Testimenetelmän kehittäminen - Kytkinten lämmönkestävyyden testaus Palotutkimuksen päivät 2017 Kimmo Kaukanen ja Jere Heikkinen VTT Expert Services Oy
Kytkin Kytkimellä tarkoitetaan yleisesti elektroniikan ja sähkövirtapiirin komponenttia, joka: kytkee virtapiirin sähkövirran, katkaisee sen tai ohjaa virran tiettyyn piiriin. On olemassa mekaanisia, sähkömekaanisia ja elektronisia kytkimiä. Sähköisesti ohjattua kytkintä kutsutaan releeksi tai kontaktoriksi. Kuormakytkinten ominaisuuksien varmentaminen tehdään standardin IEC 60947-3 mukaisesti. Standardi ei sisällä varsinaista testiä, jolla kuumuudenkestävyys varmennetaan. 5.9.2017 2
Kytkin Kytkin voi sisältää useita lämmönkestoltaan toisistaan eroavia materiaaleja. Lämmönkestollisesti haastavimpia ovat alhaisissa lämpötiloissa ominaisuutensa menettävät tai sulavat materiaalit (esim. muovit ja mahdolliset elektroniikan komponentit). Myös kytkimen koteloinnilla, apukoskettimilla, jousikuormitteisten osien kiinnitysrakenteella, tuotteen eristyksellä ja sähkökaapeleilla on vaikutus lämmönkestävyyteen. 5.9.2017 3
Tarve korkeita lämpötiloja kestävälle kytkimelle Savunpoistopuhaltimien yhteydessä kytkimiä käytetään yleisesti turvakytkiminä ja kuormakytkiminä. Turvakytkimet estävät koneiden käynnistymisen mm. huoltotöiden aikana. Kuormakytkimet taas pitävät huolen, että tietyissä laitteissa sähkövirta kulkee olosuhteista riippumatta. Lämmönkesto-ominaisuutta tarvitaan mm. kytkimiltä, jotka asennetaan savukaasukanavan sisään, savunpoisto-puhaltimien yhteyteen. Tarpeen kuumankestävyyden varmentamiselle testien avulla on saanut aikaan kohdekohtaiset- ja viranomaisvaatimukset sekä suomalaisten kytkinvalmistajien halu varmentaa tuotteidensa ominaisuudet ja soveltuvuus erilaisiin olosuhteisiin. 5.9.2017 4
Testien tavoite Varmentaa kokeellisesti, että tulipalon sattuessa ja savunpoiston käynnistyessä, savunpoisto pysyy käynnissä ja saa (kytkimen kautta) sähkövirtaa niin kauan kuin vaaditaan. 5.9.2017 5
Koemenetelmän suunnittelu Lähtökohtaisesti suunniteltavan testin vaativuustason katsottiin olevan riittävä, kun testi on verrannollinen savunpoistopuhaltimien tuotestandardin mukaisen testauksen tekniseen tasoon, sillä (testimielessä) olosuhde sekä kytkimelle että savunpoistopuhaltimelle on samanlainen kanavaan asennettaessa. Suomessa savunpoistopuhaltimille suositeltavat suoritustasot on esitetty kansallisessa soveltamisstandardissa SFS 7025. Soveltamalla savunpoistopuhallinkokeen vaativuustasoa, sivutettiin yksi koemenetelmien suunnittelun vaikeimmista asiakokonaisuuksista, realistisen ja riittävän vaatimustason määritys. Realistisella vaatimustasolla tarkoitetaan tässä sitä, että menetelmä on soveltuva sovellusalaan kuuluvien tuotteiden testaukseen, luotettavasti varmentaa tuotteen turvallisuustason ja ominaisuudet, kuvaa riittävällä tarkkuudella todellisen asennuskohteen olosuhteita ja on teknisesti toistettavissa (Viranomaisten ollessa samaa mieltä). 5.9.2017 6
Koemenetelmän suunnittelu Koska suunniteltavan testin haluttiin olevan verrannollinen savunpoistopuhaltimien testaukseen, testin pohjana käytettiin soveltuvin osin savunpoistopuhaltimien tuotestandardia EN 12101-3 Tuotestandardi EN 12101-3 sisältää lämmönkestävyyskokeen liitteessä C. Kokeessa (savukaasukanavan sisään asennettavaksi tarkoitettu savukaasupuhallin) asennetaan käyttötarkoitustaan vastaavasti kanavaan. Savukaasukanavat on yhdistetty koeuuniin, jolloin uunissa muodostetut savukaasut kiertävät kanavan kautta puhaltimelle ja edelleen kanavan kautta takaisin uuniin. Savunpoistopuhaltimen valmistaja voi testata tuotteensa haluamaansa luokkaan. Näitä (testilämpötiloja vastaavia) luokkia on mm. F200 120 min, F300 60 min, F400 120 min, F600 60 min ja F842 30 min. Pienten kytkimien testaus isolla uunilla savunpoistopuhaltimien yhteydessä on mahdollista, mutta vaurioriskin minimoimisen takia päädyttiin suunnittelemaan erillinen koe vastaavissa olosuhteissa. 5.9.2017 7
Koemenetelmän suunnittelu Savunpoistopuhaltimien testaus standardin EN 12101-3 mukaisesti Kokeessa savunpoistopuhallinta ajetaan ilman kuumia savukaasuja ensin tasapainolämpötilaan (moottori kuumenee käyntilämpötilaan) ja tämän jälkeen käynnistetään varsinainen lämmönkestävyyskoe. 15 minuuttia koelämpötilan saavuttamisen jälkeen savunpoistopuhallin pysäytetään 2 minuutin ajaksi, ja käynnistetään uudelleen. Kokeessa mitataan savunpoistopuhaltimen ja sen moottorin pintalämpötilaa, kanavassa virtaavien savukaasujen lämpötilaa ja virtausnopeutta. Kokeen kriteerinä (suljetulla kanavalla testattaessa) on savukaasupuhaltimen paine-eron pysyminen standardin vaatimuksen mukaisena. 5.9.2017 8
Koemenetelmän suunnittelu Koe pienessä uunissa Kokeessa mitataan kytkimen pintalämpötilaa, kotelon sisälämpötilaa, kotelon ulkopinnan lämpötilaa, sekä uunin lämpötilaa. Virtapiiristä mitattiin virta ja jännite. Pieneen uuniin ei saada luotua paineolosuhteita, mutta lämpötila kokeessa saadaan savunpoistopuhallinkoetta vastaavaksi. Koe ei huomioi kanavassa mahdollisesti kulkevaa palavaa ainesta, mutta tätä ei ole huomioitu myöskään savunpoistopuhaltimien kokeessa. 5.9.2017 9
Koemenetelmän suunnittelu Koe pienessä uunissa Kokeen tärkein funktio on selvittää, pysyykö virtapiiri toiminnassa. Jotta toimivuus saataisiin varmistettua, kokeeseen suunniteltiin virtapiiri, jossa säätöpiirin avulla virta säädettiin vastaamaan testattavan kytkimen maksimivirtaa ja jännite pidettiin kokeessa turvallisuussyistä pienenä. Tällä tavalla myös kytkimen sisäinen mahdollinen lämmönnousu huomioidaan. 5.9.2017 10
Koemenetelmän suunnittelu Kokeen jälkeen toiminnan varmistavia testejä kytkin voi vaurioitua siten, että sähkövirta pääsee vuotamaan kytkimen runkoon tai muodostaa oikosulun napojen välille. Suurin osa standardin IEC 60947-3 sisältämistä testeistä ovat sinänsä toimintaa arvioivia. Mahdollisen palotilanteen jälkeen, oletusarvoisesti kytkin vaihdetaan aina uuteen. Tästä syystä myös testin arvioinnissa määräävänä tekijänä arvioitiin olevan ainoastaan kuorman kesto ja virtapiirin eheys. Kuormankestävyys testattiin lämmönkestävyyskokeen jälkeen eristyslujuustestillä. 5.9.2017 11
Koemenetelmän kehittäminen VTT Expert Services Oy on testannut menetelmän mukaisesti kytkimiä 200 C ja 300 C asteen lämpötiloihin. Asiakkaiden mukaan markkinoilla olisi tarvetta myös vielä korkeampiin lämpötiloihin testatulle kytkimille. Menetelmän kehitystyötä tullaan myös jatkamaan. 5.9.2017 12
PALVELUJA HUOMISEN MENESTYKSEEN www.vttexpertservices.fi