajaan? 21

22 Laitteet ja kuopat - kontaktorit Yksinkertainen rakenne, ohjaa kriittisiä Kohteita kuopille herkissä teollisuuden Prosesseissa paperi-, metalli- ja kemian- Teollisuudessa Ohjaus pitopiirillä joka saa syötön Apusähköstä ó pysyy auki kuopan jälkeen 22

23 KONTAKTORI JA STANDARDIT IEC : Kontaktorin täytyy pystyä sulkemaan Kun apujännite on välillä 85% 110% Kontaktorin täytyy avata jännitteen Ollessa (jossakin) välillä 20% 75% Aukeamisen jälkeen sulkeutuu vain Ohjauksesta Jännitekuoppia ei ole otettu huomioon Standardia kirjoitettaessa 23

24 Käytännön mittaustuloksia kontaktoreista Toleranssitasot (minimi, maksimi, mediaani) 100 % 90 % 80 % 0 min 0 med 0 max 90 min 90 med 90 max 70 % Remaining voltage 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % time (ms) Huom: kuoppaa < 20 ms ei testattu 24

25 Tulosten jakauma Kuoppaherkkyyden vaihtelualueet (pitkäkestoiset kuopat) 12 Nr. of contactors Normal distribution Remaining voltage 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 25

26 7 Laptop PCs: Tietokoneet ja jännitekuopat Remaining jännite voltage 100 % 90 % ITIC A-96 B-97 C % D-98 E-98 F-02 G % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Time aika [ms] (ms) HUT-PS/PP/

27 100 % 90 % Purkauslamput ja jännitekuopat 80 % 70 % Remaining jännite voltage 60 % 50 % 40 % 30 % 80 W HQL 125 W HQL 70W HPS 100W HPS 20 % 150W HPS 250W HPS 10 % 250 W MH 0 % HUT-PS/PP/ Time aika (ms) (ms) 27