Sähkötekniikka ja turvallisuus, T700403, 3 op

Transkriptio

1 1 Sähkötekniikka ja turvallisuus, T700403, 3 op syksy 2013, Pekka Rantala Opintojakson sisällön voi jakaa kolmeen suurempaan asiakokonaisuuteen: sähkötekniikka, sähköturvallisuus ja sähkötyöturvallisuus. Lähiopiskelua luokassa 7 vkoa 4 tuntia = yhteensä 26 tuntia Lähiopiskelua laboratoriossa 6 vkoa 2 tuntia = yhteensä 12 tuntia Itsenäistä opiskelua 3 (op) 27 h 38 h = 43 tuntia yhteensä 81 tuntia Laboratoriossa tehtävät työt ovat kaikille pakolliset. Tällä opintojaksolla opiskelija perehdytetään sähkön vaaroihin ja opastetaan oikeisiin toimintatapoihin. Opintojakson loppukoe ja laboratoriotyöt on pakko suorittaa hyväksyttävästi, jotta jatkossa pääsee tekemään töitä sähkölaboratorioissa. 1. Sähkötekniikkaa - virtapiiri, perussuureet - DC- ja AC-virtapiiri 2. Sähköturvallisuus - Luvalliset sähkötyöt, sähköpätevyydet - Minkälainen pitää sähkölaitteen ja -laitteiston olla, että se on turvallinen käyttää ja huoltaa - Sähkön vaikutus ihmiseen, sähkötapaturmien ensiapu 3. Sähkötyöturvallisuus - Miten sähkötyöt tehdään turvallisesti - Laboratoriossa työskentely

2 2 Sisällys 1. SÄHKÖTEKNIIKKAA SÄHKÖN PERUSSUUREET VASTUSKYTKENNÄT KIRCHOFFIN LAIT TASA- (DC) JA VAIHTO- (AC) SÄHKÖ VAIHEJÄRJESTELMÄ SUOMEN SÄHKÖVERKON RAKENNE IMPEDANSSI Z SÄHKÖTURVALLISUUS LUVALLINEN SÄHKÖTYÖ SÄHKÖTURVALLISUUSMÄÄRÄYKSET KIINTEISTÖN SÄHKÖVERKKO JAKELUJÄRJESTELMÄT SUOJAUSMENETELMÄT SYÖTÖN AUTOMAATTINEN POISKYTKENTÄ SUOJAUSLUOKAT 0, I, II JA III SEKÄ SUOJAEROTUS LISÄSUOJAUS VIKAVIRTASUOJAA KÄYTTÄEN YLIVIRTASUOJAUS SÄHKÖLAITTEIDEN KOTELOINTILUOKAT (IP-LUOKKA) MUUTAMA TÄRKEÄ ASIA SÄHKÖVIRRAN VAIKUTUS IHMISEEN SÄHKÖTAPATURMIEN ENSIAPU... 24

3 3 1. Sähkötekniikkaa 1.1 Sähkön perussuureet Sähkö on elektronien liikettä johtavassa aineessa. Elektronien liikkumisen saa aikaan jännite-ero (potentiaaliero) kahden pisteen välillä, joiden välillä on johtava yhteys. Elektronien liike saa aikaan sähkövirran johtimessa. Virtapiirin pitää olla suljettu, jotta virta voi kulkea siinä. Suljettu virtapiiri, Paluujohdin, Kaikki mikä menee, pitää tulla myös takaisin. Sähköisen virtapiirin perusrakenne on seuraavan kuvan mukainen. Virta I Jännitelähde, syöttö Jännite U Kuorma Resistanssi R Virta I Vertaus: Mikä vastaa virtaa, jännitettä ja vastusta veden virtauksessa?

4 4 Voiko olla jännitettä ilman virtaa? Voiko olla virtaa ilman jännitettä? Virtapiiri on kelluva, jos mitään sen pistettä ei ole yhdistetty yhteiseen nollapisteeseen eli maahan (Ground = GND). Kelluva virtapiiri on maadoittamaton. Yhteisen maan potentiaalin ajatellaan (toivotaan?) olevan nolla volttia. Maadoitettu virtapiiri on yhdestä pisteestä yhdistetty maahan. Jos virtapiiri toimii oikein, niin maadoitusjohtimessa ei kulje lainkaan virtaa, koska maadoituksen kautta ei synny suljettua virtapiiriä, josta virralla olisi paluureittiä. U Kuorma U Kuorma GND Kelluva virtapiiri GND Maadoitettu virtapiiri Potentiaalieroa eli jännitettä merkitään symbolilla U. Jännitteen yksikkö on voltti, V. Johtavan yhteyden hyvyyttä mitataan resistanssilla eli vastuksella, jonka symboli on R. Resistanssin yksikkö on ohmi, Ω. Jännite synnyttää johtimeen sähkövirran, jonka symboli on I. Virran yksikkö on ampeeri, A. Johtimeen syntyvän virran suuruus määräytyy ohmin lain mukaan: I = U/R eli U = R I Virran kulkeminen johtimessa vastaa energian siirtymistä paikasta toiseen. Isossa mittakaavassa virtapiirin tarkoituksena onkin energian siirtäminen paikasta toiseen, sähkön syntysijoilta kulutuskohteeseen. Siirretty energia on yleensä tarkoitus saada kulutettua kulutuskojeessa eli kuormassa, joka voi olla esim. valaisin, lämmitin tai sähkömoottori. Sähkölähdettä voidaan kuormittaa paljon tai vähän. Pieni kuormitus tarkoittaa pientä virtaa, suuri kuormitus suurta virtaa.

5 5 Mitä kauemmin sähköä virtaa, sitä suurempi määrä energiaa siirtyy. Usein kiinnostuksen kohteena on kuitenkin energian siirtymisen sijasta energian siirtymisen nopeus eli teho. Teho vastaa kysymykseen: Kuinka nopeasti energiaa siirtyy? Tehon symboli on P. Tehon yksikkö on watti, W. Virtapiirin kuorman teho voidaan laskea kaavalla: P = U I Kaavassa U on kuorman navoissa vaikuttava jännite ja I on kuorman läpi kulkeva virta. Kaavaparilla URI PUI pystytään ratkaisemaan suuri määrä erilaisia sähkölaskuja. Kaavoja käytettäessä pitää muistaa eri suureiden yksiköt: jännite: voltti, V virta: ampeeri, A resistanssi: ohmi, Ω teho: watti, W Jos kulutuslaitteen teho on vakio P, niin ajassa t se kuluttaa energian E = P t. Sähkötekniikassa energian yksikkönä käytetään kilowattituntia, kwh. 1.2 Vastuskytkennät Sarjakytkentä: R 1 R 2 R 3 R kok R kok = R 1 + R 2 + R 3 Rinnankytkentä: R 1 R 2 R 3 R kok 1 R kok 1 R 1 1 R 2 1 R 3

6 6 1.3 Kirchoffin lait Kirchoffin virtalaki, pistesääntö (1. laki) Pisteeseen tulevien virtojen summa on sama kuin pisteestä lähtevien virtojen summa. Virtapiirin pisteeseen tulevien ja siitä lähtevien virtojen summa = 0. I 1 I 3 I 1 + I 2 = I 3 + I 4 I 2 I 4 Kirchoffin jännitelaki, silmukkasääntö (2. laki) Virtapiiriin vaikuttava kokonaisjännite on piirin jännitehäviöiden summa. Virtapiirin silmukan ympäri laskettujen eri osien potentiaalierojen summa = 0. U 1 U R 1 R 2 U 2 U = U 1 + U 2 + U 3 R 3 U Tasa- (DC) ja vaihto- (AC) sähkö Tasasähkössä (DC = Direct Current) elektronit liikkuvat eli virta kulkee koko ajan samaan suuntaan. Tasasähkön jännitelähteessä on selkeästi + (plus) ja (miinus) napa. Tasasähköä käytetään tyypillisesti pienissä sähkölaitteissa ja silloin, kun halutaan siirtää tai käsitellä informaatiota sähkön avulla. Tasasähköä käytetään kuitenkin myös suuremmissa sähkökoneissa ja esim. sähkökulkuneuvoissa. Vaihtosähkössä (AC = Alternating Current) elektronien liikkumissuunta eli virran kulkusuunta vaihtuu jatkuvasti. Vaihtojännitteen arvo vaihtelee ajan suhteen jatkuvasti. Vaihtojännitteen arvo voidaankin ilmoittaa usealla eri arvolla:

7 7 Hetkellisarvo Huippuarvo Tehollisarvo u(t) U peak = U P = Û (uu hattu) U RMS = U eff Jos ei erikseen muuta mainita, niin vaihtosähkön jännitteellä tarkoitetaan sen tehollisarvoa. Tehollisarvo on se jännitteen arvo, jolla esim. lämpöpatterissa saadaan aikaan sama lämmitysteho kuin samanarvoisella tasasähköllä. Yleismittarit mittaavat vaihtojännitteestä nimenomaan tehollisarvoa. Vaihtosähkön tehollisarvon merkintä on tyypillisesti U RMS (Root Mean Square). Tavallisen verkkovirran 230 V on nimenomaan jännitteen tehollisarvo. Vaihtosähköä käytetään tyypillisesti silloin, kun halutaan siirtää energiaa sähkön avulla. Siirtomatkat voivat olla jopa satoja kilometrejä pitkiä. Vaihtosähkömoottorit ovat myös rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin tasasähkömoottorit. Vaihtosähkössä jännitteen hetkellinen arvo vaihtelee jatkuvasti ajan kuluessa, tyypillisesti sinin muotoisesti. Suomen sähköverkon vaihtosähkön taajuus on 50 Hz, eli sekuntiin mahtuu 50 kpl sinin muotoista jaksoa. Vaihtosähkön yksityiskohtaisessa tarkastelussa pitääkin ottaa huomioon myös tämä ajallinen vaihtelu. Yksi vaihtosähkön jakso eli yksi täysi kierros vastaa 360 astetta. DC-jännite AC-jännite Yllä olevan kuvan vaihtosähkön keskiarvo on 0 v (nolla), niin kuin yleensä kaikkien ACjännitteiden. AC-jännitteen yhteydessä keskiarvolla ei olekaan yleensä käytännön merkitystä. AC-jännitteen tehollisarvon kannalta plus- ja miinus-jännitteinen vaihtosähkö on täysin samanarvoista. Alla olevassa kuvassa on tasasuunnatun AC-jännitteen muoto. Vaihtosähkön käytöllä energian siirrossa pitkillä matkoilla on yksi lyömätön etu verrattuna tasasähköön. Vaihtosähkön jännitettä voidaan muuttaa helposti muuntajalla. Pitkillä siirtomatkoilla käytetään suurta jännitettä, joka muutetaan pienemmäksi jännitteeksi vasta lähellä kulutuspistettä. Mikä on tehon P kaava jännitteen U ja resistanssin R avulla sanottuna? Miksi sähköenergian siirto on järkevää tehdä suurella jännitteellä?

8 vaihejärjestelmä Sähköenergian siirrossa käytetään Suomessa 3-vaihejärjestelmää. Sillä on tiettyjä teknisiä etuja tasasähköjärjestelmään tai 1-vaiheiseen vaihtosähköjärjestelmään verrattuna. Alla olevassa kuvassa näkyy kolmen eri vaihejännitteen vaihtelu ajan funktiona. 3-vaihejärjestelmän vaihejohtimet voidaan kytkeä generaattorissa, muuntajassa, sähkömoottorissa tai esim. lämmittimessä joko tähteen tai kolmioon. L1 L1 L2 L3 N L2 L3 Tähtikytkentä Kolmiokytkentä Tähtikytkennässä on tähtipiste, johon kytketään järjestelmän nollajohdin. Nollajohtimen ja vaihejohtimen välillä on vaihejännite, Suomen pienjänniteverkossa 230 V. Kolmiokytkennässä ei ole nollajohdinta lainkaan. Kahden vaihejohtimen välillä on pääjännite, Suomen pienjänniteverkossa 400 V. Yksittäinen tasasuunnattu vaihejännite (ja teho) on sykkivää. Miten sykkivää on tasasuunnatun 3-vaihejärjestelmän kaikkien vaiheiden summa (ja teho)?

9 9 1.6 Suomen sähköverkon rakenne Suomen sähköjärjestelmä koostuu voimalaitoksista, kantaverkosta, jakeluverkoista sekä sähkön kuluttajista. ( ) Voimalaitos Kantaverkko Jakeluverkko Kuluttaja Fingridin hallitsemaan Suomen kantaverkkoon kuuluu yli km voimajohtoja, joiden jännitteet ovat 400 kv, 220 kv ja 110 kv. Kuvia sähköpylväistä on esim. osoitteessa kv Kiiminki, Koitelintie 400 kv:n voimalinjan eriste (kuva Toivo Miettinen) (kuva Toivo Miettinen) 220 kv Pyhäkoski-Petäjävesi linja, Muhos 110 kv, Kannus (Kuva Janne Määttä) (Kuva Janne Määttä)

10 10 Jakeluverkkoa käytetään sähkön siirtoon kulutusalueilla pienille ja keskisuurille sähkönkäyttäjille. Jakeluverkot voidaan jakaa edelleen keski- ja pienjänniteverkkoihin. Keskijännite on Suomessa yleensä 20 kv. Pienjännite on töpselistä saatava 230/400 V. 20 kv, Tyrnävä 20 kv. Jakelumuuntaja, Tyrnävä (Kuva Janne Määttä) (Kuva Janne Määttä) Sähköasemat ovat sähköverkon solmukohtia, joissa sähkön siirto voidaan jakaa eri johdoille. Sähköasemat voidaan luokitella kytkinlaitoksiin ja muunto-asemiin, joista edellinen yhdistää vain saman jännitetason johtoja ja jälkimmäinen myös kahden eri jännitetason johtoja. Muuntoasemalla on yksi tai useampi muuntaja. Kytkinlaitteita ovat katkaisijat ja erottimet. Katkaisija kykenee katkaisemaan ja sulkemaan kuormaja vikavirran. Erottimella ei pystytä kuorma- ja vikavirtaa katkaisemaan. Erottimella tehdään kytkinlaitoksen osat jännitteettömiksi turvallista työskentelyä varten ja aikaansaadaan turvallinen ja näkyvä avausväli erotetun virtapiirin ja muun laitoksen välille. (Sähköasema ja sen tärkeimmät laitteet: Julkaistu Fingrid-lehdessä 1/2004 Kirjoittaja: Jani Heikkilä)

11 Impedanssi Z Vaihtosähkön yhteydessä resistanssin sijasta käytetään termiä impedanssi, jonka symboli on Z. Vaihtosähköllä virtapiiriin vaikuttava jännite ja siinä kulkeva virta eivät aina vaihtele samassa tahdissa, vaan niiden välillä voi olla vaihe-eroa. Vaihtosähköpiirien tarkka käsittely johtaa kompleksilukujen ja osoitinlaskennan käyttöön. Impedanssi Z on kompleksinen suure, joka koostuu reaaliosasta ja imaginaariosasta. Resistanssi R on impedanssin Z reaalinen komponentti. AC-virta AC-jännite Jännite ja virta samassa vaiheessa Kuorma on resistiivistä Jännitteen ja virran välillä vaihesiirtoa Virta on jännitettä jäljessä Kuorma on induktiivista Yksinkertaisissa vaihtosähkövirtapiireissä voidaan olettaa, että jännitteellä ja virralla ei ole vaiheeroa tai se on lähellä nollaa. Tällöin kaavoja U=RI ja P=UI käytettäessä voidaan käyttää jännitteen ja virran tehollisarvoa ja impedanssin Z sijasta resistanssia R. Kondensaattori on komponentti joka vastaa kapasitiivista impedanssia. Kondensaattorin toiminnan voi ajatella niin, että ensin sen läpi kulkee virtaa, jonka seurauksena se latautuu, jolloin jännite kondensaattorin napojen välillä nousee. Jännite on siis jäljessä virrasta. Vertaus: Tyhjään vesisäiliöön pitää ensin virrata vettä. Vasta sen jälkeen vesisäiliön pinnankorkeus nousee. Pinnankorkeuden (jännite) nousu on siis jäljessä veden virtauksesta (sähkövirta). Kela on komponentti joka vastaa induktiivista impedanssia. Induktanssissa virta on jäljessä jännitteestä. Sähkömoottori ja sen sisältämät käämit vastaa induktiivista kuormaa. Kondensaattori Kela Jos vaihtosähkössä jännitteen ja virran välillä on vaihe-eroa, niin tehoa ei voi laskea suoraan kaavalla P=UI. Pätöteho on varsinainen työtä tekevä teho. Sen kaava on: P=UI cosφ, jossa cosφ on tehokerroin. Jännitteen kanssa eri vaiheessa oleva virta aiheuttaa loistehoa. Se kuormittaa siirtoverkkoa, vaikka varsinaista hyötytehoa ei saadakaan sillä siirrettyä. Sähkömoottoreiden induktiivinen kuorma aiheuttaa sitä. Induktiivista loistehoa voidaan kompensoida kondensaattoreilla.

12 12 2. Sähköturvallisuus Sähköturvallisuusasioissa on käytössä seuraavat nimitykset eri jännitteille: Pienjännite (Low Voltage = LV) on korkeintaan 1000 V AC- tai 1500 V DC-jännite. Suurjännite (High Voltage = HV) on pienjännitettä suuremmat jännitteet. Pienoisjännite (Extra Low Voltage = ELV) on enintään 50 V AC- tai 120 V DC-jännite. 2.1 Luvallinen sähkötyö Sähköpätevyysluokitus Sähköalan töitä saavat yleensä tehdä tai johtaa vain sähköalalla ammattitaitoiset henkilöt. Vaativuustason perusteella on määritelty kolme sähköpätevyysluokkaa: SP1, SP2 ja SP3. Sähköpätevyyden saaminen edellyttää kolmen ehdon täyttymistä: - Koulutus Pelkkä suoritetun tutkinnon nimike ei osoita riittävää koulutusta, esim. elektroniikka-insinööri. Suoritetun tutkinnon pitää sisältää riittävä määrä sähkövoimatekniikan ja siihen läheisesti liittyviä opintoja. Tietotekniikan insinöörin tutkinto ei (yleensä) täytä sisältövaatimuksia tältä osin. - Työkokemus Koulutustason ja pätevyysluokan mukaan vaadittavan työkokemuksen pituus vaihtelee. Työkokemuksen pitää olla ko. pätevyysluokan sallimiin sähkötöihin perehdyttävää. - Turvallisuustutkinto Turvallisuustutkintoja on kolmen tasoisia, kullekin sähköpätevyystasolle omansa. Eri pätevyysluokille sallitut työt ovat pelkistetysti seuraavat: SP1 SP2 SP3 Oikeus tehdä kaikkia sähkötöitä verkostopätevyys Oikeus tehdä enintään 1000 VAC töitä kiinteistöjen sähköpätevyys, pienjännitepätevyys Oikeus tehdä sähkölaitteiden korjausja huoltotöitä laitehuoltopätevyys Hissipätevyydet ovat oma asiansa, jotka ovat sähköpätevyyksien ulkopuolella.

13 13 EU-tasoinen konedirektiivi ( koneasetus ) sääntelee koneiden ja laitteiden turvallisuutta. Esim. paperikoneen sähköasennukset ovat tämän direktiivin alaisia. Kelpoisuustodistus Sähköalan ammattihenkilö voi saada luvan joidenkin sähkötöiden tekemiseen ilman pätevyystodistustakin. Kelpoisuustodistus oikeuttaa tekemään sähkötyöt, jotka kohdistuvat oman tai lähisukulaisen hallinnassa olevan asunnon tai asuinrakennuksen sähkölaitteistoon. Yleisesti sallitut sähkötyöt Pääsääntöisesti sähkötöitä saavat tehdä vain sähköalan ammattilaiset. Tavallinen sähkönkäyttäjä voi kuitenkin määrätyin edellytyksin tehdä joitakin sähkölaitteisiin ja asennuksiin kohdistuvia toimenpiteitä edellyttäen, että hänet on opastettu tai hänb on perehtynyt näihin toimenpiteisiin ennen kuin ryhtyy niitä tekemään. Opastuksen tehtäviin voi antaa esimerkiksi sähköalan ammattilainen. Yleisesti sallittuja sähkötöitä ovat mm. seuraavat (luettelo ei ole täydellinen): Tavallisen tulppasulakkeen vaihto Valaisimen lampun ja sytyttimen vaihto Yksivaiheisen jatkojohdon korjaus ja teko Sähkölaitteen rikkoontuneen yksivaiheisen liitäntäjohdon ja pistotulpan vaihto Valaisimen liitäntäjohdon välikatkaisimen vaihto Jännitteettömien pistorasioiden ja kytkimien kansien irrotus maalauksen ja tapetoinnin ajaksi ja rikkoontuneiden kansien vaihto. Harrastustoimintaan tehtävät sähkölaitteiden kokoonpanotyöt; esimerkiksi radioamatöörilaitteet tai elektroniikkarakennussarjat. Sähköpätevyys- ja kelpoisuustodistuksia Suomessa myöntää Henkilö- ja yritysarviointi Seti Oy, joka on Tukesin tähän tehtävään nimeämä puolueeton ja riippumaton yksityinen yritys. 2.2 Sähköturvallisuusmääräykset Aiemmin Suomessa oli sähköturvallisuusmääräykset, jotka ohjeistivat Suomessa sähköturvallisuuteen vaikuttavissa asioissa. Nykyisin, EU-aikana, saman asian hoitaa standardisarja SFS 6000, Pienjännitesähköasennukset. Se käsittelee rakennusten ja monien muiden kohteiden sähköasennusten suunnittelua, rakentamista ja tarkastamista. Standardi ei sen sijaan koske esim. laivojen, lentokoneiden ja koneiden sähköasennuksia. EU-jäsenyyden myötä Suomessa on luovuttu sähkölaitteiden pakollisesta ennakkotarkastuksesta sekä FI-merkin pakollisesta käytöstä. Nykyisin sähkölaitteissa on eurooppalaisten vaatimusten mukaisesti pakollinen CE-merkki, jolla laitteen valmistaja tai maahantuoja vakuuttaa tuotteen täyttävän turvallisuusvaatimukset. Sähköturvallisuutta valvova viranomainen Suomessa on TUKES, Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (entinen Turvatekniikan keskus).

14 Kiinteistön sähköverkko Pienen kiinteistön sähköverkon periaaterakenne ja nimitykset ovat seuraavan kuvan mukaiset. 2.4 Jakelujärjestelmät Jakelujärjestelmien luokittelun keskeinen peruste on se, miten järjestelmä on maadoitettu. TN-S järjestelmä TN-S järjestelmä on yleisin (asuin)rakennusten sähköasennusten jakelujärjestelmä, ainakin uusissa asennuksissa. Lyhennyksen kirjaimet tulevat sanoista Terra Neutral Separate. Järjestelmän virtapiirin yksi piste on suoraan maadoitettu (TN). Tavallisesti maadoitettu piste on kolmivaihejärjestelmän tähtipiste. Sähkölaitteistojen ja laitteiden jännitteelle alttiit osat on yhdistetty tähän pisteeseen suojajohtimen välityksellä. Suojajohdin, PE-johdin, on koko järjestelmässä nollajohtimesta, N-johdin, erillinen johdin. L1 L2 L3 N PE Jännitteelle alttiit osat Järjestelmän maadoitus

15 15 TN-C järjestelmä TN-C järjestelmä on aiemmin käytössä ollut (asuin)rakennusten sähköasennusten jakelujärjestelmä. Lyhennyksen kirjaimet tulevat sanoista Terra Neutral Combined. TN-C järjestelmä on käytössä pienjännitejakeluverkossa. Järjestelmän virtapiirin yksi piste on suoraan maadoitettu (TN). TN-C järjestelmässä sama johdin, PEN-johdin, toimii sekä suoja- että nollajohtimena koko järjestelmässä. L1 L2 L3 PEN Jännitteelle alttiit osat Järjestelmän maadoitus TN-S-C järjestelmä TN-S-C järjestelmä on kahden edellisen järjestelmän yhdistelmä. Tällaisessa sekajärjestelmässä TN-C järjestelmä on aina oltava syöttävän keskuksen puolella TN-S järjestelmään nähden. Kerran toisistaan erotettua nolla- ja suojajohdinta ei saa kytkeä enää uudelleen PEN-johtimeksi. L1 L2 L3 PEN PE N Jännitteelle alttiit osat Järjestelmän maadoitus

16 16 TT- ja IT-järjestelmät TT-järjestelmässä (Terra Terra) on virtapiiri maadoitettu yhdestä pisteestä ja jännitteelle alttiit osat omilla erillisillä maadoituksilla. IT-järjestelmässä (Insulate Terra) mitään virtapiirin osaa ei ole suoraan kytketty maahan. Kyseessä on maasta erotettu järjestelmä. Kumpikin näistä järjestelmistä on harvinainen Suomessa pienjänniteasennuksissa. Euroopassa näitä kyllä käytetään muissa maissa. IT-järjestelmää käytetään Suomessa esim. leikkaussaleissa. L1 L2 L3 N L1 L2 L3 PE PE TT-järjestelmä IT-järjestelmä 2.5 Suojausmenetelmät Sähköisku on ihmiselle tai eläimelle syntyvä fysiologinen vaikutus, jonka sähkövirta aiheuttaa kulkiessaan kehon kautta. Suojausmenetelmien tavoitteena on vähentää sähköiskun saamisen riskiä. Tässä materiaalissa käsitellään vain TN-S järjestelmän suojausmenetelmiä. Perussuojauksen tehtävänä on estää sähköiskun saaminen ehjästä eli täysin kunnossa olevasta sähkölaitteesta. Aiemmin perussuojauksesta käytettiin nimitystä kosketussuojaus. Vikasuojauksen tehtävänä on estää vaarallisen sähköiskun saaminen vioittuneesta sähkölaitteesta yhden vian tilanteessa. Aiemmin vikasuojauksesta käytettiin nimitystä kosketusjännitesuojaus. Lisäksi useissa tilanteissa tarvitaan lisäsuojausta. Käytännössä se vastaa tyypillisesti vikavirtasuojan käyttöä. Perussuojauksella tarkoitetaan suojausta, jonka avulla estetään ihmistä joutumasta kosketuksiin jännitteisten osien kanssa sähkölaitteiden ollessa normaalissa tilassa (ei viallisia). Perussuojaukseen käytettävät eri menetelmät ovat seuraavat: Eristys Kotelointi ja suojaus Esteiden käyttö (käytössä vain erityispatapauksissa) Sijoittaminen kosketusetäisyyden ulkopuolelle (käytetään ilmajohdoissa)

17 17 Suojaus eristämällä jännitteiset osat ja suojaus koteloinnilla ovat yleisimmät perussuojauksen toteutustavat. Esim. johtimien eristäminen ja kytkimien kotelointi edustavat näitä menetelmiä. Käytettäessä kotelointia jännitteisten osien suojaukseen tulee koteloinnin olla vähintään luokkaa IP2X. Usein käyttöolosuhteet kuitenkin asettavat suurempia vaatimuksia. Kotelointiluokkia on käsitelty tarkemmin eri kohdassa tässä materiaalissa. Vikasuojauksella tarkoitetaan suojausta, jonka avulla estetään ihmisiä tai kotieläimiä koskettamasta vian seurauksena jännitteiseksi tulleita johtavia osia niin, että siitä aiheutuisi vaaraa. Vikasuojaukseen käytettävät tavallisimmat eri menetelmät ovat seuraavat: Suojaus syötön automaattisen poiskytkennän avulla Käytetään suojaeristystä Käytetään sähköistä erotusta 2.6 Syötön automaattinen poiskytkentä Suojaus syötön automaattisen poiskytkennän avulla on yleisin vikasuojauksen toteutustapa. Sen avulla on tarkoitus estää ihmistä joutumasta koskettamaan eristysvian aiheuttamaa vaarallista kosketusjännitettä niin kauan, että siitä aiheutuisi vaaraa. Eristysvian aiheuttama vikavirta ja syntyvä kosketusjännite on poistettava niin nopeasti, että se ei aiheuta vaaraa ihmiselle. Standardin mukaan poiskytkentäaika saa olla enintään 0,4 sekuntia. Syötön automaattisen poiskytkennän käyttäminen suojausmenetelmänä edellyttää suojajohtimen käyttämistä. Sähkölaitteen kaikki jännitteelle alttiit osat kytketään suojajohtimella syöttävään keskukseen. Jos laitteeseen tulee eristysvika, eli jännitteelle altis osa tulee jännitteelliseksi, syntyy suojajohtimeen vikavirta eli tässä tapauksessa oikosulkuvirta. Vikatilanteessa syntyy suljettu virtapiiri, vikavirtapiiri. Siinä paluujohtimena toimii suojajohdin. Vikavirtapiirin resistanssin pitää olla riittävän pieni, jotta vikatilanteessa syntyvä oikosulkuvirta on puolestaan riittävän suuri, muutaman sadan ampeerin luokkaa. Riittävän suuri oikosulkuvirta polttaa sulakkeen riittävän lyhyessä ajassa, enintään 0,4 s. Oikosulkuvirran riittävän suuri arvo varmistetaan sillä, että johtimien poikkipinta-alat ovat riittävän suuria. Johtimet eivät myöskään saa olla liian pitkiä. Syötön automaattinen poiskytkentä toteutetaan sulakkeilla tai johdonsuojakatkaisijoilla eli automaattisulakkeilla syöttävässä keskuksessa.

18 Suojausluokat 0, I, II ja III sekä suojaerotus Sähkölaitteille on määritelty neljä numeroitua luokkaa sen mukaan, millä tavalla laitteen käyttäjä on suojattu laitteen vikaantumisen aiheuttamalta vaaralta. Suojausluokka 0 - Jännitteiset osat on eristetty vain peruseristyksellä - Tavallisella (vanhanaikaisella) pistotulpalla varustettuja sähkölaitteita Suojausluokka I - Laitteessa on erillinen suojamaadoitusjohdin - Suojamaadoitetulla pistotulpalla varustettuja sähkölaitteita - Keltavihreä, KeVi-suojajohdin Suojausluokka II - Jännitteiset osat on eristetty vahvennetulla eristyksellä tai kaksoiseristyksellä - Suojaeristettyjä sähkölaitteita, joissa on litteä europistotulppa - Kaksoiseristyksellä varustetun laitteen tunnus Suojausluokka III - Laitteessa käytetään suojajännitettä, ELV = Extra Low Voltage (<50 VAC) - Suojajännitteisiä sähkölaitteita ovat esim. lasten sähkölelut - Suojajännitemuuntajan tunnus (joka on myös suojaerotusmuuntaja) Suojaerotus Sähköinen erotus on yksi suojaustapa, vaikka sitä ei ole omalla numerolla luokiteltukaan. Suojaerotus toteutetaan suojaerotusmuuntajalla. Siinä muuntajan toisiopuoli on erotettu syöttävästä ensiöpuolesta niin hyvin, että toisiopuoli on täysin maasta erotettu. Suojaerotusmuuntajalla syötettävään laitteeseen ei saa kytkeä suojamaadoitusjohtoa! 2.8 Lisäsuojaus vikavirtasuojaa käyttäen Perus- ja vikasuojaus ei aina anna riittävää suojaa. Nykyisten määräysten mukaan lähes kaikki maallikoiden käyttämät pistorasiat on suojattava enintään 30 ma:n vikavirtasuojalla. VVSK = vikavirtasuojakytkin I RSD = FCCB = Fault Current Circuit Braker

19 19 Normaalitilanteessa virtapiirin nollajohtimessa kulkeva paluuvirta I N on täysin sama kuin vaihejohtimessa kulkeva virta I L, ne vain kulkevat keskuksen kannalta eri suuntiin. Vikavirtasuoja mittaa näiden virtojen summaa. Vikasuoja ei laukea, jos summa on nolla. Vikatilanteessa (joka ei nyt kuitenkaan ole oikosulku) kaikki vaihejohtimessa kulkeva virta ei palaakaan takaisin nollajohdinta pitkin, vaan eksyy viallisessa kulutuskojeessa jonnekin väärään paikkaan, jolloin I N I L. Jos ero on yli 30 ma, vikasuoja laukeaa. vikasuoja vikasuoja L N Virta I L L N Virta I L Vikavirta I V 0 Virta I N Virta I N I L PE PE Virta I PE =0 Virta I PE 0 Ehjä sähkölaite Viallinen sähkölaite vikasuoja laukeaa Henkilösuojaukseen tarkoitetun vikavirtasuojan laukeamisvirta saa olla enintään 30 ma. Palosuojaukseen tarkoitetun vikavirtasuojan laukeamisvirta saa olla enintään 300 ma. HUOM! Vikavirtasuoja ei suojaa ihmistä kaikilta mahdollisilta sähkötapaturmilta! Miten käy, jos ihminen seisoo eristetyllä lattialla ja toisella kädellä koskee vaihejohtimeen ja toisella nollajohtimeen? Mikä suojalaite silloin laukeaa? 2.9 Ylivirtasuojaus Kiinteän asennukset sähköjohdot on suojattava oikosulun tai ylikuormituksen aiheuttamilta liian suurilta virroilta. Ylivirtasuoja suojaa siis ensisijaisesti sähkölaitteita ja laitteistoja niissä esiintyviltä vioilta tai ylikuormitukselta. Ylivirtasuojat suojaavat myös ihmistä esim. tulipaloilta ja ehkäisevät sähköiskun saamista eristevikaisesta laitteesta (kts. Syötön automaattinen poiskytkentä). Usein sama suojalaite, sulake, toimii sekä oikosulkusuojana että ylikuormitussuojana. Varsinkin moottorikytkennöissä on usein erilliset sulakkeet ja moottorinsuojakytkimet (lämpöreleet). Kiinteän asennuksen johtojen suojana olevat ylivirtasuojat eivät välttämättä suojaa pistokytkimillä (töpselillä) liitettäviä kulutuskojeita.

20 Sähkölaitteiden kotelointiluokat (IP-luokka) (TUKES, Kodin sähkölaitteiden kunnossapito, 2008) Kotelointi estää ihmistä koskettamasta sähkölaitteen vaarallisia osia ja samalla suojaa sähkölaitteen sisäosia ulkopuolisilta vahingollisilta vaikutuksilta kuten vierailta esineiltä ja pölyltä (=vierasainesuojaus) sekä myös vedeltä. Useimmiten sähkölaitteen käyttöympäristö asettaa tavallista kosketussuojausta kovemman kotelointivaatimuksen sähkölaitteelle. Kotelointiluokan säilyminen edellyttää monesti laitteelta tiettyä asennus- tai käyttöasentoa. Koteloinnin taso ilmoitetaan laitteessa tunnuksella IP, jonka jälkeen on tavallisesti kaksi numeroa, esim. IP34. Numeroiden merkitys on seuraava: Ensimmäinen numero ilmaisee vierasainesuojauksen seuraavasti: 2 vaaralliset osat kosketussuojattu sormelta 3 vaaralliset osat suojattu työkalulta, jonka halkaisija 2,5 mm 4 vaaralliset osat suojattu langalta, jonka halkaisija 1,0 mm 5 sisäosat suojattu haitalliselta pölyltä ja langalta Toinen numero ilmaisee vesisuojauksen tason seuraavasti 0 vedeltä suojaamaton 1 suojattu pystysuoraan tippuvalta vedeltä (esim. katoksessa ulkona) 3 suojattu sateelta (esim. ulkotilassa mutta ei lähellä maata) 4 suojattu roiskuvalta vedeltä (kosteissa ja märissä tiloissa) 5 suojattu vesisuihkulta Kotelointivaatimuksia sovelletaan sekä sähköasennuksiin että sähkölaitteisiin. Kotelointiluokan tulee vastata käyttöpaikan olosuhteita. Sähkölaitteen tulee aina olla vähintään kosketussuojainen. Minimivaatimusta parempaa kotelointiluokkaa voi käyttää ja se on monesti perusteltua esim. kunnossapidon kannalta. Esimerkkejä laitteiden merkinnöistä ja käyttöpaikoista: IP20 tai ei merkintää kosketussuojainen kuivan tilan laite IP2X kosketussuojainen laite, muut tiedot puuttuvat IP21 tippuvedeltä suojattu, esim. astiakaapin alle ja katokseen IP23 tai IP43 sateenpitävä, esim. ulos, ei maan lähelle IP34 tai IP44 roiskevedenpitävä, ulos ja tavallisiin pesutiloihin IP4X palonvaarallinen pölytön tila (vesisuojauksen taso ilmoittamatta) IP5X palonvaarallinen pölyinen tila (vesisuojauksen taso ilmoittamatta) IP65 pölytiivis, vesisuihkulta suojattu IP67 vedenpitävä Jos numeron ilmaisu ei ole tarpeen, voidaan se korvata merkinnällä X. Vanhoissa sähkölaitteissa on käytetty IP-merkinnän asemesta pisaratunnuksia kuvaamaan laitteen vesisuojausta.

21 21 Tavallisimmat kosteissa, märissä ja ulkotiloissa käytettävien laitteiden kotelointiluokat: IP-tunnus IP 21 Tippuvedenpitävä IP 23 tai IP 43 Sateenpitävä IP 34 tai IP 44 Roiskevedenpitävä IP 67 Vedenpitävä 2.11 Muutama tärkeä asia Vedonpoisto Taipuisien kaapeleiden liitoksissa, siirrettävissä kulutuskojeissa ja esim. riippuvissa valaisimissa, pitää liitäntäjohdossa olla kunnollinen vedonpoisto. Vedonpoistajalla varmistetaan se, että liitäntäjohtoon kohdistuva veto ei kohdistu sähköliittimiin eikä sähköjohtimiin, vaan johdon vaippaan ja kaapeliin kokonaisuudessaan. Johtimien värit Suojamaajohto, PE Nollajohto, N Vaihejohto ( kuuma karva ), L, L1,.. keltavihreä sininen musta tai ruskea tai harmaa Värit ovat vaihdelleet eri aikoina. Vanhoissa asennuksissa (1970-luvulle asti) on esim. harmaata väriä käytetty nollajohtimessa.

22 Sähkövirran vaikutus ihmiseen Sähköiskun vaarallisuus riippuu ensisijaisesti ihmiskehon läpi kulkevan virran suuruudesta ja siitä, miten kauan se vaikuttaa. Kehon impedanssin (vaihtovirtavastus) yksinkertaistettu malli on esitetty seuraavassa kuvassa. Vaihtovirran vaikutukset ihmiselle on esitetty alla olevassa kuvassa. Vaihtovirran vaikutukset IEC-raportin 479 mukaan (Ville Kurvinen, ins.työ Metropolia 2010)

23 23 Sähkövirran vaikutus vaihtovirralla ihmisen kehoon (Biegelmeierin ja Rotterin mukaan) Sydänkammiovärinä merkitsee sydämen toiminnan häiriötä, joka ilmenee siten, että normaalisti kertaa minuutissa tapahtuva sydänlihaksen supistuminen ja löyhtyminen muuttuu paljon nopeammaksi liikkeeksi ts. sydän alkaa väristä. Sydänlihakset supistuvat ja löyhtyvät tällöin epäsäännöllisesti toisiinsa verrattuna, minkä seurauksena sydämen pumppaava vaikutus muuttuu mitättömäksi. Verenkierto lakkaa tai tulee niin heikoksi, että kehon kudosten hapensaanti häiriintyy siitä huolimatta, että hengitys aluksi jatkuisikin normaalina. Aivojen herkimmät osat vaurioituvat jo n. 3 4 minuutin kuluttua ja kuolema seuraa nopeasti, ellei sydämen toimintaa saada ennalleen. Jotta ensiaputoimenpiteistä olisi hyötyä, on niiden kohdistuttava myös sydämen toiminnan elvytykseen.

24 24 Hengityskeskuksen kautta kulkeva yli 30 ma virta aiheuttaa tavallisesti tilapäisesti niiden hermojen halvaantumisen, jotka aivoista käsin ohjaavat hengitystä. Tästä seuraa hengityksen vaikeutuminen tai estyminen. Pienemmillä virroilla voi virran katketessa ajoissa hengitys palautua itsestäänkin, mutta suuremmilla virroilla on ulkoinen apu välttämätön hengitystoiminnan palauttamiseksi ennalleen. Kehon kautta kulkevien virtojen ollessa useita ampeereja, syntyy vaara kudosvaurioiden syntymiselle. Jos verrattain suuri virta kulkee pitkäaikaisesti tai hyvin suuri virta lyhytaikaisesti kehon tai sen osien kautta, virran kehittämä lämpö aiheuttaa tavallisesti kehon tai sen osien tuhoutumista. Suurjännitteellä tapahtuvissa tapaturmissa, joissa virta on yleensä suuri, syntyy palovammoja. Ne voivat olla paitsi ulkoisia myös sisäisiä, jotka voivat aiheuttaa myös myöhemminkin kohtalokkaaseen seuraukseen päättyviä muutoksia kehossa Sähkötapaturmien ensiapu Sähkötyöturvallisuusstandardi SFS 6002 edellyttää, ettätöissä, jotka suoritetaan sähkölaitteistoissa tai niiden läheisyydessä, tulee olla riittävä määrä ensiapukoulutettuja henkilöitä. Sähkötapaturmien ensiapuohje (D Käsikirja rakennusten sähköasennuksista, Suomen Punainen Risti) 1. Tee nopea tilannearvio 2. Katkaise virta ja irrota loukkaantunut vaarantamatta itseäsi 3. Tarkista autettavan tila 4. Hälytä apua numerosta Anna ensiapua a. tarvittaessa painelu-(puhallus)elvytystä b. sokkipotilas makuulle, jalat ylös, peittely lämpimällä huovalla c. ulkoisten palovammojen jäähdyttäminen, mutta elvytystilanteessa ei tehdä mitään