VILLE LAMBERG TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON KARTOITUS, MITOITUS, RISKIAR- VIO JA HUOLTOSUUNNITELMA. Diplomityö

Transkriptio

1 VILLE LAMBERG TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON KARTOITUS, MITOITUS, RISKIAR- VIO JA HUOLTOSUUNNITELMA Diplomityö Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 3. kesäkuuta 2009

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma LAMBERG, VILLE: Teollisuussähköverkon kartoitus, mitoitus, riskiarvio ja huoltosuunnitelma Diplomityö, 76 sivua, 45 liitesivua Marraskuu 2009 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Avainsanat: teollisuussähköverkko, mitoitus, huoltosuunnitelma, sähköturvallisuus Teollisuussähköverkot rakentuvat usein osakokonaisuuksina pitkällä aikavälillä. Mitoitusta ja dokumentointia joudutaan tämän vuoksi tarkistamaan ja päivittämään useaan otteeseen. Tässä työssä tarkastellaan Vaahto Oy:n Tampereen Nekalassa sijaitsevan tehdasyksikön sähköverkkoa. Tarkoituksena on löytää sähköverkosta tekniset, taloudelliset ja sähköturvallisuusnäkökohdat huomioon ottaen heikoimmat kohdat. Tehdyt havainnot tiivistyvät lopussa toimintaohjeiksi ja esityksiksi, joista tärkein kokonaisuus on sähkölaitteiston huolto- ja kunnossapitosuunnitelma. Oikosulkuvirta- ja kuormitettavuustarkastelujen avulla voidaan arvioida vian poiskytkentäehtojen toteutumista, suojien selektiivistä toimintaa sekä komponenttien, kuten kaapeleiden suojausta. Lisäksi aistinvaraisella tarkastelulla saadaan sähkölaitteiston kuntotutkimuksen periaatteita noudattaen selvitettyä sähköturvallisuuspuutteita. Työssä arvioidaan myös tehtaan sähköturvallisuus- ja kunnossapito-organisaation toimivuus sekä tehtaan loistehon kompensointilaitteiston toiminta. Vaahto Oy:n Tampereen yksiön sähköverkko ja laitteisto on vaihtelevassa kunnossa. Vian poiskytkentä toimii kaikkialla laskelmien ja mittausten perusteella. Kuormitettavuustarkasteluissa huomattiin, että johtolähdöt ovat ryhmäkeskustasolla suojattu liian suurin sulakkein. Myös selektiivisyydessä on paikoin parantamisen varaa. Sähköturvallisuuspuutteita löytyi useita. Kompensointilaitteissa havaittiin vikoja, mutta myös toimiessaan laitteisto ei toimisi optimaalisesti, sillä säädön porrastus on liian karkea. Sähköliittymästä löydettiin korjaamista toisen käyttöpaikan veroluokan osalta. Veroluokkamuutoksella saadaan aikaan tuntuvia säästöjä. Suurin ongelma on kuitenkin organisaation toimivuus. Sähkölaitteiston haltijalla ei ole käsitystä, kuinka muutoksista raportoidaan ja miten dokumentit kuuluu päivittää. Myös ostettu käytön johtajuuspalvelu ei vastaa Vaahto Oy:n tarpeita. Työssä esitetyillä toimintamalleilla on mahdollista korjata havaitut ongelmat.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering LAMBERG, VILLE: Maintenance, Safety and Risk Analysis for an industrial electrical network Master of Science Thesis, 76 pages, 45 Appendix pages November 2009 Major: Power Engineering Examiner: Professor Seppo Valkealahti Keywords: Industrial electrical network, electrical safety, maintenance program, reactive power compensation Industrial electrical networks are usually built in several phases during a long time period. Design and documentation must be therefore updated and checked frequently. In this Master of Science Thesis one industrial electrical network is measured, evaluated and calculated aiming to find weakest links from technical, economical and electrical safety points of view. Observations are concluded in the end into instructions and proposals, which include the maintenance program of electric equipments. Fault switching out analysis and selectivity of the protection of electrical network can be evaluated based on short circuit current and maximum capacity considerations. The state of the electrical network can be evaluated also by visual observations. This method gives information from the lacks of the electrical safety. The function of the factory s electrical safety and maintenance organization is also evaluated in this thesis. Functions of the reactive power compensation utilities will be checked. The functionality of this electrical network alternates. Fault switching out operations work everywhere. The maximum capacity considerations showed that most of the fuses allow too high currents for the cables. At the same time the selectivity isn t in order in some places. There were also several electrical safety deficiencies. The automatic control of the reactive power compensation devices was too rough. There were also faults in the compensation capacitors. Tax class for electrical energy was wrong in one consuming point. Changing this tax class will cause large savings in electric bills. The biggest problem is however the functionality of the organization. Holder of the electric equipment isn t aware of his responsibilities considering the reporting and documenting of the changes. Also the service responsible for the operation of the electrical system doesn t apply to the requirements of the factory. The operation models presented in this thesis enable to correct the observed problems.

4 IV ALKUSANAT Työ tehtiin Vaahto Oy:n Tampereen toimipaikalle. Työn tarkastajana toimi Professori Seppo Valkealahti Tampereen teknilliseltä yliopistolta. Työn ohjaajana toimi Vaahto Oy:ltä laatupäällikkö Rauno Salomäki, jonka aloitteesta työ päätettiin ylipäätään teettää. Haluan kiittää Raunoa antoisista keskusteluista, avusta työn organisoinnissa ja tuesta, jonka avulla työssä tehdyt esitykset on saatu eteenpäin. Lisäksi haluan kiittää myös muita Vaahto Oy:n työntekijöitä hyvistä neuvoista työhön liittyen ja varsinkin juttutuokioista, jotka eivät lainkaan liittyneet työhön. Haluan kiittää myös Seppoa työn tarkastamisesta. Suuri kiitos kuuluu myös Vaahto Oy:n ulkopuolisille tahoille, jotka ovat kärsivällisesti vastanneet kysymyksiini haastatteluissa ja tiedusteluissa. Kaikki tämä olisi ollut mahdotonta ilman tukea, jonka olen saanut vuosien varrella vanhemmiltani, sukulaisiltani ja ystäviltäni. Yleisen kannustuksen ja elämänohjeiden lisäksi haluan erikseen kiittää isääni Mattia. Hänen antama ammatillinen opetus on ollut korvaamatonta. Tampere, Ville Lamberg

5 V SISÄLLYS 1. JOHDANTO SÄHKÖVERKON SUUNNITTELUN TEORIAA Sähkönjakelun keskeytykset Ylijännitteet Oikosulkupiirit Oikosulkuvirtojen laskenta Oikosulkupiirin impedanssit Loistehon kompensointi Teknisteoreettiset ehdot Kompensoinnin toteutustavat Harmoniset yliaallot Sähkötekninen kuntotutkimus SÄHKÖVERKON SUUNNITTELUN NORMIT Tekniset vaatimukset Kosketussuojaus Kosketusjännitesuojaus ja vian automaattinen poiskytkentä Oikosulku- ja ylikuormitussuojaus Ylijännitesuojaus Organisaatio ja tarkastukset VAAHTO OY:N SÄHKÖJÄRJESTELMÄN KARTOITUS Sähköenergian kulutus Keskeytyksestä aiheutuvan haitan arviointi Keskukset, johdotukset ja laitteisto Tehdashallin valaistus Lämpökamerakuvaus Ylikuormitussuojaus ja vian automaattinen poiskytkentä Loistehon kompensointi Mittaukset Oikosulkuvirtamittaukset... 49

6 VI Eristysresistanssimittaukset Sähkönlaatumittaukset Vaahto Oy:n sähköturvallisuus- ja sähkökunnossapito-organisaatio HUOLTO- JA KUNNOSSAPITOSUUNNITELMA Sähköliittymä Keskukset, johdotukset ja laitteisto Vaahto Oy:n sähkölaitteiston huolto- ja kunnossapitosuunnitelma Ylikuormitussuojaus ja vian automaattinen poiskytkentä Loistehon kompensointi Organisaatio JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHTEET LIITE 1: TYÖSSÄ KÄYTETYT STANDARDIN SFS 6000 TIEDOT LIITE 2: SÄHKÖNLAATUMITTAUKSIEN TULOKSIA LIITE 3: OIKOSULKUVIRTALASKENTA JA ANNUITEETTIMENETELMÄ LIITE 4: UUDET NOUSUJOHTOKAAVIOT LIITE 5: VAAHTO OY:N SÄHKÖLAITTEISTON HUOLTO- JA KUNNOSSAPITOKANSIO LIITE 6: SÄHKÖN LAATU- JA TURVALLISUUSKYSELY LIITE 7: VAAHTO OY:N POHJAPIIRUSTUS

7 VII LYHENTEET JA MERKINNÄT Lyhenteet AJK ELV GIS IEC IP IT K KAH KOPU NK OKH PEN PJK PK1A/B PK1-M1 RK ST-kortisto SFS STUL TN TN-C-S TT UPS VDE WTA Aikajälleenkytkentä Pienoisjännite (engl. Extra Low Voltage) Kaasueristeinen laitteisto (engl. Gas Insulated System) Kansainvälinen sähköalan standardoimisjärjestö (engl. International Electrotechnical Commission) Suojausluokka Sähköjärjestelmä, joka on maasta erotett tai yksi piste maadoitettu impedanssin kautta Keskus Keskeytyksestä aiheutuva haitta Komposiitti- ja polyuretaani Nousukeskus Omakustannushinta Yhdistetty suojamaadoitus- ja nollajohdin Pikajälleenkytkentä Laajennuksen pääkeskus Vanhan puolen pääkeskus Ryhmäkeskus Sähköalantietokansio Suomen standardoimisliitto Sähkö- ja teleurakoitsijoiden liitto Sähköjärjestelmä, jossa yksi piste on maadoitettu suoraan teholähteessä ja sähkölaitteiston jännitteelle alttiit osat on yhdistetty tähän pisteeseen suojajohtimilla. Sähköjärjestelmä, jossa nolla ja suojajohdin toiminnot on yhdistetty yhteen johtimeen osassa järjestelmää. Sähköjärjestelmä, jossa vain yksi piste on maadoitettu suoraan ja sähköasennuksen jännitteelle alttiit osat on yhdistetty jakelujärjestelmän maadoituselektrodeista sähköisesti riippumattomiin erillisiin maadoituselektrodeihin. Katkeamattoman ja häiriöttömän tehonsyötön varmistava laite (engl. Uninterruptiple Power Supply) Saksalainen sähkö-, elektroniikka- ja informaatioteknolgia-alan liitto (saks. Verband Deutscher Elektrotechniker) Asiakkaan korvausvaatimus epäluotettavammasta sähkönjakelusta (engl. Willingness to Accept)

8 VIII WTP Merkinnät c C(W) cosφ D i dis I dis I k1v i mm I n i s i s1 i sh I st I T K G l j L W n P kn Q 1 Q c r 0 r j r jv R k R k0 R kv R m S kv S n U a U a1 U a2 U a0 U f u k U n Asiakkaan maksuvalmius häiriöttömästä sähkönjakelusta (engl. Willingness to Pay) Jännitekerroin standardien VDE/IEC mukaan Energian hinta kulutuksen funktiona Tehokerroin Säröteho Särövirran hetkellisarvo Särövirran tehollisarvo Yksivaiheinen oikosulkuvirta Oikosulkuvirran maksimiarvo Nimellisvirta Sinimuotoisen virran hetkellisarvo Perustaajuisen virran hetkellisarvo Harmonisella taajuudella olevan virran hetkellisarvo Käynnistysvirta Laukaisuvirta Théveninin menetelmässä tahtikoneen resistanssin ja reaktanssin laskentaan käytetty kerroin Johtimen pituus Asiakkaan kokema tappio Nimellistaajuuden monikerta Nimellinen oikosulkuteho Perustaajuinen loisteho Kondensaattorin tuottama loisteho Nollajohtimen ominaisresistanssi Johtimen ominaisreaktanssi Vaihejohtimen ominaisresistanssi Muuntajan oikosulkuresistanssi Muuntajan nollaresistanssi Verkon oikosulkuresistanssi Moottorin oikosulkuresistanssi Verkon näennäisoikosulkuteho Nimellisoikosulkuteho Vikapaikan jännite ennen vikaa Myötäverkon jännite Vastaverkon jännite Nollaverkon jännite Käyttötaajuinen jännite Oikosulkujännitteen ja nimellisjännitteen suhde prosentteina Pääjännite

9 IX U nv U ngm u r x x d x 0 x j x jv x j0 X k X kv X m X k0 Z 1 Z 2 Z 0 Z F z j Z k Z kv Z m φ 1 φ h ngm 1 Verkon nimellisvaihejännite Tahtikoneen nimellispääjännite Muuntajan resistanssin aiheuttaman oikosulkujännitteen ja nimellisjännitteen suhde prosentteina Reaktanssin arvo prosentteina nimellisimpedanssista Tahtikoneen alkureaktanssin suhteellisarvo nollajohtimen ominaisreaktanssi Johtimen ominaisreaktanssi vaihejohtimen ominaisreaktanssi vaihejohtimen ominaisnollareaktanssi Muuntajan oikosulkureaktannsi Verkon oikosulkureaktanssi Moottorin oikosulkureaktanssi Muuntajan nollareaktanssi Myötäverkon impedanssi Vastaverkon impedanssi Nollaverkon impedanssi Vikapaikan impedanssi Johtimen ominaisimpedanssi Muuntajan oikosulkuimpedanssi Verkon oikosulkuimpedanssi Moottorin oikosulkuimpedanssi Perustaajuisen jännitteen ja virran vaihesiirto Harmonisen taajuuden jännitteen ja virran vaihesiirto Tahtikoneen nimellisvirran ja jännitteen välinen kulma Perustaajuisen virran kulmataajuus Yliaaltovirran kulmataajuus Kaapelityypit AHXAMK-W APYAKMM AMCMK AMMK AXMK MKEM MMJ MMK Alumiinijohtiminen ja vaippainen vesitiivis keskijännitekaapeli Alumiinijohtiminen ja vaippainen keskijännitekaapeli PVC-eristetty alumiinijohtiminen voimakaapeli (PE/PEN-johdin kuparia) PVC-eristetty alumiinijohtiminen voimakaapeli (PE/PEN-johdin alumiinia) PEX-eristetty alumiinijohtiminen voimakaapeli Hienosäikeinen PVC-vaippainen asennusjohdin Kuparijohtiminen asennuskaapeli Kuparijohtiminen yksijohdinvoimakaapeli

10 1 1. JOHDANTO Teollisuuden sähköverkot on rakennettu useimmiten paloittain ja pitkällä aikavälillä. Uudet investoinnit ja muuttuvat markkinat pakottavat yrityksen jatkuvasti kehittämään myös sähköverkkoa, mikä asettaa järjestelmän yhteneväisyydelle ja ajanmukaiselle dokumentoinnille suuria vaatimuksia. Alati päivittyvät standardit ja sähköturvallisuusmääräykset tuovat tähän myös oman lisänsä. Verkon nykytilaa arvioitaessa on siis tunnettava myös vanhoja asennuskäytäntöjä. Tässä teollisuussähköverkon selvityksessä annetaan Vaahto Oy:n Tampereen yksikölle päivitetty kokonaiskuva sähköverkkonsa nykykunnosta. Selvityksen on määrä olla pohjana sähköverkon kunnon parantamiselle ja tarkoituksena on antaa ohjeita siitä, kuinka sähköverkko pidetään jatkossa niin teknisesti kuin dokumentoinninkin puolesta ajan tasalla. Osana työtä pureudutaan myös sähköturvallisuus- ja kunnossapitoorganisaation toiminnallisuuden parantamiseen Vaahto Oy:llä. Työn ensimmäisessä osassa paneudutaan yleisellä tasolla teollisuussähköverkkojen rakenteisiin, komponentteihin ja sähkönlaatuvaatimuksiin niin teknisteoreettisesti kuin normatiivisestikin. Sähköturvallisuus ja standardien täyttymisen tarkastelu ovat suuressa roolissa työn kokonaisarvon kannalta. Työn käytännön osiossa kartoitetaan asiakasyrityksen sähköverkko erityisvaatimuksineen ja päivitetään dokumentointi ajan tasalle. Lisäksi suoritetaan oikosulkuvirtalaskelmia ja mittauksia, joiden avulla tutkitaan vikojen poiskytkentäaikoja. Myös suojien selektiiviseen toimintaan kiinnitetään huomiota, jotta sähkövian aiheuttama keskeytys olisi mahdollisimman lyhyt ja haitta pieni. Tulosten perusteella pyritään suunnittelemaan myös kaapelilähtöjen kuormitettavuus ja mahdolliset turvallisuusriskit pyritään minimoimaan. Saatuja tuloksia verrataan edelleen määräyksiin. Sähköverkolle suoritetaan myös aistinvarainen kuntotutkimus ja havaituista puutteista raportoidaan erikseen. Huoltosuunnitelmaosiossa havainnot kiteytyvät ohjeiksi ja toimenpide-esityksiksi. Vaahto Oy:n sähköliittymää tarkastellaan eri syöttövaihtoehdoin ja arvioidaan nykyisen syöttötavan kustannustehokkuutta. Asiakasyrityksellä on myös omaa loistehon kompensointia. Kompensointiparistojen kunto tarkistetaan ja samalla tutkitaan, onko kompensointia riittävästi ja porrastus järkevä. Tehtävillä tarkasteluilla pyritään saattamaan tehtaan sähköverkko ja organisaatio tähän päivään sopivaksi. Ehdotetut toimenpiteet tähtäävät tulevaisuuteen ja sähköverkon huoltamistyöhön liittyvistä käytännöistä pyritään tekemään helposti ylläpidettäviä prosesseja.

11 2 2. SÄHKÖVERKON SUUNNITTELUN TEORIAA Teollisuussähköverkon suunnittelua monimutkaistavat paloittain valmistuvat tuotannon osat. Koska teollisuusverkkoja saneerataan ja muutetaan usein ensirakentamisen jälkeen, asettaa se sähkölaitteiston termiset ja mekaaniset ominaisuudet koetukselle. Pahimmillaan suojauksen ja siirtokapasiteetin puute saattaa johtaa laitevaurioihin, mikä edelleen aiheuttaa taloudellisia menetyksiä. Teollisuussähköverkko on monimutkainen järjestelmä ja sen tiedostaminen jo suunnitteluvaiheessa on ensiarvoisen tärkeää. Jos suunnittelua ei tehdä huolellisesti, vaikuttaa se oleellisesti verkon käyttövarmuuteen ja erilaisten häiriöiden määrään. Samanaikaisesti myös tuotannon prosessit kärsivät, koska käytössä oleva sähköjärjestelmä ei pysty vastaamaan yrityksen tarpeisiin. [abb00b; Gön86] Sähkönsuunnittelussa on oleellista pyrkiä ratkaisemaan kaikki rakennuksen sähkön laatuun vaikuttavat tekijät. Tällöin voidaan arvioida laitteiden yksittäinen vaikutus, yhteensopivuus sekä yhteisvaikutus sähköverkkoon [ST06]. Tärkeitä osa-alueita sähköverkon häiriöiden arvioinnissa ovat muun muassa tiedot sähkönjakelun keskeytyksistä, ylijännitteistä, oikosulkupiirien tunteminen sekä sähkön laatuun liittyvät seikat, kuten loissähkön määrä ja verkon yliaaltopitoisuus. Vanhan järjestelmän tutkimuksessa voidaan käyttää apuna yleisiä ohjeita, kuten ST-kortistoa ja SFS 6000 standardisarjaa. [STUL02] 2.1. Sähkönjakelun keskeytykset Sähkönjakelun keskeytykset voidaan jakaa häiriökeskeytyksiin ja suunniteltuihin keskeytyksiin. Häiriökeskeytysten aiheuttajia ovat pysyvät tai ohimenevät jakeluverkossa tapahtuvat viat. Näitä keskeytyksiä ei voida ennustaa. Häiriökeskeytykset luokitellaan pitkiin ja lyhyisiin keskeytyksiin sekä jännitekuoppiin [Lak08]. Suunniteltuja keskeytyksiä ovat esimerkiksi jakeluverkossa tehtävät huoltotyöt, joista ilmoitetaan käyttäjälle etukäteen. Pitkällä vikakeskeytyksellä tarkoitetaan yli kolmen minuutin keskeytystä, jonka aiheuttaa pysyvä vika. Lyhyt keskeytys on kestoltaan alle kolme minuuttia ja vika on ohimenevä. Jännitekuoppa tarkoittaa tilannetta, jolloin jakelujännite laskee äkillisesti % nimellisjännitteestä ja palautuu normaaliksi lyhyen ajan kuluttua. Jännitekuopista suurin osa on kestoltaan alle yhden sekunnin, ja niiden jännitteenalenema on alle 60 %. [Lak08] Sähkömarkkinalaki asettaa verkonhaltijalle korvausvaatimuksia maksettavaksi kuluttajalle näiden käyttövarmuutta kuvaavien tunnuslukujen perusteella. Lain mukaan ver-

12 3 konhaltijan on maksettava hyvitystä, jonka määrä riippuu keskeytyksen ajasta ja sähkönkäyttäjän vuotuisesta verkkopalvelumaksusta. Vakiokorvauksen enimmäismäärä on keskeytysten vuoksi 700 euroa sähkönkäyttäjää kohti. Sähkönkäyttäjän näkökulmasta sähkönjakelun häiriöitä voidaan tarkastella keskeytyksistä aiheutuvan haitan (KAH) avulla. Haittaa arvioitaessa on otettava huomioon asiakkaan tyyppi. KAH määräytyy siis eri tavalla teollisuudessa kuin tavallisessa kotitaloudessa. Vuonna 2006 tehdyssä KAH-kyselyssä oli mukana viisi eri asiakasryhmää; kotitalous, maatalous, teollisuus, julkinen kulutus sekä palvelu. Taulukossa 2.1. on esitetty haitat energiaa ja tehoa kohti ryhmittäin. Taulukossa olevat merkinnät PJK ja AJK tarkoittavat pika- ja aikajälleenkytkentää. Pikajälleenkytkentää käytetään tavallisesti ilmajohdoin toteutetuissa siirto- ja keskijänniteverkoissa ohimenevien vikojen poistamiseksi. PJK:n jännitteetön aika on tavallisesti alle sekunnin. Pikajälleenkytkentää voi mahdollisesti seurata aikajälleenkytkentä, jonka jännitteetön aika on pidempi, tyypillisesti minuutista muutamaan minuuttiin. AJK voidaan toistaa useamman kerran. Jos vika ei poistu jälleenkytkennöillä, on vika pysyvä ja se vaatii korjausta. [Lak08] Taulukko 2.1. Keskeytyskustannusparametreja erilaisille sähkönkäyttäjäryhmille.[lak08] Asiakasryhmä Vikakeskeytys Työkeskeytys PJK AJK ( /kw) ( /kwh) ( /kw) ( /kwh) ( /kw) ( /kw) Kotitalous 0,36 4,29 0,19 2,21 0,11 0,48 Maatalous 0,45 9,38 0,23 4,8 0,2 0,62 Julkinen 1,89 15,08 1,33 7,35 1,49 2,34 Palvelu 2,65 29,89 0,22 22,83 1,31 2,44 Teolllisuus 3,52 24,45 1,38 11,47 2,19 2,87 Taulukosta 2.1. huomataan, että teollisuudelle aikajälleenkytkentä (AJK) ja pikajälleenkykentä (PJK) aiheuttavat muihin verrokkiryhmiin verrattuna suhteessa suuremman haitan. Myös vika- ja työkeskeytysten tehomaksut ovat teollisuudessa taulukon 2.1. mukaan suhteellisesti suuria verrattuna muihin asiakasryhmiin. Sähköä voidaan arvottaa vertaamalla sähkön arvoa asiakkaalle siitä maksettuun hintaan. Arvon ja hinnan erotus on asiakkaan voitto ja näin myös jakelukeskeytyksen haitta voidaan hinnoitella. Menetelmä perustuu sähkön hintajoustoon, joka on esitetty kuvassa 2.1. Kuvassa on esitetty sähkön hinta C kulutuksen W funktiona.

13 4 Kuva 2.1. Sähkön hintajousto eli sähkön hinta sähköenergian kulutuksen funktiona.[sil05] Menetelmän mukaan sähkölle on olemassa arvo. Kun asiakas kokee, että sähkön hinta on ylittänyt tämän arvon, asiakas alkaa pienentää sähköenergian kulutustaan sähkön hinnan noustessa. Asiakkaan normaalikulutus on aluksi pisteessä W 0 ja se siirtyy kohtaan W 1. Asiakkaan kokema tappio L W voidaan laskea yhtälöstä. (1) Tappio L W on siis käyrän C(W) ja suoran C=P 0 rajaama pinta-ala välillä W 1...W 0. Menetelmä soveltuu objektiivisuutensa vuoksi haittojen arviointiin, mutta ongelmia aiheuttaa todellisen arvon määrittäminen ja se, että sähköä ei ole totuttu kuvaamaan hintajoustoperiaatteella. [Sil05] Haittoja voidaan arvioida myös kysymällä asiakkaalta, kuinka paljon se olisi valmis maksamaan häiriöttömämmästä sähkön jakelusta (engl. Willingness To Pay). Tätä kutsutaan WTP-menetelmäksi. Toinen tapa on kysyä, kuinka suuren korvauksen asiakas haluaa epäluotettavammasta sähkönjakelusta (engl. Willingness To Accept). Tätä kutsutaan WTA-menetelmäksi. [Lak08] Kokemus on osittanut, että kyselyissä tietyillä keskeytysten kestoilla WTP:n mediaaniarvo voi olla nolla, kun taas WTA:lla saadaan suorien kustannusarvioiden jälkeen toiseksi suurimpia arvoja. Ideaalitapauksessa WTAja WTP-arvot olisivat samat. [Sil05] 2.2. Ylijännitteet Ylijännitteet voidaan jakaa kahteen eri päätyyppiin, jotka ovat pitkäaikaiset ja lyhytaikaiset ylijännitteet. Pitkäaikaiset ylijännitteet ovat jännitetasoltaan melko matalia (1,4 4,3 pu), mutta ne ovat kuitenkin jännitetoleranssirajan yläpuolella. Lyhytaikaiset ylijännitteet eli transientit kestävät sekunnin murto-osia ja ne voivat nousta jopa satoihin megavoltteihin. Transientit aiheutuvat muun muassa sähköverkon kytkentätoimenpiteistä, salamaniskuista tai sähköstaattisista purkauksista. [STUL05] Transientteja kuvatessa käytetään termejä nousuaika ja selän puoliarvon aika, jotka tarkoittavat ylijännitteen nousua huippuarvoonsa sekä aikaa huipun puoliintumiseen huippuarvostaan [Aro96].

14 5 Syöksyjännitetestissä käytetään yleisesti 1,2/50 µs käyrämuotoa. Sähkölaitteisiin ylijännitteet kytkeytyvät joko galvaanisesti, induktiivisesti tai kapasitiivisesti sekä sähköverkon että antenni-, mittaus- ja tietoliikennelinjojen kautta.[stul05] Loivia transientteja aiheuttavat useimmiten sähköverkon kytkentätoimenpiteet [Aro96], jotka tarkoittavat suurten sähkökoneiden kytkentöjä tai sähköverkon maa- tai oikosulkuja [STUL05]. Suuruudeltaan ne ovat 2-3 pu ja kestoltaan millisekunteja, mutta kuitenkin pienempiä kuin yksi verkkojakso [Aro96]. Tämä aiheuttaa puolestaan suuria virran muutoksia hyvin lyhyessä ajassa. Syöksyjännitekestoisuuden ylittävä transienttijännite tuhoaa mitä todennäköisimmin sähkölaitteen [STUL05]. Oikealla järjestelmäsuunnittelulla ja sopivilla komponenttivalinnoilla voidaan ehkäistä loivien transienttien aiheuttamia vahinkoja.[aro96] Salaman aiheuttamat ylijännitteet eli jyrkät transientit [Aro96] ovat transienteista energialtaan suurimpia ja sen vuoksi niiden aiheuttamat tuhotkin voivat olla mittavia [STUL05]. Nousuaika näillä transienteilla on joitain mikrosekunteja ja puoliintumisaika yleensä kymmeniä mikrosekunteja jännitteen ollessa kv. Ukkosen aiheuttamien transienttien syntyyn ei juurikaan voida vaikuttaa [Aro96]. Ukkossuojauksen ja maadoitusjärjestelmän ollessa kunnossa, voidaan kuitenkin suurin osa salaman aiheuttamista ylijännitteistä rajoittaa sähkölaitteiden syöksyjännitekestoisuuden vaatimalle tasolle. Salamavirran suuren amplitudin vuoksi vahinkoa voi syntyä ilman galvaanistakin yhteyttä, sillä transientteja voi syntyä myös induktiivisen ja kapasitiivisen kytkeytymisen kautta.[stul05] Erotinlaitteiden toiminta aiheuttaa erittäin jyrkkiä transientteja. Nousuajaltaan ne ovat muutamia kymmeniä nanosekunteja puoliintumisajan ollessa joitain satoja nanosekunteja. Jännite on 3 pu luokkaa näillä ylijännitteillä. Erityisesti kaasueristeisissä GISlaitteistoissa (Gas Insulated System) on vaarana näiden ylijännitteiden syntyminen. Ilmaeristeisissä laitoksissa nämä transientit saadaan vaimenemaan nopeasti.[aro96] Sähkölaitteiden ylijänniteluokittelu on määritelty standardissa IEC Laitteiden luokitus on tehty asennuspaikan perusteella. Kun laitteille valitaan sopivan tehokasta suojausta, voidaan käyttää apuna taulukon 2.2. arvoja transienttien rajoittamisesta. Taulukko 2.2. Ylijänniteluokat ja syöksyjännitekestoisuudet standardien IEC ja DIN VDE 0110/1:n mukaisesti.[stul05, s.122] Verkon Ylijänniteluokat ja syöksyjännitekestoisuudet (V) nimellis jännite (V) IV III II I

15 6 Ylijänniteluokka IV käsittää laitteet asennusten liittymiskohdissa [Sfs07] ja pääkeskuksen laitteita, joita ovat esimerkiksi sähkömittarit ja johdonsuojakatkaisijat. Pääkeskuksen jälkeen sijaitsevat asennukset ja kiinteät asennukset, kuten kaapelit, kytkimet ja pistorasiat, kuuluvat luokkaan III. Ylijänniteluokkaan II kuuluvat muun muassa kotitalouden kiinteät asennukset kuten liedet. Pistorasialiitäntäiset laitteet kuuluvat luokkaan I.[STUL05] Transienttisuojauksen kannalta suojalaitteiden tärkeimpiä ominaisuuksia ovat muun muassa syöksyvirran purkauskyky, toimintanopeus ja jäännösjännite.[stul05] Tyypillisiä suojalaitteita ovat sähköverkoissa kipinävälit, piikarbidisuojat ja metallioksidisuojat [Aro96] sekä tietoliikenne- ja signaalipiireissä kaasupurkausputket ja purkausdiodit.[stul05] 2.3. Oikosulkupiirit Oikosulkuvirrat ovat tärkeä osa sähköverkon mitoitusta, sillä ne aiheuttavat vahinkoa sähkölaitteistoille. Oikean suunnittelun ja laskentamenetelmien avulla oikosulkuvirtoja voidaan ennustaa luotettavasti ja tällä tavoin rakentaa asiaan kuuluva suojaus niin johtolähdöille, sähkölaitteille kuin ihmisillekin. Oikosulkuvirtojen laskennassa on välttämätöntä tietää oikosulkupiirissä olevien komponenttien impedanssit.[huo98] Luvussa käsitellään erilaisia oikosulkuvirtojen laskentamenetelmiä sekä määritellään laskennan apuna käytettävät impedanssit Oikosulkuvirtojen laskenta Kolmivaiheverkossa oikosulkuvirtojen laskenta on monimutkaista, jos kytkentää yritetään kuvata suoraan kolmivaiheisena. Tämän vuoksi laskettavasta verkosta muodostetaan usein yksivaiheinen sijaiskytkentä. Sijaiskytkennän käyttö on mahdollista ja perusteltua, jos kolmivaihekuormitus on symmetrinen eli kaikki vaiheet ovat tasaisesti kuormitettuja, 120 asteen vaihesiirrossa ja nollajohdossa ei kulje virtaa.[kot99] Yksivaiheinen oikosulkuvirta jakaantuu kahteen eri termiin, jotka ovat pysyvän tilan (engl. steady state) sekä muutostilan (engl. transient) oikosulkuvirta. Oikosulkuvirta i noudattaa yhtälöä sin sin θ α e R L, (2) jossa U nv on oikosulkupiirin vaihejännite, Z on oikosulkuimpedanssi, on kulmanopeus, virran ja jännitteen vaihekulma oikosulun alkuhetkellä ja on virran ja jänniteen välinen vaihekulma, R on oikosulkupiirin resistanssi, L oikosulkupiirin induktanssi ja t on aika. Jälkimmäinen termi vaimenee oikosulun kestäessä ja aiheuttaa näin epäsymmetrisyyttä oikosulkuvirtaan.[kot99]

16 7 Kun halutaan selvittää suurinta mahdollista oikosulkuvirtaa, täytyy tarkastella tilannetta, jolloin yhtälö (2) saa maksimiarvonsa. Oikosulun alkuhetkellä jälkimmäinen transienttitermi ei ole ehtinyt vaimentua jolloin päästään muotoon sin sin θ α. (3) Lisäksi jos oletamme piirin resistanssin suhteessa reaktanssiin pieneksi, saadaan vaihekulmaksi virran ja jännitteen välille θ 90. Tämän jälkeen yhtälö (3) saa muodon cos. (4) Nyt kun asetamme jännitteen vaihekulmaksi α=0, tällöin cosα=1 ja kaava (4) sievenee muotoon. (5) Vaikka symmetriset viat ovat harvinaisempia kuin epäsymmetriset, täytyy ne laskennallisesti käsitellä, sillä niiden aiheuttamat vikavirrat ovat suurimpia ja ne asettavat verkon suunnittelulle rajoituksia. Toinen syy symmetriseen vika-analyysiin on sen yksinkertaisuus.[kot99] Oikosulkuvirran määrittämiseen voidaan käyttää niin sanottua Theveninin menetelmää, jossa piiri esitetään vikapaikkaa syöttävällä jännitelähteellä sekä vikapaikkaa edeltävillä impedansseilla.[huo98] Verkon oikosulkusuojauksessa suojalaitteen on toimittava pienimmällä oikosulkuvirralla määrätyssä enimmäisajassa [Lak08]. Vikavirran tulee siis olla riittävä sulakkeen nopeaan palamiseen. Yksivaiheinen oikosulkuvirta voidaan laskea yhtälöllä, (6) missä on vaihejännite, vaihejohtimen ominaisresistanssi, muuntajan oikosulkuresistanssi, vaihejohtimen ominaisreaktanssi, muuntajan oikosulkureaktanssi, vaihejohtimen ominaisnollareaktanssi, muuntajan nollaresistanssi, nollajohtimen ominaisresistanssi, muuntajan nollareaktanssi, nollajohtimen ominaisreaktanssi ja l j johdon pituus. Yhtälöä (6) voidaan yksinkertaistaa yhtälön (7) muotoon, jos osaimpedanssit lasketaan aritmeettisesti yhteen. Tällöin saatu oikosulkuvirran arvo on todellista arvoa pienempi. Näin ollen suojalaitteen toiminnan kannalta muutos tapahtuu turvallisempaan suuntaan. [STUL06b], (7) missä on pääjännite ja c on kerroin, joka ottaa huomioon muuntajien ja keskusten kiskostojen impedanssien aiheuttamat jännitteenalenemat. Kertoimelle käytetään yleisesti pienjännitepuolella arvoja 0,95 ja 1,0 sekä suurjännitepuolella arvoja 1,0 ja 1,1. Kaavassa (7) on piirin aritmeettisesti yhteenlaskettu impedanssi, joka käsittää jakelumuuntajaa edeltävän verkon impedanssin, muuntajan impedanssin ja muuntajan jälkeisen johdon impedanssin.

17 8 Kun tiedetään piirin pienin oikosulkuvirta, voidaan sopiva suojalaite valita suojalaitteen ominaiskäyrän perusteella. Lisäksi suojauksessa on otettava huomioon suojalaitteen katkaisukyky suurimmilla mahdollisilla oikosulkuvirroilla. Suurin mahdollinen oikosulkuvirta riippuu syöttävästä verkosta. Oikosulkuvirtojen arvot ovat usein saatavissa verkkoyhtiöltä.[stul06b] Epäsymmetrisiä vikoja tarkastellessa voidaan käyttää apuna symmetrisien komponenttien menetelmää. Menetelmässä muodostetaan positiivinen, negatiivinen sekä nollaverkko. Järjestelmä voidaan esittää matriisina , (8) missä, ovat myötä- vasta ja nollaverkon jännitteet, U a vikapaikan jännite ennen vikaa, Z 1, Z 2 ja Z 0 myötä- vasta ja nollaverkon impedanssit sekä Ia 1, Ia 2 ja Ia 0 myötä- vasta ja nollaverkon virrat. Yksivaiheiselle maasululle matriisista voidaan muodostaa vikavirralle yhtälö,, (9) jossa on huomioitu myös vikaimpedanssi Z F.[Kot99] Oikosulkupiirin impedanssit Oikosulkupiirin impedansseja määritettäessä on käytetty pohjana Kari Huotarin ja Jarmo Partasen opintomonistetta Teollisuusverkkojen oikosulkupiirin laskeminen vuodelta 1998.[Huo98] Oikosulkupiiriä syöttävän verkon lähtötiedoista tiedetään useimmiten alkuoikosulkuvirta I k tai näennäisoikosulkuteho S kv. Tällöin verkon impedanssiksi saadaan, (10) missä U n on nimellisjännite ja c jännitekerroin. Jos verkon resistanssia ei tunneta, voidaan impedanssi kuvata jakautuvaksi reaktanssiin ja resistanssiin kaavoilla 0,995 0,1. (11), (12) Pienjänniteverkoille suurjännitepuolelta redusoitu reaktanssi voidaan laskea kaavalla,. (13) Muuntajille oikosulkuimpedanssit saadaan seuraavilla yhtälöillä, (14) (15) ja, (16)

18 9 missä u k on oikosulkujännitteen ja nimellisjännitteen suhde prosentteina, u r muuntajan resistanssin aiheuttaman oikosulkujännitteen ja nimellisjännitteen suhde prosentteina, U n muuntajan pääjännite, I n muuntajan nimellisvirta valitulla jännitetasolla ja S n on muuntajan nimellisteho. Suurilla muuntajilla resistanssi voidaan olettaa impedanssin laskennassa niin pieneksi, että se voidaan jättää huomioimatta. Sysäysoikosulkuvirtaa ja oikosulkuvirran tasakomponenttia määritettäessä se on kuitenkin otettava huomioon. Kuristimia voidaan laskuissa käsitellä muuntajina, joiden muuntosuhde on yksi. Epätahtikoneet ovat yleisiä teollisuudessa ja niiden vaikutus suuren määränsä vuoksi yksikkökoon pienuudesta huolimatta on otettava huomioon oikosulkuvirtoja laskettaessa. Epätahtikoneille oikosulkuimpedanssi saadaan kaavalla, (17) missä I st on koneen käynnistysvirta, I n nimellisvirta, U n koneen nimellispääjännite ja S n koneen nimellisteho. Pienjännitealueella liikuttaessa oikosulkuimpedanssi voidaan halutessa jakaa myös resistanssiksi R m ja reaktanssiksi X m kertoimilla 0,922 (18) ja 0,42. (19) Tahtikoneille reaktanssi voidaan määritellä yhtälöllä, (20) jossa x on alku-, muutos- tai tahtireaktanssi prosentteina tahtikoneen nimellisimpedanssista. Kun lasketaan alku- ja sysäysoikosulkuvirtoja Theveninin menetelmän ekvivalenttisella jännitelähteellä cu nv, missä c on jännitekerroin ja U nv verkon nimellisvaihejännite, käytetään laskuissa yhtälön (21) mukaista kerrointa K G resistanssille ja reaktanssille., (21) missä U n on verkon pääjännite, U ngm on tahtikoneen nimellispääjännite, c max jännitekerroin, x d tahtikoneen alkureaktanssin suhteellisarvo ja ngm tahtikoneen nimellisvirran ja jännitteen välinen kulma. Johdotusten impedanssit vaikuttavat myös oikosulkuvirtoihin. Johdon impedanssi pituusyksikköä kohti saadaan kaavalla, (22) jossa r j on ominaisresistanssi ja x j ominaisreaktanssi.[huo98] 2.4. Loistehon kompensointi Siirrettäessä sähkötehoa verkossa, eräät kulutuslaitteet vaativat toimiakseen pätötehon lisäksi myös loistehoa [ST98]. Vuonna 1996 voimaan tullut sähkömarkkinalaki muutti

19 10 monia asioita sähkönjakelussa ja verkon mitoituksen kannalta on entistä tärkeämpää, että loistehon kompensoinnista on huolehdittu. Verkkoyhtiöiden loistehomaksujen noustessa ja raja-arvojen tiukentuessa on usein kannattavaa investoida kompensointilaitteistoon. [STUL06a] Loistehon siirto kuormittaa verkkoa aiheuttamalla jännitteenalenemaa, pätötehohäviöitä ja muun muassa keskuksissa ja kaapeleissa lämpenemistä. Tästä syystä loistehon siirto on kustannuserä niin jakeluverkon haltijalle kuin sähkönkäyttäjällekin. Tämän estämiseksi loistehoa pyritään kompensoimaan mahdollisimman lähellä kulutuspistettä. [ST98] Teknisteoreettiset ehdot Kompensoinnin tarkoituksena on saada vaihesiirto jännitteen ja virran välillä mahdollisimman lähelle nollaa [Mäk06]. Induktiivisella kuormalla virta jää jännitteestä jälkeen ja kapasitiivisella kuormalla tapahtuu päinvastoin. Tämän vuoksi myös loistehoa on kahta eri tyyppiä, jotka ovat kapasitiivinen ja induktiivinen loisteho. Induktiivista loistehoa kuluttavat esimerkiksi epätahtikoneet kuten oikosulkumoottorit, loistepurkausvalaistus sekä tyristorikäytöt. Induktiivista loistehoa kompensoidaan usein kondensaattoreilla, jotka tuottavat kapasitiivistä loistehoa [ST98]. Kondensaattoreiden lisäksi kapasitiivistä loistehoa tuottavat muun muassa ylimagnetoidut tahtikoneet ja tyhjäkäyvät johdot [Nou08]. Kantaverkossa tyhjäkäyvien johtojen suurta kapasitanssia kompensoidaan reaktoreilla, jotka ovat suuria keloja.[lak08] Kuvassa 2.2. on esitetty näennäisteho S, pätöteho P ja loisteho Q. Loistehon suuruus riippuu virran ja jännitteen välisestä vaihekulmasta φ sekä näennäis- ja pätötehon suuruudesta. Määritelmän mukainen kuvaus näennäisteholle on yhtälön (23) mukaan. (23) Pätöteho saadaan näennäistehon reaaliosasta. (24) Loisteho saadaan vastaavasti imaginääriosasta. (25) Kuva 2.2. Tehokolmio [Nou08; STUL06a; ST98]

20 11 Loisteho Q saadaan myös lauseesta (26) Loisvirta i q ajan funktiona on 2 2 (27) Missä on kulmanopeus ja virran tehollisarvo.[moh03, s.39 42] Kompensointiin tarvittava kapasitanssi C voidaan laskea yhtälön (28) mukaan, kun tunnetaan tarvittava perustaajuinen loisteho Q 1 [Mäk06; Moh03, s.37], (28) missä U 1 on jännitteen perusaallon tehollisarvo Kompensoinnin toteutustavat Loistehon kompensointi voidaan toteuttaa kompensoitavan kohteen vaatimuksista riippuen usealla eri tavalla. Kompensointimenetelmään vaikuttaa etenkin vaadittavat säätöominaisuudet. Joissain kohteissa riittää vakiokuormalle vakiokompensointi, kun taas monimutkaisemmissa järjestelmissä vaaditaan kompensointilaitteilta automaattista säätyvyyttä kunkin kuormitustilanteen mukaan. [Mäk06] Yksittäiskompensoinnilla tarkoitetaan tietyn laitteen, esimerkiksi moottorin, yksittäistä kompensointia. Kompensointiyksikkö sijoitetaan lähelle kompensoitavaa moottoria, kuten turvakytkimeen. Yksittäiskompensointi edellyttää, että kompensointitarve pysyy suhteellisen muuttumattomana, sillä säätöä ei ole. Kojeryhmien kompensointi perustuu samaan ajatukseen siitä, ettei säädön tarvetta juurikaan ole. Kompensointiyksikkö asennetaan kompensoimaan nimensä mukaisesti jotain tiettyä kojeryhmää. [Mäk06] Keskitettyä kompensointia käytetään silloin, kun kompensointiparisto on mahdollista sijoittaa pääkeskukseen. Paristolle varataan keskuksesta omat sulakelähdöt. Tampereen Sähkölaitos vaatii, että uudet kondensaattoriparistot on varustettava automatiikalla [TKS07], jolloin loistehon säätäjä huolehtii siitä, ettei ylikompensointia tapahdu, jos induktiivista kuormaa kytkeytyy pääkeskuksen lähdöistä irti. Ohjaus on yleensä toteutettu mittamaalla virtamuuntajan avulla loistehon tarvetta, jonka mukaan säädin kytkee kompensointiportaita verkkoon tai verkosta irti.[mäk06] Taulukossa 2.3. on esitetty erilaisten kuormien tehokertoimia ja niiden vaatimia loistehoja. Taulukko 2.3. Kuormien tehokertoimia ja niiden vaatimia loistehoja.[abb00a] Kuorma Tehokerroin cos φ (W/VA) Loistehon tarve tan φ (VAr/W) Moottorit 0,7...0, ,62 Loisteputkivalaisimet Kompensoimattomat 0,5 1,72 Kompensoidut 0,9 0,5 Tyristorikäytöt 0,4...0,75 2,3...0,9 Resistiivinen kuorma 1 0

21 12 Taulukosta huomataan, että erityisesti tyristorikäytöt (pienellä pulssiluvulla) sekä kompensoimattomat loisteputkivalaisimet vaativat toimiakseen paljon loistehoa. Ylikompensointi aiheuttaa sähkölaitteistossa kapasitiivisen loistehon siirtymistä verkkoon. Vaikka siitä ei yleensä veloiteta, on jatkuva loistehon tuotanto kiellettyä. Ylikompensoitu verkko aiheuttaa jännitteennousua, joka saadaan yhtälöstä, (29) missä on jännitteen nousu prosentteina, kompensointiteho (kvar), verkon oikosulkuteho ja muuntajan oikosulkureaktanssi prosentteina.[stul06a] Ongelmia voi syntyä, jos verkkoihin, joissa jo ennestäänkin on suuri ominaiskapasitanssi, lisätään kompensointia. Tällaisia verkkoja on esimerkiksi kaupunkialueilla, joissa kaapelointiaste on suuri. Ylikompensointia voidaan käyttää verkossa myös korjaamaan jännitteenalenemaa sekä normaalissa sähkön syötössä että varasyötössä.[mäk06] Tampereen sähkölaitos hinnoittelee loistehomaksun siten, että loistehomaksulle on asetettu ilmaisosuus, joka on induktiivisella puolella 20 % laskutetusta pätötehosta. Kapasitiivisesta loistehosta ei laskuteta, mutta ylikompensointia ei saa olla jatkuvasti kytkettynä verkkoon. Vuoden 2010 alusta kriteerit tiukentuvat siinä määrin, että induktiivisella puolella yli 40 %:n menevästä osasta joutuu maksamaan enemmän. Kapasitiivisella puolella aloitetaan myös tarkempi seuranta, jolloin loistehomaksua alkaa mennä, kun kapasitiivinen loisteho ylittää 5 % laskutetusta pätötehosta. [TKS07] 2.5. Harmoniset yliaallot Sähköverkossa esiintyvä kuormituksen epälineaarisuus aiheuttaa virran säröytymistä. Kun sähkölaite kuluttaa tai tuottaa jotain muuta kuin puhdasta sinivirtaa, aiheuttaa se virran käyrämuotoon yliaaltoja. Yliaaltovirrat synnyttävät verkossa yliaaltojännitteitä kohdatessaan taajuuttaan vastaavan impedanssin.[moh03] Yliaaltojen aiheuttamia haittoja ovat muun muassa taajuusmuuttajakäyttöisten moottoreiden ylikuumeneminen pienillä taajuuksilla. Lisäksi yliaallot aiheuttavat muuntajille lisää tyhjäkäyntihäviöitä ja suurtaajuiset yliaallot aiheuttavat tv- ja radiohäiriöitä. Yliaaltojen vaikutuksesta myös energiamittaukseen voi tulla virhettä. Tämä johtuu induktiomittareihin indusoituvasta mekaanisesta värähtelystä. [Mäk06] Yliaallot aiheuttavat myös nollajohtimien ylikuormittumista. Pienjänniteverkon nollajohdin ei kuormitu perustaajuisella symmetrisellä kolmivaihekuormalla lainkaan. Jos virrassa on kolmella jaollisia yliaaltoja, summautuvat ne nollajohtimeen ja aiheuttavat tehollisarvoltaan kolminkertaisen virran yhden vaiheen vastaavaan yliaaltovirtaan nähden. Yliaaltovirran taajuuden ollessa suuri myös johtimen vaihtovirtaresistanssi kasvaa. Nämä seikat on otettava huomioon kun suunnitellaan tarvittavia johdinpoikkipintoja, jos yliaaltojen syntyä ei muuten voida ehkäistä. [STUL06a] Yliaaltoja aiheuttavat muun muassa tasa- ja vaihtosuuntaajakäytöt, hakkuriteholähteet, energiansäästöloistelamput, puolijohdekytkimet, tyristorisäätimet, kodin ja toi-

22 13 mistotilojen elektroniikka, kuten televisiot ja tietokoneet, purkauslamput, hitsauslaitteet, valokaariuunit sekä vikaantuneiden moottoreiden ja muuntajien magneettipiirit. Myös esimerkiksi sairaaloissa käytetyt, keskeytymättömään tehon syöttöön tarkoitetut UPSlaitteet (engl. Uninterruptible Power Supply), aiheuttavat etenkin huoltamattomina huomattavia määriä yliaaltoja. Myös suuritehoiset akkulaturit siirtyessään tyhjäkäynniltä täydelle teholle aiheuttavat yliaaltovirtoja verkkoon. [STUL06a] Yliaaltojen tarkastelu perustuu Fourier-analyysiin, jonka mukaan kaikki jaksolliset funktiot ovat kirjoitettavissa yhtälön (30) mukaan perustaajuisen aallon ja korkeampitaajuisten harmonisten yliaaltojen summana. Komponentti F 0 on funktion tasakomponentti eli pitkäaikaisen jakson keskiarvo. cos sin, (30) missä h on taajuuden monikerta, a h parillisten yliaaltojen kerroin ja b h parittomien yliaaltojen kerroin. Yliaallot voidaan jakaa symmetriansa perusteella parillisiin ja parittomiin yliaaltoihin. Lisäksi voidaan tarkastella myös puoliaaltosymmetrisiä sekä parillisia ja parittomia neljäsosa-aaltosymmetrisiä yliaaltoja erikseen. Fourier-analyysi (30) antaa eri tapauksessa erilaiset kertoimet a h ja b h summattaville aalloille. Voimme tarkastella esimerkkinä sinimuotoista vaihevirtaa i s., (31) missä i s1 virran perustaajuinen komponentti sekä i sh on harmonisella taajuudella f h = hf 1 oleva komponentti. Nämä virran komponentit voidaan ilmaista yhtälöllä 2 sin 2, (32) missä I sh1 on perustaajuisen virran tehollisarvo, I sh yliaaltovirran tehollisarvo, perustaajuisen virran vaihesiirto, yliaaltovirran vaihesiirto, 1 perustaajuisen virran kulmataajuus ja yliaaltovirran kulmataajuus. Särövirta i dis tai tavallisemmin virran kokonaissärö (engl. Total Harmonic Distortion) THD saadaan yliaaltovirtojen summana (33) Särövirran tehollisarvoksi saadaan näin, (34) missä I s on kokonaisvirran tehollisarvo ja I sh1 on perustaajuisen virran tehollisarvo.[moh03, s.39 42] Särötehon D määritelmä vaihtelee lähteestä riippuen [Mäk06]. Tässä työssä säröteho määritellään näennäistehon S, pätötehon P ja loistehon Q avulla yhtälön (35) mukaan seuraavasti, missä Q 1 kuvaa loistehon perustaajuista komponenttia.[mäk06] Kuvassa on kuvattuna yhtälön (35) suureet (35)

23 14 Kuva 2.3. Periaatepiirros särötehosta [Mäk06; ST98] Kuvasta 2.3. nähdään, että loistehon neliö on särötehon ja loistehon perustaajuisen komponentin neliösumma, (36) josta saamme edelleen. (37) Loistehon kompensoinnin yhteydessä yliaallot on otettava huomioon, sillä kompensointiyksiköt voivat pahimmassa tapauksessa muodostaa sähköverkossa olevien induktanssien kanssa resonanssipiirejä. Nämä resonanssit voivat vahvistaa yliaaltoja.[lak08, s.254] Resonanssitaajuus saadaan selville asettamalla kapasitanssin C ja induktanssin L aiheuttamat taajuusriippuvaiset reaktanssit X L ja X C yhtä suuriksi [Moh03] 1 (38) ja ratkaisemalla yhtälöstä taajuus f res (=2 ). (39) Lisäksi rinnakkaisresonanssille voidaan laskea kaavalla (40) resonanssitaajuuden järjestysluku n, kun tiedetään piirin näennäisoikosulkuteho S kv ja kondensaattorin teho Q c [abb00a]. (40) Yliaaltojen hallitsemiseen voidaan käyttää kolmea pääperiaatetta, jotka ovat verkon ylimitoittaminen, yliaaltojen synnyn minimoiminen ja suodatus. Verkon ylimitoitus on menetelmistä perinteisin, mutta se ei ole taloudellisesti kannattavaa. Yliaaltojen syntyä voidaan minimoida muun muassa käyttämällä suuntaajakäytöissä ohjausta, joka on pulssiluvultaan suuri.[abb00a] Yliaaltojen suodatus perustuu niin sanottuihin imupiireihin, jotka viritetään yliaallon taajuudelle. Imupiiri koostuu sarjankytketystä kondensaattorista ja kelasta. Kukin kytkentä vastaa vain yhtä taajuutta, ja laittamalla resonanssipiirejä rinnan saadaan suodatusta useammalle yliaallolle. Perustaajuudella imupiiri on kapasitiivinen eli se tuottaa

24 15 loistehoa. Suodatusmenetelmä ei kuitenkaan sovellu kolmannen yliaallon suodatukseen, sillä kolmas yliaalto summautuu nollajohtimeen. Kaikkien vaiheiden kolmas yliaaltovirta on samassa vaiheessa ja tämän vuoksi nollajohtimeen summautuu virta joka on hetkellisarvojen summa eli kolminkertainen yhden vaiheen yliaaltovirtaan verrattuna.[mäk06] Kuvassa 2.4. on esitetty erään yliaaltosuotimen impedanssi (Z filter) ja verkon impedanssi (Z net) verkkotaajuuden monikertojen (yliaaltojen) funktiona. Kuva 2.4. Yliaaltosuotimen impedanssi verkkotaajuuden monikertojen funktiona.[abb00a] Kuvasta 2.4. voidaan havaita, että sarjaresonanssipiiri (imupiiri) on viritetty viidennelle ja seitsemännelle yliaallolle. Tällöin suotimen impedanssi on lähellä nollaa eli kaikki virta kulkee suotimeen. Aktiivisuodatus toteutetaan puolijohdetekniikalla siten, että rakennetaan yliaaltolähde, joka tuottaa verkkoon varsinaisen yliaallon kanssa saman taajuista, mutta 180 asteen vaihesiirrossa olevaa yliaaltoa. Keinotekoisesti tuotettu suodatusaalto ja varsinainen haitallinen yliaalto kumoavat toisensa. Aktiivisuodatuksen hyviä puolia ovat useiden eri taajuuksien suodatusmahdollisuus, rinnakkaisresonanssivaaran pieneneminen sekä estokelaparistoihin verrattuna vähäisempi tilantarve. Aktiivisuotimien yleistymistä on kuitenkin hidastanut puolijohdekomponenttien rajallinen suorituskyky ja estokeloihin verrattuna korkea hinta. [Mäk06] Raja-arvot harmonisille yliaaltopitoisuuksille on annettu standardissa SFS-EN ja ne on esitetty taulukossa 2.4.

25 16 Taulukko 2.4. Raja-arvot harmoniselle yliaaltojännitteelle.[stul06a] Parittomat Parilliset Järjestysluku Yläraja (%) Järjestysluku Yläraja (%) Järjestysluku Yläraja (%) , ,5 6 0,5 9 1,5 21 0,5 8 0,5 11 3,5 23 1,5 10 0, , ,5 Taulukossa 2.4. ei ole listattu järjestysluvultaan suurempia yliaaltoja, sillä niiden esiintyminen on epätodennäköisempää ja niiden amplitudit ovat pieniä. Jännitteen kokonaissärön (THD) raja-arvoksi on säädetty kahdeksan prosenttia. [STUL06a] 2.6. Sähkötekninen kuntotutkimus Luku 2.6. perustuu Sähkö- ja teleurakoitsijoiden liiton Kuntotutkijan Käsikirjaan, jonka ovat kirjoittaneet Esa Tiainen ja Roger Lehtonen vuonna 2002.[STUL02] Tarkoituksena on antaa kuva siitä, millainen kuntotutkimuksen tulisi olla ja kuinka se kannattaa toteuttaa. Sähkölaitteiston kuntotutkijan tehtäviin kuuluu selvittää, kuinka rakennuksen sähköjärjestelmä tai sen osat vastaavat tämän päivän vaatimuksia niin turvallisuuden kuin toiminnankin kannalta. Kuntotutkimuksessa käytetään mittausten ja testauksien lisäksi myös silmämääräistä arviointia. Tavoitteena on rakenteiden ikä huomioon ottaen selvittää mahdollisimman luotettavasti tutkittavan laitteen tai järjestelmän nykykunto ja toiminto. Kuntotutkimuksen eri vaiheita ovat tarpeen toteaminen, tilaaminen ja teettäminen, suunnittelu, varsinaisen tutkimuksen tekeminen, tutkimustulosten analysointi sekä tutkimuksen raportointi ja esittäminen tilaajalle. Nämä vaiheet on esitetty kuvassa 2.5. Kun tilaaja ja tekijä ovat päässeet sopimukseen sähköteknisen kuntotutkimuksen teettämisestä, alkaa tekijän puolelta tiedon keruu työn alla olevasta kohteesta. Kiintoisaa tietoa tekijälle ovat erityisesti tilastot sulakkeiden palamisesta, lamppujen palamisesta ja muiden laitteiden vioista. Lisäksi apuna voidaan käyttää tietoja kytkinkellojen käyntivirheistä, rakennusautomaation toiminnasta sekä hälytysten määrästä. Tietojen keräämisen jälkeen on hyvä selvittää tarpeellisten tietojen puuttumisesta aiheutuva haitta sekä lopullisesti rajata alue tai järjestelmä, jota kuntotutkimus koskee. Jos tilaajalla ja tekijällä on eriävä käsitys tutkimuksen painopisteistä, tulisi ne selvittää tässä vaiheessa, ennen kuin varsinainen kenttätyö aloitetaan.

26 17 Kuntoarvio tai muu tarve Lähtötietojen keruu - Vanhat piirustukset - Korjaushistoria - Tehdyt kuntoarviot ja tutkimukset - Asiakas- ja käyttäjäkyselyt Tutkimusohjelman laadinta - Tilaajan kanssa sovitaan kuntotutkimuksen laajuus Tutkimusvaihe - Silmämääräiset tarkastukset - Toimintatestaukset - Mittaukset - Tutkimukset Toimenpidesuositukset Kuva 2.5. Kuntotutkimuksen vaiheet Kenttätyövaiheessa on oltava selvillä siitä, että mitattavat kohteet ovat lopputuloksen kannalta oleellisia. Kun mitattavat kohteet ovat tiedossa, voidaan varata tai hankkia myös oikeat työkalut kenttätyön tekemiseen. Tyypillisiä tutkittavia kohteita eri järjestelmissä ovat aluesähköistys, kytkinlaitokset ja jakokeskukset, johtotiet ja johtoreitit, johdot ja varusteet, valaistus sekä lämmitys. Kaikille kohteille tehdään silmämääräinen tarkastus, testaus sekä mittaus. Aluesähköistyksestä todetaan silmämääräisesti muun muassa liittymisjohtojen sijainti, kunto ja asennusympäristö tontilla. Testattavia asioita voivat olla erilaiset ohjaustoiminnat ja pääkytkimen toiminta, jos se on mahdollista ilman suurta haittaa tilaajalle. Mittauksin voidaan tarkastella oikosulku- ja kuormitusvirtoja, jännitettä liittymäkohdassa, maadoituselektrodin yhtenäisyyttä ja tarvittaessa maadoitusresistanssia. Kytkinlaitoksille ja jakokeskuksille on tärkeää tehdä merkintöjen, keskustilojen siisteyden ja tarkoituksenmukaisuuden sekä keskuksien liitosten kunnon silmämääräinen tarkastus. Mitaten voidaan tarvittaessa todentaa keskuksen eristysresistanssi. Mittaus on työläs varsinkin vanhalle käytössä olevalle laitteistolle, koska se on tehtävä laitteiston ollessa jännitteetön. Vikavirtasuojien toimintavirrat sekä keskuksessa esiintyvät jännitteet ja lämpötilat on syytä mitata. Lämpötilojen mittaamiseen on hyvä käyttää infrapunalämpömittaria tai lämpökameraa. Lisäksi tärkeää informaatiota antavat lähtöjen tehot, virrat, tehokerroin sekä valaistus- ja moottorikuormille särömittaus. Mittausdataa on syytä kerätä riittävän pitkältä ajalta (yksi viikko) normaalin kuorman ollessa päällä.

27 Johtoteille ja johtoreiteille tehtäviä silmämääräisiä tarkastuksia ovat kaapelihyllyjen ja pinta-asennusten kunto, läpivientien kunto, poistettujen kaapelointien arviointi ja johtojen sijoituksen merkitys lisäkuormituksen kannalta. On myös hyvä arvioida putkitusten kunto sekä niiden uudelleenkäyttömahdollisuus. Testaamalla voidaan kokeilla kiinnitysten pysyvyys ja mittaamalla johdinteiden taipumat sekä lämpötila. Johtojen ja varusteiden arvioinnissa selvitetään käytössä olevat johdintyypit ja arvioidaan niiden soveltuvuus käyttöympäristöön. Pistorasioiden ja kytkimien kunto on myös syytä selvittää. Mittaamalla todennetaan riittävä eristysvastus, suojajohtimien jatkuvuus, vikavirtasuojien toiminta, vikavirtapiirin impedanssi ja moottorien käyntilämpötilat. Valaistuksesta tarkistetaan sen turvallisuus ja soveltuvuus kohteeseen työskentelyn tehokkuuden kannalta. Silmämääräisesti arvioidaan myös valaisimien mekaaninen ja valotekninen kunto. Turvavalaistus tulee testata testausohjeiden mukaisesti. Lisäksi voidaan mitata valaistusvoimakkuudet. Lämmityslaitteista arvioidaan silmämääräisesti laitteiden toimintakunto, lämmityksen ja säädön toiminta sekä mahdolliset energiansäästömahdollisuudet. Termostaatit ja ylivirtasuojat voidaan testata ja mitata. Tulosten analysointi tulee tehdä järjestelmittäin ja johtopäätösten tulee olla järkeviä. Täyden varmuuden saamiseksi voi olla tarpeen tehdä jatkotutkimuksia. Tuloksia arvioitaessa on selvitettävä kullekin mittaukselle ominaiset raja-arvot ja tuloksia kirjatessa muistiinpanoista seulotaan olennaisin ja kirjataan tulokset ymmärrettävään muotoon. Kun tutkimus on edennyt raportointivaiheeseen, täytyy raportista muokata sellainen, että se on tilaajalle helppolukuinen. Turhan yksityiskohtaista kuvausta tulee käyttää säästellen. Raportin on kuitenkin oltava havainnollinen ja siinä on oltava selkeät perustelut suositeltaville kehittämistoimenpiteille, jotta tilaajan on helppo toteuttaa ehdotetut toimenpiteet. Turvallisuus-, säästö- ja hyötyvaikutukset on tuotava selkeästi esille. Erityisesti turvallisuuteen liittyvät huomiot on aina ilmoitettava kiinteistön ja laitteiston haltijalle ja käyttäjälle. [STUL02] 18