MINNA MARTTINEN VESIVOIMAGENERAATTORIEN MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN ELINIÄN ARVIOINTI

MINNA MARTTINEN VESIVOIMAGENERAATTORIEN MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN ELINIÄN ARVIOINTI Diplomityö Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 3. helmikuuta 2010

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma MARTTINEN, MINNA: Vesivoimageneraattorien magnetointijärjestelmien eliniän arviointi Diplomityö, 54 sivua Huhtikuu 2010 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Avainsanat: Staattinen magnetointijärjestelmä, harjaton magnetointijärjestelmä, tasasuuntaaja, vesivoimageneraattori, elinikä Tässä työssä tarkastellaan vesivoimageneraattoreilla käytettävien staattisten ja harjattomien magnetointijärjestelmien elinikään vaikuttavia tekijöitä. Tarkoituksena on koota ja arvioida tekijöitä, joiden pohjalta on mahdollista luoda laskentamalli järjestelmän eliniän arviointiin. Lisäksi tarkastellaan käytettävissä olevien tilastotietojen avulla järjestelmätyypeittäin nykyisin käytössä olevilla järjestelmillä saavutettua elinikää sekä jo poistetuilla järjestelmillä saavutettua elinikää. Työssä annetaan myös arviot magnetointijärjestelmien odotettavissa olevasta eliniästä, joka on merkityksellinen tieto suunniteltaessa järjestelmien uusimisia. Staattisten ja harjattomien magnetointijärjestelmien elinikään vaikuttavat tekijät liittyvät sekä järjestelmien tekniikkaan ja laatuun että käyttö- ja ympäristöolosuhteisiin. Erityisesti järjestelmien tasasuuntaajayksiköiden sisältämän tehoelektroniikan luotettavuus on yksi merkittävimmistä elinikään vaikuttavista tekijöistä. Luotettavuutta huonontaa erityisesti korkea lämpö, jolla on vaikutusta elektroniikan lisäksi esimerkiksi staattisen magnetoinnin magnetointimuuntajan sekä harjattoman magnetoinnin magnetointigeneraattorin toimintaan. Muita käyttö- ja ympäristöolosuhteisiin liittyviä tekijöitä ovat ilmastolliset ja kytkennöistä aiheutuvat ylijännitteet sekä ympäröivän ilman kosteus ja epäpuhtaudet. Magnetointijärjestelmän kunnossapitohistoriasta löytyvillä tiedoilla järjestelmän osittaisista uusimisista, siinä esiintyneistä vikatapauksista sekä vaihdetuista komponenteista on suuri merkitys yksittäisen laitteiston jäljellä olevaa elinikää arvioitaessa. Vesivoimageneraattorin tapauksessa tärkeä tutkimuskohde on generaattorin toimiminen säätövoimana. Päivittäinen tehon säätö, lukuisat käynnistykset ja pysäytykset sekä loistehon säätö eivät näytä juurikaan vaikuttavan magnetointijärjestelmän elinikään. Sen sijaan järjestelmän kuormitusasteella eli sillä, miten suurella teholla ja kuinka kauan sitä käytetään, on merkitystä elinikää ajatellen. Eliniän määrittämiseksi kehitettävää laskentamallia varten arvioitiin kerättyjen tekijöiden vaikutusta järjestelmän elinikään. Arvioinnin luotettavuutta on mahdollista parantaa erilaisilla magnetointijärjestelmälle tehtävillä mittauksilla, joilla saadaan tietoa järjestelmän kunnosta. Säännöllisten mittausten lisäksi olisi mahdollista toteuttaa reaaliaikainen kunnonvalvonta järjestelmän kriittisille komponenteille. Erityisesti lämpötilan seurannalla voitaisiin saavuttaa merkityksellisiä tuloksia ja jopa ehkäistä järjestelmän vikaantumista. Tähän työhön kerätyn tiedon pohjalta voidaan lähteä kehittämään magnetointijärjestelmien eliniän arvioinnin laskentamallia.

III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering MARTTINEN, MINNA: Estimation of Hydropower Generator Excitation Systems Lifetime Master of Science Thesis, 54 pages April 2010 Major: Electrical Power Engineering Examiner: Professor Seppo Valkealahti Keywords: Static excitation system, brushless excitation system, rectifier, hydropower generator, lifetime In this thesis the factors affecting the lifetime of static and brushless excitation systems used in hydropower machines are studied. The purpose is to collect and assess the factors influencing the lifetime. Based on these factors, it is possible to create a calculation model to estimate the lifetime of excitation systems. The lifetime research will be done to existing systems and to already discarded systems based on available statistical data. The life expectancies of excitation systems are also given in this thesis. The factors affecting the lifetimes of static and brushless excitation systems relate to system technique and quality as well as operating and environmental conditions. Especially the reliability of power electronics in the rectifier units is one of the most important factors affecting the lifetime. Power electronic components are exposed to prevailing conditions and especially they are susceptible to heat. The heat has a great influence also on other parts of the system, like on the excitation transformer of the static excitation system and the exciter used in the brushless excitation system. Other factors related to operating and environmental conditions are climatical overvoltages, switching overvoltages, air humidity and air contamination. Maintenance history of excitation systems including renewals of systems, occurred failure cases and replaced components has an importance to the individual systems while estimating their remaining lifetimes. In the case of the hydropower generator the important research subject is the generator acting as a regulating power source. Daily power regulation, several start-ups and shutdowns of the generator and reactive-power regulation to maintain the power balance in the electric power system do not seem to have an effect on the lifetime of the excitation system. The load rate of the system, which includes the operational power and duration of excitation system, instead has a great significance for the lifetime. The collected factors were evaluated on the grounds of their influence on the lifetime. This was made for the purpose of the calculation model which will be developed to estimate the lifetime of systems. It is not easy to evaluate the factors and their impact on excitation systems. The reliability of evaluations is possible to improve by different measurements focused on systems. These measurements give us information on system condition. Besides the routine measurements it would be possible to implement a realtime condition monitoring to the critical components of the system. Especially the temperature monitoring could help to reach important results and to prevent failures in the system. On the basis of information collected in this study it is possible to start developing the calculation model for estimating the lifetime of excitation systems.

IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Fortum Power and Heat Oy:n Leppiniemen toimipaikassa. Haluan kiittää Fortumia mahdollisuudesta tämän diplomityön tekemiseen sekä mielenkiintoisen aiheen tarjoamisesta. Kemijoki Oy:ltä sain arvokasta lisämateriaalia työhöni, mistä heille suuret kiitokset. Työn valvojana on toiminut Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksen professori Seppo Valkealahti, jolle haluan osoittaa kiitokseni saamastani palautteesta työtäni koskien. Työn ohjaajana on toiminut Fortum Power and Heat Oy:stä TkT Voitto Kokko. Häntä haluan kiittää saamastani tuesta ja neuvoista sekä palautteesta työtäni koskien. Kiitos myös vanhemmilleni sekä veljelleni tuesta koko pitkällä opiskelutaipaleellani sekä työkavereilleni miellyttävän työympäristön luomisesta. Muhoksella 21.3.2010 Minna Marttinen

V SISÄLLYS 1. Johdanto... 1 2. Magnetointijärjestelmien tekniikka... 3 2.1. Pyörivä magnetointi... 4 2.2. Staattinen magnetointi... 4 2.2.1. Magnetointimuuntaja... 6 2.2.2. Tyristorisuuntaaja... 7 2.2.3. Harjalaitteisto... 9 2.2.4. Alkumagnetointi... 9 2.2.5. Kentänheikennysjärjestelmä... 10 2.3. Harjaton magnetointi... 11 2.3.1. Tasasuuntaava diodisilta... 13 2.3.2. Magnetointigeneraattori... 15 2.3.3. Kentänheikennysjärjestelmä... 15 2.4. Hybridijärjestelmät... 16 3. Magnetointijärjestelmien elinikään vaikuttavat tekijät... 17 3.1. Elektroniikan luotettavuus... 18 3.1.1. Luotettavuuteen vaikuttavat tekijät... 19 3.1.2. Ikääntymisen vaikutus vikataajuuteen... 22 3.1.3. Komponenttien lämpötila... 23 3.1.4. Komponenttien kuormitus... 24 3.2. Päivittäinen tehon säätö... 25 3.3. Käynnistykset ja pysäytykset... 25 3.4. Loistehon kompensointi... 27 3.5. Redundanttisuus ja varaosat... 29 3.6. Kunnossapito... 31 3.7. Kunnonvalvonta ja kunnonvalvontamittaukset... 33 3.8. Magnetointijärjestelmän vaikutus generaattorin luotettavuuteen... 35 4. Magnetointijärjestelmien eliniän määrittäminen... 37 4.1. Elinikälaskennan teoriaa... 37 4.2. Laitteistojen jakautuminen magnetointitavan mukaan... 38 4.3. Magnetointijärjestelmien tilastollinen elinikä... 39 4.4. Järjestelmän uusimisen syyt... 42 4.5. Eliniän arviointi... 44 5. Lähtötietoja elinikämalliin... 45 5.1. Eliniän laskentamalliin mukaan otettavat tekijät... 45 5.2. Toimenpiteitä elinikälaskennan parantamiseksi... 49 5.2.1. Lämpötilan mittaukset... 49 5.2.2. Muita mittauksia... 50 5.3. Toimenpiteitä eliniän pidentämiseksi... 51 6. Yhteenveto... 53 Lähteet... 55

VI LYHENTEET JA MERKINNÄT p tyristorin sytytyskulma komponentin vikataajuus lämmönsiirtokyky c p dt E A k T T J T R q ominaislämpökapasiteetti lämpötilaero vikamekanismin aktivointienergia Boltzmannin vakio lämpötila liitoksen toimintalämpötila referenssilämpötila massavirta AVR HRC-sulake MIL-HDBK-217 MTTF PTC-lämpötila-anturi Automaattinen jännitteensäädin (engl. Automatic Voltage Regulator) Korkean katkaisukapasiteetin sulake (engl. High Rupturing Capacity) Amerikkalainen standardi elektroniikan komponenteille, luotettavuusmalli (engl. Military Handbook 217 Reliability Prediction of Electronic Equipment ) Keskimääräinen vikaantumisaika (engl. Mean Time to Failure) Vastuslämpötila-anturi, jonka resistanssi kasvaa lämpötilan noustessa (engl. Positive Temperature Coefficient)

1 1. JOHDANTO Generaattorin toiminta perustuu Faradayn induktiolakiin. Sen mukaan muuttuvassa magneettikentässä olevaan johtimeen indusoituu jännite ja suljettuun virtasilmukkaan indusoituu virta. Muuttuva magneettikenttä saadaan generaattorissa aikaan pyörittämällä roottoria, jonka magnetointikäämitykseen on johdettu magnetointitasavirtaa. Vesivoimageneraattorin tapauksessa roottoria pyörittää sen kanssa samalla akselilla oleva turbiini, jonka läpi vesimassat kulkevat. Roottorin ja siihen synnytetyn magneettikentän pyöriessä staattorin sisällä indisoituu staattorin kolmivaihekäämitykseen vaihtovirta, joka johdetaan muuntajan kautta sähköverkkoon ja siitä edelleen kuluttajille. Yksi tärkeimmistä sähkön tuottamisessa tarvittavista apujärjestelmistä on roottorin magnetointikäämitystä syöttävä magnetointilaitteisto. Tässä työssä käsitellään vesivoimageneraattoreilla käytettyjen magnetointijärjestelmien elinikää ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Käytössä olevat magnetointijärjestelmät voidaan jakaa toimintaperiaatteen mukaan pyörivään magnetointiin, staattiseen magnetointiin ja harjattomaan magnetointiin. Näistä pyörivä magnetointi on poistumassa käytöstä vanhentuneen tekniikan johdosta, joten tässä työssä keskitytään käsittelemään lähinnä kahta jälkimmäistä järjestelmää. Työn pohjamateriaalina käytettävä tutkimusaineisto käsittää magnetointijärjestelmiä Fortumin ja Kemijoki Oy:n omistamilta vesivoimalaitoksilta Suomessa sekä lisäksi Fortumin Keski-Ruotsissa sijaitsevilta vesivoimalaitoksilta. Magnetointijärjestelmien odotettavissa oleva elinikä on kiinnostava tutkimusaihe, koska se on lähtökohtana laitteistojen uusimisten ja parannusten sisältöä ja ajankohtaa suunniteltaessa. Järjestelmässä esiintyvien vikojen sekä järjestelmän käyttövarmuuden perusteella voidaan arvioida jäljellä olevaa elinikää ja ennakoida uusimistarvetta. Oleellista on, milloin järjestelmä on teknisesti ja taloudellisesti kannattavaa uusia, ja osuuko tämä ajankohta yhteen generaattorin ja mahdollisesti myös turbiinin perusparannuksen kanssa, jolloin yhdellä pidemmällä keskeytyksellä saataisiin uusittua useampia koneiston osia ja järjestelmiä. Ajoissa aloitetulla perusparannusten suunnittelulla tämä yleensä onnistuu, sillä magnetointijärjestelmän suhteen aikataulussa voidaan yleensä joustaa. Magnetointijärjestelmän elinikään ja luotettavuuteen liittyvät tekijät kiinnostavat myös valittaessa uutta magnetointijärjestelmää staattisen ja harjattoman magnetoinnin välillä. Valintaa ei voida vesivoimakoneistojen tapauksessa tehdä suoraviivaisesti esimerkiksi generaattorin tehon mukaan, vaan järjestelmien hyödyt ja haitat suhteutetaan tunnettuihin käyttöolosuhteisiin ja -tapoihin, minkä perusteella tehdään valinta näiden kahden

1. JOHDANTO 2 teknologian välillä. Valintaan vaikuttavat myös kantaverkkoyhtiön sähkövoimajärjestelmälle asettamat vaatimukset, jotka eroavat esimerkiksi Suomen ja Ruotsin välillä magnetointijärjestelmiltä vaadittujen vasteaikojen osalta. Työn tarkoituksena on saada selville järjestelmien elinikään vaikuttavia tekijöitä sekä tarkastella näiden tekijöiden todellista vaikutusta elinikään. Tähän perustuen on mahdollista luoda malli, jolla voidaan laskea järjestelmien elinikä. Lisäksi työssä tutkitaan menetelmiä, joiden avulla olisi mahdollista täydentää ja parantaa elinikälaskentamallia, ja tehdään sen pohjalta ehdotuksia toteuttamiskelpoisista toimenpiteistä. Työhön sisältyy tutkimusaineistoon kuuluvien vesivoimageneraattoreiden magnetointijärjestelmien tilastollinen elinikätutkimus, jossa tarkastellaan käytöstä poistetuilla järjestelmillä saavutettua elinikää sekä vielä käytössä olevien järjestelmien tämänhetkistä saavutettua toimintaikää. Tieteellisen, tilastollisen sekä kokemusperäisen tiedon pohjalta annetaan arviot eri järjestelmien odotettavissa olevasta eliniästä. Järjestelmän jäljellä olevaa elinikää arvioitaessa huomioon otettavia tekijöitä ovat muun muassa järjestelmien tekniikka, käyttötapa ja -olosuhteet sekä kunnossapito ja käytettävissä olevat varaosat. Nykyisten järjestelmien sisältämä elektroniikka on alttiina esimerkiksi korkealle lämpötilalle, kosteudelle ja lialle. Keskityttäessä nimenomaan vesivoimageneraattoreiden magnetointijärjestelmiin tärkeitä tutkimuskohteita ovat koneiston käyttö säätövoimana päivittäisine käynnistyksineen ja pysäytyksineen sekä sähköverkon induktiivisten komponenttien aiheuttama tarve generaattorilla toteutettavaan loistehon kompensointiin. Vesivoiman säätötarvetta on kasvattanut ja tulee tulevaisuudessa edelleen kasvattamaan lisääntyvä tuulivoiman käyttö energian tuotannossa. Tuuliolosuhteet vaihtelevat vuorokauden- ja vuodenaikojen sekä säärintamien mukaan, joten tuulettomien aikojen tuotantovajausta joudutaan korvaamaan vaihtoehtoista tuotantomuotoa käyttäen, ja usein tähän voidaan käyttää ainoastaan vesivoimaa.

3 3 2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA Tahtigeneraattori tarvitsee vaihtojännitteen tuottamiseen magnetointivirtaa eli tasavirtaa, jolla roottorin magneettinavat magnetoidaan. Roottorin pyöriessä siihen synnytetty vakiomagneettivuo indusoi kolmivaiheiseen staattorin käämitykseen vaihtojännitteen. Periaatteessa magnetointi voitaisiin saada aikaan myös roottoriin asennetuilla kestomagneeteilla, mutta tällöin magnetoinnin säätö ja samalla generaattorin loistehon säätö eivät olisi mahdollisia. Magnetointivirta syötetään roottoriin magnetointijärjestelmästä, joka koostuu magnetointilähteestä eli teho-osasta, jännitteensäätimestä, kentänheikennysjärjestelmästä ja erilaisista apulaitteista. Magnetointijärjestelmät jaetaan magnetointilähteen mukaan pyörivään magnetointiin, staattiseen magnetointiin ja harjattomaan magnetointiin. Vesivoimageneraattorin magnetointi hoidettiin aiemmin yleisesti pyörivällä magnetointijärjestelmällä, jossa tahtikoneen akselille on asennettu tasavirtageneraattori, joka taas saa virtaa pienemmältä apugeneraattorilta. Näitä pyöriviä magnetointijärjestelmiä on kuitenkin viime vuosikymmeninä korvattu harjattomilla ja staattisilla magnetointijärjestelmillä, kun generaattoreiden mitoitustehot ja siten myös vaadittavat magnetointitehot ovat kasvaneet ja tasasähkögeneraattori ei ole pystynyt vastaamaan näihin vaatimuksiin parhaalla mahdollisella tavalla [1, s. 38]. Tarvittava magnetointilaitteiston teho on noin 2 3,5 generaattorin nimellistehosta [2, s. 73]. Generaattorin jännitteen säätö tapahtuu magnetointivirtaa muuttamalla. Virtaa säätämällä voidaan vaikuttaa generaattorin jännitteeseen ja sitä kautta loistehoon generaattorin ollessa kytkettynä verkkoon. Muut generaattorin pääsuureet eli pätöteho ja taajuus määräytyvät turbiinin säätöjen mukaan. Magnetointilaitteistolla suoritettavan jännitteen säädön tehtävät ovat generaattorin jännitteen pitäminen tasaisena, loistehon säätö ja loiskuorman jakaminen rinnan kytketyille generaattoreille, staattisen ja dynaamisen stabiiliuden ylläpito ja parantaminen normaali- ja häiriötilanteissa sekä generaattorin suojaaminen. Säätämällä magnetointivirtaa saadaan asetettua generaattorin tehokerroin halutuksi ja pidettyä kone stabiilina transienttitiloissa. Generaattorin napajännitteen säädöstä huolehtii automaattinen jännitteensäädin AVR (engl. Automatic Voltage Regulator). Nykyisten vesivoimakoneistojen automaatioaste on korkea, ja myös magnetointijärjestelmät liitetään yleensä osaksi sekä koneistojen että voimalaitosten yhteistä automaatioja säätöjärjestelmää. [3, s. 28/35.]

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 4 Magnetointivirran säätö on usein jaettu vähintään kahteen tasoon. Ylemmän tason säädöllä muodostetaan napakäämivirtaohje koneen magneettisen tilan ja kuormitustilan mukaan. Alemman tason säätö puolestaan pyrkii pitämään napakäämivirran ylemmän tason määräämässä ohjearvossa ohjaamalla roottorin napakäämiä syöttävää järjestelmää, jonka rakenne vaihtelee valitun magnetointitavan mukaan. [4, s. 16.] 2.1. Pyörivä magnetointi Pyörivässä magnetoinnissa magnetointiteho tuotetaan tasasähköherätinkoneella eli -generaattorilla, joka on asennettu samalle akselille päägeneraattorin kanssa. Tasasähkögeneraattori voi olla itseherätteinen, jolloin sen tarvitsema magnetointikenttä tuotetaan päägeneraattorin navoista otetulla teholla. Vaihtoehtoisesti tasasähkögeneraattori voi olla vierasherätteinen, jolloin magnetointikenttä tuotetaan apumagnetointikoneen kestomagneetin avulla. Vierasherätteisen pyörivän magnetoinnin periaate on esitetty kuvassa 2.1. Pyörivän magnetoinnin jännitteen säätö on hidas verrattuna muihin magnetointijärjestelmiin. Jännitteen nousuaika on tyypillisesti 1 2 s. Pyörivässä magnetointijärjestelmässä käytetään sähkömekaanista jännitteensäädintä. [2, s. 73 74.] Kuva 2.1. Pyörivän magnetoinnin periaate [5, s. 19]. Pyörivä magnetointi on edelleen käytössä monilla vesivoimageneraattoreilla, mutta on menetelmänä vanhentunut ja käytössä olevat laitteistot tullaan lähitulevaisuudessa korvaamaan joko staattisilla tai harjattomilla vaihtoehdoilla. Tämän vuoksi pyörivän magnetoinnin käsittely jätetään tässä työssä vähemmälle ja keskitytään tarkemmin kahden muun vaihtoehdon teknisiin toteutuksiin. 2.2. Staattinen magnetointi Staattisella magnetoinnilla tarkoitetaan tässä yhteydessä järjestelmää, jossa magnetointitasavirta tuotetaan erillisen pyörivän herätinkoneen sijasta kiinteällä magnetointilaitteistolla. Magnetointijärjestelmä voidaan jaotella seuraaviin pääosiin: - magnetointimuuntaja - staattinen kolmivaiheinen tasasuuntaaja

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 5 - kentänheikennysjärjestelmä - ohjaus-, säätö- ja sytytyspiirit sekä - suojaus- ja valvontajärjestelmä. [3, s. 40/11.] Magnetointiteho saadaan joko ulkoisesta lähteestä tai kuten yleensä vesivoimageneraattorien tapauksessa, otetaan suoraan generaattorikiskostoon kytketyn magnetointimuuntajan kautta. Ulkoista teholähdettä, joka useimmiten on akusto, tarvitaan kuitenkin alkumagnetointiin generaattoria käynnistettäessä. Muuntajan toisiosta saatava vaihtosähkö tasasuunnataan kolmivaiheisella ohjatulla tyristorisillalla. Tasasuunnattu magnetointivirta johdetaan kenttäkatkaisijan, hiiliharjojen ja liukurenkaiden kautta roottorin magnetointikiskoille ja siitä edelleen roottorin magnetointikäämitykseen. Staattisen magnetoinnin periaate on esitetty kuvassa 2.2. Kuva 2.2. Staattisen tyristorimagnetoinnin periaate [5, s. 19]. Staattiset magnetointijärjestelmät ovat syrjäyttäneet aiemmin vesivoimageneraattoreilla käytössä olleen pyörivän tasasähkömagnetoinnin. Tasasähkömagnetointiin verrattuna staattinen magnetointi on luotettava, huoltovapaa ja säätöteknisiltä ominaisuuksiltaan hyvä. Harjallinen magnetointi soveltuu hyvin dynaamisesti vaativiin käyttökohteisiin napakäämivirran nopean säädön ansiosta. Staattisella magnetoinnilla saavutetaan 0,15 0,3 s napajännitteen nousuaika. [2, s. 74; 4, s. 18.] Harjallisen järjestelmän haittapuolena on liukurenkaiden ja hiiliharjojen säännöllinen huollon tarve. Magnetointivirran siirtäminen liukurenkaiden kautta myös rajoittaa käytettävän magnetointivirran suuruutta. Harjattomaan magnetointiin verrattuna staattinen magnetointi on säädettävyydeltään ja hyötysuhteeltaan hieman parempi [6, s. 1].

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 6 2.2.1. Magnetointimuuntaja Teholähteestä otettu teho muunnetaan magnetointilaitteistolle sopivaksi magnetointimuuntajalla. Muuntaja on yleensä valuhartsieristeinen kuivamuuntaja, joka on suunniteltu kestämään koviakin olosuhteita. Kuivamuuntaja ei ole niin herkkä ympäristö- ja käyttöolosuhteille kuin esimerkiksi öljyeristeinen muuntaja. Kuivamuuntajassa käämitysten eristyksiin on käytetty valuhartsia eli kovetettua polymeeriseosta, jonka tärkeimpiä ominaisuuksia ovat hyvä mekaaninen lujuus sekä sähkölujuus. Polymeerien sähkölujuuteen vaikuttavat etenkin lämpötila ja rasitusaika. [7, s. 181.] Valuhartsieristeinen muuntaja on palamattomuutensa ansiosta turvallinen. Muuntajan toisiopuoli mitoitetaan magnetointijärjestelmän suurimman kattojännitteen ja generaattorin magnetointikäämityksen suurimman jatkuvan virran perusteella [3, s. 40/11]. Magnetointijärjestelmän elinikää arvioitaessa magnetointimuuntajan elinikä ei ole ratkaisevassa asemassa, jos käyttöolosuhteet ja laitteiston kunnossapito ovat tarkoituksenmukaisia. Kokeellisesti on voitu todeta kuivamuuntajan eliniän olevan noin 30 40 vuotta, joten laskennallisena käyttöikänä voidaan perustellusti pitää kolmeakymmentä vuotta [8, s. 58]. Eristeaineiden kunto on määräävässä asemassa tarkasteltaessa muuntajan käytöstä aiheutuvaa vanhenemisprosessia ja sitä kautta muuntajan elinikää. Muuntajan eristemateriaalin vanhenemisnopeus riippuu pääasiassa lämpötilasta, jonka vaikutuksesta eristeet muuttuvat sekä kemiallisesti että fysikaalisesti huonommin muuntyyppisiä rasituksia kestäviksi. Kuivaeristeisellä muuntajalla jokainen 10 ºC lämpötilan nousu kaksinkertaistaa muuntajan vanhenemisnopeuden eli puolittaa sen eliniän [8, s. 58]. Lämpövanhenemisen lisäksi muuntajan elinikää arvioitaessa tulee ottaa huomioon sähköinen, kemiallinen ja mekaaninen vanhenemismekanismi sekä näiden kolmen yhdistelmät [7, s. 181]. Muuntajaan kohdistuvat normaalista poikkeavat termiset, sähköiset, fysikaaliset, kemialliset, mekaaniset ja ympäristön aiheuttamat rasitukset heikentävät muuntajan mekaanista kestoisuutta sekä jännite- ja oikosulkukestoisuutta lisäten samalla vikaantumisriskiä. Sähköistä rasitusta aiheuttavat erilaiset transienttivirrat ja -jännitteet, oikosulkuvirrat sekä harmoniset yliaaltovirrat ja -jännitteet. Salamat ja kytkentäylijännitteet ovat merkittävimmät yksittäiset ylijänniterasituksen aiheuttajat. Muuntaja on suojattu näitä silmällä pitäen ylijännitesuojilla, jotka toimivat ennen eristyksen kestotason ylitystä. Jänniterasituksen vaikutus muuntajan vanhenemiseen riippuu muuntajan mitoituksesta käyttötarkoitukseensa. Jos muuntajan toiminta-arvot ovat riittävästi mitoitusarvoja matalammat eikä eristerakenne ole vielä vanhentunut merkittävästi, jänniterasitus vaikuttaa eristeeseen vain vähän. Fysikaaliseen vanhenemiseen vaikuttavat eristemateriaalin jatkuva hidas kiteytyminen, korkeat lämpötilat sekä suuret lämpötilan vaihtelut, jotka yhdessä saavat aikaan epäjatkuvuuskohtia eristerakenteeseen. Kemiallinen vanheneminen aiheuttaa depolymeroitu-

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 7 mista ja molekyylisiltojen muodostumista eristeessä. Nämä eristemateriaalien muutokset altistavat muuntajan vanhenemiseen eniten vaikuttaville sähköisille vauriomekanismeille. Eristemateriaalissa esiintyy usein eri syistä syntyneitä kaasutäytteisiä onteloita, joiden jännitelujuus on eristeen jännitelujuutta alhaisempi. Tästä syystä ontelossa esiintyy eristeeseen verrattuna helpommin sähköisiä osittaispurkauksia, jotka vahingoittavat ontelon ympärillä olevaa eristettä. Lopulta syntyy eristeen läpi yltävä eroosiojälki eli sähköpuu, jota pitkin lopullinen läpilyönti voi tapahtua. Sähköpuun lisäksi ongelmia eristeessä voi aiheuttaa vesipuu, joka syntyy kosteuden päästessä kulkeutumaan eristeen sisään. Vesi etenee eristeessä sähkökentän vaikutuksesta ja heikentää sen läpilyöntilujuutta. Vesipuiden syntyyn vaikuttaa polymeerin kemiallinen rakenne sekä kiteiden muoto ja järjestyneisyys. [7, s. 126.] Mekaanista rasitusta aiheuttaa virtojen ja jännitteiden lisäksi esimerkiksi muuntajan kuljetus mahdollisten huoltojen yhteydessä. Lisäksi ulkoisten vikojen aiheuttamat oikosulkuvirrat voivat saada aikaan merkittäviä käämityksissä vaikuttavia voimia [9, s. 189]. Kuivamuuntajat kestävät näitä mekaanisia rasituksia kuitenkin suhteellisen hyvin. Ympäristön rasituksista muuntajaa vanhentavat ilman epäpuhtaudet sekä jo mainitut lämpötilan vaihtelu ja kosteus, jotka ovat erityisen haitallisia nimenomaan muuntajan eristykselle. Muuntajissa esiintyy vikoja suhteellisen harvoin, vähemmän kuin yksi vika 100 muuntajavuotta kohti. Muuntajan vikaantuessa vaurio on kuitenkin yleensä iso, ja se vaatii pitkän ja kalliin korjauksen. Tästä syystä muuntaja kannattaa suojata mahdollisimman hyvin vikaantumista vastaan. Muuntajan sisäisten ja ulkopuolisten oikosulkujen varalta käytössä on muuntajan ylivirtasuoja. Ylikuormitusta valvotaan muuntajan kuumimman kohdan lämpötilaa mittaavalla anturilla. [9, s. 189 190, 199.] 2.2.2. Tyristorisuuntaaja Magnetointitehon tasasuuntaukseen käytetään ohjattua tasasuuntauslaitteistoa, joka on kytketty magnetointimuuntajan syöttämään vaihtosähkökiskostoon. Staattisen tasasuuntaajan kokoonpano vaihtelee kohteesta riippuen sekä yksittäisen sillan osalta että rinnakkaisten siltojen lukumäärän osalta. Sillan rinnakkaisten ja sarjassa olevien tyristorien määrä riippuu tyristorisillan teknisistä tiedoista eli pääasiassa nimellisvirrasta ja estosuuntaisesta jännitteestä, magnetoinnin maksimivirrasta, transienttiylikuormasta ja kattojännitteestä. Suuntaajalla on joko lohkorakenne tai se on koottu vaiheittain. [3, s. 40/12.] Kokonaisrakenne vaikuttaa myös sillan suojaukseen ja onnistunut suojauksen toteutus asettaa usein omia vaatimuksia rakenteelle. Staattinen suuntaaja koostuu yhdestä tai useammasta täysin ohjatusta tyristorisillasta, joka syöttää tasasähkökiskoston, kenttäkatkaisijan ja napaisuuden vaihtokytkimen kautta roottoria. Tasasuuntaussilta on tarpeen mukaan joko puoli- tai kokoaaltosilta eli se muodostuu joko kolmesta tyristorista ja kolmesta diodista tai kuudesta tyristorista. Yli

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 8 10 20 MVA generaattoreilla käytetään yleensä kokoaaltotasasuuntausta. [10, s. 3.] Kokoaaltosillalla saavutetaan nopeampia jännitteen muutoksia, koska sillan lähtöjännitettä voidaan säätää sekä positiiviseen että negatiiviseen suuntaan. Kuvan 2.3. mukaisesti kolmivaiheinen kuusipulssityristorisilta muodostuu kolmesta kahden sarjaankytketyn tyristorin yksiköstä. Jokainen yksikkö on lämpötilan valvontaa varten varustettu yhdellä lämpökytkimellä hälytystä ja laukaisua varten. Tyristorisiltaa jäähdytetään liian lämpenemisen ehkäisemiseksi yleensä ilmapuhaltimia käyttäen. [11.] Tyristorisillat on suojattu häiriötilanteita varten valvotuilla erikoisnopeilla suuren katkaisukapasiteetin omaavilla HRC-sulakkeilla (engl. High Rupturing Capacity), jotka kuvan 2.3. mukaisesti tyristoreiden kanssa sarjaan kytkettyinä suojaavat niitä yllättäviltä ylivirtapiikeiltä. Jännitepiikkien vaimentamiseksi tyristorisillan tasasähköpuolelle on kytketty RC-piiri ja myös yksittäisten tyristoreiden rinnalle on kytketty RC-suodattimet. Sillan rakenteessa on huomioitu mahdolliset generaattorin oikosulku- ja napajättötilanteet. Tasasuuntaajakaapin päällä on jäähdytyspuhaltimet, joita syötetään omalla muuntajalla. Tyristoreiden valvonta sulakehäiriöiden ja jäähdytyslevyjen lämpenemisen varalta on toteutettu magnetointijärjestelmän elektronisella ohjauslaitteella. Kuva 2.3. Tyristoreilla toteutettu kokoaaltotasasuuntaussilta suojauksineen [10, s. 3]. Staattista magnetointia säädetään tyristorisiltaa ohjaamalla. Magnetointivirran suuruus määräytyy suoraan tyristorisillan ulostulojännitteestä. Sitä muutetaan elektronisesti ohjaamalla tyristoreiden syttymisajankohtaa erillisillä sytytyspulssiyksiköillä. Kolmivaihesillan kuusi tyristoria sytytetään komponenttien hiloille tuoduilla sytytyspulssien oh-

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 9 jausyksikön generoimilla ja sytytyspulssivahvistimien läpi kulkevilla pulsseilla. Pulssien ajoitusta suhteessa tyristorisillan syöttöjännitteeseen ohjataan sytytys- eli liipaisukulmalla, joka kertoo kuinka paljon sytytystä on viivästetty luonnollisen kommutoinnin hetkestä eli siitä, kun tyristorin yli oleva jännite muuttuu positiiviseksi. Sytytyskulma määräytyy magnetointivirran säätimessä, jonka säätösilmukassa lasketaan kyseisen kulman arvo. AVR säätää jatkuvasti tyristorien ohjauskulmaa kuormitustilanteen mukaan pitääkseen napajännitteen vakiona. Käytettävissä oleva ohjausalue on 150 10 maksimi- ja minimirajoituksesta johtuen. [11.] Silta toimii tasasuuntaajana, kun on pienempi kuin 90. Jos vaihtosuuntausta ei tarvita, voidaan käyttää myös puoliohjattua siltaa, jossa puolet tyristoreista on korvattu diodeilla. Normaalilla kuormituksella sytytyskulman arvo on noin 90. Mitä pienempi sytytyskulman arvo on, sitä suurempia ovat tyristorisillan lähtöjännite ja roottorille syötetty magnetointivirta, mistä johtuen myös generaattorin napajännite kasvaa. Tyristorisillalla tuotettu tasajännite sisältää jonkin verran rippeliä, joka kuitenkin tasoittuu induktiivisen kuorman ansiosta. 2.2.3. Harjalaitteisto Tasasuunnattu magnetointivirta syötetään roottorin magnetointipiiriin hiiliharjalaitteiston ja roottorissa sijaitsevien liukurenkaiden avulla. Useimmiten grafiitista valmistetut hiiliharjat puristetaan jousilla laahaamaan roottorissa olevia messingistä tai teräksestä valmistettuja liukurenkaita, jotka on kytketty roottorikäämitykseen. Nykyiset hiiliharjat ovat resistiivisyydeltään pieniä eivätkä siten aiheuta häviöitä magnetointitehoon. Hiiliharjat kuluvat liukurengasta hangatessaan ja vaativat siten huoltoa, mutta ne kuluvat ja tuottavat hiilipölyä kuitenkin huomattavasti vähemmän kuin tasasähkökoneen pinnaltaan karkeamman, kupariliuskoista valmistetun kommutaattorin hiiliharjat. [4, s. 20 21.] Hiiliharjalaitteiston luotettavan toiminnan ja huoltotarpeen minimoimisen kannalta tärkeä tekijä on harjapaine, jolla hiiliharjat koskettavat liukurenkaita. Harjalaitteiston kunnossapidolla on suuri merkitys sekä magnetointilaitteiston että generaattorin toimintaan. 2.2.4. Alkumagnetointi Generaattoria käynnistettäessä tarvitaan magnetoinnin herätystä varten energiaa ulkoisesta lähteestä. Useimmiten alkumagnetointienergia otetaan voimalaitoksen tasasähköomakäyttöjärjestelmästä. Alkumagnetointikontaktori sulkeutuu, kun magnetointi kytketään päälle. Kun generaattorijännite on noussut 5 %:iin nimellisestä arvostaan, tyristorisilta alkaa toimia ja nostaa jännitteen lähelle nimellisarvoa. Alkumagnetointi päättyy, kun magnetointivirta vaihtosähköpuolelta mitattuna nousee 10 %:iin tyhjäkäyntivirrasta. [11.]

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 10 2.2.5. Kentänheikennysjärjestelmä Generaattorin sisäisissä häiriö- ja vikatilanteissa magnetointitehon nopea pienentäminen on tärkeää generaattorin ja magnetointijärjestelmän suojaamiseksi. Vikatilanne voi aiheuttaa merkittävän suuruisen oikosulkuvirran, jolloin magnetointikenttä tulee katkaista mahdollisimman nopeasti vikavirran aiheuttaman vahingon ehkäisemiseksi. Pelkkä generaattorikatkaisijan avaaminen ei tällöin riitä, vaan tarvitaan kentänheikennysjärjestelmä pienentämään magnetointiteho nopeasti sekä erottamaan roottoripiiri magnetointijärjestelmästä. Pahin vikatilanne on kolmivaiheinen oikosulku generaattorin navoissa, ja se määrää kentänheikennysjärjestelmän mitoituksen. Staattisen magnetoinnin kentänheikennysjärjestelmä koostuu kenttäkatkaisijasta ja epälineaarisesta kentänheikennysvastuksesta. Kenttäkatkaisijalla hallitaan magnetointitehon syöttöä ja voidaan vikatilanteessa katkaista virran syöttö roottorikäämiin. Kentänheikennys on käytännössä magneettikentän energian muuttamista lämmöksi. Kenttäkatkaisija kytkee generaattorin roottoripiiriin kentänheikennysvastuksen. Se lisää magnetointipiirin vastusta, jolloin virta saadaan pienenemään sitä nopeammin mitä suurempi vastuksen arvo on. Kenttäkatkaisija on sijoitettu magnetointijärjestelmän tasa- tai vaihtosähköpuolelle. Nämä kaksi vaihtoehtoista toteutusta on esitetty kuvissa 2.4. ja 2.5.. Kuva 2.4. Kentänheikennysjärjestelmä DC-kenttäkatkaisijalla ja erillisellä roottorin ylijännitesuojauspiirillä varustettuna [12, s. 4]. Kentänheikennysjärjestelmän perinteisemmässä toteutuksessa käytetään tasasähköpuolen kenttäkatkaisijaa, joka sijoittuu tyristorisillan ja roottorin magnetointipiirin väliin (kuva 2.4.). Tässä vaihtoehdossa katkaisija erottaa generaattorin magnetoinnin tyristorisillan molemmista navoista ja roottoripiirin ylijännitesuojaus on toteutettu erillisenä

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 11 toimintona. Jos kenttäkatkaisija tai kentänheikennysvastus eivät jostain syystä toimi oikein, roottorin ylijännitesuojaus voi tarvittaessa toimia varakentänheikentäjänä. [12, s. 4.] Kuva 2.5. Kentänheikennysjärjestelmä AC-kenttäkatkaisijalla ja yhteisellä kentänheikennysvastuksella roottorin ylijännitesuojauksen kanssa [12, s. 4]. Vaihtoehtoisesti kenttäkatkaisija voi sijaita magnetointijärjestelmän vaihtosähköpuolella ennen tyristorisiltaa kuvan 2.5. mukaisesti, jolloin kentänheikennys toimii siten, että katkaisijan avautuminen aiheuttaa ylijännitteen generaattorin magnetointikäämitykseen. Ylijännite aktivoi ylijännitesuojan, joka pienentää ylijännitteen ja poistaa generaattorin magnetoinnin. Tässä tapauksessa samaa vastusta käytetään sekä kentänheikennykseen että magnetointipiirin ylijännitesuojaukseen, joten sen vikaantuessa ei ole olemassa redundanttista kentänheikennystä estämään roottorikäämityksen vahingoittumista. [12, s. 4.] 2.3. Harjaton magnetointi Harjaton magnetointi on staattisen magnetoinnin ohella nykyisin yksi käytetyimmistä magnetointivirran tuottamismenetelmistä vesivoimageneraattoreilla. Aiemmin pääasiassa vaihteistoilla varustetuissa generaattoreissa käytettyä menetelmää voidaan käyttää nykyisin myös pystyakselisilla generaattoreilla [6, s. 1]. Harjattomassa magnetoinnissa ei nimensä mukaisesti tarvita harjalaitteistoa magnetointivirran johtamiseksi roottorin magnetointikäämitykseen, vaan magnetointienergia tuotetaan generaattorin akselilla ja tasasuunnataan roottorilla sijaitsevalla tasasuuntaajasillalla.

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 12 Harjaton magnetointijärjestelmä koostuu seuraavista pääosista: - syöttävä verkko - magnetointikonetta ohjaava tyristoritehoaste - magnetointikone - pyörivä kolmivaiheinen dioditasasuuntaaja sekä - napakäämivirran säätöjärjestelmä. Harjattomassa magnetoinnissa tahtigeneraattorin kanssa samalla akselilla on pääkoneelle magnetointitehoa tuottava magnetointigeneraattori. Tämä herätinkone on yleensä ulkonapainen vaihtovirtageneraattori, jonka magnetointikäämitys on staattorissa ja kolmivaiheinen ankkurikäämitys pyörii pääkoneen roottorin mukana. Magnetointigeneraattorin navat tuottavat stationaarisen kentän, joka roottorin pyöriessä indusoi jännitteen magnetointikoneen roottorikäämitykseen. Roottorin ankkurikäämityksestä saatava kolmivaihesähkö tasasuunnataan roottorin akselilla olevan dioditasasuuntaajan avulla ja johdetaan edelleen päägeneraattorin magnetointikäämitykseen. Suuntaajan ulostulo kytketään roottorikäämitykseen johteilla, jotka kulkevat roottorin akselilla olevassa urassa. Harjattoman magnetoinnin periaate on esitetty kuvassa 2.6., jossa katkoviivalla on rajattu päägeneraattorin roottorin mukana pyörivä osa. Magnetointigeneraattori on yleensä tahtikone, mutta joissain tapauksissa se voi olla myös epätahtikone. Magnetointivirran säätö tapahtuu muokkaamalla magnetointikoneen syöttöjännitettä vastarinnankytketyistä tyristoripareista muodostuvalla tehoasteella. [4.] Kuva 2.6. Harjattoman magnetoinnin periaate (katkoviivalla on rajattu generaattorin roottorin mukana pyörivä osa) [5, s. 19]. Magnetointigeneraattorin tarvitsema magnetointiteho saadaan esimerkiksi apuherättimestä eli kestomagnetoidusta tahtikoneesta, kuten kuvassa 2.6., jolloin kestomagneetti pyörii pääkoneen kanssa samalla akselilla ja indusoi kolmivaihejännitteen kestomagneettikoneen staattoriin. Magnetointiteho voidaan vaihtoehtoisesti ottaa myös magnetointimuuntajan kautta suoraan verkkojännitteestä. Kuvan 2.6. mukainen toteutustapa

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 13 takaa tehon generaattorille aina, kun akseli pyörii. Molemmissa tapauksissa teholähteen perässä on automaattinen jännitteensäädin (AVR) eli tyristorisäädin, joka antaa tarvittavan tasavirran varsinaisen magnetointikoneen napakäämitykseen. Harjattomassa magnetoinnissa säädin on periaatteessa samanlainen kuin staattisessa magnetoinnissa, mutta käytetyt tehot ovat pienempiä. [3, s. 40/10; 13, s. 33 34.] Harjaton magnetointimenetelmä on kehitetty, kun on haluttu vähentää hiiliharjoista johtuvaa magnetointijärjestelmän huollon tarvetta. Harjaton magnetointi on suorityskykyinen ja luotettava, ulkoisen verkon häiriöistä riippumaton magnetointi. Se soveltuu huoltovapautensa vuoksi kohteisiin, joissa koneelta vaaditaan toimintavarmuutta, toimintaympäristö on kemiallisesti vaativa tai laitteiston huolto on hankalaa. Harjattoman magnetoinnin käyttöä rajoittaa kuitenkin käytön dynamiikka, joka ei yllä staattisen harjallisen magnetointijärjestelmän tasolle. Nopeissakin muutostiloissa säädössä tarvitaan pahimmillaan kolmea konetta, joilla jokaisella on oma aikavakionsa virran muutokselle. Harjattomalla magnetoinnilla napajännitteen nousuaika on noin 0,4 0,6 s eli hieman pidempi staattiseen magnetointiin verrattuna. Eri kantaverkkoyhtiöt asettavat generaattorin napajännitteen säätönopeudelle erilaisia vaatimuksia, jotka osaltaan vaikuttavat magnetointijärjestelmän valintaan. [2, s. 76; 4, s. 21 22.] 2.3.1. Tasasuuntaava diodisilta Harjattomassa magnetoinnissa magnetointitehon tasasuuntaus hoidetaan roottorin mukana pyörivällä diodisillalla. Tasasuuntaaja diodeineen on asennettu roottoriin ja tasasuunnattu virta johdetaan suoraan generaattorin roottorikäämitykseen ilman liukurenkaita ja hiiliharjoja. Diodisiltana käytetään yleisesti kolmivaiheista kuusipulssidiodisiltaa, joka vastaa perusrakenteeltaan harjallisen magnetoinnin tyristorisiltaa. Diodit on asennettu hyvin tuuletetuille jäähdytyslevyille, ja sillan toimintaa valvovat erikoisvalmisteiset sulakkeet. Diodisilta aiheuttaa magnetointigeneraattorin roottoripiiriin vahvan epälineaarisuuden. Koska pääkoneen roottorikäämityksen induktanssi on suuri verrattuna magnetointikoneen roottorikäämityksen induktanssiin, tasasuuntaussillan ulostulon rippeli tasoittuu ja magnetointikäämitykseen syötetään likimain tasaista tasavirtaa. Tällöin magnetointikoneen roottorijännitteet ja diodien virrat eroavat merkittävästi ideaalisista sinimuotoisista suureista. [4, s. 27.] Pienehköillä generaattoreilla käytetään usein rakenteeltaan yksinkertaisia diodisiltoja, joiden jokaisessa vaihehaarassa on ainoastaan yksi diodi ja sen kanssa sarjassa sulake vikaantuneen diodin eristämiseksi. Rakenteessa esiintyvä diodin tai sulakkeen vika jättää herätinkoneen yhden vaiheen kuormittamattomaksi. Herätinkoneet on yleensä suunniteltu siten, että ne antavat tässäkin tapauksessa täyden magnetointitehon eli generaattori toimii normaalisti. Kokemusten mukaan diodien vikataajuus on kuitenkin erittäin pieni ja useimmin vikaantuva osa on sulakejohdin. Tämän vuoksi kaikkien valmistajien

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 14 dioditasasuuntaajissa ei ole käytössä sulakkeita, vaan niissä käytetään ylimitoitettuja diodeja. [3, s. 28/37.] Haluttaessa parantaa diodisiltojen luotettavuutta voidaan vaihehaaraan asentaa useampia diodeja sarjaan. Suuremmilla generaattoreilla diodisillat ovat usein monimutkaisempia. Suuren magnetointivirran vaatimuksen vuoksi voidaan yhteen vaihehaaraan asentaa useampia rinnakkaisia diodeja. Tällöinkin jokaisen diodin kanssa sarjassa on sulake, jonka tarkoituksena on eristää diodi piiristä sen vikaantuessa. Luotettavuutta saadaan kasvatettua lisäämällä yhteen vaihehaaraan useampia keskenään sarjassa olevia diodeja. Kahden sarjassa olevan diodin tapauksessa toisen diodin mennessä esimerkiksi oikosulkuun jatkaa toinen toimimista edelleen ja siltakin toimii normaalisti. Kahden samassa haarassa olevan diodin vikaantuminen on erittäin epätodennäköistä, mutta sellaisen sattuessa seurauksena voi olla roottorin oikosulku. Normaalisti magnetointikoneen kentän valvontapiiri kuitenkin havaitsee vian ja koneisto saadaan pysäytettyä hallitusti. Diodisillalle asetetaan yleensä korkeat luotettavuusvaatimukset, mikä kasvattaa tarvittavien komponenttien määrää, jolloin diodilaitteiston kokokin kasvaa. Mitä suurempi pyörivän laitteiston säde on, sitä suuremmalle keskipakoisvoimalle diodit ja muut komponentit altistuvat. Tästä johtuen komponenttien valintaan ja niiden kestävyyteen erilaisia voimia vastaan tulee kiinnittää erityistä huomiota. Puolijohdeteknologian jatkaessa edelleen komponenttien kehitystyötä niiden luotettavuus kasvaa, diodisillassa tarvittavien komponenttien määrä vähenee ja siltojen mekaaninen rakenne yksinkertaistuu ja pienenee. [14, s. 510, 516.] Tasasuuntaussillan yksittäiset diodit suojataan rinnankytketyillä HRC-sulakkeilla, jotka eristävät diodin sen vikaantuessa. Tasasuuntaussillan loput diodit voivat jatkaa toimintaansa normaalisti ja varmistaa generaattorille täyden magnetointivirran. Jokaisen diodimoduulin rinnalla on ylijännitteiden varalta RC-piiri vaimentamassa jännitepiikkejä. Diodien kunnonvalvonta on pyörivän tasasuuntaajan tapauksessa monimutkaisempi toteuttaa paikallaan pysyvään suuntaajaan verrattuna. Vikojen havaitsemiseen käytetään yksittäisiä diodeja valvovien HRC-sulakkeiden toimintatilojen tarkkailua, jossa valvontalaitteisto epäsuoraa mittausta käyttäen havaitsee optisesti HRC-sulakkeen palamisen. Diodimoduulin kunnon tarkkailuun taas käytetään moduulin rinnalle asennettua indikaattorisulaketta, joka havainnoi moduulin toimintaa yhdessä palaneen HRC-sulakkeen ilmaisinlaitteiston kanssa. Generaattorin ollessa pysäytettynä voidaan mahdolliset vikaantuneet diodit löytää suoraan tarkistamalla indikaattorisulakkeet. [14, s. 511, 512, 516.] Pyörimisliikkeessä suurille voimille altistuvat piidiodit ovat osoittautuneet tehokkaiksi, ominaisuutensa säilyttäviksi ja toiminnaltaan erittäin luotettaviksi komponenteiksi, joten pyörivän järjestelmän jatkuva valvonta ei ole välttämätöntä. Nykyään käytäntönä on tarkastaa indikaattorisulakkeet aina suunniteltujen kunnossapitohuoltojen yhteydessä. Merkittävän vian sattuessa koko sillan vaihehaara voi olla joko oikosulussa tai avoimena piirinä, mistä saattaa seurata magnetointijärjestelmän mittava vaurioituminen. Tämän

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 15 ehkäisemiseksi on hyvä käyttää vaihehaaran vikasuojausta, jonka avulla magnetointi saadaan katkaistua ajoissa ja vesivoimakoneisto pysäytettyä hallitusti. Käytännössä vikasuojaus perustuu magnetointikoneen kenttään indusoituneen jännitteen aaltoilun määrään. [14, s. 519.] Pyörivän diodisillan tehonsyöttö hoidetaan laitteiston staattisesta osasta käämitysten kautta ilmateitse. Pyörivästä laitteistosta puolestaan välitetään staattiselle laitteiston osalle magnetoinnin säädössä ja suojauksessa tarvittavia roottorin mittasuureita, joita ovat esimerkiksi roottorikäämityksen virta, jännite ja lämpötila sekä roottorin maasulun ilmaisu. Tämä toteutetaan telemetriajärjestelmällä, jossa mittausarvot muunnetaan lähetyspäässä radiotaajuisiksi signaaleiksi ja lähetetään vastaanottimelle, jossa ne muunnetaan takaisin säätö- ja mittauslaitteiston vaatimaan muotoon. [14, s. 515.] Harjattomassa magnetointijärjestelmässä käytetään nimenomaan diodeista koostuvaa tasasuuntaussiltaa. Pyörivää tyristorisiltaa ei suurehkon teholuokan generaattoreille ole vielä kehitetty, koska vaikeutena on tyristorien vaatimien ohjaussignaalien siirto paikallaan pysyvästä laitteistosta pyörivään siltaan sekä pyörivää säätöelektroniikkaa koskevat luotettavuusongelmat. [3, s. 28/37.] Harjattomassa magnetoinnissa tyristoreja käytetään kuitenkin magnetointivirran säädöstä huolehtivassa tyristoritehoasteessa. 2.3.2. Magnetointigeneraattori Magnetointigeneraattori on yleensä vaihtosähkötahtikone, jota syötetään joko kestomagnetoidulla apugeneraattorilla tai suoraan syötettävästä verkosta magnetointimuuntajan kautta. Generaattorin tasasähkö- eli magnetointikäämitys on staattorissa ja kolmivaihekäämitys roottorissa. Käämitysten ja niiden eristysten altistuminen lämmölle ovat tärkeimpiä huomioitavia asioita magnetointigeneraattorin vikaantumiseen johtavia syitä etsittäessä. Magnetointikoneen riittävästä jäähdytyksestä ja puhtaudesta huolehtimalla voidaan varmistaa sen luotettava toiminta. 2.3.3. Kentänheikennysjärjestelmä Harjattomaan magnetointijärjestelmään ei kuulu erillistä kentänheikennyskatkaisijaa eikä purkausvastusta. Päägeneraattorin magnetointikentän heikennys toteutetaan vaimentamalla magnetointikoneen kenttä, mikä onnistuu nopeasti sitä syöttävän tyristoritehoasteen eli -säätimen invertoinnilla. Magnetointikoneen aikavakio on suhteellisen pieni, joten kentänheikennykseen tarvittava aika on vain hieman pidempi kuin perinteisessä kenttäkatkaisijalla varustetussa kentänheikennyksessä. [14, s. 510.]

2. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN TEKNIIKKA 16 2.4. Hybridijärjestelmät Edellä mainittujen päämagnetointityyppien lisäksi käytössä on erilaisia useamman järjestelmän yhdistelmiä. Ne on voitu alun perinkin suunnitella päätyypeistä poikkeaviksi, mutta useimmiten ne ovat muodostuneet alkuperäisten järjestelmien osittaisten uusimisten kautta. Pyörivää herätinkonemagnetointia pikaherättimineen on voitu uudistaa esimerkiksi niin, että pääherätinkone on edelleen käytössä pyörien pääkoneen mukana generaattorin akselilla, mutta apuherätinkoneen sijaan sitä syötetäänkin staattisella tasasuuntauslaitteistolla. Tällaisilla muutoksilla on olennainen vaikutus järjestelmän elinikään. Eliniän kannalta tarkasteltuna myös magnetointivirran säädön toteutustavalla on merkitystä. Staattinen magnetointi voi alun perin olla varustettu joko analogisella tai digitaalisella säätimellä. Ennen 1990-lukua asennetuilla laitteistoilla käytettiin pelkästään analogisia säätimiä, kun taas 1990-luvun alussa alkoi digitaalisten säätimien yleistyminen. Alun perin analogisilla säätimillä varustettuja staattisia magnetointeja on voitu uudistaa vaihtamalla säätimet digitaalisiksi, mikä antaa järjestelmälle lisää elinikää. Elektronisten säätöyksiköiden toiminta-ajat näyttävät nimittäin käyttökokemusten mukaan jäävän lyhyemmiksi verrattuna lähinnä tehoelektroniikan komponenteista koostuvien tasasuuntausyksiköiden elinikiin.

17 17 3. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN ELINIKÄÄN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Magnetointijärjestelmät sisältävät useita erillisiä laitteita ja komponentteja, joista jokainen omalta osaltaan vaikuttaa järjestelmäkokonaisuuden elinikään. Näin ollen yksittäisen magnetointijärjestelmän elinikään vaikuttavia tekijöitäkin on useita, ja tarkoituksena on tarkastella niiden merkittävyyttä laitteiston toimintaan ja elinikään. Merkittävimmät elinikään vaikuttavat tekijät liittyvät laitteiston käyttötapaan ja -ympäristöön sekä kunnossapitoon. Tutkittaessa nimenomaan vesivoimageneraattoreiden magnetointijärjestelmiä yksi näkökulma liittyy vesivoiman käyttöön säätövoimana eli siihen, miten generaattoreiden päivittäinen tehon säätö sekä lisääntyvä käynnistysten ja pysäytysten määrä vaikuttavat magnetointijärjestelmien toimintaan ja sitä kautta mahdollisesti myös luotettavuuteen. Myös generaattoreilla toteutettavan loistehon kompensoinnin vaikutusta laitteiston elinikään on syytä tarkastella. Yksi merkittävimmistä laitteiston elinikään vaikuttavista tekijöistä on komponenttien kestävyys eli elektroniikan luotettavuus. Nykyisten järjestelmien sisältämään elektroniikkaan vaikuttavat olosuhteiden muutokset esimerkiksi lämpötilan ja kosteuden osalta. Magnetointilaitteistolle suoritettavat kunnossapitotoimenpiteet sekä käytettävissä olevat varaosat ovat myös merkittäviä tekijöitä elinikäasioita tarkasteltaessa. Elinikäasiaa käsiteltäessä on syytä määrittää, mitä käsitteellä elinikä tarkoitetaan. Yleisimmin käytetty määritelmä eliniälle on tekninen elinikä. Tekninen elinikä päättyy, kun laitteistoa ei voida enää käyttää sen vikaantumisen vuoksi. Laitteiston taloudellinen elinikä on yleensä teknistä elinikää lyhyempi. Taloudellinen elinikä päättyy, kun laitteiston vaihtaminen on taloudellisesti kannattavaa, tai kun laitteiston pitäminen käytössä ei ole enää taloudellisesti kannattavaa. Toimivakin laitteisto on kannattavaa vaihtaa uuteen, mikäli siten saavutetaan riittävästi taloudellisia säästöjä. [15, s. 23.] Magnetointilaitteiston kohdalla käytetään tilanteesta riippuen teknistä tai taloudellista eliniän määritelmää. Laitteiston elinkaari voi päättyä joko laitteiston tekniseen vikaan tai taloudellisin perustein tehtyyn laitteiston uusintaan esimerkiksi vesivoimakoneiston peruskunnostuksen yhteydessä. Tässä työssä eliniällä tarkoitetaan sitä aikaa, jonka laite toimii tarkoituksenmukaisesti sille määritellyssä tehtävässään.

3. MAGNETOINTIJÄRJESTELMIEN ELINIKÄÄN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT 18 3.1. Elektroniikan luotettavuus Elektroniikan luotettavuus määritellään todennäköisyydeksi, että elektroninen komponentti tai laite vastaa sille aseteltuja vaatimuksia tietyn ajanjakson ajan. Luotettavuus riippuu ensisijaisesti komponentin vikaantumisesta. Elektroniikkalaitteiden luotettavuutta analysoitaessa palaudutaan usein elektroniikan peruskomponenttien tasolle, ja järjestelmän luotettavuutta voidaan arvioida näiden komponenttien luotettavuuksien avulla. Komponenttien luotettavuustietojen määrittämisessä voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi käyttökokemuksia, luotettavuustestejä ja luotettavuusmalleja. Käyttökokemukset antavat todenmukaisinta tietoa tietyn komponentin luotettavuudesta, koska silloin voidaan olla varmoja siitä, että mukaan on otettu kaikki komponentin luotettavuuteen vaikuttavat tekijät. Kokemustietoja voidaan kuitenkin soveltaa ainoastaan samanlaisissa olosuhteissa toimiville samanlaisille komponenteille. Kenttäkokemuksina kerätyissä vikaantumistiedoissa korostuvat yksittäisten laitteiden muutamat yksittäiset, elinkaarella suhteellisen aikaisessa vaiheessa ilmenevät viat, jotka siten ovat tärkeitä laitteiston eliniän arvioinnin kannalta. Luotettavuustesteissä komponentteja voidaan testata halutunlaisissa olosuhteissa, ja testit suoritetaan yleensä nopeutettuina elinikätesteinä, jotta tuloksia saadaan suhteellisen nopeasti. Jos komponenttien luotettavuustietoja ei ole käytettävissä, voidaan turvautua luotettavuusmalleihin, joiden avulla voidaan matemaattisesti laskea komponenttien vikataajuus tunnettujen ominaisuuksien avulla. [16.] Luotettavuuslaskentaa täytyy käyttää harkiten ottaen huomioon sitä koskevat rajoitukset. Vikataajuusmallit ovat piste-estimaatteja, jotka perustuvat käytettävissä olevaan tietoaineistoon. Ne ovat voimassa ainoastaan niissä olosuhteissa, joissa tieto on kerätty, ja niille laitteille, jotka olivat käytössä. Laskentamallia kehitettäessä voidaan kuitenkin tehdä pientä ekstrapolointia. Vaikka ympäristöolosuhteet olisivatkin samanlaiset, järjestelmäsovellusten erot voivat olla merkitseviä. Myös toimintatapahtumat, käyttäjän ominaisuudet ja toimintatavat, kunnossapitokäytännöt, mittaustekniikat ja erot vikakäsitteen määrityksessä vaikuttavat tarkasteltavana olevaan vikataajuuteen. [17, s. 3-2.] Staattisen ja harjattoman magnetoinnin osalta tärkeimpänä luotettavuuteen ja sitä kautta elinikään vaikuttavana tekijänä voidaan pitää järjestelmien sisältämää elektroniikkaa. Staattisen magnetointijärjestelmän osalta tämä käsittää tasasuuntauslaitteiston säätöyksikköineen. Tasasuuntaussilta tyristoreineen rakentuu tehoelektroniikan komponenteista. Vanhempien staattisten magnetointijärjestelmien säätöyksiköt perustuvat analogiaelektroniikkaan, kun taas uudemmissa on käytetty digitaalielektroniikkaa. Harjattomassa magnetoinnissa elektroniikkaa on lähinnä pyörivässä tasasuuntaajassa ja magnetointivirran suuruudesta huolehtivassa säätimessä. Pyörivän tasasuuntaajan diodeihin, sulakkeisiin, kondensaattoreihin ja vastuksiin kohdistuu pyörimisliikkeestä joh-