POHJOIS-KARJALAN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Marko Kontturi Jouni Ålander ENERGIANSÄÄSTÖLAMPPUJEN VERKKOVAIKUTUKSET Opinnäytetyö Toukokuu 2008
2 OPINNÄYTETYÖ Toukokuu 2008 Tietotekniikan koulutusohjelma Karjalankatu 3 80200 Joensuu p. (013) 260 6800 Tekijä(t) Marko Kontturi, Jouni Ålander Nimeke Energiansäästölamppujen verkkovaikutukset Toimeksiantaja Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu. Tiivistelmä Työn aiheena oli energiansäästölamppujen aiheuttama muutos loistehossa sekä yliaalloissa yhden muuntopiirin alueella. Työssä oletettiin, että kaikki kokonaisen muuntopiirin hehkulamput vaihdettaisiin energiansäästölamppuihin. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää energiansäästölamppuihin vaihtamisesta koituva muutos ja kuinka sitä olisi järkevintä hallita teknisesti ja taloudellisesti. Työ suoritettiin tekemällä mittauksia eri valmistajien energiansäästölampuilla ja asuinhuoneistossa sekä tarkastelemalla valitun muuntopiirin tilannetta. Mittaustuloksista selvitettiin muuntopiirissä tapahtuva muutos ja pohdittiin tapoja mahdollisesti syntyvien ongelmien välttämiseksi ja hallitsemiseksi. Lisäksi tarkasteltiin perinteisten hehkulamppujen ja energiansäästölamppujen erojen vaikutusta energiataloudellisuuteen. Mittauksilla havaittiin, että energiansäästölamppujen vaikutukset voivat tulevaisuudessa lisätä loistehon kulutusta sekä kasvattaa yliaaltojen määrää merkittävästi. Tulosten avulla voitiin arvioida muutosten suuruusluokkaa muuntopiirissä. Muutoksia voidaan hallita esimerkiksi hankkimalla kompensointi- ja suodatuslaitteita. Kieli Suomi Sivuja: 49 Liitteet: 4 Asiasanat energiansäästölamppu, kompensointi, loisteho, yliaallot, jännitesärö
3 Author(s) Marko Kontturi, Jouni Ålander THESIS May 2008 Degree Programme in Information Technology Karjalankatu 3 80200 Joensuu FINLAND Tel. 358-13-260 6800 Title Effects of Energy Saving Lamps on Power Grid Commissioned by North Karelia University of Applied Sciences Abstract The purpose of this thesis was to examine the effects that changing of all incandescent lamps to energy saving lamps has on a transforming district. The thesis focused on the increase in reactive power and the third harmonic. The work was started by performing measurements to different manufacturer s energy saving lamps and gathering information of the selected district s power grid. From the results the changes in the power grid of transforming district were examined. Finally the means of avoiding and controlling the possible problems occurred by the change were considered. Also the differences in economic efficiency between the incandescent and energy saving lamps were considered. The measurements showed that energy saving lamps can affect the properties of power grid in the future by increasing the consumption of reactive power and harmonics. With the results the magnitude of the changes could be estimated. The changes can be controlled by installing compensation and filter units. Language Finnish Pages: 49 Appendices: 4 Keywords energy saving lamp, compensation, reactive power, distortion, third harmonic
4 ALKUSANAT Tämä opinnäytetyö on tehty Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun aloitteesta. Haluamme kiittää lehtori Osmo Massista mielenkiintoisen aiheen tarjoamisesta. Massinen on myös kannustanut sekä innostanut työn tekemiseen. Pohjois- Karjalan ammattikorkeakoulu on hankkinut tutkittavan materiaalin sekä antanut käyttöömme tarvittavat mittalaitteet sekä laboratoriotilat. Haluamme osoittaa kiitokset Fortum Espoo Distributionin käyttöpäällikölle Jarmo Strömille kiinnostuksesta ja mahdollisuudesta suorittaa mittauksia Fortumin verkkoalueella. Lisäksi kiitos kuuluu Fortumin käyttöinsinööri Kimmo Vainiolalle ja Empowerin Topi Mertaselle avusta mittalaitteiden asennuksessa muuntopiirin mittauksessa. Joensuussa 21.5.2008 Marko Kontturi Jouni Ålander
5 SISÄLTÖ ALKUSANAT...4 SISÄLTÖ...5 LYHENTEET...7 1 JOHDANTO...8 2 LOISTEHO JA YLIAALLOT...10 2.1 LOISTEHO...10 2.2 YLIAALLOT...11 3 LOISTEHON KOMPENSOINTI JA YLIAALTOJEN SUODATUS...13 3.1 KOMPENSOINTILAITTEISTOT...13 3.1.1 Kondensaattoriyksiköt... 13 3.1.2 Rinnakkaiskondensaattoriparisto... 13 3.1.3 Sarjakondensaattoriparisto... 14 3.1.4 Estokelaparisto... 15 3.2 LOISTEHON KOMPENSOINTITAVAT...16 3.2.1 Yksittäiskompensointi... 16 3.2.2 Kojeryhmän kompensointi... 16 3.2.3 Keskitetty kompensointi... 16 3.3 YLIAALTOJEN SUODATUS...16 3.3.1 Yliaaltojen hallinta... 17 3.3.2 Mitoitus... 18 3.3.3 Passiivinen suodatus... 18 3.3.4 Aktiivinen suodatus... 18 4 ENERGIANSÄÄSTÖLAMPUT...20 4.1 ENERGIANKULUTUS...20 4.2 VALOTEHOKKUUS JA ELINIKÄ...20 4.3 ENERGIANSÄÄSTÖLAMPPUJEN HEIKKOUKSIA...21 4. 4 ENERGIANSÄÄSTÖ...22 5 MITTAUKSET...23 5.1 YKSITTÄISTEN ENERGIANSÄÄSTÖLAMPPUJEN MITTAUKSET...23 5.1.1 Mittausjärjestelyt... 24 5.1.2 Yksittäisten lamppujen mittaustulosten analysointi... 25 5.2 MITTAUKSET HUONEISTOSSA...26 5.2.1 Mittausten suorittaminen... 27 5.2.2 Huoneistomittauksen tulosten analysointi... 29 5.3 MITTAUKSET MUUNTOPIIRISSÄ...30 5.3.1 Mittaustulosten käsittely... 32 5.3.2 Tehot... 32 5.3.3 Virta... 33 5.3.4 Jännite... 33 5.3.5 Muutosmalli... 33 6 TULOKSET...34 6.1 TULOSTEN JA LASKELMIEN ESITTELY...34 6.1.1 Mitatut ja muuttuneet tehot... 34 6.1.2 Mitatut ja muuttuneet virrat... 36 6.1.3 Jännitesärö... 38 6.2 TAULUKOIDUT ARVOT...39
7 PÄÄTELMÄT...40 7.1 KOMPENSOINNIN TOTEUTUSTAVAT TUTKITUSSA KOHTEESSA...40 7.2 YLIAALTOJEN SUODATUS TUTKITUSSA KOHTEESSA...41 7.3 KUSTANNUSTEN TARKASTELU...42 7.4 KOHTEESEEN SOVELTUVIA LAITTEITA...43 7.5 VASTUUKYSYMYKSET...44 8 POHDINTA...46 LÄHTEET...48 LIITTEET 6 LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 Yksittäisten lamppujen mittaustulokset Huoneistomittauksen tulokset Muuntopiirimittauksen tulokset sekä mallinnetut muutokset
7 LYHENTEET PC PE PF THD THF TN-C Sener Personal Computer, henkilökohtainen tietokone Protective Earth, suojamaadoitus Power Factor, tehokerroin, pätötehon ja näennäistehon suhde Total Harmonic Distortion, harmoninen kokonaissärö Third Harmonic Filter, 3. harmonisen yliaallon suodatin Nelijohdin järjestelmä, kolme vaihejohdinta ja yhdistetty nolla- ja suojamaajohdin Sähköenergialiitto
8 1 JOHDANTO Energiansäästölamput ovat tänä päivänä ajankohtainen puheenaihe. Ilmastonmuutoksen vuoksi yritetään etsiä uusia energiansäästökeinoja. Lisäksi kuluttajan näkökulmasta sähkön hinnan nousu saa harkitsemaan vaihtoehtoisia ratkaisuja perinteisille sähkölaitteille. Energiansäästölamput ovat entistä enemmän julkisuudessa niiden väitetyn energiataloudellisuuden vuoksi. Australiassa on päätetty kieltää perinteisten hehkulamppujen myynti vuoteen 2010 mennessä. Euroopan Unionin komissio valmistelee ehdotusta valaistuksen energiatehokkuuden parantamiseksi. Tästä saattaa seurata hehkulamppujen poistuminen markkinoilta myös EU:n alueella. Myös Suomessa on ollut keskustelua hehkulamppujen myynnin lopettamisesta. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan tulevaisuudessa hyvinkin todennäköistä tilannetta, jossa muuntopiirin alueen kaikki hehkulamput vaihdetaan energiansäästölamppuihin. Tarkoituksena on käsitellä lähinnä energiansäästölamppujen tarvitseman loistehon mahdollisen kompensoinnin tarvetta ja tapoja muuntopiirissä sekä niistä aiheutuvan kolmannen harmonisen yliaallon vaikutuksia. Muuntopiiri valittiin kerrostaloalueelta, sillä tarvitaan riittävän suuri määrä vaihdettavia lamppuja. Lisäksi asuinkiinteistöissä ei tavallisesti ole kompensointilaitteistoa ennestään. Pohdimme, minkälaisia ongelmia sekä tarvittavia toimenpiteitä tällainen muutos aiheuttaa sähköyhtiölle sekä asiakkaille. Koska kompensointityypin valintaan suuresti vaikuttaa verkon jännitteen laatu, näitä seikkoja on syytä tarkastella kokonaisuutena. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään ongelmaa yksityiskohtaisemmin sekä esitellään erilaisia menetelmiä loistehon ja yliaaltojen hallitsemiseen. Lisäksi selvitetään energiansäästölamppujen taloudellisuuden syitä sekä eroavaisuuksia hehkulamppuihin. Toisessa vaiheessa suoritetaan mittauksia eri valmistajien energiansäästölampuille sekä huoneistossa, jossa valaistukseen käytetään vuoroin hehkulamppuja ja energiansäästölamppuja. Saaduista mittaustuloksista lasketaan loistehon muutos sekä tarkastellaan yliaaltojen vaikutusta muuntopiirissä, jos kaikki heh-
9 kulamput vaihdettaisiin energiansäästölamppuihin. Tämän jälkeen selvitetään mahdolliset loistehon kompensointitavat sekä yliaaltojen hallitsemiskeinot ja vertaillaan soveltuvuutta kyseiseen kohteeseen. Yhteenveto-osuudessa tiivistetään tehdyt päätelmät sekä esitellään ratkaisuja mahdollisten ongelmien välttämiseksi. Lisäksi pohditaan mahdollisesti syntyvistä kustannuksista johtuvia vastuukysymyksiä. Opinnäytetyön muuntopiirin mittausvaiheessa tehtiin yhteistyötä Fortum Oyj:n kanssa. Fortum on Pohjoismaiden suurimpia sähköntuottajia, jolla on sähkönjakeluasiakkaita noin 1,6 miljoonaa. Mittaukset suoritettiin Fortumin verkkoalueella Joensuussa ja lisäksi käytetyistä mittalaitteista kaksi toimitti Fortum. Koimme aiheen erityisen kiinnostavana, koska se on ajankohtainen sekä keskustelua herättävä. Tietojemme mukaan tutkimusta vastaavasta aiheesta ei ole ennen tehty. Asia koskettaa jokaista kuluttajaa sekä sähkönjakeluyhtiötä.
10 2 LOISTEHO JA YLIAALLOT 2.1 Loisteho Monet sähkölaitteet tarvitsevat pätötehon lisäksi verkon kannalta haitallista loistehoa. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi moottorit, muuntajat sekä purkauslamput (näihin kuuluvat myös loistelamput). Loisteho ei osallistu niin sanotusti varsinaisen työn tekemiseen vaan pitää yllä tarvittavaa magneettikenttää. Mikäli loistehoa ei tuoteta paikallisesti kuormaa varten, se otetaan sähköverkosta. Tällöin loisteho kasvattaa kuorman virtaa, joka pienentää johtimen kapasiteettia siirtää hyödyllistä pätötehoa. /7/ Kaavassa 1 on eroteltu kokonaisvirrasta I pätö- ja loisvirtakomponentit I p ja I q : I = I + (1) 2 2 p I q Kuten kaavasta 1 voidaan nähdä, pienentämällä loisvirtakomponenttia myös kokonaisvirta pienenee. Tällöin pienennetään samalla pätötehohäviöitä. Tämä vaikuttaa ennen kaikkea johdinten sekä kojeiden mitoitukseen. Näennäis-, pätö- ja loistehojen välisiä suhteita kuvataan monesti tehokolmiolla: Loisteho saadaan seuraavilla kaavoilla 2, 3 ja 4 tehokolmiosta: S + 2 2 = P Q (2) P = S cosϕ (3) Q = S sinϕ (4) missä S = näennäisteho P = pätöteho Q = loisteho
11 2.2 Yliaallot Yliaallot ovat verkossa esiintyviä vaihtosähkön 50 Hz:n taajuuden monikertoja. Useimmin esiintyvä monikerta on kolmas yliaalto, jonka taajuus on 150 Hz. Yliaaltoja synnyttävät pääasiassa ylikuormitetut muuntajat, myös kodinelektroniikassa käytettävät hakkuriteholähteet ja tasasuuntaajat sekä taajuusmuuttajat ja purkauslamput. Kolmatta harmonista yliaaltoa synnyttävät vaiheen ja nollan väliin kytketyt yksivaiheiset kuormat kuten PC:t ja purkauslamput. Yksinkertaistettuna voidaan sanoa, että kuormat, joiden ottama virta poikkeaa sinimuodosta, ovat verkon kannalta yliaaltolähteitä. /1/ Kolmannen harmonisen yliaallon suurin haittavaikutus on sen aiheuttama yliaaltovirta nollajohtimessa. Yliaaltovirta voi nollajohtimessa kasvaa pahimmassa tapauksessa jopa 2-3-kertaiseksi verrattuna vaihejohtimessa kulkevaan virtaan. Myös vinokuorma aiheuttaa virtaa nollajohtimeen. Vinokuorma tarkoittaa tilannetta, jossa kolmivaihejärjestelmässä kuormitus on jakautunut epätasaisesti vaiheiden kesken. Erityisesti vanhemmissa rakennuksissa voi koitua ongelmaksi mitoitustapa, jonka mukaan esimerkiksi asuntojen nousujohtojen nollajohtimen poikkipinta-ala on vain puolet vaihejohtimesta. Tämä aiheuttaa johtimen lämpenemistä sekä eristeiden nopeaa vanhenemista. Koska nollajohdinta ei ole suojattu sulakkeella, voi ilmiöstä aiheutua jopa tulipalovaara. Yliaallot aiheuttavat myös jakelumuuntajissa häviöitä sekä ylimääräistä lämpenemistä./1/ Yliaaltojen seurauksena muuntopiirin jännite voi säröytyä. Jännitesärö tarkoittaa jännitteen aaltomuodon muuttumista epälineaariseksi. Kuvassa 1 on esitetty säröytyneen jännitteen käyrämuoto. Huonolaatuinen jännite aiheuttaa ongelmia laitteissa, jotka edellyttävät korkealaatuista sähköä. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi tietokoneet sekä telelaitteet. Jännitesärön vaikutuksiin kuuluvat myös johtimien lämpeneminen sekä sulakkeiden ja releiden toimintahäiriöt. Poistamalla yliaaltoja saadaan samalla pienennettyä jännitesäröä. /1/ Kuva 1. Säröytyneen jännitteen käyrämuoto. /10/
12 Loistehon kompensointitapaa valitessa verkon jännitesärö on oltava tiedossa, sillä vääränlainen kompensointi vahvistaa yliaaltoja. Jännitesärö ilmoitetaan THD-arvona (Total Harmonic Distortion), joka ilmoittaa prosenttilukuna verkossa esiintyvien yliaaltokomponenttien suuruuden suhteessa normaaliin sinimuotoiseen aaltoon.
13 3 LOISTEHON KOMPENSOINTI JA YLIAALTOJEN SUODATUS 3.1 Kompensointilaitteistot Kompensointilaitteita käytetään tuottamaan kuorman tarvitsemaa loistehoa. Tavallisesti kompensointi kytketään kuorman kanssa rinnan sähköverkkoon. Laitteita on erilaisia eri käyttötarkoituksiin. 3.1.1 Kondensaattoriyksiköt Nykyisin pienjännitteiset kondensaattorielementit valmistetaan yleisimmin polypropyleenikalvosta. Elementit on nykyisin valmistettu ilman kyllästysnesteitä ja ne ovat rakenteeltaan kuivia. Jokainen elementti on rakennettu sisäisellä suojalla ylivirtoja, ylilämpöä ja ylipaineita vastaan. Elementit on tehty itseparantuviksi eli läpilyönnin tapahtuessa elementissä metallointikerros höyrystyy ja elementti jää oikosulkuun. /7/ Pienjänniteyksikkö rakentuu useasta elementistä, jotka on kytketty rinnan. Useimmiten yksiköt ovat 3-vaiheisia ja ne on kytketty tähteen tai kolmioon sisäisesti. Kondensaattorien koko on yleensä 2,5-100 kvar. Suurjänniteyksikkö on joko öljy tai kuivaeristeinen. Sen elementit sisältävät sisäisen sulakkeen ja yksiköt sisältävät purkausvastuksen. /7/ 3.1.2 Rinnakkaiskondensaattoriparisto Kuorman kanssa rinnan kytketyt paristot on jaettu kahdeksi ryhmäksi, kiinteät ja säädettävät paristot. Säädettävä eli automatiikkaparisto liitetään sähköverkkoon ja tämä muuttaa kondensaattoritehoa portaittain, kun taas kiinteän pariston kondensaattoriteho pysyy samana. Kiinteää kondensaattoria käytetään ainoastaan tilanteissa, joissa kuormitus ei muutu juuri ollenkaan. Käytännössä sähkön-
jakeluyhtiöt eivät salli verkossaan kiinteitä kompensointilaitteita pois lukien sellaiset tehdasympäristöt, joissa loistehon tarve ei vaihtele. /7/ 14 Keskijänniteverkossa käytetään teholtaan suuria kondensaattoriparistoja, jotka tulevat halvemmiksi kvaria kohti kuin pienet paristot, vaikka pienten kondensaattorien avulla kompensointi saataisiinkin lähemmäksi kulutuspisteitä. Rinnakkaiskondensaattoreita käytetään kohteissa joissa yliaaltoja ei juuri esiinny. /7/ Pienjänniteverkossa automatiikkapariston ohjaus hoidetaan yleensä loistehonsäätäjän avulla. Säätäjään on aseteltu halutut havahtumiskynnykset niin induktiiviselle kuin kapasitiiviselle puolelle. Virtamuuntajan avulla mitataan syötöstä kuormitusten loistehon tarvetta, jonka mukaan kondensaattoriportaita kytkeytyy päälle tai pois säätimen avulla. Automatiikkaparistot ovat käytössä keskitetyssä kompensoinnissa pää- ja ryhmäkeskuksissa. /7/ Kuva 2. Automatiikkaparisto /5/ 3.1.3 Sarjakondensaattoriparisto Kantaverkossa käytetty kompensointimalli, jonka tarkoitus on pienentää siirtolinjoilla esiintyvää induktanssia. Paristolla voidaan parantaa tehonsiirtokapasiteet-
15 tia jopa 30 50 %. Sarjakondensaattoriparisto on käytössä johdinten tehonsiirtokyvyn takaamiseksi eikä niinkään loistehon kompensointia silmällä pitäen. Monet sähköyhtiöt eivät salli nykyisin käytettävän tavallista, ilman estokeloja tai suodatinta olevaa kondensaattoriparistoa. /7/ 3.1.4 Estokelaparisto Yliaaltopitoisessa verkossa loistehon kompensointiin käytetään estokelaparistoa. Estokela suojelee verkkoa resonanssi-ilmiöltä. Resonanssi-ilmiö syntyy, kun verkkoon kytketään kondensaattori. Kondensaattori muodostaa rinnakkaisresonanssipiirin verkon kanssa. Jos resonanssitaajuudella esiintyy yliaaltoja, ne vahvistuvat moninkertaisiksi. Estokelaparistoa suositellaan käytettäväksi, kun jännitteen harmoninen kokonaissärö (THD) on yli 3 %. Yliaaltopitoisissa verkoissa sekä pien- että keskijännitteellä käytetään estokelaparistoa mm. keskitettyyn kompensointiin. /7/ Vakiotehoisten laitteiden tai laiteryhmien loistehon kompensoinnissa käytetään kiinteitä estokelaparistoja (kuva 3). Kuva 3. Estokelaparisto /5/
16 3.2 Loistehon kompensointitavat 3.2.1 Yksittäiskompensointi Yksittäiskompensoinnilla tarkoitetaan kompensoitavan laitteen läheisyyteen sijoitettavaa kyseiselle laitteelle mitoitettua kiinteää kondensaattoria. Yksittäiskompensointia käytetään yleensä moottoreilla ja joissain tapauksessa tehokkailla purkauslampuilla. Edellytyksenä yksittäiskompensoinnille on loistehon pieni vaihtelu. /2/ 3.2.2 Kojeryhmän kompensointi Kojeryhmän kompensointia käytetään esimerkiksi valaistuksen yhteydessä. Kompensointilaitteisto on yleensä kiinteä ja se sijoitetaan ryhmäkeskukseen tai sen läheisyyteen ja varustetaan kytkimellä ja sulakkeilla. /2/ 3.2.3 Keskitetty kompensointi Keskitetty kompensointi hoidetaan automatiikkaparistoilla, jotka sijoitetaan pääkeskukseen ja varustetaan sulakelähdöillä. Loistehonsäädin hoitaa kompensoinnin ohjauksen kytkemällä kondensaattoriportaita päälle tilanteen mukaan samalla estäen ylikompensoinnin. Jos verkossa esiintyy yliaaltoja, käytetään kompensoinnissa joko estokelaparistoja tai yliaaltosuodattimia. /2/ 3.3 Yliaaltojen suodatus Lain mukaan jakeluverkon haltija on vastuussa jännitteen laadusta siihen kohtaan saakka, josta asiakas liittyy jakeluverkkoon. Tästä johtuen myös yliaaltojen vähentäminen jää yleensä verkonhaltijan harteille. Kuitenkin joidenkin asiakkaiden kohdalla on ollut kannattavaa hankkia omat suodatinlaitteistot. Tällaisia ovat olleet esimerkiksi suuret toimistot, sairaalat sekä tehtaat. Taloudellisesti on
17 kuitenkin hankala löytää täyden suojan antavia kokonaisuuksia. Niinpä monessa tapauksessa pyritään tiettyyn virhemarginaaliin mahtuvaan, taloudellisesti kannattavaan ratkaisuun. Yliaaltojen suodatukseen tarkoitetut laitteet sisältävät yleensä myös loistehon kompensointiyksikön, joten molempien hankinta tapahtuu yhdellä kertaa. /10/ Taulukossa 1 on esitetty Sähköenergialiitto Senerin määrittelemät rajat sallituille virran yliaaltopitoisuuksille kuluttajan liittymispisteessä tarkasteltuna. Referenssivirta on liittymän mitoitusvirta. Tehopohjaisissa liittymissä referenssivirta on laskettava kaavalla 5: I ref P = (5) 3 U n Taulukko 1: Suositellut virran kokonaissärön enimmäismäärät. /10/ Referenssi- Suositeltava raja virta 25 A Saa käyttää laitestandardien mukaisia laitteita. > 25A 200A Virran harmoninen kokonaissärö saa olla enintään 10 % referenssivirrasta. > 200A Virran harmoninen kokonaissärö saa olla enintään 8 % referenssivirrasta, mutta kuitenkin vähintään 20 A sallitaan. Lisäksi yksittäisten yliaaltojen osalta: järjestysluku n sallittu arvo referenssivirrasta <11 7,0 % 11-16 3,5 % 17-22 2,5 % 23-34 1,0 % >34 0,5 % 3.3.1 Yliaaltojen hallinta Perinteisesti yliaaltoja on hallittu ylimitoittamalla verkkoa sekä vähentämällä yliaaltolähteitä. Samalla on pyritty hallitsemaan loistehontarpeessa tapahtuvia heilahteluja. Tämä ei kuitenkaan ole taloudellisesti kovin mielekästä. Yliaaltojen suodatus hoidetaankin yleensä imupiirejä käyttämällä. Imupiireillä ei kuitenkaan
18 voida suodattaa kolmatta harmonista yliaaltoa, vaan sitä varten on olemassa erillisiä suodattimia. Suodatuslaitteet on jaettu passiivisiin ja aktiivisiin suodattimiin. /2/ 3.3.2 Mitoitus Yliaaltosuodatuksen mitoituksessa tarvitaan mitatut tiedot verkon ominaisuuksista, kuten loistehon määrä, yliaaltovirtojen suuruudet täydellä sekä tyypillisellä kuormalla. Nämä tiedot voidaan myös arvioida kuormitustietojen pohjalta. Lisäksi tarvitaan keskuksen oikosulkuteho sekä suhteellinen impedanssi. Suurin määräävä tekijä suodattimen valinnassa on sen kyky tuottaa tarvittava loisteho. /2/ 3.3.3 Passiivinen suodatus Passiivisella suodatuksella tarkoitetaan imupiireillä tapahtuvaa suodatusta. Jokainen yliaaltotaajuus vaatii oman suodatinhaaran. Imupiirejä käytetään poistamaan viides ja seitsemäs yliaalto. Imupiirisuodatus perustuu verkkoon kytkettävien kondensaattoreista ja induktansseista koostuvien sarjaresonanssipiirien toimintaan. Ongelmana passiivisessa suodatuksessa on verkon ja suodattimen impedanssien suhteen muuttuvuus. Tämä voi pahimmillaan aiheuttaa rinnakkaisresonanssin, joka voimistaa yliaaltoja merkittävästi. Lisäksi passiivisen suodatuksen tuottaman loistehon määrä on vakio, joten niitä ei voida käyttää kohteessa, jossa loistehon tarve vaihtele. /2/ 3.3.4 Aktiivinen suodatus Aktiivinen suodatin on laite, joka pyrkii muuttamaan verkon jännitemuodon takaisin sinimuotoon. Suodatin syöttää verkkoon yliaaltojen kanssa samaa taajuutta, mutta vastakkaisessa vaiheessa olevia yliaaltokomponentteja. Summautuessaan nämä kumoavat toisensa. Aktiivinen suodatin voi siis reagoida nopeasti verkossa tapahtuviin muutoksiin. Lisäksi sillä voidaan tuottaa tarvittava määrä loistehoa pitämään tehokerroin haluttuna. On myös olemassa suodatti-
19 mia, jotka on suunniteltu ainoastaan yleisimmän eli kolmannen yliaallon suodatukseen. Nämä suodattimet voivat poistaa yliaallot lähes kokonaan, mutta kaikki mallit eivät sisällä loistehon kompensointia. Paras tulos kolmannen yliaallon suodattamiseksi saadaan, kun suodatin sijoitetaan mahdollisimman lähelle yliaaltolähdettä. Kuvassa 4 on ABB:n kolmannen yliaallon suodatin THF /2/ /5/ Kuva 4. Kolmannen yliaallon suodatin THF /1/
20 4 ENERGIANSÄÄSTÖLAMPUT Energiansäästölampuiksi kutsutaan pienoisloistelamppuja, jotka sopivat samanlaiseen kierrekantaan kuin hehkulamput. Energiansäästölampun toimintaperiaate on sama kuin tavallisella loisteputkella, mutta kehittyneen elektroniikan ansiosta sytytyslaitteisto on saatu sovitettua lampun kantaan. Energiansäästölamppuja markkinoidaan pienemmän tehonkulutuksen sekä pidemmän eliniän avulla. 4.1 Energiankulutus Kotitaloudet käyttävät valaistukseen vuosittain noin 1617 GWh. Tästä suurin osa eli noin 83 % kuluu hehkulamppujen kautta. Valaistuksessa voidaan saada runsasta säästöä, joka kotitalouksissa on helpoin saavuttaa muuttamalla valonlähdejakaumaa valotehokkaampaan suuntaan. Energiansäästölamppujen avulla tämä on helppo toteuttaa, sillä ne sopivat entisiin valaisimiin eikä näin ollen tarvita muita investointeja kuin itse lamput. On arvioitu, että vaihtamalla kaikki hehkulamput energiatehokkaampiin vaihtoehtoihin voitaisiin sähkönkulutusta vuodessa laskea jopa 1000 GWh. Näissä arvioissa ei tosin ole otettu huomioon, että hehkulamppujen tuottama lämpö voidaan osin vähentää lämmityskuluista ja kaikkia hehkulamppuja ei voida korvata energiansäästölampuilla esimerkiksi kylmissä tiloissa. /9/ 4.2 Valotehokkuus ja elinikä Vertailuissa käytetään yleensä suuretta lm/w, joka ilmoittaa lampun tuottaman valovirran määrän jokaista kulutettua wattia kohti. Tyypillisesti perinteinen hehkulamppu tuottaa noin 12 lm/w ja käyttöikä noin 1000 tuntia. Energiansäästölamppujen vastaavat lukemat ovat 55 lm/w ja 12000 15000 tuntia. Hehkulamppujen arvioitu polttoaika on noin 500 tuntia vuodessa. Tämän mukaan hehkulampun elinikä on noin kaksi vuotta ja energiansäästölampulla 30 vuotta. Käytännössä 30 vuoden elinikä tuskin toteutuu. /8/
21 Hehkulampun käyttöikää saadaan kasvatettua jännitettä pienentämällä, mutta tällöin myös valovirta laskee. 10 % jännitteenalenema pidentää eliniän noin kaksinkertaiseksi. Himmennin on kytkimen tilalle asennettava laite, jolla voidaan säätää valaisimelle menevää jännitettä. Hehkulamppujen himmentäminen on helppo toteuttaa tavallisella potentiometrillä eli säädettävällä vastuksella. Tavallisia energiansäästölamppuja ei kuitenkaan voida himmentää potentiometrillä, mutta ainakin yhdellä valmistajalla on markkinoilla malli, joka toimii tavallisen himmentimen kanssa. Himmennettävä energiansäästölamppu on tosin huomattavasti kalliimpi. 4.3 Energiansäästölamppujen heikkouksia Energiansäästölamppujen käytössä on edelleen joitakin heikkoja kohtia. Vaikka energiansäästölamppu onkin hehkulamppua paljon valotehokkaampi, sen käyttämästä energiasta vain noin kolmasosa muuttuu valoksi, kuten kuvasta 5 voidaan havaita. Kuva 5. Energiansäästölampun kuluttaman energian jakautuminen /6/ Lisäksi energiansäästölamppujen elinikä laskee, jos ylitetään valmistajan määrittelemä sytytyskertojen määrä. Näin ollen energiansäästölamppuja ei suositel-
22 la käytettäväksi paikoissa, joissa valaisinta kytketään usein päälle ja pois, esimerkiksi liiketunnistimen kanssa. Kalliimmissa malleissa kytkentäkertojen määrä on tosin jo jopa 500000 tietyin ehdoin. Vaikka uusilla sytytyslaitteistoilla varustetut lamput syttyvät nopeasti, ne saavuttavat täyden valotehon vasta yli kahden minuutin kuluttua. /6/ 4. 4 Energiansäästö Seuraavassa laskelmassa (taulukko 2) on laskettu yhden valaisinpisteen kulut 15 vuoden ajalle. Oletetaan, että energiansäästölampun elinikä on 15000 ja hehkulampun 1000 tuntia, jolloin niitä on kulunut noin seitsemän kappaletta. Valaisinta pidetään päällä 500 tuntia vuodessa. Sähkön hintana käytetään 0,8 /KWh. Taulukko 2. Yhden valaisinpisteen aiheuttamat kustannukset Teho Sähkölasku/a Kulut/15a (W) KWh/a ( ) ( ) Hehkulamppu kappalehinta 0,4 60 30 24 362,8 Energiansäästölamppu kappalehinta 14,8 11W 5,5 4,4 80,8 Jo yhden energiansäästölampun vaihtamisesta aiheutuva säästö pitkällä aikavälillä on selvä. Energiansäästölamppuja käyttämällä pienenevät samalla muun muassa valmistus- ja pakkausmateriaalien käyttö sekä valmistukseen ja kuljettamiseen käytetty energia, koska ostettavien lamppujen kappalemäärät pienenevät. Vaihtamalla yhden hehkulampun energiansäästölamppuun ja säästämällä vuodessa sähköä noin 25 KWh pienenevät sähköntuotannosta johtuvat hiilidioksidipäästöt noin viidellä kilolla. Toisaalta energiansäästölampun sisältämä elohopeahippu tekee siitä ongelmajätettä. /4/
23 5 MITTAUKSET 5.1 Yksittäisten energiansäästölamppujen mittaukset Eri valmistajien energiansäästölampuille suoritettiin mittauksia, jotta saataisiin selvitettyä niiden todelliset tehonkulutukset sekä niiden ottaman virran ominaisuuksia. Mittauksilla haluttiin tutkia loistehon kulutusta ja aaltomuodon säröytymistä. Yksittäisten lamppujen mittauksen tarkoituksena on tukea myöhempiä mittauksia. Työtä aloitettaessa oli ajatuksena tutkia myös halpojen ja kalliiden energiansäästölamppujen eroja mitattavien ominaisuuksien puolesta. Halpoja tuotteita ei saatu hankittua mittauksia varten. Kaikki mittauksessa olleet energiansäästölamput ovat asiantuntevilta valmistajilta, joten on mahdollista, että halvemmissa malleissa on huonompi tehokerroin. Tämän mittauksen tuloksia ei käytetä laskettaessa muuntopiirin muuttuneita tehojen arvoja. Tehon mittaukseen käytettiin Provan Power Analyzer WM-01:tä ja yliaaltojen mittaamiseen Fluken 43B Power Quality Analyzeriä. Saimme mittauksissa käytetyt lamput Pohjois-Karjalan AMK:lta. Fluke 43B kytkettiin kuvan 6 esittämällä tavalla ja Prova WM-01 kytkettiin siten, että käyttöjännite kulki mittarin läpi. Kuva 6. Mittarin kytkentä
24 5.1.1 Mittausjärjestelyt Mittaukset tehtiin koulun sähkölaboratoriossa ja jännitelähteenä käytettiin Telemerkin mittauspöytää, jolla voitiin säätää jännite tarkalleen 230 V:iin. Lamput kiinnitettiin tavalliseen kierrekantaan johon oli yhdistetty johdinliittimet. Lampun sytyttyä sen annettiin lämmetä noin neljä minuuttia ennen arvojen kirjaamista. Mittalaitteista luettiin seuraavat tiedot: WM-01: - virta (A) - jännite (V) - pätöteho (W) - näennäisteho (VA) - tehokerroin (PF) Fluke 43B: - virran kokonaissärö (%) - virran 3. harmoninen yliaalto (%). Mittaustuloksista laskettiin lamppujen ottama loisteho kaavalla 6, jota voidaan havainnollistaa tehokolmiolla: Q 2 2 = S P (6) jossa Q = Loisteho (Var) S = Näennäisteho (VA) P = Pätöteho (W) Lampputyypit ja mittaustulokset on esitetty liitteessä 1.
25 5.1.2 Yksittäisten lamppujen mittaustulosten analysointi Kaikissa mitatuissa energiansäästölampuissa havaittiin kohtalaisen matalat tehokertoimet sekä huomattavaa virran säröytymistä. Lamppujen tehokertoimet olivat tehosta ja valmistajasta riippumatta samalla tasolla, noin 0,6 0,67. Kaikki mittauksessa olleet energiansäästölamput siis ottavat verkosta loistehoa suurin piirtein samalla suhteella ilmoitettuun pätötehoon nähden. Yliaaltomittaukset osoittavat, että lamppujen ottama virta poikkeaa selvästi sinimuotoisesta aallosta. Kokonaissärön arvot vaihtelevat 70 90 % kuormitusvirrasta. Mittauksessa THD:n arvo vaihteli, mutta otimme lukemat keskiarvoksi katsomamme arvon kohdalta. Energiansäästölamput tuottavat siis verkkoon yliaaltoja. Yliaaltojen amplitudit ovat kuitenkin suhteellisen pieniä, koska lamppujen ottama virta on alle 100 ma. Ongelmaksi ilmiö voi tulla siinä tilanteessa, kun energiansäästölamppujen käyttö kasvaa. Vaikka energiansäästölamput sisältävätkin kondensaattorin sekä häiriönsuodatuspiirin, ne ottavat siitä huolimatta verkosta loistehoa sekä tuottavat yliaaltoja. Seuraavassa taulukossa (3) on mittaustuloksista laskettu, kuinka pätö- ja loistehot muuttuvat, kun hehkulamput vaihdetaan energiansäästölamppuihin. Laskelmassa lamppujen määräksi valittiin 1000 ja tehoiksi hehkulampuille 60 W ja energiansäästölampuille 7 W. Taulukko 3: Tehojen muutokset pätöteho (W) loisteho (var) Hehkulamppu (1000 kpl, 60W) 57700 0 Energiansäästölamppu (1000 kpl, 7W) 6900 8848 Erotus 50800 8848 Taulukosta 3 voidaan nähdä, että samalla kun pätötehon tarve laskee 50,8 kw, loistehoa tarvitaan 8,8 kvaria enemmän. Tämä vaikuttaa suoraan muuntopiirin tehokertoimeen. Lisäksi voidaan laskea, että sähköntoimittajan pätötehon myynti laskee vuodessa noin 445 000 kwh ja sähkön hinnalla 10 snt/kwh rahallinen menetys on 44 500.
26 5.2 Mittaukset huoneistossa Selvittääksemme energiansäästölamppujen vaikutuksia todellisessa käyttötilanteessa suoritettiin mittauksia kerrostalohuoneistossa. Mittauksilla tutkittiin, kuinka paljon yhden asunnon sähköpiirin ominaisuuksiin energiansäästölamppuihin vaihtaminen vaikuttaa ja havaituista tuloksista luoda malli, jolla muuntopiirissä tapahtuvaa muutosta voisi arvioida. Tarvittiin tietoja siitä kuinka paljon virta, tehonkulutus ja tehokerroin muuttuvat ja millainen on vaikutus käyrämuotoon sekä yliaaltoihin. Huoneiston mittauksessa käytettiin samoja lamppuja kuin edellä mainitussa yksittäisten lamppujen mittauksessa. Mittaukset suoritettiin 80-luvulla rakennetussa kerrostalohuoneistossa, jossa oli yksivaiheinen ryhmäkeskus ilman PE-johdinta eli TN-C järjestelmä. Arvot mitattiin ryhmäkeskuksen kiskoista. Mittarina oli Fluken 43B Power Quality Analyzer, jonka kanssa käytettiin Fluken omia hauenleukaliittimiä ja virtapihtiä. Kytkentä on esitetty kuvassa 7. Kuva 7: Mittauskytkentä
27 5.2.1 Mittausten suorittaminen Huoneistoon pyrittiin järjestämään normaali kulutustilanne muiden laitteiden osalta, jonka vuoksi päälle jätettiin eniten käytettäviä sähkölaitteita. Muuten asuntoon sytytettiin kaikki mahdolliset valot, jotta nähtäisiin, kuinka suuret vaikutukset voivat enimmillään olla. Lisäksi mittasimme pelkän valaistuksen osalta samat arvot eli muut sähkölaitteet valaistusta lukuun ottamatta irrotettiin. Pakastin ja jääkaappi kytkettiin irti mittausten ajaksi, koska ne olisivat saattaneet käynnistyä kesken mittauksen ja aiheuttaa vääristymiä tuloksiin. Mittarista otettiin ylös seuraavat tiedot jokaisessa mittauksessa: - jännite (V) ja virta (A) käyrämuotoineen - pätö- (W), näennäis- (VA), ja loistehot (var) - virran kokonaissärö (A) ja 3. harmoninen yliaalto (A) - säröytyneen virran osuus kokonaisvirrasta (%). Ensimmäisessä mittauksessa kaikki asunnossa käytettävät kierrekantaiset lamput olivat hehkulamppuja. Huoneistossa päällä olleet sähkölaitteet: - Valaistus E27 6 kpl 60 W E14 4 kpl 40 W Halogeeni 3 kpl 50 W Loisteputki 2 kpl 18 W - Tv - Digiboksi - Pöytätietokone Toisessa mittauksessa hehkulamput vaihdettiin eri valmistajien energiansäästölamppuihin. Korvattavien lamppujen mitoituksessa käytettiin valmistajien suosituksia, eli 60 W:n hehkulamppua vastaa 11 W:n energiansäästölamppu ja 40 W:n hehkulamppua vastaa 7 W:n energiansäästölamppu.
28 Huoneistossa päällä olleet sähkölaitteet: - Valaistus E27 6 kpl 60 W 11 W E14 4 kpl 40 W 7W Halogeeni 3 kpl Loisteputki 2 kpl - Tv - Digiboksi - Pöytätietokone 50 W 18 W Kolmannessa mittauksessa mitattiin jälleen energiansäästölampuilla, mutta muut sähkölaitteet kytkettiin irti. Huoneistossa päällä olleet sähkölaitteet: - Valaistus E27 6 kpl 60 W 11 W E14 4 kpl 40 W 7W Halogeeni 3 kpl Loisteputki 2 kpl 50 W 18 W Neljättä ja viimeistä mittausta varten lamput vaihdettiin takaisin hehkulampuiksi ja mitattiin myös niillä tilanne pelkän valaistuksen osalta. Huoneistossa päällä olleet sähkölaitteet: - Valaistus E27 6 kpl 60 W E14 4 kpl 40 W Halogeeni 3 kpl 50 W Loisteputki 2 kpl 18 W
29 Mittaustulosten taulukointi sekä mittarin näyttökaappaukset on esitetty liitteessä 2. 5.2.2 Huoneistomittauksen tulosten analysointi Mittaustulokset vastasivat etukäteen tehtyjä arvioita, sekä tukivat yksittäisistä lampuista tehtyä mittausta. Pätö- ja loistehojen osalta tilanne oli yhtä poikkeusta lukuun ottamatta selkeä. Energiansäästölamppuihin vaihto pienentää pätötehon tarvetta, mutta samalla verkosta otetun loistehon määrä kasvaa. Tämän seurauksena tehokerroin pienenee. Ensimmäisessä mittauksessa, jossa käytettiin hehkulamppuja normaalissa kuormitustilanteessa, tehokerroin ei ole todellisuudessa tasan 1 vaan hieman alle, koska virtapiiri ottaa loistehoa. Mittari pyöristää tuloksen kahden desimaalin tarkkuuteen. Poikkeus ennakkoarvioihin mittauksissa syntyi, kun mitattiin arvoja pelkän valaistuksen osalta. Energiansäästölampuista hehkulamppuihin siirryttäessä loisteho ei laskenut, kuten muiden mittausten perusteella olisi ollut syytä olettaa. Myöhempien mittausten tuloksia selvitettäessä huomattiin, että kyseinen mittari saattoi antaa täsmälleen saman tehoarvon jopa kymmenen minuutin ajan. Virhe luultavasti johtuu siis mittarin tavasta laskea ja käsitellä mitattuja tehoja. Virran ominaisuuksien muutokset olivat kuitenkin kaikissa mittauksissa odotetunlaisia. Kokonaisvirta energiansäästölampuilla oli luonnollisesti huomattavasti pienempi, kun taas kolmannen harmonisen virran arvo kasvoi. Myös virran kokonaissärö THD kasvoi reilusti; kuten mittauskuvista (liite 2) voidaan nähdä, energiansäästölamput tuottavat verkkoon myös muita perusaallon moninkertoja. Tärkeää mittaustuloksista on huomioida se, että vaikka kokonaisvirran pienenemisen myötä yliaaltojen suhteellinen osuus kasvaa runsaasti, niin myös yliaaltojen konkreettinen virran määrä kasvaa suuremmaksi hehkulamppujen käyttöön nähden.
30 Vaikka kyseinen mitattu tilanne toistuisi laajemmassa mittakaavassa, suhteellisten arvojen ei kuitenkaan pitäisi muuttua. Virran ja harmonisten yliaaltojen suhde käytetyllä kuormitusmallilla säilyy siis samana kokonaisvirrasta riippumatta. Sama sääntö pätee myös tehojen suhteen. 5.3 Mittaukset muuntopiirissä Valitun muuntopiirin todellisen kuormitustilanteen selvittämiseksi, mitattiin viikon ajan arvoja muuntopiirin kolmesta eri pisteestä: muuntamolta, jakokaapilta sekä kerrostalon pääkeskuksen liittymästä. Mittauksen tarkoituksena oli saada laskennassa käytettäviä arvoja sekä mahdollisesti tarkastella jo olemassa olevien yliaaltojen käyttäytymistä. Mittauksia suoritettiin samanaikaisesti kolmessa paikassa, jotta voitaisiin seurata muutosten vaikutuksia eri yhdyspisteissä. Tarkkoja tietoja tarvitaan valittaessa ja mitoitettaessa esimerkiksi mahdollisia kompensointilaitteistoja tai yliaaltosuodattimia. Valittu muuntopiiri sijaitsee Joensuun keskustassa ja alueella on lähinnä ainoastaan kerrostaloja. Muuntamo syöttää näiden lisäksi myös katuvalaistusta. Muuntamo sijaitsee kerrostalon alakertaan varatussa tilassa, johon 20 kv:n linja tulee maakaapelina. Liittymiä muuntamolta on yhteensä 28 kappaletta, joiden liittymäkoot vaihtelevat välillä 100 160 A sekä 100 A katuvalokeskukselle. Muuntajan nimellisteho on 800 kva. Muuntamolta mitatulle jakokaapille on matkaa noin korttelin verran ja jakokaappi sijaitsee mitattavan kerrostalon kyljessä. Kuvassa 8 on esitetty kaavio mittaustilanteesta. Kuva 8: Kaaviokuva mittaustilanteesta
31 Mittaus suoritettiin 16.- 23.4.2008 yhteistyössä Fortum Oyj:n kanssa, joka toimitti kaksi mittalaitetta ja suoritti mittarien asennuksen. Muuntamolla mittaukseen käytettiin Memobox 800 -mittaria, jolla mitattiin virta muuntajan kannelta lähtevistä pienjännitekaapeleista ja jännite laitekaapissa olevilta sulakkeilta (kuva 9). Kuva 9: Jännitemittaus muuntamolla Jakokaapilla mittarina käytettiin Memobox 300 -mittaria, jolla virta mitattiin jakokaapin kahdesta rinnankytketystä syöttökaapelista ja jännite jännitekiskoista (kuva 10). Kuva 10: Jännitemittaus jakokaapilla
32 Muuntamolla mittarin mittausväli oli 10 minuuttia ja jakokaapilla yksi minuutti. Molemmat mittarit tallensivat mittausjakson ajan samoja suureita: - jännite (V) ja jännitesärö THD (%) - virta (A) ja virran kokonaissärö THD (%), nollajohtimen THD (%) - pätöteho (W), loisteho (var) ja näennäisteho (VA) - tehokerroin PF. Kerrostalon pääkeskuksella liittymiskaapelilta arvoja mittasi Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun mittari Fluke 435. Jännitteenmittaus tehtiin pääkeskuksen vieressä olevasta voimapistorasiasta. Mittarin mittausväli oli yksi minuutti ja se tallensi seuraavia suureita: - jännite (V) ja jännitesärö THD (%) sekä jännitteen 3., 5. ja 7. harmoniset yliaallot (%) - hirta (A) ja virran kokonaissärö THD (%) ja 3., 5. ja 7. harmoniset virran yliaallot (%) - pätöteho (W), loisteho (var) ja näennäisteho (VA) - energiankulutus (kwh ja varh) - tehokerroin PF. 5.3.1 Mittaustulosten käsittely Muuntopiirimittauksen tulosten käsittely aloitettiin muuntamalla mittareiden tallentamat tiedot Excel-taulukoiksi. Mittausdataa kertyi runsaasti, sillä esimerkiksi liittymää mitannut mittari tallensi jokaiselle suureelle noin 40 000 arvoa. Mittaustuloksia analysoitiin tehojen ja virran yliaaltojen suhteen. 5.3.2 Tehot Tehojen tarkastelulla pyrittiin selvittämään mahdollisen loistehon kompensoinnin tarvetta ja kokoluokkaa sekä kompensoinnin sijoituspaikkaa. Aluksi laskettiin aikaisempien mittausten perusteella tehojen muutokset energiansäästölamppuihin vaihtamisesta johtuen eli luotiin malli jonka mukaan mitatut arvot muuttuvat. Huoneistomittauksen perusteella tehdyssä mallissa muutoksille laskettiin suhteelliset arvot, koska ei voida olettaa, että lähtöarvot olisivat samaa luokkaa molemmissa mittauspaikoissa. Nämä muutokset sijoitettiin mitattuihin liittymän
ja muuntamon arvoihin. Lisäksi alkuperäisestä tilanteesta sekä mallin mukaisesta muutoksesta piirrettiin graafiset kuvaajat samaan koordinaatistoon. 33 5.3.3 Virta Mitatuista virroista tutkittiin kokonaissärön ja 3. harmonisen yliaaltovirran suhteellisia sekä konkreettisia arvoja eri mittauspisteissä, jotta nähtäisiin kuinka suuret yliaaltopitoisuudet vaihtelevat muuntopiirissä. Myös nollajohtimeen mahdollisesti summautuvaa 3. harmonisesta yliaallosta johtuvaa virtaa tutkittiin. Mitatuista virroista ja suhteellisista arvoista piirrettiin kuvaajat, jonka jälkeen laskettiin mallin mukaiset muutokset mitattuun tilanteeseen. Muuttuneesta tilanteesta piirrettiin myös kuvaajat. 5.3.4 Jännite Jännitteen tarkastelulla ei ollut muuta tarvetta kuin katsoa pysyykö jännitteen kokonaissärö suositellun 3 %:n rajan alapuolella. Jännitesärön arvolle piirrettiin kuvaajat kaikista kolmesta mittauspisteestä. Jännitteen säröytymisen kasvun arviointiin ei ollut suoritettujen mittausten avulla mahdollisuutta. 5.3.5 Muutosmalli Huoneistossa suoritetun mittauksen mukaan normaalilla kuormituksella pätöteho pienenee noin 30 % kun taas loisteho puolestaan kasvaa 35 %. Virran kokonaissärö kasvaa noin 180 % ja kuormitusvirta laskee 25 %. Nollajohtoon summautuvaa virtaa laskettaessa 3. harmonisen yliaallon amplitudi kasvaa 135 %. Kuormitusvirta laskee 36 %. Laskelmissa on käytetty tarkempia arvoja.
34 6 TULOKSET 6.1 Tulosten ja laskelmien esittely Tässä luvussa esitellään mittausten ja laskelmien tuloksia. Osa kuvaajista on esitetty tekstissä ja kaikki kuvaajat ovat nähtävissä liitteessä 3. Kuvaajissa vaaka-akselilla ovat mittausajankohdat ja pystyakselilla otsikossa ilmoitettu suure. Tuloksia tarkasteltiin kuvaajien avulla, koska tarkoituksena oli selvittää pääasiallisesti muutoksen suurusluokkaa. Muutoksen ennustaminen tarkasti olisi ollut hyvin vaikeaa. Tarkempien tulosten saavuttamiseksi tilannetta olisi mallinnettava verkkosimulaattorilla. Tutkimus antaa kuitenkin kuvan siitä, millaisia ilmiöitä voi olla odotettavissa tulevaisuudessa, mikäli perinteisten hehkulamppujen myyntiä rajoitetaan tai jopa kokonaan kielletään. 6.1.1 Mitatut ja muuttuneet tehot Kuormitustehoja tarkasteltiin aluksi mitatussa liittymässä. Pätö- ja loistehojen muutokset mallin mukaisesti olivat selkeitä. Pätöteho pieneni keskimäärin noin 3 5 kilowattia ja loistehon kasvu oli 1,5 5 kilovaria. Loistehossa tapahtuvan muutoksen voi nähdä kuvasta 11. Loisteho 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Muuttunut Mitattu Kuva 11: Mitattu ja muuttunut loisteho liittymässä
35 Koska laskelmat on tehty suhteellisilla arvoilla, muutokset ovat suuremmat kulutushuippujen kohdalla. Näennäistehon suhteen muutosta ei juuri tapahdu. Tämä johtuu siitä, että pienentyneen pätötehon korvaa kasvanut loisteho. Kuten tehokolmiosta (s. 6) voidaan nähdä, niin näennäisteho on pätö- ja loistehojen vektorisumma. Tästä johtuen mitatun liittymän tehokerroin heikkenee ajoittain jopa alle 0,5, eli kulutetusta näennäistehosta pätötehoa on vain noin puolet. Kompensoinnin puuttuessa kaikki loisteho otetaan suoraan jakeluverkosta. Liittymässä alun perin mitattu tehokerroinkaan ei ole riittävän suuri vaihdellen 0,75:tä 0,92:een, kun parhaassa tapauksessa tehokerroin olisi mahdollisimman lähellä yhtä. Muuntamolla luonnollisesti muutokset ovat konkreettisilta arvoiltaan suuremmat, koska muutos on laskettu samoilla suhteilla kuin liittymässä. Pätötehon pienentyminen vaihteli 40 60 kilowatin välillä. Loisteho puolestaan kasvoi 20 40 kilovaria. Näennäisteho ei muuttunut myöskään muuntamolla jo edellä mainittujen seikkojen vuoksi. Muuntamolta mitattu tehokerroin oli hieman parempi liittymän tehokertoimeen verrattuna, mutta myös muuntamolla tehokerroin laskee liian alhaiseksi muutoksen myötä. Vertaamalla tehokertoimen kuvaajaa kuormitusta osoittaviin tehokuvaajiin voidaan havaita, että tehokertoimen arvo laskee pienimmän kulutuksen kohdalla. Tämä kertoo siitä, että eniten kuormittavat laitteet ottavat verkosta enemmän pätö- kuin loistehoa. Kuvassa 12 on esitetty muuntamolta mitattu sekä mallin mukaisesti muuttuneet tehokertoimet. Tehokerroin 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Mitattu Muuttunut 0,2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Kuva 12: Mitattu ja muuttunut tehokerroin muuntamolla
36 6.1.2 Mitatut ja muuttuneet virrat Virran ominaisuuksien tarkastelu aloitettiin liittymältä mitatuista arvoista. Suhteellisesta kokonaissäröstä laskettiin myös konkreettiset säröytyneen virran arvot. Säröytyneen virran osuus kuormitusvirrasta vaihtelee mittausaikana 5:n 25 %:n välillä. Virraksi muutettuna yliaaltovirtojen amplitudit keskimäärin ovat 1 5,5 ampeeria. 3. harmonisen yliaallon osuudet puolestaan ovat 2 20 % kuormitusvirrasta. Tästä ilmenee, että suurin osa säröytyneestä virrasta on nimenomaan 3. harmonisen yliaallon aiheuttamaa. Konkreettisena virran arvona 3. yliaallon amplitudi on 0,4 4 ampeeria. Virraksi muutettuja särön arvoja verrattiin Senerin suosittelemiin raja-arvoihin. Referenssivirtana käytettiin liittymän mitoitusvirtaa 160 A. Taulukon 1 mukaisesti kyseisessä liittymässä virran kokonaissärö saa olla enintään 10 % eli 16 A. 3. harmonisen yliaallon osuus taas saa olla korkeintaan 7 % yli 200 A:n liittymissä. Tässä tapauksessa yksittäisten yliaaltojen tarkastelu ei siis olisi välttämätöntä. Kuten jo edellä ilmoitetuista arvoista voidaan nähdä, niin yliaaltovirrat eivät kasva liian suuriksi suosituksiin nähden. Kuvassa 13 on nähtävissä laskettu kokonaissärövirta raja-arvoineen. Virran kokonaissärö - Mitattu (A) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 L3 L2 L1 Raja-arvo Kuva 13: Mitattu kokonaissärövirta liittymässä sekä raja-arvo.
37 Nollajohtimeen summautuvaa virtaa laskettiin 3. yliaallon virran arvoista. Mikäli jokaisen vaiheen 3. yliaallot summautuvat nollajohtimeen, siitä aiheutuu 2 10 ampeerin virta, kuten kuvassa 14 on esitetty. Toinen mitatussa liittymässä nollajohtimen virtaa kasvattava havaittu ilmiö on vinokuorma. Nollajohdosta mitattiin noin neljästä ampeerista aina jopa yli 25 ampeerin virtapiikkeihin. Nollajohtimeen summautuva virta - laskettu (A) 14 12 10 8 6 Virta (A) 4 2 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Kuva 14: Nollajohtimeen summautunut 3. yliaaltovirta liittymässä. Kun näihin mitattuihin arvoihin sovellettiin mallin mukaisia muutoksia, yliaaltoilmiö kasvoi hyvin voimakkaaksi. Kokonaissärön suhteellinen osuus nousi arvoihin 10 50 % ja 3. yliaallon osalta arvoihin 5 40 %. Konkreettisiksi virran arvoiksi muutettuna yliaaltovirrat vaihtelevat 1,5:tä 7 ampeeriin kokonaissärön ja 0,5:tä 7 ampeeriin 3. yliaallon osalta. Muutoksen jälkeen 3. yliaallon nollajohtimeen aiheuttama virta on 2,5 12 ampeeria. Vaikka säröytyneen virran amplitudi kasvaa, ei se kuitenkaan nouse lähelle suositeltua raja-arvoa. Muuntamolla mitattuja arvoja tarkastelemalla havaittiin samojen ongelmien esiintymistä. Virran kokonaissärön osuudet kuormitusvirrasta vaihtelivat välillä 8 18 %, joka virraksi muutettuna on 20-60 ampeeria. Muutoksen jälkeen suhteelliset osuudet nousevat arvoihin 15 30 % ja vastaavasti virran arvot ovat 28 80 ampeeria, kuten kuvasta 15 voidaan nähdä. Nollajohtimen virraksi muuntamolla mitattiin 40 120 A. Koska muuntamolla ollut mittari ei voinut samaan aikaan tallentaa tehotietoja sekä yksittäisten yliaaltojen tietoja, voitiin ainoas-
38 taan arvioida nollajohtimen virtaa muutoksen jälkeen. Arvion perustana käytettiin oletusta, jonka mukaan virta muuttuu samassa suhteessa, kuin liittymän laskelmissa. Tämän mukaan nollajohdossa esiintyvä virta olisi 60 160 ampeeria. Virran kokonaissärö - muuttunut (A) 120 100 80 60 40 L1 L2 L3 Raja-arvo 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Kuva 15: Muuttunut kokonaissärövirta muuntajalla sekä raja-arvo Muuntajan referenssivirta laskettiin näennäistehon perusteella kaavalla 5 ja arvoksi saatiin noin 92 ampeeria. Muuntamolla särövirrat ovat huomattavasti lähempänä suositeltua raja-arvoa. Varsinkin muutoksen jälkeisessä tilanteessa virtapiikit nousevat jopa rajan yli. 6.1.3 Jännitesärö Jännitesärö muuntamolla pysyi jatkuvasti alle 2 % ja liittymälläkin alle 2,5 %. Jakokaapilla särön arvot olivat samaa luokkaa liittymän kanssa. Jännitesärö kuitenkin kasvoi muuntamolta kuluttajalle päin. Jännitteen amplitudissa tai taajuudessa ei havaittu merkittäviä muutoksia.
39 6.2 Taulukoidut arvot Seuraaviin taulukoihin 4 ja 5 on koottu mitatut sekä mallin mukaisesti muuttuneet arvot eri mittauspisteistä. Taulukko 4: Mitatut sekä muuttuneet tehot ja tehokerroin LIITTYMÄ Pätöteho (kw) Loisteho (kvar) Näennäisteho (kva) Tehokerroin Mitattu 5,5-30 2,5-30 5,5-45 0,75-0,92 Muuttunut 2,5-25 4-25 5,5-45 0,4-0,85 Erotus 3,0-5 1,5-5 0 0,07-0,35 MUUNTAMO Pätöteho (kw) Loisteho (kvar) Näennäisteho (kva) Tehokerroin Mitattu 120-385 85-160 150-400 0,85-0,97 Muuttunut 80-325 105-200 150-400 0,57-0,71 Erotus 40-60 20-40 0 0,26-0,28 Taulukko 5: Mitatut sekä muuttuneet virrat Virta THD (%) Virta THD (A) LIITTYMÄ Virta 3.harm. (%) Virta 3.harm. (%) Nollajohdon virta (A) Mitattu 5-25 1-5,5 2-20 0,4-4 4-25 Muuttunut 10-50 1,5-7 5-40 0,5-7 4,5-27 Erotus 5-25 0,5-2,5 3-20 0,1-3 0,5-2 MUUNTAMO Virta THD (%) Virta THD (A) Virta 3.harm. (%) Virta 3.harm. (%) Nollajohdon virta (A) Mitattu 8-18 20-60 X X 40-120 Muuttunut 15-30 28-80 X X 60-160 Erotus 7-12 8-20 X X 20-40
40 7 PÄÄTELMÄT Työn tarkoituksena oli tutkia kuinka suuren vaikutuksen energialamppuihin vaihtaminen voisi muuntopiirissä aiheuttaa. Erilaisten mittausten avulla luotiin malli, jonka mukainen muutos voisi hyvinkin olla mahdollinen. Työn perusteella ei tietenkään voida sanoa, että näin tulee tapahtumaan, mutta jonkinlainen arvio tilanteesta on kuitenkin olemassa. 7.1 Kompensoinnin toteutustavat tutkitussa kohteessa Muuntopiirin tehokertoimen parantamiseksi on osa tai mielellään kaikki tarvittava loisteho tuotettava kompensointilaitteistolla. Mikäli kompensointilaitteiston mitoituksessa haluttaisiin säästää, voitaisiin loistehon kulutushuiput jättää mitoituslaskelmista pois. Tällöin tehokerroin ei voisi nousta arvoon yksi, mutta koska huippukuormituksella pätötehon osuus on myös suurimmillaan, tehokerroin olisi hyväksyttävä. Tämä ei kuitenkaan poista sitä seikkaa, että verkosta otettaisiin loistehoa. Sen vuoksi on päädytty ratkaisuun, jossa kaikki loisteho tuotetaan kompensointilaitteistolla. Ennen laitteiston mitoitusta on päätettävä sen sijoituspaikka. Tässä tapauksessa vaihtoehtoja on kaksi: kompensointi voidaan sijoittaa muuntamolle tai taloyhtiön tiloihin liittymän pääkeskukselle. Yli 63 ampeerin liittymissä pääkeskukselle on varattava tila mahdolliselle kompensointilaitteistolle. Mikäli kompensointi toteutettaisiin muuntamolla, kulkisi loisteho muuntopiirissä kulutuslaitteille, joka puolestaan edelleen aiheuttaisi kaapeleihin ylimääräistä virtaa. Tässä ratkaisussa riittäisi yksi tehokas kompensointilaite. Toinen vaihtoehto olisi viedä kompensointi liittymien pääkeskuksille, jossa se olisi mahdollisimman lähellä kulutuslaitteita. Jos kyseessä olisi suuri rakennus, voitaisiin harkita mahdollisuutta ryhmäkompensoinnille eli laitteistot asennettaisiin esimerkiksi nousukeskuksiin. Yleisin tapa on kuitenkin keskitetty kompensointi, jossa laitteisto on sijoitettu liittymispisteeseen. Tällöin kompensointilaitteita jouduttaisiin kuitenkin hankkimaan useita kappaleita ajatellen koko muuntopiirin aluetta. Jakokaappeihin kompensointilaitteistoa on käytännössä mahdoton
41 asentaa tilan vähyyden vuoksi. Muuntamolla kompensoitaessa muuntopiirin verkkoon jäävä loisteho rasittaisi edelleen kaapeleita, mutta jakeluverkosta otettava loisteho häviäisi. Ainoa hyöty, joka saavutetaan kompensoimalla loisteho liittymäpisteessä, on kaapeleiden kuormituksen pieneneminen. Jo olemassa olevassa verkossa kaapelit on mitoitettu kestämään myös loistehon siirron. Koska loistehon määrä vaihtelee suuresti kulutustilanteen mukaan, on kompensointiin käytettävä säädettävää automatiikkaparistoa. Automaattisen kompensointiyksikön kanssa ongelmaksi kuitenkin voi muodostua tilanne, jossa vaiheiden välinen kuormitus on epätasaista. Laitteisto tarkkailee yleensä vain yhden vaiheen tehokerrointa, jonka mukaan portaiden kytkentä ohjautuu. Jos kahden muun vaiheen tehokertoimet ovat sopivassa arvossa, ne voivat nousta liian korkeaksi, jolloin järjestelmä alkaa tuottaa jakeluverkkoon loistehoa. Suuressa määrin tämä on haitallista. Tehokkaita kompensointikondensaattoreita käytettäessä tulisi harkita mahdollisuutta, jossa jokainen vaihe kompensoidaan erikseen. Lisäksi on päätettävä varustetaanko kompensointilaitteisto estokelalla. Vaikka mitatussa verkossa ei jännitesärön määrä ollut missään vaiheessa yli 3 %, on kuitenkin suositeltavaa hankkia estokelallinen laitteisto, koska mittauksilla on havaittu virran yliaaltopitoisuus suureksi. Nykyisin jotkut jakeluyhtiöt eivät anna asentaa verkkoonsa ilman estokelaa olevaa kompensointilaitetta. Kun laitteiston järkevin sijoituspaikka sekä tarvittava loistehon määrä ovat tiedossa, on mitoittaminen yksinkertaista. Tutkitussa tapauksessa hankittavan kondensaattorin maksimitehon olisi syytä olla hiukan suurempi laskettuja loistehon huippulukemia. Jos päädytään ratkaisuun, jossa koko muuntopiiriä kompensoi yksi kondensaattori, tulisi tehon olla 225-250 kvaria. Jos taas laitteisto hankitaan liittymäpisteelle, riittäisi yhden laitteiston tehoksi 30-35 kvaria. 7.2 Yliaaltojen suodatus tutkitussa kohteessa Kyseisessä muuntopiirissä yliaaltojen suodatuksen suunnitteleminen on myös syytä aloittaa laitteiston sijoituspaikkaa pohtimalla. Kaikkein tehokkain suodatus saadaan aikaiseksi, kun suodatin asennetaan mahdollisimman lähelle yliaaltolähdettä eli tässä tapauksessa taloyhtiön pääkeskukselle. Yliaaltoja voidaan