Sähkölaitteiden aiheuttamien verkkohäiriöiden arviointi Tampereen Teknillinen yliopisto pertti.pakonen@tut.fi Sähkötutkimuspoolin tutkimusseminaari Rantasipi Airport Congress Center, Vantaa
Esityksen sisältö 1. Johdanto projektin taustaa sähköverkon kuormien muuttuminen käyttöpaikkojen oikosulkuvirtojen jakauma Suomessa 2. Yleistyvien kuormien aiheuttamat välkyntäongelmat Sähkömoottorikäyttöiset yksivaihelaitteet Hitsauskoneet Rivitalolämpöpumput Omakotitalolämpöpumput 3. Välkynnän indikointi AMR-mittaustietojen perusteella 4. Välkynnän laskennallinen arviointi 5. Yhteenveto
Projektin taustaa Aloite projektiin ET:n sähkön laadun asiantuntijaryhmästä (välkyntäongelmat lisääntyneet monissa verkkoyhtiöissä). Rahoittajat: Sähkötutkimuspooli Sähköturvallisuuden edistämiskeskus STEK Kymenlaakson Sähköverkko Oy KSS Verkko Oy Tampereen Sähköverkko Oy Turku Energia Sähköverkot Oy Vattenfall Verkko Oy
Sähköverkon kuormien muuttuminen Lämpöpumput ja erilaiset sähkökäyttöiset työkalut (esimerkiksi klapikoneet) yleistyvät Välkyntä on merkittävä sähkönlaatuvalitusten aihe varsinkin maaseutuverkkoyhtiöissä
Käyttöpaikkojen oikosulkuvirtojen jakauma Suomessa Käyttöpaikkoja, joissa I k1 <250 A on tarkastelluista noin 20 % Maaseutuverkoissa jo käyttöpaikkojen, joissa I k1 <200 A osuus saattaa olla hyvinkin merkittävä (lähes kolmannes) 50 45 40 35 30 % 25 20 15 10 5 0 Tarkastelussa 8 verkonhaltijaa, joilla yhteensä 861000 käyttöpaikkaa <150A 150-200A 200-250A 250-500A >500A I k1 -arvo Laitteiden EMC-testaukset (mm. laitteiden aiheuttaman välkynnän ja yliaaltojen mittaukset) tehdään verkossa, jonka I k1 488 A
Välkynnän häiritsevyys Välkynnän lyhytaikainen häiritsevyys P st riippuu suorakaiteen muotoisten säännöllisesti toistuvien jännitemuutosten suuruudesta d (suhteessa nimellisjännitteeseen) ja toistuvuudesta d [%] P st = 1 Oheisella kuvaajalla välkynnän lyhytaikainen häiritsevyysindeksi saa arvon P st =1 Jännitemuutosten lukumäärä minuutissa [kpl] Esim. klapikoneen käynnistys voi toistua vaikkapa 2-6 kertaa/min
Yksivaihelaitteiden mittaukset laboratoriossa (I k1 460 A) Moottorin nimellisteho [kw] Käynnistysvirta I 1rms [A] Käyntivirta I 0rms [A] I 1rms / I 0rms Suurin jännitemuutos käynnistyksessä ΔU [V] Suurin suht. jännitemuutos käynnistyksessä d max [%] Laite Merkki ja mali Klapikone Park LS6T 2,2 41,4 4,2 9,8 13,3 5,8 0,2 O Kulmahiomakone AEG WS715-115 0,7 17,9 2,1 8,5 5,9 2,6 0,4 K Oiko-/tasohöylä Woodtec XW034 1,5 40,5 4,8 8,4 12,3 5,4 >0,7 K Ketjusaha Partner/McCulloch 1,5 33,2 4,0 8,3 13,0 5,6 0,5 K Klapisirkkeli Gern DAN088 2,2 29,4 4,0 7,3 10,2 4,4 4,5 O Oksasilppuri Wolf Garten SD180E 1,8 35,0 6,0 5,8 11,4 4,9 0,8 O Painepesuri Kärcher 770 MXS 3,0 50,5 9,0 5,6 16,4 7,1 0,2 O Jiiri-/Pöytäsirkkeli DeWalt DW711 1,3 18,4 3,3 5,6 6,5 2,8 1,1 O Paineilmakompressori Abac Millennium 2000 VD32/50 2,2 27,4 7,3 3,8 9,3 4,1 0,2 O Kulmahiomakone Co/Tech CT3253 (pehmo) 2,2 14,2 6,3 2,3 3,7 1,6 4,5 K O = oikosulkumoottori K= kommutaattorimoottori EMC-standardin IEC 61000-3-3 mukaan laitteen, jota käytetään valvotusti (attended whilst in use) mittaustulosten tulee täyttää seuraavat ehdot (standardissa määritellyssä liittymässä, I k1 488 A): 1. suhteellisen jännitemuutoksen hetkellisarvo d(t) ei saa ylittää 3,3 % pitempään kuin 500 ms 2. jatkuvan tilan suhteellinen jännitemuutos d c ei saa ylittää 3,3% 3. suurin suhteellinen jännitemuutos d max ei saa ylittää 7 %. Vaatimuksia P st 1ja P lt <0,65 ei sovelleta manuaalisen käynnistyksen aiheuttamiin jännitemuutoksiin. Käynnistysaika t 1 [s] Moottorin tyyppi
1-vaihelaitteiden ja 3-vaihelaitteiden aiheuttamat jännitemuutokset ja välkyntä (mittauskohteen I k1 350 A) Vrmsavg Irmsavg Pst 250 240 230 220 210 200 40 35 30 25 20 15 10 5 0 5 4 3 2 1 Klapikone 2,2 kw Timeplot chart Impulssinaulain maks. ja min. iskuvoima 3-vaiheinen lämpöpumppu 2,7 kw Min Max Avg CHA Vrmsavg 218.91 247.38 234.43 CHB Vrmsavg 218.43 234.21 230.41 CHC Vrmsavg 203.03 237.57 234.63 CHA Irmsavg 1.16 37.83 2.43 CHB Irmsavg 0.04 36.02 1.53 CHC Irmsavg 0.12 37.07 2.45 CHD Irmsavg 1.08 32.46 1.95 CHA P st 0.14 1.90 1.00 CHB P st 0.51 1.47 0.76 CHC P st 0.15 4.85 2.08 Käsisirkkeli 1,25 kw Kulmahiomakoneet 2,2 kw ja 710 W 0 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 CHA Vrmsavg CHB Vrmsavg CHC Vrmsavg CHA Irmsavg CHB Irmsavg CHC Irmsavg CHD Irmsavg CHA Pst CHB Pst CHC Pst 09.02.2010 15:10:59,80-09.02.2010 15:56:00,00
Yksivaihelaitteiden aiheuttamat jännitemuutokset ja välkyntä Yksivaiheinen kuorma aiheuttaa muutoksia myös tähtipisteen jännitteessä; kun kuormitetussa vaiheessa vaihejännite laskee, kahdessa muussa tapahtuu yleensä jännitteen nousu. Yhden vaiheen kuormitusmuutokset näkyvät näin ollen lievempänä välkyntänä myös kahdessa muussa vaiheessa. Se, miten jännitteet kahdessa kuormittamattomassa vaiheessa muuttuvat riippuu siitä mihin suuntaan ja kuinka paljon tähtipiste heilahtaa käynnistyshetkellä. Muutoksen suunta ja suuruus riippuu verkon ja kuorman resistansseista ja reaktansseista (kuorman ominaisuudet voivat olla myös ajan suhteen muuttuvia) Verkon ja kuorman ominaisuuksista riippuen jännitemuutokset voivat naapurivaiheissa olla eri kohteissa ja eri laitteilla erilaiset.
Hitsauslaitteiden mittaustuloksia Lyhytaikaiset välkynnän häiritsevyysindeksit, kun I k1 300 A Kolmivaiheisella hitsausinvertterillä (Kemppi Minarc 220) P st < 0.7, Yksivaiheisilla hitsausinverttereillä (Kemppi Minarc 150) P st = 3 4,6 Yksivaiheisella hitsaustasasuuntaajalla (Kemppi Super Kempak) P st 7,7 Kolmivaiheisilla laitteilla välkyntäongelmat huomattavasti vähäisempiä kuin yksivaiheisilla, koska hitsausvirran aiheuttama kuormitus jakautuu kolmelle vaiheelle, virta vaihetta kohden pienempi ei aiheuta jännitteenalenemaa nollajohtimessa Hitsausinvertterillä välkyntä vähäisempää kuin hitsaustasasuuntaajalla Syynä hitsausinvertterin tasaisempi hitsausvirta (valokaari palaa tasaisemmin)
Hitsauslaitteiden sähkömagneettinen yhteensopivuus Hitsauslaitteiden valmistajat yleensä ilmoittavat laitteiden kuuluvan sähkömagneettisen yhteensopivuuden standardeissa CISPR 11 ja IEC 60974-10 luokkaan A ja siten laitteet on suunniteltu käytettäväksi vain teollisuusympäristössä. Esimerkiksi tässä projektissa mitatun Kemppi Minarc 150:n käyttöohjeessa on seuraavanlainen maininta: Tätä A-luokan laitetta ei ole tarkoitettu käytettäväksi asuinympäristössä, jossa sähkön jakelu tapahtuu julkisesta pienjänniteverkosta. Tällaisessa ympäristössä saattaa olla vaikeata toteuttaa sähkömagneettinen yhteensopivuus sekä sähköverkkoon johtuvien että säteilevien häiriöiden osalta. => Laitteet eivät välttämättä täytä (eikä niiden em. lähtökohdasta tarvitse täyttää) standardin IEC 61000-3-3 vaatimuksia.
Rivitalolämpöpumppujen mittaukset Tehotiedot Verkkotiedot Vuosimalli Antoteho 0/+35 C [kw] Ottoteho 0/+35 C [kw] Pehmeäkäynnistin Mitattu rms-arvo I1rms [A] 1) Mitattu suurin rms-arvo I 1maxrms [A] 2) Suurin jänniteheilahdus käynnistyksessä 2) [V] Syöttävän muuntajan koko [kva] Laskennallinen Ik1 asiakkaalla Ik1a [A] Laskennallinen Ik3 asiakkaalla [A] Merkki ja malli Tyyppi IVT Greenline G26 MLP 2009 25,9 6 e 187 191 12,6 315 1602 4378 11,7 x IVT Greenline G35 MLP 2009 36,2 8,4 e 222 225 18,1 315 1602 4378 13,9 x IVT Greenline G26 MLP 2009 25,9 6 e 190 196 12,2 315 1904 4100 10,0 x IVT Greenline G35 MLP 2009 36,2 8,4 e 229 230 14,5 315 1904 4100 12,0 x 1) kolmen vaiheen virtojen keskiarvo 2) suurin vaihevirta tai jänniteheilahdus I1rms/Ik1a [%] Käyntisyklin ja välkynnän mittaus Suhde I 1rms /I k1 kuvaa asiakkaalla mitatun lämpöpumpun käynnistysvirran suurimman tehollisarvoon suhdetta laskennalliseen oikosulkuvirtaan (taulukossa prosentteina). Mitä suurempi suhde on, sitä todennäköisempää on välkyntäongelmien esiintyminen. Käynnistysten toistotaajuudesta riippuen, jos I 1rms /I k1 > 12 20 % välkyntä alkaa olla häiritsevää
Omakotitalolämpöpumppujen mittaukset Tehotiedot Käynnistysvirta Verkkotiedot Vuosimalli Antoteho 0/+35 C [kw] Ottoteho 0/+35 C [kw] Pehmeäkäynnistin Valmistajan ilm. rmsarvo [A] Mitattu rms-arvo I1rms [A] 3) Merkki ja malli Tyyppi Lämpöässä V15 MLP 16,7 3,57 e 55 57 19,2 200 313 257 628 21,4 Lämpöässä V15 MLP 16,7 3,57 k 42 48 14,3 200 313 257 628 16,3 x Lämpöässä V10.5 MLP 11,4 2,42 k 30 38 12,3 200 313 286 628 10,5 x Lämpöässä V13 MLP 2009 14,2 3,03 k 45 47 52 18,3 100 308 283 606 16,6 Lämpöässä V10.5 MLP 2008 11,4 2,42 k 37 36 39 7,4 100 578 446 1031 8,1 x Lämpöässä B15 MLP k 33 34 11,7 100 425 364 790 9,1 Nibe 1217-8 kw MLP 8,8 1,9 k 24 16 22 5,0 100 314 273 620 5,9 6 (9) x Oilon Geopro SH-11 MLP 2007 11 2,7 e 50 35 38 15,1 50 291 275 516 353 12,7 6 x Oilon Geopro SH-7 MLP 7,5 1,8 e 39 30 30 9,1 100 365 343 686 8,7 6 Viessmann Vitocal 300 BWC110 MLP 10,8 2,4 k 20 15 16 6,2 200 375 350 851 497 4,3 3/6/9 Lämpöässä MLP k 200 307 265 680 0,0 x IVT /Elektro Standard 495 Twin MLP+PILP 2004 4,0 1) 1,4 2) e - 27 28 14,8 50 237 221 446 12,2 9 x IVT /Elektro Standard 495 Twin MLP+PILP 2003 4,0 1) 1,4 2) e - 27 27 12,5 100 232 207 462 13,0 9 1) Antoteho 0/+45 C 2) Kompressoriteho 3) kolmen vaiheen virtojen keskiarvo 4) suurin vaihevirta tai jänniteheilahdus Potentiaalisissa ongelmakohteissa kannattaa kiinnittää erityistä huomiota lämpöpumpun käynnistysvirtaan (valmistajien ilmoitukset ovat käyttökelpoinen lähtökohta) Mitattu suurin rmsarvo I1maxrms [A] 4) Suurin jänniteheilahdus käynnistyksessä 4) [V] Syöttävän muuntajan koko [kva] Laskennallinen Ik1 liittämispisteessä [A] Laskennallinen Ik1 asiakkaalla Ik1a [A] Laskennallinen Ik3 asiakkaalla [A] Mitattu Ik1 asiakkaalla [A] I1rms/Ik1a [%] Lisälämpövastus [kw] Käyntisyklin ja välkynnän mittaus
Lämpöpumppujen aiheuttama välkyntä Lämpöpumppujen aiheuttamaan välkyntään vaikuttavat mm. pumpun käynnistysvirta (riippuu mm. pehmeäkäynnistimestä ja kompressorin rakenteesta) pumpun käynnistymistiheys (riippuu mm. varaajan koosta, talon lämmöntarpeesta ja pumpun tehosta) ongelmia voidaan vähentää mm. rajoittamalla käynnistysvirtaa esim. pehmeäkäynnistimellä tai käyttämällä suurempaa lämminvesivaraajaa Omakotitalolämpöpumppujen mittaustulosten perusteella, jos I k1 < 250 A välkyntäongelmat mahdollisia pienehköilläkin pumpuilla, isommilla pumpuilla todennäköisiä 250 A I k1 < 350 A välkyntäongelmat yksittäisillä pumpuilla epätodennäköisiä, useammalla samaan haarautumiskohtaan liitetyllä pumpulla ongelmat mahdollisia varsinkin jos käyntisykli on tiheä I k1 > 350 A ongelmat epätodennäköisiä
Välkynnän indikointi AMRmittaustietojen perusteella 15 Projektissa mukana olleen AMR-mittarin (Iskraemeco MT372) mittaustietojen avulla ei voitu sanoa mitään varmaa välkynnän tasosta. AMR-mittari mittasi: jännitetasot 10 minuutin keskiarvoina (osumataulukko) päivän alimman ja ylimmän yhden sekunnin jännitteen tehollisarvon epäsymmetriaa ja vaihevikoja hälytysluoteisesti jännitekatkoja ja jälleenkytkentöjä Haluttaessa tarkempaa tietoa nopeista jännitteen muutoksista ja etenkin välkynnästä, tarvitaan toinen mittalaite kuten MX Electrix eql Laatumoduuli
16 Jännitemuutoksen arviointimenetelmä Adaton sivuilta ladattavissa oleva exel-taulukko OIKOSULU_JÄNNITTEENALENEMA.xls lähtötietoina verkkotiedot ja moottorin teho
Välkynnän laskennallinen arviointimenetelmä 17 Menetelmä esitellään standardissa IEC 61000-3-3: IEC 61000-3-3 Limits Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current 16 A per phase and not subject to conditional connection Jokaiselle 10 minuutin aikana tapahtuneelle jännitemuutokselle lasketaan t f flicker impression time (vaikutelma-aika) t f 2,3( F * d 3,2 max ) Missä F on painokerroin jännitemuutokselle ja d max on jännitemuutos suhteessa nimellisjännitteeseen prosentteina Arvio välkynnän lyhytaikaiselle häiritsevyysindeksille saadaan seuraavasti: T p on mittausajanjakso sekunteina P st t f TP 1 3,2
Välkynnän laskennalliseen arviointimenetelmään liittyvät huomiot 18 Menetelmän antama Pst arvo on ±10% mitatusta NOTE 1 The value of Pst obtained using this method is expected to be within ±10 % of the result which would be obtained by direct measurement (reference method). Menetelmän tarkkuus kärsii, jos jännitemuutosten väli on alle 1 s NOTE 2 This method is not recommended if the time duration between the end of one voltage change and the start of the next is less than 1 s.
Yhteenveto Yksivaihelaitteista ongelmallisimpia klapikone käynnistysvirta suurehko käynnistyksiä usein (jokaisella halkaisulla) IEC 61000-3-3:n vaatimukset eivät rajoita tätä! Hitsauskoneet yleensä suunniteltu käytettäväksi teollisuusympäristössä - IEC 61000-3-3 ei koske niitä ongelmia voitaisiin vähentää oleellisesti suosimalla kolmivaihelaitteita (pätee muihinkin yksivaihelaitteisiin) Myös painepesurit ja oksasilppurit potentiaalisia ongelmalaitteita Em. laitteiden käyttö yleensä lyhytaikaista ja satunnaista -> on mahdollista sopia käytön ajankohdista. Usein jo välkynnän syyn kertominen asiakkaalle saattaa riittää (kyse ei ole verkon viasta). Lämpöpumppujen aiheuttama välkyntä ei ole laajamittainen ongelma, mutta heikohkon verkon alueella (I k1 <300 350 A) ja suurten kiinteistöjen pumppuja liitettäessä myös kaupunkiverkoissa välkyntäriski on huomioitava, ja asiakkaiden opastukseen ja pumpun käynnistysvirtaan on syytä kiinnittää huomiota. Yksinkertaisia keinoja arviointiin: käynnistysvirran ja I k1 -arvon suhde jännitteenaleneman arviointi Adaton sivuilta löytyvän Excel-taulukon avulla, välkynnän häiritsevyyden arviointi IEC 61000-3-3 mukaan