Jukka Ylikulju VARAMUUNTAJASELVITYS

Jukka Ylikulju VARAMUUNTAJASELVITYS Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2009

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Tekniikan yksikkö, Ylivieska Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn nimi Varamuuntajaselvitys Työn ohjaaja Yliopettaja Jari Halme Aika 8.5.2009 Tekijä Jukka Ylikulju Sivumäärä 77 + 4 liitettä Työelämäohjaaja Kehitysinsinööri Silvo Fält Rautaruukin Raahen terästehtaalle oli tarve tehdä varamuuntajaselvitys. Työ oli aiheellista tehdä, koska jakelumuuntajista osa on niin vanhoja, ettei niiden elinkaarta ole kovin paljon jäljellä. Työn tavoitteena oli, että kaikille muuntajille löytyy varamuuntaja tai muu keino millä muuntaja korvataan, mahdollisen vikaantumisen seurauksena. Työssä kartoitettiin terästehtaan jakelumuuntajat ja olemassa olevat varamuuntajat. Kartoituksen jälkeen selvisi jakelumuuntajat, joille ei ole olemassa olevaa varamuuntajaa. Vierailimme terästehtaan kuudella eri osastolla, selvittääksemme mitkä näistä muuntajista ovat kriittisiä. Tuotannon kannalta kriittisiä öljymuuntajia, joilla ei ole varamuuntajaa tehtaalla löytyi 4 kappaletta ja kuivamuuntajia 14 kappaletta. Näiden muuntajien rikkoutumisen varalle olisi tarve hankkia varamuuntajia. Lisäksi käsittelin työssä kuiva- ja öljymuuntajien vertailua sekä niiden kunnossapitoa. Käsittelin työssä myös jakelumuuntajien kunnonvalvonnan mahdollisuuksia. Selvitin jakelumuuntajan etävalvonnan kehittämiskeinoja, erityisesti kuivamuuntajien osalta. Kuivamuuntajan lämpötilojen saaminen tehtaan omiin tietojärjestelmiin oli puute mikä piti ratkaista. Tähän ratkaisu löytyi Vamp Oy:n markkinoille tuomasta VIO- moduulista, jonka avulla lämpötilat saadaan liitettyä suojareleeseen ja sitä kautta pystytään tekemään lämpötilojen seurantaa. Toinen kunnonvalvonnan kehittämiskeino mitä työssäni käsittelin, on PQNet- ohjelmisto. Ohjelmisto mahdollistaa suojareleestä saatujen tietojen laajaan raportoinnin ja analysoinnin. Lisäksi käsittelin työssäni lämpökameratekniikan käyttöä jakelumuuntajan kunnonvalvonnan apuvälineenä. Asiasanat Jakelumuuntaja, Jakelumuuntajan kunnossapito, Varamuuntajaselvitys

ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ylivieska Degree programme Electrical engineering Name of thesis Backup transformer investigation Instructor Jari Halme Supervisor Silvo Fält Date 8-May-2009 Author Jukka Ylikulju Pages 77 + 4 Appendixies There was a need to do backup transformer investigation for Rautaruukki Raahe steel plant. The investigation was needed because some of the backup transformers were so old that they haven t much life time left. The goal of the thesis was that all the transformers will have backup transformer or some other way to replace transformer in case failure. A survey was done for distribution transformers and existing backup transformers of the steel plant. As a result of the survey, the transformers which doesn t have backup transformer were identified. We visited six department of the steel plant to be able to identify which of those transformers are critical from production point of view. Four critical oil-immersed transformers and fourteen critical dry-type transformers without backup transformers were found. For those transformers there is a need to have backup transformers. In addition, I did comparison between dry-type and oil-immersed transformers and studied maintenance of transformers. I also went through condition monitoring possibilities of distribution transformers. I investigated development possibilities of distribution transformer remote monitoring, especially for dry-type transformers. Getting temperature information of dry-type transformers into steel plant data system was a problem that needed to be solved. Solution for that was found from the VIO-module provided by Vamp Oy. With the VIO-module, temperature data can be provided to protection relay and temperature monitoring can be done via protection relays. Other investigated development possibility was PQNet software. PQNet gives versatile possibilities to do reporting and analyzing for data got from protection relay. In addition, I investigated the use of thermographic camera technology as an instrument to do condition monitoring. Key words Distribution transformer, Maintenance of distribution transformer, Backup transformer investigation

ALKUSANAT Tämä insinöörityö on tehty Rautaruukin Raahen terästehtaalle keväällä 2009. Kiitän yritystä mielenkiintoisesta ja haastavasta aiheesta. Haluan lausua kiitokset työni ohjaajalle Yliopettaja Jari Halmeelle, työelämäohjaajalle kehitysinsinööri Silvo Fältille sekä suunnitteluinsinööri Jouni Ylikuljulle saamistani neuvoista työni eri vaiheissa. Lisäksi kiitän kaikkea niitä henkilöitä, jotka ovat edesauttaneet työni onnistumista. Raahessa 11.5.2009 Jukka Ylikulju

TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYS 1 JOHDANTO...1 2 RAUTARUUKIN RAAHEN TERÄSTEHTAAN SÄHKÖNJAKELUJÄRJESTELMÄ.2 2.1 Yleistä...2 2.2 110 kv verkosto...2 2.3 10 kv verkosto...2 2.4 6 kv verkosto...3 2.5 690 V verkosto...3 2.6 400 V verkosto...3 3 JAKELUMUUNTAJAT...5 3.1 Yleistä...5 3.2 Jakelumuuntajan rakenne...5 3.3 Jakelumuuntajatyypit...9 3.3.1 Öljyeristeinen, paisuntasäiliöllä varustettu muuntaja...10 3.3.2 Öljyeristeinen, hermeettisesti suljettu muuntaja...12 3.3.3 Kuivamuuntaja...14 3.4 Muuntajan arvokilvessä annettujen vastusarvojen laskeminen...16 4 MUUNTAJIEN KYTKENTÄRYHMÄT JA RINNANKÄYTTÖ...18 4.1 Muuntajien kytkentäryhmät...18 4.2 Kytkentöjen vertailu...20 4.2.1 Kolmiokytkentä...20 4.2.2 Tähtikytkentä...20 4.2.3 Hakatähtikytkentä...20 4.3 Muuntajien rinnankäyttö...21 5 JAKELUMUUNTAJIEN VALINTAKRITEERIT...23 5.1 Ominaisuudet asennusympäristössä...23 5.2 Ympäristövaikutukset...23 5.2.1 Ympäristöriskit...23 5.2.2 Säteily ja melu...24 5.3 Kuivamuuntajan arvot ja luokat...24 5.4 Sähköiset ominaisuudet...25 5.4.1 Standardit...25 5.4.2 Ylikuormitus...26 5.4.3 Muuntajan eliniän ja kuormituksen suhde...27 5.5 Häviöt...29 5.6 Huolto...33 5.7 Öljy ja kuivamuuntajien vertailu...33 6 MUUNTAJIEN KUNNOSSAPITO...34 6.1 Muuntajien kunnonvalvonta...34 6.1.1 Muuntajaöljyanalyysi...35 6.1.2 Paperianalyysi...36 6.1.3 Muuntajavaurioiden paikallistaminen...37 6.2 Muuntajien huollot...38 6.2.1 Määräaikaishuolto...38 6.2.2 Perushuolto...44

6.2.3 Jakelumuuntajien huollon kannattavuus...46 7 MUUNTAJAN KUNNONVALVONNAN MAHDOLLISUUDET...48 7.1 Jakelumuuntajien etävalvonta...48 7.2 Lämpökameratekniikan käyttö muuntajan kunnonvalvonnassa...52 7.2.1 Siirrettävä valvova lämpökamera...53 7.2.2 Kiinteä valvova lämpökamera...56 8 RAUTARUUKIN RAAHEN TERÄSTEHTAAN VARAMUUNTAJASELVITYS...58 8.1 Työn lähtökohta...58 8.2 Varamuuntajatilanne...59 8.3 Muuntajat, joilla ei ole varamuuntajaa...63 8.3.1 Nauhavalssaamo...63 8.3.2 Levyvalssaamo...65 8.3.3 Terässulatto...66 8.3.4 Masuuni...68 8.3.5 Koksaamo...69 8.3.6 Voimalaitos...70 8.4 Yhteenveto...70 9 MUUNTAJIEN LAITEKORTTI...72 LÄHTEET LIITTEET

1 1 JOHDANTO Rautaruukin Raahen terästehdas on valmistunut 1960- luvun alkupuolella. Tehtaalla on vielä runsaasti jakelumuuntajia, jotka ovat olleet käytössä tehtaan käynnistämisestä saakka. Lisäksi suurin osa jakelumuuntajista on valmistettu 1970- luvulla. Vain pieni osa muuntajista on käynyt huollossa, joten vanhempien muuntajien toimintavarmuus ei ole kovin hyvä. Näiden tietojen pohjalta Rautaruukin Raahen terästehtaalle oli syytä tehdä varamuuntajaselvitys. Selvityksen tarkoituksena on selvittää tehtaan kaikki jakelumuuntajat, sekä olemassa olevat varamuuntajat. Selvitysten jälkeen kartoitetaan, mitkä varamuuntajista soveltuvat käytössä olevien muuntajien tilalle, jos muuntaja vikaantuu. Jäljelle jäävät muuntajat, joilla ei ole minkäänlaista varamuuntajaa tai muuta varasyöttökeinoa otetaan tarkastelun alle ja selvitetään muuntajien kriittisyys tuotannon kannalta. Tuotannon kannalta kriittiset muuntajat, joilla ei ole varamuuntaja ovat niitä ongelma paikkoja mihin täytyy puuttua, mikäli halutaan varmistaa tuotannossa olevien tärkeiden kojeiden sähkön saanti. Varamuuntajaselvityksen lisäksi opinnäytetyössäni käsittelen jakelumuuntajien rakennetta, sekä kolmea jakelumuuntajatyyppiä: paisuntasäiliöllä varustettua öljyeristeistä muuntajaa, hermeettisesti suljettua öljyeristeistä muuntajaa ja hartsieristeistä kuivamuuntajaa. Selvitän jakelumuuntajien valintakriteereitä, eli mitä hyviä ja huonoja puolia on öljymuuntajassa ja kuivamuuntajassa, jos mietitään muuntajan hankintaa. Muuntajien kunnossapidolla on suuri vaikutus muuntajien eliniän pitenemiseen ja niiden luotettavuuteen. Työssäni käsittelen muuntajien kunnonvalvontamenetelmiä sekä niiden huoltoa. Myös jakelumuuntajan kunnonvalvonnan eri mahdollisuuksia on nykyään paljon. Lämpökameratekniikka on kehittynyt hurjin harppauksin viime vuosina. Lämpökameratekniikan käyttö on mahdollisuus mitä kannattaa hyödyntää muuntajienkin kunnonvalvonnassa. Ennakoivalla kunnossapidolla saadaan aikaan merkittäviä kustannussäästöjä. Työssäni otan esille myös keinoja millä ennakoivaa kunnossapitoa voitaisiin parantaa.

2 2 RAUTARUUKIN RAAHEN TERÄSTEHTAAN SÄHKÖNJAKELUJÄRJESTELMÄ 2.1 Yleistä Raahen terästehtaan sähköenergian tarve täytetään omalla kehityksellä ja ulkoa ostetulla sähköllä. Voimalaitoksella on kaksi generaattoria omaan sähkön kehitykseen. Sähkön ostoa varten on kaksi 110 kv yhteyttä Fingridin verkkoon: Pikkarila - Rautaruukki ja Pyhäkoski- Rautaruukki. Varayhteys on Raahen Kummatin 110 kv kytkinaseman ja alueverkon kautta Fingridin Ouko-johtoon Kopsassa. Lisäksi on 10 kv yhteys Raahen energialaitoksen kytkinasemalle. Liitteessä 1 on esitetty Rautaruukin Raahen terästehtaan sähkönpääjakelukaavio. 2.2 110 kv verkosto Jännite valtakunnan verkkoon on 110 kv. Tällä jännitteellä syötetään myös tehtaan sisällä Voimalaitoksen ja Valssaamon 110 kv päämuuntajia. Tehtaan 110 kv jakeluverkko muodostuu: - kahdesta tulevasta Fingridin 110 kv linjasta - SF 6 - kaasueristeinen sisäkojeisto (GIS) - valssaamon päämuuntajien syöttökaapeleista - seitsemästä 110/10 kv päämuuntajasta. (Raahen terästehtaan sähkönpääjakelu, Ruukki, sisäinen julkaisu.) 2.3 10 kv verkosto Tehtaan varsinaisen sähkönjakeluverkon muodostaa 10 kv jakelujärjestelmä, jossa käyttöjännite on 10,5 kv.

3 10 kv verkosto on jaettu useampaan oikosulkuportaaseen. Generaattorit ja suuritehoiset käytöt on sijoitettu oikosulkuteholtaan jäykempään verkkoon, muun jakelun osalta oikosulkutehoa on rajoitettu kuristimilla. 10 kv jakeluverkko on ns. erotettu verkko, jossa verkoston tähtipiste on erotettu maasta. Tämän vuoksi yksivaiheinen maasulku ei synnytä suurta virtaa (oikosulkuvirtaa), vaan ainoastaan vähäisen kapasitiivisen maasulkuvirran. Yksivaiheisen maasulun selville saamiseksi ja selektiivisen maasulkusuojauksen parantamiseksi on osaan verkostoa kytketty maadoitusmuuntajia. Maadoitusmuuntajien tähtipiste on kytketty maadoitusvastuksen kautta maahan. Näin saadaan verkostossa kulkemaan resistiivinen maasulkuvirta. ( Raahen terästehtaan sähkönpääjakelu, Ruukki, sisäinen julkaisu.) 2.4 6 kv verkosto Prosessissa on suuritehoisimmilla koneilla käytössä 6 kv nimellisjännitteisiä moottoreita, jotka syötetään joko 6 kv kojeistoista tai käytetään 10/6 kv blokkimuuntajia. 6 kv järjestelmät ovat maasta eristettyjä. ( Raahen terästehtaan sähkönpääjakelu, Ruukki, sisäinen julkaisu.) 2.5 690 V verkosto Tehtaalla on käytössä myös 690 V jännitetaso tiettyjä moottorikäyttöjä varten. 690 V jakelujännitteen käyttö on tehtaalle lisääntymässä. ( Raahen terästehtaan sähkönpääjakelu, Ruukki, sisäinen julkaisu.) 2.6 400 V verkosto Tehtaan pienjännitejakeluverkosto on normaali 400/230 V, 50 Hz:n käyttömaadoitettu jakeluverkko. Poikkeuksena on IT- keskukset, jotka eivät ole käyttömaadoitettu

4 Tehtaan moottori- ja valaistuskuormat on suoraan kytketty 400 V jakelujärjestelmään. 400 V verkostossa on jonkin verran kytkettynä loistehon kompensointikondensaattoreita (5-6 MVar). Terästehtaan ohjausjännitteenä käytetään pääasiallisesti 230 V maadoitettua järjestelmää. Kuitenkin tehtaalla on käytössä edellisen lisäksi erilaisia ohjausjännitejärjestelmiä. ( Raahen terästehtaan sähkönpääjakelu, Ruukki, sisäinen julkaisu.)

5 3 JAKELUMUUNTAJAT 3.1 Yleistä Jakelumuuntaja on muuntaja, jota käytetään muuttamaan keskijänniteverkon jännite pienemmäksi jännitteeksi muuntajan muuntosuhteen mukaisesti. Yleisin muuntosuhde jakeluverkossa on 20 kv / 0,4 kv, mutta teollisuudessa käytetään runsaasti myös muita muuntosuhteita. Rautaruukin Raahen terästehtaalla on käytössä 10,5 kv jakeluverkko, joten yleisin muuntosuhde on 10,5 kv / 0,4 kv. Tehtaalla on lisäksi käytössä runsaasti erilaisia muuntosuhteita. 3.2 Jakelumuuntajan rakenne Käytännön tekniikassa sähköenergia siirretään kuluttajalle symmetristä kolmivaihejärjestelmää käyttäen. Kytkemällä kolme yksivaihemuuntajaa kuvion 1 esittämällä tavalla saadaan kolmivaihemuuntaja. Muuntajien sekä ensiö- että toisiokäämit on kytketty sähköisesti yhteen mutta magneettisesti ei, sillä jokaisen muuntajan magneettivuo kulkee omassa erillisessä rautasydämessä. Kukin yksivaihemuuntaja muodostaa yhden kolmivaihemuuntajan vaiheen. (Aura & Tonteri 1986, 47.) KUVIO 1. Kolmen yksivaihemuuntajan muodostama kolmivaihemuuntaja. Kytkentä Yy (Aura & Tonteri 1986, 47.)

6 Kuviossa 2 on esitetty kolme yksivaiheista muuntajaa kytkettynä toisiinsa siten, että kaikilla on yhteinen pylväs. KUVIO 2. Symmetrinen kolmivaihemuuntaja (kuvassa vain ensiökäämit) (Huurinainen 2006, 10.) Kuten kolmivaihejärjestelmän vaihejännitteet, ovat magneettivuotkin 120 asteen vaihesiirrossa toisiinsa nähden. Kun kuvion 2 yhteisen pylvään magneettivuot lasketaan yhteen, kulkevat kaikki vuot tämän kautta kumoten toisensa, jolloin niiden osoitinlaskennan summa on nolla. Kun yhdessä pylväässä ei kulje magneettivuota ollenkaan, voidaan se jättää pois. Kun s-vaiheen ikeet vielä lyhennetään, saadaan kuviossa 3 oleva tavallisen kolmivaiheisen muuntajan rakenne, jossa kaikki pylväät ovat samassa tasossa. KUVIO 3. Tavallinen kolmivaihemuuntaja (kuvassa vain ensiökäämit) (Huurinainen 2006, 11.)

7 Jokaiselle vaiheelle on oma pylväänsä, jonka ympärille on kiedottu kunkin vaiheen käämitys. Kuviossa 4 on esitetty kolmivaihemuuntajan käytännön aktiiviset osat eli magneettipiiri ja muuntajakäämitys. KUVIO 4. Kolmivaihemuuntajan aktiiviset osat 1. Ensiökäämi 2. Toisiokäämi 3. Rautasydän 4, 5 ja 6. Vaiheiden magneettipiirit Kuviossa 4a nähdään, kuinka muuntajan käämitykset sijaitsevat muuntajan sydämessä. Vaiheilla A, B ja C on kaikilla oma pylväs, jonka ympärille on kiedottu ensiö- ja toisiokäämitykset. Tavallisesti lähinnä rautasydäntä on alajännitekäämi, koska se on helpoin eristää. Muuntajan muuntosuhdetta voidaan säätää yläjännitekäämiin asetetuilla väliotto kytkimillä. Olisi hankala saada jännitteen säätökäämeistä tarvittavia ulosottoja, jos yläjännitekäämi olisi lähinnä rautasydäntä. Kuvassa 4b näkyy kolmivaihemuuntajan rautasydämen rakenne, jossa 45 asteen limiliitokset ovat pylväiden ja ylhäällä ja alhaalla olevien ikeiden välillä. Käämimateriaalina käytetään joko kuparia tai alumiinia Alajännitekäämi on pienissä muuntajissa kaksikerroksista muotolankakäämiä, suurissa muuntajissa foliokäämiä. Yläjännitekäämi on yleensä kaksiosainen kerroskäämi joko lakkaeristeisestä pyörölangasta tai paperieristeisestä muotolangasta. Käämit ovat paperilla eristettyjä, alajännitekäämin ja rau-

8 tasydämen välissä on prespaanilieriö. Ylä- ja alajännitekäämin välissä on eristelieriö ja jäähdytyskanavia. Muuntajan magneettipiirin muodostaa rautasydän, joka on koottu muuntajalevyistä. Muuntajalevyt ovat n. 0,3 mm:n vahvuisia kidesuunnattuja rautalevyjä. Levyt ladotaan päällekkäin ja niiden välissä on ohut eristekerros pyörrevirtojen kulun estämiseksi. Sydämen osat ovat pylväät ja ikeet. Pylväiden ja ikeiden välinen sauma on 45 astetta. Sauman kulman ansiosta magneettivuo saadaan kulkemaan mahdollisimman paljon valssaussuunnassa. Tällöin tehohäviöt ja magnetomotorinen voima tulevat mahdollisimman pieneksi. Sydämen levyt ladotaan päällekkäin ja ne muodostavat ympyrän mallisen poikkileikkauksen. KUVIO 5. Jakelumuuntajan rautasydän puristuspalkkeineen ilman käämityksiä (Aura & Tonteri 1986, 86.) 1. Alaikeen puristuspalkit 2. Puristuspalkkien puristusruuvit (alaies) 3. Yläikeen puristuspalkit 4. Käämien kiristyspultit 5. Puristuspalkkien puristusruuvit (yläies) 6. Pohjapalkit

9 Öljytäytteisen muuntajan säiliö on valmistettu aaltolevystä, jonka jäähdytysvaippa on valmistettu neljästä osasta. Säiliön pohjassa on tulppa tai venttiili öljynäytettä tai tyhjennystä varten. (Huurinainen 2006, 11-13; Aura & Tonteri 1986, 86.) 3.3 Jakelumuuntajatyypit Jakelumuuntajia valmistetaan öljyeristeisenä ja kuivaeristeisenä. Öljyeristeisiä muuntajia ovat erillisellä paisuntasäiliöllä olevat muuntajat sekä hermeettisesti suljetut muuntajat. Kuivamuuntajat jaotellaan hartsieristeisiin ja ilmaeristeisiin muuntajiin. Raahen Rautaruukin terästehtaan muuntajista suurin osa on öljyeristeisiä paisuntasäiliöllä varustettuja muuntajia. Kuivamuuntajien osuus on kuitenkin kasvamassa, tällä hetkellä lähes kaikki uusiin kohteisiin hankittavat muuntajat ovat kuivamuuntajia. Taulukossa 1 on esitetty Raahen terästehtaalla käytössä olevien muuntajien jako muuntajatyyppien mukaan. Taulukossa on huomioitu myös 1-masuunin remontin yhteydessä hankittavat kuivamuuntajat (10kpl) TAULUKKO 1. Raahen terästehtaan muuntajat Muuntajatyyppi Öljyeristeinen, paisuntasäiliöllä varustettu muuntaja Öljyeristeinen, hermeettisesti suljettu muuntaja Hartsieristeinen kuivamuuntaja Yhteensä Määrä 179 kpl 6 kpl 42 kpl 227 kpl

10 3.3.1 Öljyeristeinen, paisuntasäiliöllä varustettu muuntaja Erillisellä paisuntasäiliöllä varustetussa muuntajassa eristeöljyn tilavuuden muuttuessa ylimääräinen öljy varastoituu paisuntasäiliöön. Paisuntasäiliön pinnankorkeus siis vaihtelee nesteen lämpötilan ja laajenemiskertoimen mukaisesti. Normaalissa 20 C:n käyttölämpötilassa muuntaja täytetään öljyllä niin, että paisuntasäiliö täyttyy noin puoliksi. Tämä rakenne sallii muuntajaöljyn tilavuuden muuttumisen vapaasti, ilman muuntajasäiliöön kohdistuvia rasituksia. Näin ollen paine pysyy vakiona muuntajan sisällä. Muuntajaöljyn tilavuuden vaihdellessa paisuntasäiliössä, vaihtelee siellä myös ilman määrä. Koska tässä rakenteessa ilma pääsee suoraan kosketukseen muuntajaöljyn kanssa, sitoutuu muuntajan eristeaineeseen happea, kosteutta ja erilaisia epäpuhtauksia. Tämä nopeuttaa eristeaineiden vanhenemisreaktioita ja vähentää niiden elinikää. (ABB, jakelumuuntajat.) KUVIO 6. Paisuntasäiliöllä varustettu öljyeristeinen muuntaja.

11 KUVIO 7. Paisuntasäiliöllä varustetun öljyeristeisen jakelumuuntajan osat (Aura & Tonteri 1986, 82). 1. Öljysäiliö: Muuntajan aktiiviosat ovat eristetty muuntajaöljyllä 2. Arvokilpi: Muuntajan kaikki tiedot löytyvät arvokilvestä 3. Paisuntasäiliö: Öljyn tilavuuden muutokset muuttavat öljyn pinnan korkeutta paisuntasäiliössä 4. Lämpömittari: Valvotaan muuntajan käynti ja huippulämpötilaa 5. Lämpömittaritasku 6. Öljynkorkeuden osoitin: Kertoo kuinka paljon muuntajan sisällä on öljyä 7. Kaasurele: Toimii muuntajan suojana. Jos muuntajassa esiintyy paikallista ylikuumenemista, purkaus- tai valokaari-ilmiötä, ne saavat aikaan eristeöljyn hajoamisen kaasuksi. Tämän seurauksena kaasurele antaa hälytyksen tai laukaisun 8. Alajänniteläpivienti 9. Yläjänniteläpivienti 10. Tähtipisteläpivienti 11. Nostosilmukat (kannessa 2 kpl tai 4 kpl) 12. Väliottokytkimen asennon valitsin: Yläjännitepuolella on 5-asentoinen väliottokytkin, jonka asennonvalitsin on kannella. Väliottokytkimellä voidaan muuttaa muuntajan muuntosuhdetta muuntajan ollessa jännitteetön. Säätöalue on tavallisesti +- 5% tai +- 2x2,5%

12 13. Lisäksi muuntajissa on ilmankuivain(ei ole kuviossa): Öljyn pinnankorkeuden muutokset aiheuttavat muuntajan hengittämisen paisuntasäiliön kautta. Ilmankuivaimen tehtävä on estää kosteuden pääsemisen muuntajaöljyyn. 3.3.2 Öljyeristeinen, hermeettisesti suljettu muuntaja Hermeettiset muuntajat ovat täytetty kokonaan öljyllä, mutta niissä ei ole paisuntasäiliötä. Lämpötilan aiheuttamat öljyn tilavuuden muutokset ovat mahdollisia säiliön joustavien jäähdytysaaltojen ansiosta. Rakenne on hermeettisesti suljettu, joten se estää hapen ja kosteuden vaikutuksen öljyn ja eristeiden ominaisuuksiin, joten hermeettisten muuntajien vanheneminen on hitaampaa kuin paisuntasäiliöllisten muuntajien. Etuna hermeettisissä muuntajissa on myös pieni koko. Paisuntasäiliöllisissä öljymuuntajissa pitää tehdä ajoittain öljyanalyyseja, hermeettisessä rakenteessa niitä ei tarvitse tehdä. Huonoina puolina voisi mainita rakenteeseen kohdistuvat rasitukset ja öljyn vaihdon hankaluus. (ABB, jakelumuuntajat.) KUVIO 8. Hermeettisesti suljettu öljyeristeinen muuntaja

13 KUVIO 9. Happilaitoksen hermeettisesti suljettu käynnistysmuuntaja KUVIO 10. Hermeettisesti suljetun öljyeristeisen muuntajan osat (Aura & Tonteri 1986, 83.) 1. Öljysäiliö 2. Elastiset jäähdytysaallot 3. Arvokilpi 4. Muuntajan kansi 5. Nostosilmukat 6. Täyttöputki 7. Yläjänniteläpivienti 8. Alajänniteläpivienti

14 3.3.3 Kuivamuuntaja Kuivamuuntajat ovat tarkoitetut käytettäviksi paikoissa, missä palovaaran tai saastumisvaaran takia öljytäytteisen muuntajan käyttö on kielletty tai edellyttää kalliita erikoistoimenpiteitä. Kuivamuuntajia käytetään teollisuuslaitoksissa, joissa muuntaja voidaan asentaa tehdastilaan lähelle kuormaa ja säästetään siten alajännitepuolen kaapeleita. Kuivamuuntajat ovat pääasiassa valuhartsieristeisiä. Myös ilmaeristeisenä niitä voidaan valmistaa, mutta silloin muuntajan ylijännitekestoisuus on pienempi. Kuivamuuntajan jäähdytystapa on usein AN, mikä tarkoittaa luonnollista ilmajäähdytystä. Toinen yleinen jäähdytystapa on ANAN, mikä tarkoittaa koteloitua luonnollista jäähdytystä. Jossain kohteissa käytetään myös tehostettua jäähdytystä, joka toteutetaan tuulettimien ja puhaltimien avulla. Tällöin muuntajien kuormitusta voidaan nostaa jopa 50 % jatkuvassa käytössä. Kuivamuuntajat ovat huoltovapaita, mutta ne ovat öljyeristeisiä muuntajia kalliimpia. Kuivamuuntajien suosio on kasvanut runsaasti. (ABB, jakelumuuntajat; Setälä. 2005, 14.) KUVIO 11. Siemensin kuivamuuntaja

15 KUVIO 12. ABB:n kuivamuuntaja KUVIO 13. Kuivamuuntajan osat. Muuntaja kuvattuna kummaltakin sivulta (Aura & Tonteri 1986, 85.) 1. Sydän 2. Alajännitekäämin ulosotto, alumiinia 3. Nollakisko, alumiinia. Liitäntämahdollisuus kummassakin päässä. 4. Yläjännitekäämin ulosotto, tinattua kuparia 5. Yläjännitekäämityksen kytkentäsilta 6. +-5%-säädön kytkentäliuskat 7. Päätyeristys, silikonikumia 8. Puristuspalkki

16 9. Nostosilmukka 10. Pyörien kiinnityspalkit 11. Vetosilmukka 12. Hälytys- ja laukaisuelementit 3.4 Muuntajan arvokilvessä annettujen vastusarvojen laskeminen Muuntajan arvokilpeen on merkitty kaikki tarvittavat tiedot muuntajasta. Arvokilpi pitää aina olla kiinnitettynä muuntajan kylkeen niin, että se on helposti havaittavissa. KUVIO 14. Muuntajan arvokilpi Seuraavassa käsitellään muuntajan arvokilvessä ilmoitettujen vastusarvoja Muuntajien vastusarvot annetaan luetteloissa ja arvokilvissä yleensä prosentteina muuntajan nimellisimpedanssista Z N, joka on Z N U N = 3 I N (1) jossa Z N = muuntajan nimellisimpedanssi (Ω/vaihe) U N = muuntajan nimellisjännite (V) I N = muuntajan nimellisvirta (A)

17 Yleensä muuntajan arvokilvessä on annettu vain oikosulkuimpedanssi Z k prosentteina ja mahdollisesti nollaimpedanssi Z 0. Oikosulkuimpedanssi saadaan kaavasta 2 Z K = Rk + Xk 2 (2) jossa Zk = muuntajan oikosulkuimpedanssi Rk = oikosulkuresistanssi Xk = oikosulkureaktanssi Oikosulkuresistanssi R k prosentteina saadaan kaavasta R k Pk = 100 S N (3) jossa R k = muuntajan oikosulkuresistanssi (%) P k = kuormitushäviöt nimellisvirralla (W) S N = muuntajan nimellisteho (VA) Oikosulkureaktanssi X k prosentteina on laskettavissa seuraavasti X k = Zk 2 Rk 2 (4) jossa X k = muuntajan oikosulkureaktanssi Z k = oikosulkuimpedanssi R k = oikosulkuresistanssi (ABB TTT-käsikirja 2000, 320-321.)

18 4 MUUNTAJIEN KYTKENTÄRYHMÄT JA RINNANKÄYTTÖ 4.1 Muuntajien kytkentäryhmät Kolmivaihemuuntajan vaihekäämit kytketään joko tähteen, kolmioon tai hakatähteen. Tähti- ja kolmiokytkentää käytetään sekä ylä- että alajännitekäämityksissä. Hakatähtikytkentää käytetään puolestaan vain alajännitekäämityksissä. Taulukko 2 esittää näistä kytkennöistä muodostetut kolmivaihemuuntajien standardoidut kytkennät. Nämä standardoidut kytkennät jakautuvat neljään kytkentäryhmään, joiden tunnusluvut ovat 0, 5, 6 ja 11. Jokaisessa kytkentäryhmässä on valittavissa kaksitoista erilaista kytkentää. Suomessa yleisimmin käytössä on 11 kytkentäryhmä sekä 0 kytkentä ryhmästä Yy0 kytkentä. Raahen tehtaalla on pääsääntöisesti käytetty Dyn11 kytkentäryhmää muuntajilla. TAULUKKO 2. Kolmivaihemuuntajien standardoidut kytkennät (Pöyhönen 1980, 297.)

19 Muuntajien kytkentää ilmaisevien kirjainsymbolien merkitykset ovat seuraavat: Y ; y = tähtikytkentä D ; d = kolmiokytkentä Z ; z = hakatähtikytkentä III ; iii = avoin (kytkemätön) kolmivaihekäämitys Iso kirjain, joka merkitään ensimmäiseksi, tarkoittaa suurimman jännitteen käämitystä, pienet kirjaimet pienemmän jännitteen käämityksiä. Jos tähti- tai hakatähtikäämityksen tähtipiste on tuotu liittimelle, merkitään tämä kirjaimella N tai n välittömästi ko. käämityksen kirjainsymbolin jälkeen. Jos käämityksessä on säästökytkentä, merkitään tämä kirjaimella a käämityksen kirjainsymbolin jälkeen. Jos käämitys on kytkettävissä kahdelle tai useammalle jännitteelle, kirjoitetaan suurimman jännitteen kirjainsymboli ensin ja sen jälkeen muut kirjainsymbolit sulkeisiin. Kytkennästä aiheutuvaa vaihesiirtoa kuvamaan käytetään tunnuslukuina kellotaulun tuntilukemia. Tunnusluku on se kellolukema, jolle alajännitteiden (kuvitellut) vaihejännitevektorit asettuvat, kun samannimisen yläjännitevaiheen (kuviteltu) vaihejännitevektori asetetaan näyttämään 12 kellotaululla. Tunnusluku 11 esim. tarkoittaa, että alajännite on 30 astetta edellä yläjännitteestä. Jos jännitevektorit ovat samansuuntaiset, on tunnusluku 0. Tunnusluku kirjoitetaan ko. alajännitekäämityksen kirjainsymbolin jälkeen. Pariton tunnusluku syntyy, jos toisen käämityksen kytkentä on tähti ja toisen joko kolmio tai hakatähti, muut yhdistelmät antavat parillisia tunnuslukuja. (ABB- TTT-käsikirja 2000, 315-316.) KUVIO 15. Esimerkit muuntajien käämityksistä Yy0 ja Dy11 (Haarla 2008, 8.)

20 4.2 Kytkentöjen vertailu Valittaessa muuntajien kytkentäryhmiä kannattaa kiinnittää huomiota muuntajan käyttöominaisuuksiin, tarkoituksen mukaiseen rakenteeseen ja taloudellisuuteen. Seuraavassa vertaillaan kolmio, tähti-, hakatähtikytkentöjen käyttöä muuntajissa. 4.2.1 Kolmiokytkentä Kolmiokytkennässä saadaan vain yksi jännite. Käämijännite on sama kuin johdon pääjännite, joten eristäminen on vaikeampaa kuin tähtikytkennässä. Sisäiset kytkentäjohtimet ovat vaikeammin järjestettävissä ja eristettävissä kuin tähdessä. Etuna on, että johdon päävirran ja muuntajan käämivirran suhde on 3:1 ja että kytkentä vaimentaa kolmatta yliaaltoa. (Aura & Tonteri 1986, 72.) 4.2.2 Tähtikytkentä Tähtikytkennän tärkein etu kolmiokytkentään nähden on, että tähti- eli nollapiste on käytettävissä, joten käytettävissä on myös kaksi jännitettä, joiden suhde on 3:1. Erikoisesti suurille jännitteille ja kohtuullisille virroille sopii tähtikytkentä hyvin, sillä käämijännite on 3:s osa pääjännitteestä, joten käämin eristäminen on helpompaa kuin kolmiokytkennässä. Haittana on, että käämivirta on sama kuin päävirta. Suurilla jännitteillä tähtikytkentäisen muuntajan hankintakustannukset ovat pienemmät kuin kolmiokytkentäisen. Myös sisäisten kytkentäjohtimien järjestäminen ja eristäminen on helpompaa kuin kolmiokytkennässä. (Aura & Tonteri 1986, 72.) 4.2.3 Hakatähtikytkentä Hakatähtikytkennän sähköiset ominaisuudet ovat samat kuin tähtikytkennän. Johdon kannalta se vastaa täysin tähtikytkentää. Sen etuna tähtikytkentään nähden on, että muuntajan toision ollessa hakatähdessä, saa ensiö olla tähdessä eikä jännite-epäsymmetriaa pääse syntymään. Haittana on, että hakatähtikytkentä vaatii johdinmateriaalia 15,5 % enemmän kuin

21 tähtikytkentä ja sisäiset kytkennät ovat mutkikkaammat. Hakatähtikytkentää käytetään pienillä jännitteillä ja pienillä tehoilla. (Aura & Tonteri 1986, 72.) 4.3 Muuntajien rinnankäyttö Muuntajien rinnankäyttöön on joskus tarvetta muuntajan vikaantuessa, huoltoa varten tai tehon vajauksen täyttämiseksi. Muuntajien yleiset rinnankäytön ehdot ovat: 1. Muuntajien nimellisjännitteiden U 1n ja U 2n on oltava suunnilleen yhtä suuret. Toleranssi muuntosuhteissa saa olla korkeintaan 0,5 %. 2. Muuntajien toisiojännitteiden on oltava rinnankytkettäessä keskenään samansuuntaiset. Näin on, jos muuntajat kuuluvat samaan kytkentäryhmään eli niiden kirjainsymboli on sama. Lisäksi soveltuvat rinnakkain ne muuntajat, joiden tunnusluvut ovat 5 ja 11, jos sekä ylä- että alajännitepuolen johtimet risteillään kuten taulukossa 3 esitetään. 3. Muuntajien nimellistehojen S n1, S n2 jne. on oltava samansuuruisia, tehojen suhde korkeintaan 3 : 1. 4. Muuntajien oikosulkuimpedanssien Z k1, Z k2 jne on oltava suunnilleen yhtä suuret, erotus korkeintaan 10 %. Tämä ehto ei ole välttämätön, mutta kuormitus jakautuu epätasaisesti muuntajien kesken, jos erot ovat suuret. (Aura & Tonteri 1986, 73.) TAULUKKO 3. Muuntajien, joiden tunnusluvut ovat 5 ja 11 soveltuvuus rinnakkain, jos alajännitepuolen johtimet risteillään taulukon mukaisesti (Aura & Tonteri 1986, 73.) Yläjännite Alajännite Kiskot L1 L2 L3 L1 L2 L3 Muuntajan tunnusluku 5 A B C a b c Muuntajan tunnusluku 11 A B C c b a (kolme vaihtoehtoa) C B A b a c B A C a c b

KUVIO 16. Kolmivaihemuuntajien rinnankytkentä (Aura & Tonteri 1986, 73.) 22

23 5 JAKELUMUUNTAJIEN VALINTAKRITEERIT Seuraavaksi tarkastellaan öljy- ja kuivamuuntajien tekniset, taloudelliset ja ympäristölliset erot. 5.1 Ominaisuudet asennusympäristössä Jakelumuuntajien valinnassa ensimmäinen asia, joka pitää huomioida, on se tuleeko muuntaja sisä- vai ulkotiloihin. Lähes poikkeuksetta ulosasennettavat muuntajat ovat öljyeristeisiä, koska niiden pakkaskestävyys on huomattavasti parempi kuin kuivamuuntajien. Jatkuvasti kuitenkin kehitetään kestävämpiä ja eristyskyvyltään parempia hartsieristeitä kuivamuuntajiin. Tällä hetkellä on kuivamuuntajiin kehitetty ainutlaatuinen epoksilasikuitueristys, joka kestää normaalirakenteisena -40 C pakkasta ja äärimmäistä kuormitusvaihtelua ilma halkeamia. Ulos asennettavan kuivamuuntajan kotelointi pitää olla riittävä, ettei kosteutta pääse muuntajaan. Öljymuuntajat eivät tarvitse kotelointia, koska kaikki muuntajan aktiiviosat upotetaan kokonaan ulkokuoren sisään ja täytetään muuntajaöljyllä. Jos muuntaja on tilanpuutteen vuoksi asennettava sisätiloihin tai halutaan muuntaja kuorman lähelle, on kuivamuuntaja hyvä ratkaisu. Kuivamuuntajat sopivat hyvin sisätiloihin alhaisen palokuorman vuoksi. Tällöin muuntajapalon vaaraa ei ole. Sisälle asennettaessa muuntajatilan paloturvallisuutta ei tarvitse huomioida kuivamuuntajan osalta samalla tavalla, kuin öljymuuntajan tapauksessa. Tämän takia muuntajatilan rakennusvaiheessa tulee merkittäviä kustannussäästöjä. Myös kaapeleissa säästetään kustannuksissa, jos muuntaja tuodaan lähelle kuormaa. ( France transfo 1998; France transfo 2002; ABB- TTT-käsikirja 2000.) 5.2 Ympäristövaikutukset 5.2.1 Ympäristöriskit Öljymuuntaja on riskitekijä ympäristölle sen runsaan öljymäärän vuoksi. Esimerkiksi 2000 kva:n jakelumuuntajassa on yli 1000 kg öljyä. Öljymuuntaja vaurioituessaan valuttaa

24 muuntajaöljyä maahan, josta öljy voi edelleen kulkeutua pilaamaan pohjaveden. Öljyä voi päästä maastoon äkillisen vian tai pitkäaikaisen vuodon seurauksena. Riskin vähentämiseksi voidaan muuntajassa käyttää korvaavia öljytuotteita, kuten kasvispohjaisia muuntajaöljyjä ja synteettiseen esteriin pohjautuvaa Midel- öljyä. Myös sähköistä suojausta parantamalla ja estämällä öljyn kulkeutuminen pohjaveteen maaperän tiivistyksellä saadaan ympäristöriskiä pienemmäksi. Rakennuksen sisälle sijoitettavan muuntajan alle on rakennettava öljytila. Pohjavesiriski voidaan poistaa kokonaan käyttämällä kuivaeristeistä muuntajaa. (Molarius 1998; Otava 1999.) 5.2.2 Säteily ja melu Muuntajan melu on merkittävä tekijä varsinkin sisätiloihin rakennettavassa muuntoasemassa. Se on otettava huomioon jo asennusta suunniteltaessa. Melu ja tärinä aiheutuu muuntajan sydämen magneettivuosta. Melu saadaan kuriin eristämällä muuntaja kumilla rakennusten lattiasta, sekä varmistamalla, ettei mitään muutakaan kiinteää rakennelmaa ole muuntajassa kiinni. Kuivamuuntajan melu on keskimäärin 10dB korkeampi kaikissa kokoluokissa verrattuna öljymuuntajiin. Kuivamuuntajan erikoisuus on, että melu pienenee lähestyttäessä nimelliskuormaa, mille sen toiminta on suunniteltu. Voimakkaat magneettikentät aiheuttavat häiriöitä elektronisissa laitteissa, varsinkin näytöissä ja mittalaitteissa. Nykyään myös magneettisen säteilyn terveysvaikutuksia on alettu ottaa huomioon, joskin niistä ei olla saatu varmaa tutkimustietoa. Raja-arvoksi on annettu 1µT. Kuitenkaan itse muuntajan säteily ei ole lähellekään niin suuri ongelma kuin pienjännitekiskon säteily. Pienjännitekiskon koteloinnilla säteily vähenee 50 prosentista, jopa 70 prosenttiin asti. ( Roine, Anjala, Mettälä, Vanhala & Honkanen. 2002. Luentomateriaali.) 5.3 Kuivamuuntajan arvot ja luokat Kuivamuuntajien valmistajien jaottelevat kuivamuuntajat eri laatuluokkiin. Laatuluokalla tarkoitetaan sitä, miten muuntajat soveltuvat eri olosuhteisiin. Taulukossa 4 on esitetty muuntajien laatuluokitus.

25 TAULUKKO 4. Kuivamuuntajien laatuluokitus (Siemens: Valuhartsimuuntajien laatuluokat). Ympäristöluokka E0 Ei kondensointia, ei ilman epäpuhtauksia Sisäasennukseen, puhdas ja kuiva tila E1 E2 Satunnaista kondensointia rajoitettu ilman epäpuhtaus Toistuva kondensointi korkea ilman epäpuhtaustaso Ilmastoluokka C1 Ympäristön lämpötila min. -5 C C2 Ympäristön lämpötila min. -25 C Paloluokka F0 Helposti syttyvä F1 F2 Itsestään sammuva rajallisessa ajassa Erikoissopimus valmistajan ja ostajan välillä Eristeluokka E Käämin suurin lämpötila 120 C Lämpenemä 75 K B Käämin suurin lämpötila 130 C Lämpenemä 80 K F Käämin suurin lämpötila 155 C Lämpenemä 100 K 5.4 Sähköiset ominaisuudet 5.4.1 Standardit Kuivamuuntajat ovat mitoitettu kestämään samat koestusjännitteet kuin öljymuuntajat. Keskijännitekäämi kuivamuuntajissa kääritään suoraan pienjännitekäämin hartsieristyksen päälle, jolloin saadaan hyvä ylijännitekestoisuus. Tämä pakka kestää hyvin myös oikosulkuvoimia. (France Transfo 1998.)

26 TAULUKKO 5. IEC ja HD standardit öljyeristeisille jakelumuuntajille (Hyytiäinen 2003,11). Öljyeristeiset muuntajat (IEC) International Electrical Comission (HD) European electrical standards comission Jakelumuuntajien yleiset standardit IEC 60076-1 HD 398-1 Lämpötilan nousu IEC 60076-2 HD 398-2 Eristystaso ja sen tarkistus IEC 60076-3 HD 398-3 Liitännät IEC 60076-4 HD 398-4 Oikosulku kestoisuus IEC 60076-5 HD 398-5 Muuntaja öljy IEC 60296 Öljyeristeisten muuntajien kuormitus IEC 60354 Osittaispurkaukset IEC 60270 Melutaso IEC 60551 HD 399-S2 TAULUKKO 6. IEC ja HD standardit kuivamuuntajille (Hyytiäinen 2003,11). Kuivamuuntajat (IEC) International Electrical Comission (HD) European electrical standards comission Kuivamuuntajien yleiset standardit IEC 60726 HD 464-S1 Jakelumuuntajien yleiset standardit IEC 60076-1 HD 464-S1 JA 398-1 Eristystaso ja sen tarkistus IEC 60076-3 JA 60726 HD 398-2 Osittaispurkaukset IEC 60270 HD 464 S1 JA 398-3 Lämpötilan nousu IEC 60076-2 JA 60726 HD 398-4 Oikosulku kestoisuus IEC 60076-5 HD 398-5 Melutaso IEC 60551 HD 399-S2 Liitännät ja kosketussuojaus IEC 60076-4 HD 637 S1 Paloturvallisuus IEC 60332-3 (osittain) HD 464-S1 JA 538.1-S1 Ilmaston ja kosteuden kesto HD 464-S1 JA 538.1-S1 Kuivamuuntajien kuormitus IEC 60905 5.4.2 Ylikuormitus Ylikuormitus ja ylilämpeneminen ovat toistensa kanssa sidoksissa. Ylikuorma havaitaan muuntajan kuumenemisesta lämpötila-anturin avulla ja sitä pystytään ylilämmön kanssa samaan tapaan sietämään hetkellisesti. Ylilämpö on Suomessa harvemmin ongelma. Kuumimmat kesäpäivät ja suuret rakennusten ilmastointijärjestelmien kuormat kuitenkin saattavat aiheuttaa muuntamoissa ongelmia. Lämpöongelmiin ratkaisu on asentaa kuivamuuntajan alle integroitava tuuletin, jonka avulla muuntajaa pystytään ylikuormittamaan 40 50 %. Öljymuuntajia pystytään ylikuormit-

27 tamaan hetkellisesti ilman lisätuuletusta, mutta niillekin pystytään asentamaan tarvittaessa ilmantuuletus. Kumpikaan muuntajavaihtoehto ei ole immuuni ylilämmölle. (France transfo 1998; ABB- manual 2001.) 5.4.3 Muuntajan eliniän ja kuormituksen suhde Muuntajan elinikään vaikuttavia tekijöitä on monia, mutta ylikuormitus ja suuret lämpötilavaihtelut vaikuttavat oleellisesti muuntajan elinikään. Öljyeristeisen muuntajan käyttöikä ei ylikuormituksen takia tiettävästi kuitenkaan lyhene niin nopeasti kuin kuivamuuntajien, sillä alle 80 C lämpötiloissa öljymuuntajan vanheneminen ei johdu lämpötilasta. Muuntajien elinkaarien vertailu on hankalaa, johtuen kuivamuuntajien vähäisestä käyttökokemuksesta. Yleisesti kuitenkin kuivamuuntajille annetaan käyttöiäksi standardien rajoituksia noudattaen 30-40 vuotta ja öljymuuntajille 35-40 vuotta. Yksi merkittävä tekijä muuntajan vanhenemiseen riippuu korkeimmasta lämpötilasta muuntajan käämityksissä, ns. hot-spot lämpötilasta. Jakelumuuntajien hot-spot lämpötiloja ei tarkasti tiedetä, jolloin ne voivat saada liian korkeita arvoja. Standardien yhtälöille pätee karkea arvio siitä, että öljymuuntajalla jokainen 6 C ja kuivamuuntajalla 10 C lisäys muuntajan kuumimman pisteen lämpötilassa kaksinkertaistaa muuntajan vanhenemisnopeuden. Jokainen 6 C ja kuivamuuntajalla 10 C pudotus kuumimman pisteen lämpötilassa pienentää vanhenemisnopeuden puoleen. Ilmiö on eksponentiaalinen ja se tunnetaan paremmin Montsingerin yhtälön nimellä.

28 KUVIO 17. Muuntajan suhteellisen vanhenemisnopeuden riippuvuus kuumimman pisteen lämpötilasta (Lipsanen 1998, 59.) Lämpötilan noustessa öljyeristeisen muuntajan jäähdytys perustuu öljyn kiertoon. Käynnistäessä suurella kuormalla kuten teollisuudessa on tapana, käämin kuumin piste, niin sanottu hotspot, lämpenee todella nopeasti. Öljyeristeisen muuntajan jäähdytys eli lämpötilaerojen aiheuttama sisäinen öljynkierto ei ole vielä ehtinyt alkaa. Tämä kuluttaa käämejä. Kuivamuuntajan ilmajäähdytys jäähdyttää suunnitellulla teholla jatkuvasti. Puhaltimella tehostettu ilmajäähdytys säästää käämejä kovassa käynnistyskuormassa. Öljymuuntajan elinikään vaikuttaa hotspot- lämpötilan lisäksi muuntajan kuormitus, muuntajan kosteus, lämpötila, ilman laatu ja yliaallot. Kuivamuuntajan hartsieristettä vanhentavat eniten sisäiset osittaispurkaukset. Tämä aiheuttaa muuntajien ominaisuuksien heikentymisen eli esimerkiksi häviöiden kasvamiseen. Toki on huomattava, että uusien kuivamuuntajien eristystaso on parantunut uusien materiaalien ansiosta. Tämän takia häviöt eivät kasva muuntajan ikääntyessä niin paljoa kuin ensimmäisillä kuivamuuntajilla. On hyvin vaikeaa tietää nykyisten uusien kuivamuuntajien vanhenemista, koska niistä ei ole vielä kovin paljon kokemusperäistä tietoa. (Hyytiäinen 2003, 13-15.)

29 5.5 Häviöt Muuntajien elinkaarikustannukset koostuvat hankintahinnasta, häviöistä ja muista käyttökuluista. Muuntajahäviöt ovat erityisesti suurilla muuntajilla merkittävä osa muuntajan käyttökuluista sen elinkaaren aikana ja se täytyy ottaa huomioon muuntajaa hankittaessa. Muuntajahäviöt jakaantuvat tyhjäkäyntihäviöihin ja kuormitushäviöihin. Tyhjäkäyntihäviöitä syntyy muuntajan rautasydämessä aina kun muuntaja on kytkettynä verkkoon ja ne ovat riippumattomia kuormituksesta. Kuormitushäviöitä syntyy lähinnä sen käämityksissä muuntajaa kuormitettaessa. Kuormitushäviöt ovat verrannollisia kuormitusvirran neliöön. Kuivamuuntajien tyhjäkäyntihäviöt ovat 30 50 % korkeammat kuin öljymuuntajien. Kuormitushäviöt ovat pienihäviöisillä kuivamuuntajilla samaa suuruusluokkaa öljymuuntajiin verrattuna. Kuivamuuntajien valmistajat jaottelevat muuntajat eri häviöluokkiin. Edullisemmat muuntajat ovat normaali häviöisiä ja kalliimmat alennetuilla häviöillä. Muuntajaa hankittaessa täytyy laskea, mikä olisi halvin vaihtoehto, jos lasketaan muuntajan koko elinkaaren aikaiset kustannukset. (Koskinen & Tuomisto, ABB seminaari 2006.) Kaavassa 5 on esitetty häviöiden aiheuttamien elinkaarikustannusten siirtäminen nykyhetkeen: M = K 0 K1 K 2 + + p p 1 + 1 + 100 100 2 K n +... + p 1 + 100 n (5) jossa K 0 = hankintahinta K 1 = häviökustannus vuodessa (kaudessa) p = korkoprosentti n = pitoaika

30 Häviöarvostus - Tyhjäkäyntihäviö: P 0 = K n t= 1 1 p 1 + 100 t (6) jossa P 0 = Tyhjäkäyntihäviöarvostus / (EUR/kW) K = 365 x 24h x XX EUR / MWh n = pitoaika 20 30 vuotta p = korko % Häviöarvostus - Kuormitushäviöt P K I = K I 0 N 2 n t= 1 1 p 1 + 100 t (7) jossa P K = Kuormitushäviöarvostus / (EUR/kW) K = 365 * 24h * XX EUR / MWh I 0 = kuormitusvirta I N = nimellisvirta n = pitoaika 20 30 vuotta p = korko % Oikea häviöarvostus ja siihen perustuva optimointi on energian käytön tehostamista parhaimmillaan. (Koskinen & Tuomisto. ABB seminaari 2006.) Jotta jo alun alkaen muuntaja tarjoaja osaisi valita oikeat suhteet tyhjäkäyntija kuormitushäviöille, olisi hyvin tärkeää, että häviöiden hinnat ilmoitettaisiin tarjouspyynnössä.(koponen 1996.) Taulukoissa 7 ja 8 on esitetty esimerkit kuivamuuntajan (1600kVA) sekä vastaavan öljymuuntajan häviöiden vaikutus muuntajan koko elinkaaren aikaisiin kustannuksiin. Kustannuksissa ei ole huomioitu muita muuntajan menoja elinkaaren aikana kuten huollot, raken-

31 nuskustannukset ym. Taulukkoihin on esitetty uuden öljymuuntajan ja pienihäviöisen kuivamuuntajan kuormitus ja tyhjäkäyntihäviöt. Rautaruukin Raahe terästehtaalla on määritelty korkoprosentiksi 10%, sekä muuntajien pitoajaksi on ajateltu 30 vuotta. Energian hinnassa on pyritty huomioimaan tuleva hintakehitys välillä 2008-2038. Muuntajan hinnassa ei ole huomioitu mitään lisävarusteita. TAULUKKO 7. Häviöiden vaikutus kuivamuuntajan elinkaarenaikaisiin kustannuksiin Tyhjäkäyntihäviöt (kw) 2,2 Kuormitushäviöt nimellisvirralla (kw) 12,7 Tuulettimen teho (kw) 0 Korko 0,1 Pitoaika (vuosi) 30 Energian hinta (MWh) Kuormitusvirta (A) Nimellisvirta (A) 70,00 50 88 Hankintahinta 26 300,00 Tyhjäkäyntihäviön arvostus 12 717,28 Kuormitushäviön arvostus 23 700,10 Tuulettimen tehonkulutus 0,00 Häviöiden elinkaarikustannus 36 417,38 Elinkaarikustannus (Hankintahinta+Häviöt) 62 777,38

32 TAULUKKO 8. Häviöiden vaikutus öljymuuntajan elinkaarenaikaisiin kustannuksiin Tyhjäkäyntihäviöt (kw) 1,88 Kuormitushäviöt nimellisvirralla (kw) 11,2 Tuulettimen teho (kw) 0 Korko 0,1 Pitoaika (vuosi) 30 Energian hinta (MWh) Kuormitusvirta (A) Nimellisvirta (A) 70,00 50 88 Hankintahinta 19 000,00 Tyhjäkäyntihäviön arvostus 10 867,50 Kuormitushäviön arvostus 20 900,87 Tuulettimen tehonkulutus 0,00 Häviöiden elinkaarikustannus 31 768,37 Elinkaarikustannus (Hankintahinta+Häviöt) 50 768,37 Kuten edellä olevista taulukoista huomaamme, öljymuuntajan elinkaaren aikaiset kustannukset, häviöt huomioon otettuna, on n. 12000 edullisempi. Tämä on hyvä vertailupohja muuntajaa hankittaessa. On kylläkin huomioitava kaikki muut menot, mitkä aiheutuvat

33 esim. öljymuuntajaa hankittaessa. Esim. rakennuskustannukset, huoltokustannukset, öljyanalyysit ym. 5.6 Huolto Muuntajaa valittaessa pitää huomioon ottaa muuntajan huollon tarve. Öljymuuntajan huoltoon pitää varata resursseja paljon enemmän kuin kuivamuuntajan. Öljymuuntajan tarkastus olisi hyvä tehdä kerran vuodessa, jolloin tarkistetaan öljyvuodot, öljynmäärä, ilmakuivaimen suolojen kunto ja tehdään muuntajan lämpökuvaus. Muuntajaöljyn vaihtaminenen on kallis toimenpide, jos sellaiseen on tarvetta. Kuivamuuntaja on melkein huoltovapaa. Kuivamuuntajan puhdistaminen pölystä on huoltotoimenpide, joka antaa lisää elinikää muuntajalle. (France Transfo 2002.) 5.7 Öljy ja kuivamuuntajien vertailu Öljy ja kuivamuuntajien ominaisuuksien hyvät ja huonot puolet on koottu taulukkoon 9 TAULUKKO 9. Muuntajien hyvät ja huonot ominaisuudet Öljyeristeinen muuntaja Hartsieristeinen muuntaja + Lämmönvaihtelun kesto + Itsestään sammuvuus + Ylikuorman sietokyky + Lähes huoltovapaa + Eliniästä kokemusta + Öljyvahinko ei mahdollista + Häviökustannukset + Korroosion kesto + Muuntajan hinta + Muuntajan sijoitus vapaampaa, + Globaalit ympäristövaikutukset koska palovaaraa ei ole Palokuorma Sähkömagneettinen säteily Öljyn kierrätys ei onnistu Melu suurempi Öljyvahingon mahdollisuus Eliniästä ei vielä kokemusta Huolto Globaalit ympäristövaikutukset Öljyn keräysallas tarvitaan sisällä Muuntajan hinta Kiinteistömuuntamon Ylikuormitettavuus ilman tuuletinta rakennuskustannukset nousevat Ulkoasennuskoteloinnin hinta öljyn vuoksi

34 6 MUUNTAJIEN KUNNOSSAPITO Muuntajat on voimansiirto- ja jakeluverkon kallein yksittäinen komponentti. Muuntajien häiriötön toiminta on ensiarvoisen tärkeää, kun tavoitteena on keskeytyksetön ja hyvälaatuinen sähkönjakelu. Muuntajien käytön aikainen vikaantuminen aiheuttaa erityisesti teollisuudessa yritykselle taloudellisia menetyksiä, jos kyseessä on prosessin kannalta elintärkeä muuntaja. Muuntajien tarkoituksenmukaisesti toteutetulla käytönaikaisella kunnonvalvonnalla voidaan varmistaa muuntajien luotettava toiminta ja ennakoida mahdolliset huolto- ja korjaustoimenpiteet. Kunnonvalvonta voidaan jakaa eri osa- alueisiin seuraavasti: - muuntajien määrävälein tehtävät tarkastukset/huollot - muuntajaöljyn tutkiminen - kiinteiden eristeiden tutkiminen - muut mittaukset Oikein ajoitetulla perushuollolla voidaan parantaa muuntajan käyttövarmuutta ja elinikää. 6.1 Muuntajien kunnonvalvonta Muuntajien kunnonvalvontaan liittyy oleellisesti huollot ja erilaiset mittaukset ja analyysit. Mittaava ja analysoiva kunnonvalvonta voi olla jatkuvatoimista tai määrävälein tehtävää kunnon seurantaa. Muuntajien kunnonvalvonnan perustana ovat uuden muuntajan tehdaskokeet, joilla saadaan alkuarvot tulevalle kunnonvalvonnalle. Takuuaikana muuntajaa seurataan tehostetusti mahdollisten takuuseen sisältyvien toimintatarpeiden havaitsemiseksi. Myöhemmän käytön aikana kunnonvalvontatoimenpiteiden laatu ja laajuus riippuu muuntajan käyttötarkoituksesta ja käyttöolosuhteista, sen kunnossa havaituista muutoksista sekä muuntajan iästä ja yleensä samantyyppisen laitteen käytöstä saaduista kokemuksista. (Heinonen, muuntajaseminaari 2007.)

35 6.1.1 Muuntajaöljyanalyysi Muuntajien käytönaikaisista kunnonvalvontamenetelmistä tärkein ja tehokkain on yleisesti käytössä oleva öljyyn liuenneiden kaasujen analysointi. Muuntajaöljyn ominaisuuksien muuttuminen on herkkä ja nopea eri vikatyyppien ilmaisija öljyeristeisissä laitteissa. Useimmat viat kehittyvät hitaasti vuosien kuluessa ja öljyanalyysillä viat voidaan havaita ajoissa, paljon ennen suojalaitteiden havahtumista. Näin voidaan välttyä vakavalta vauriolta ja ajoittaa mahdolliset korjaustoimenpiteet sopivaan ajankohtaan. Öljynäytteelle tehdään kaasuanalyysi, öljyn läpilyöntilujuuden määritys ja uusimpana analysoitavana yhdisteenä furfuraalipitoisuuden määritys. Kaikki lämpenemisestä aiheutuvat viat ja osittaispurkaukset hajottavat öljyä muodostaen vikakaasuja, jotka jäävät liuenneina öljyyn. Kaasujen koostumuksesta voidaan päätellä vian laatu. Aikaisemmin tehdyillä kaasuanalyyseilla on ensiarvoisen tärkeä merkitys arvioitaessa muuntajan kuntoa. TAULUKKO 10. Tyypillisimmät öljyyn liuenneet kaasut eri vikatapauksissa (Heinonen 2008, 63). Öljynäytteen läpilyöntilujuuden mittaus antaa tietoa öljyn kyvystä toimia sähköisenä eristeenä. Muuntajaöljyssä pisaroina oleva vapaa vesi romahduttaa sähkölujuuden. Muuntajaöljyn analysointi tehdään laboratoriossa sinne toimitetusta öljynäytteestä, mutta tarkoitukseen on saatavissa myös jatkuvatoimisia muuntajaan kiinteästi asennettavia analysaattoreita tai kannettavia kenttäkäyttöisiä analysaattoreita. Öljyn läpilyöntilujuusmittalaitteesta on olemassa myös kannettava kenttälaite.

36 KUVIO 18. Muuntajaöljyn läpilyöntilujuuden riippuvuus öljyn vesipitoisuudesta (Lipsanen 1998, 8). Uusimpana analysoitavana yhdisteenä on öljyn furfuraalipitoisuuden määritys. Furfuraali kertoo öljynäytteen kautta paperieristeen kunnosta ja haurastumisasteesta aiempaa tarkemmin. Furfuraalia syntyy vain paperin hajotessa, kun taas CO:ta ja CO2:ta syntyy paperin hajoamistuotteena, mutta myös öljyn ominaisuuksien heikentyessä. Muita eristeöljylle tehtäviä analyyseja on häviökulman, rajapintajännityksen, neutraloimisluvun, roskapitoisuuden sekä inhibiittipitoisuuden mittaus. Kenttäkäyttöisestä muuntajaöljyanalysaattorista on viime vuosina saatu hyviä kokemuksia. Muuntaja analyysissa havaittujen vikojen pohjalta voidaan öljynäytteestä tehdä laajempi analyysi laboratoriossa. Jakelumuuntajille suositellaan viiden vuoden välein tehtävää kuntoanalyysia sekä aina kun lämpökuvauksessa on havaittu jotain poikkeavaa. (Heinonen, muuntajaseminaari 2007.) 6.1.2 Paperianalyysi Muuntajan tuhoutumisen lopullinen syy on öljypaperieristeen kunto. Paperieristeen kunnosta kertovat öljyn ja paperin kosteus, paperin mekaaninen lujuus ja muuntajaöljyn furfuraalipitoisuus. Muuntajasta voidaan ottaa käyttökeskeytyksen aikana paperinäyte, jonka avulla pystytään analysoimaan paperin kunto. Muuntajassa oleva kosteus on suurimmaksi osaksi paperissa ja vain pieni osuus öljyssä. Yli 3 % kosteus paperissa aiheuttaa jo käyttörajoituksia muuntajalle. Paperieristyksen lujuuden mittana käytetään DP-lukua eli polyme-

37 roitumisastetta. Uudessa muuntajassa DP-luku on 1000 1300 ja käyttöiän lopussa 150 200. Tarkkailua paperinäyttein voi tehdä muuntajille 5 10 vuoden välein (Aro, Elovaara, Karttunen, Nousiainen & Palva 2003, 178-179,199.) KUVIO 19. Eristyspaperin DP-luvun muuttuminen muuntajan termisen eliniän aikana (Aro ym. 1996, 176). KUVIO 20. Elinikäkäyrä (Arrhenius-käyrä) muuntajan öljypaperieristykselle (Iivonen 2007, 14). 6.1.3 Muuntajavaurioiden paikallistaminen Muuntajavaurioita ei voida välttää kehittyneistä kunnonvalvontamenetelmistä huolimatta. Vauriotapauksissa on oleellista saada mahdollisimman tarkat tiedot vian laadusta ja vikapaikan sijainnista. Öljyanalyysilla saadaan tieto vian laadusta, muttei välttämättä sen sijainnista.