Sähköenergiatekniikka

Sähköenergiatekniikka Luento 13 Sähkön laatu Matti Lehtonen

Jännitteen laatu (EN 50160 Standardi) taajuus jännitetason vaihtelut nopeat jännitemuutokset harmoniset yliaaltojännitteet epäsymmetria signaalijännitteet jännitekuopat epäharmoniset yliaaltojännitteet käyttötaajuiset ylijänniteet transienttiylijännitteet Keskeytykset

Taajuus Std 50160: rajat määritellään 10 sekunnin arvoille: 95% oltava välillä 50 Hz +/- 1% (49,5 50,5 Hz) kaikkien oltava välillä 50 Hz +4/-6% (47 52 Hz) Pohjoismaisessa yhteiskäyttöverkossa taajuus vaihtelee normaalikäytössä +/- 0,1 Hz

Jännitetason vaihtelut Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille 95% arvoista tulee olla välillä U n +/- 10% Mittaus suoritetaan viikon ajalta Pienjänniteverkon laatukriteerit (Sener): hyvä laatu: 10 min arvot välillä 220 240 V normaalilaatu: 10 min arvot välillä 207 244 V standardilaatu: 10 min arvot välillä 207 253 V Keskijänniteverkon laatukriteerit (Sener): hyvä laatu: 10 min arvot välillä U n +/- 4% normaalilaatu: 10 min arvot välillä U n +/- 10% standardilaatu: 10 min arvot 95% välillä U n +/- 10% sekä kaikki 10 min arvot välillä -15%. +10% Jännitetason määrää kuormavirran aiheuttama jännitteenalenema yhdessä jännitteensäädön kanssa: käämikytkin, väliottokytkin, loistehon kompensointi.

Nopeat jännitteenmuutokset Vaikuttaa etenkin valaistukseen ja sitä kautta näkemiseen. Myös mm. elektroniset kuormalaitteet sattavat häiriintyä. Nopeat jännitteenmuutokset aiheutuvat mm. käämikytkimen ohjauksesta moottorien käynnistyksistä hitsauslaitteista Rajat nopeille jännitteenmuutoksille CENELEC:n mukaan: Jakelujännitteen suositeltu suurin suhteellinen muutos muutostaajuuden funktiona.

Jännitteen epäsymmetria Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille: 95% ajasta jännitteen vastakomponentin oltava korkeintaan 2% myötäjännitteestä Mistä aiheutuu: kuorman epätasainen jakaminen kolmen vaiheen kesken yksivaiheinen sulakepalo pj-verkossa

Signaalijännitteet Std: Määritellään 3 s keskiarvoina, mitattuna pj-verkon liittämiskohdassa; 99% ajasta jännitteen tulee olla yhtäsuuri kuin: Yleisessä jakeluverkossa käytettävien signaalijännitteiden suositellut maksimitasot prosentteina nimellisjännitteestä U n Taajuuksia 95 khz 148,5 khz voidaan käyttää asiakkaan asennuksissa

Jännitekuopat Aiheutuvat verkon oikosulkukuvioista, ei ole annettu raja-arvoja. Epäharmoniset yliaaltojännitteet Taso kasvamassa taajuusmuuttajien kehityksen vuoksi, ei ole annettu raja-arvoja. Käyttötaajuiset ylijännitteet Syntyvät vian seurauksena (verkko tai kuluttajan asennukset), noudatetaan hitaiden jännitteenvaihteluiden raja-arvoja. Transientit ylijännitteet Aiheutuvat vioista ja kytkentätoimenpiteistä.

Sähkön laatu Ali- ja ylijännitteiden jännite / aika-alueet laitevaurioiden kannalta: % 150 140 130 Vaurioalue 120 110 Suojausalue 100 90 80 70 60 50 Suojausalue Normaali toiminta-alue Vaurioalue 0 5 10 15 20 min 9

Harmoniset yliaaltojännitteet Std 50160: rajat määritellään 10 minuutin keskiarvoille Jakelujänniteen kokonaissärö THD korkeintaan 8% Muut harmoniset: THD = 40 å h= 2 (U h ) 2 Harmonisten yliaaltojännitteiden arvot liittämiskohdassa järjestyslukuun 25 saakka prosentteina nimellisjännitteestä U n kolmella jaottomat järjestys- suhteelli- järjestys- suhteelli- järjestys- suhteelliluku n nen jännite luku n nen jännite luku n nen jännite 5 6 % 3 5 % 2 2 % 7 5 % 9 1,5 % 4 1 % 11 3,5 % 15 0,5 % 6 24 0,5 % 13 3 % 21 0,5 % 17 2 % 19 1,5 % 23 1,5 % 25 1,5 % Parittomat yliaallot kolmella jaolliset Parilliset yliaallot

Harmoninen sarjaresonanssi Syöttöverkko yliaaltojännitelähteenä Muuntajan induktanssi ja kondensaattori sarjassa Muuntajan toision jännitesärö vahvistuu Resonanssiehto : 2 pf = 1 LC T C Z L E C

Harmoninen rinnakkaisresonanssi Käytännössä sarjaresonanssia vaarallisempi Muuntajan kuorma yliaaltovirtalähteenä Muuntajan induktanssi ja kondensaattori rinnan Rinnakkainen resistiivinen kuorma vaimentaa Kondensaattorin tuhoutumisriski Resonanssiehto : 2 pf = 1 LC S C T Y L C Y J

Pienjänniteverkko Jännitteen ominai- Hyvä laatu Normaalilaatu Standardin Huom/Viittaus suus (PJ) SFS-EN 50160 tekstiin mukainen laatu Taajuus 50 Hz ± 1 % 50 Hz ± 1 % 95 % välillä Mittaus 10 sek. 50 Hz ± 1 %, kaikki jaksoina viikon ajan välillä 50 Hz +4% / -6% Jännitetason vaihtelu 220 240 V 207 244 V 95 % välillä Mittaus 10 min.. ja keskiarvo 207 253 V jaksoina viikon ajan 225 235 V Nopeat jännitemuu- P st,3max 1 ja P lt,max 1 95 % P lt -arvoista 1 Manuaalisesti myös tokset P lt,max 0,74 *) kuvan 1 avulla Harmoniset yliaallot THD < 3 % U nsh < taulukon 2 95 % U nsh ja THD < Mittaus 10 min. arvot ja THD < 6 % taulukon 2 arvot jaksoina viikon ajan Epäsymmetria u nsh < 2 % u nsh < 2 % 95 % u nsh < 2 % Mittaus 10 min. jaksoina viikon ajan Signaalijännitteet U n < kuvan 2 U n < kuvan 2 99% U n < kuvan 2 Mittaus 3 sek. rajakäyrä rajakäyrä rajakäyrä jaksoina 1 vrk *) Käytännössä välkyntämittareita on toistaiseksi vähän käytössä

Keskijänniteverkko Jännitteen ominai- Hyvä laatu Normaalilaatu Standardin Huom/Viittaus suus (KJ) SFS-EN 50160 tekstiin mukainen laatu Taajuus 50 Hz ± 1 % 50 Hz ± 1 % 95 % välillä Mittaus 10 sek. 50 Hz ± 1 %, kaikki jaksoina viikon ajan välillä 50 Hz +4% / -6% Jännitetason vaihtelu U n ± 4 % ja ka. U n ± 10 % 95 % välillä Mittaus 10 min.. U n ± 2,5 % U n ± 10 % jaksoina viikon ajan Nopeat jännitemuu- P st,3max 1 ja P lt,max 1 95 % P lt -arvoista 1 Manuaalisesti myös tokset P lt,max 0,74 *) kuvan 1 avulla Harmoniset yliaallot THD < 3 % U nsh < taulukon 2 95 % U nsh ja THD < Mittaus 10 min. arvot ja THD < 6 % taulukon 2 arvot jaksoina viikon ajan Epäsymmetria u nsh < 2 % u nsh < 2 % 95 % u nsh < 2 % Mittaus 10 min. jaksoina viikon ajan Signaalijännitteet U n < kuvan 2 U n < kuvan 2 99% U n < kuvan 2 Mittaus 3 sek. rajakäyrä 9 rajakäyrä rajakäyrä jaksoina 1 vrk 9 khz saakka 9 khz saakka 9 khz saakka *) Käytännössä välkyntämittareita on toistaiseksi vähän käytössä

Keskeytykset Suunnitellut keskeytykset vs. vikojen aiheuttamat Valtaosa vioista ja keskeytyksistä KJ-jakeluverkosta Siirtoverkon yksittäinen vika ei aiheuta katkosta (n-1 kriteeri) Kuluttajien katkoskustannukset merkittäviä

Keskijänniteverkkojen keskeytysmääriä aiheuttajittain eri johtotyypeillä kokonaisjohtopituutta kohti kpl/100 km VIAN SYY AVOJOHDOT ERISTETTY AVOJOHTO ILMAKAAPELI MAAKAAPELI Luonnolliset syyt 3,39 0,24 0,07 0,10 - Tuuli ja myrsku 2,38 0,19 0,07 0,01 - Lumi ja jää 0,53 0,05 0,05 0,00 - salamat 0,29 0,03 0,08 0,05 - Muu sääsyy 0,20 0,01 0,01 0,20 - eläimet 0,18 0,07 0,00 0,03 Tekniset syyt 0,54 0,04 0,11 0,33 - Mekaaninen vika 0,39 0,03 0,12 0,24 - käyttövirhe 0,19 0,03 0,02 0,15 Muut syyt 0,84 0,04 0,02 0,38 - ilkivalta 0,30 0,02 0,01 0,29 - tuntematon 0,51 0,02 0,04 0,13 Yhteensä 4,71 0,29 0,12 0,70

Taajama- ja maaseutulaitosten keskimääräinen keskeytysaika h/a vuosina 1973 2003 10 9 8 7 6 5 4 Maaseutu 3 2 1 0 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Taajama Energiateollisuus 2015

Taajama- ja maaseutulaitosten keskimääräinen häiriökeskeytysaika h/a vuosina 2005 2014 25 20 15 10 Maaseutu 5 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Taajama Energiateollisuus 2015

U, Z S Z T Z L Z F Sähkön laatu Jännitekuopat Oikosulun aiheuttama jännitekuoppa: Lähellä sähköasemaa tapahtuva oikosulku aiheuttaa muihin johtolähtöihin jännitekuopan. Kuoppa on oikosulkusuojauksen laukaisuajan pituinen. U sag Z L + Z F U sag = U Z + Z + Z + Z S T L F 19

Sähkön laatu Jännitekuoppajakauma Kuoppien määrä Kesto (jaksoina) Jäljellejäävä jännite (%) 20

Sähkön laatu Jännitekuopat Aiheuttajia: Siirtojärjestelmän viat Kaukaisen jakeluverkon viat Paikallisen jakeluverkon viat Suurien moottorien käynnistys Lyhyet katkokset Sulakkeet jännite 100 % 80 % 50 % 0 % 6 2 1 3 0,1 s 1 s kestoaika 5 4 Jännitekuopan tyypillinen kestoaika ja syvyys riippuu aiheuttajan tyypistä. Mikä numero kuvassa liittyy mihinkin aiheuttajaan? 21

Laitteet ja kuopat - kontaktorit Yksinkertainen rakenne, ohjaa kriittisiä Kohteita kuopille herkissä teollisuuden Prosesseissa paperi-, metalli- ja kemian- Teollisuudessa Ohjaus pitopiirillä joka saa syötön Apusähköstä ó pysyy auki kuopan jälkeen 22

KONTAKTORI JA STANDARDIT IEC 60947-4-1: Kontaktorin täytyy pystyä sulkemaan Kun apujännite on välillä 85% 110% Kontaktorin täytyy avata jännitteen Ollessa (jossakin) välillä 20% 75% Aukeamisen jälkeen sulkeutuu vain Ohjauksesta Jännitekuoppia ei ole otettu huomioon Standardia kirjoitettaessa 23

Käytännön mittaustuloksia kontaktoreista Toleranssitasot (minimi, maksimi, mediaani) 100 % 90 % 80 % 0 min 0 med 0 max 90 min 90 med 90 max 70 % Remaining voltage 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 10 100 1000 time (ms) Huom: kuoppaa < 20 ms ei testattu 24

Tulosten jakauma Kuoppaherkkyyden vaihtelualueet (pitkäkestoiset kuopat) 12 Nr. of contactors 10 8 0 90 Normal distribution 6 4 2 0 Remaining voltage 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 25

7 Laptop PCs: Tietokoneet ja jännitekuopat Remaining jännite voltage 100 % 90 % ITIC A-96 B-97 C-97 80 % D-98 E-98 F-02 G-02 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Time aika [ms] (ms) HUT-PS/PP/041002 26

100 % 90 % Purkauslamput ja jännitekuopat 80 % 70 % Remaining jännite voltage 60 % 50 % 40 % 30 % 80 W HQL 125 W HQL 70W HPS 100W HPS 20 % 150W HPS 250W HPS 10 % 250 W MH 0 % 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 HUT-PS/PP/041002 Time aika (ms) (ms) 27