S Ä H K Ö V E R K K O O Y ENERGIAA SÄÄSTÄVIEN LAITTEIDEN VAIKUTUKSET SÄHKÖVERKOLLE Eergiatehokkuussopimus - Energiapalvelujen toimenpideohjelmaaseminaari Adato Energia Oy 9.-10.2010 Helsinki Tampereen Sähköverkko Oy
Energian säästöä Energiaa säästäviä laitteita ovat mm. Lämpöpumput Taajuusmuuttajat Teholähteet Energiansäästölamput LED- valolähteet Tuuligeneraattorit Mittarien etäluennat
Lämpöpumput Ilma- ja maalämpöpumput aiheuttavat useassa paikassa välkyntää ottamalla käynnistyessään suuren käynnistysvirran. Tavallisesti ne varustettu suoralla käynnistyksellä tai äärimmäisen halvalla ja huonolla pehmokäynnistimellä. Taajuusmuuttajalla saadaan yleensä tilanne korjattua. Joissakin tapauksissa joudutaan vahvistamaan verkkoa kun siirrytään öljylämmityksestä maalämpöön. Sulpu:n ohjeiden mukaan mitoitettaessa (50 70 % max) maalämpöpumpun käyttäjä on kovilla pakkasilla suora sähkölämmittäjä
Lämpöpumppujen aiheuttama välkyntä Lämpöpumppujen aiheuttamaan välkyntään vaikuttavat mm. pumpun käynnistysvirta (riippuu mm. pehmeäkäynnistimestä ja kompressorin rakenteesta) pumpun käynnistymistiheys (riippuu mm. varaajan koosta, talon lämmöntarpeesta ja pumpun tehosta) ongelmia voidaan vähentää mm. rajoittamalla käynnistysvirtaa esim. pehmeäkäynnistimellä tai käyttämällä suurempaa lämminvesivaraajaa paras tulos saadaan taajuusmuuttajakäyttöisellä lämpöpumpulla Pertti Pakonen 7.10.2010
6 kw maalämpöpumppu + pehmo Vaihevirrat Event waveform/detail Kompressorin käynnistys Maakiertopumpun käynnistys Amps Amps 100 75 50 100 50 Volts 230 Volts 235 230 225 Vaihejännitteiden tehollisarvot jakokaapilla L3 L2 Timeplot chart 25 0 0 220 220 L1-25 215 100 ms/div -100 14:16:56,2 14:16:56,3 14:16:56,4 14:16:56,5 14:16:56,6 14:16:56,7 CHA Amps L1 CHB Amps L2 CHC Amps L3 Waveforms at 16.01.2009 14:16:55-50 -75-50 -100 210 Virroissa mukana talon kaikki kuormat 210 205 14:16:55,5 14:16:56,0 14:16:56,5 14:16:57,0 14:16:57,5 CHA Vrmsavg CHB Vrmsavg CHC Vrmsavg 16.01.2009 14:16:55,50-16.01.2009 14:16:57,50 500 ms/div
Sähkönkulutus maa-/sähkölämmitys 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000 Maalämpö Sähkölämp 1.7.2009 0:00 1.8.2009 0:00 1.9.2009 0:00 1.10.2009 0:00 1.11.2009 0:00 1.12.2009 0:00 1.1.2010 0:00 1.2.2010 0:00 1.3.2010 0:00 1.4.2010 0:00 1.5.2010 0:00 1.6.2010 0:00 1.7.2010 0:00
Elektroniset laitteet 1 Heikoissa verkoissa haittaa aiheuttavat suuntaajakäytöissä alitehoiset muuntajat ja liian pienet verkkokuristimet. Suuret käynnistysvirrat syntyvät tulokondensaattorien ja sysäysvirtojen rajoittimien puuttumisen takia. Sama ilmiö toistuu jännitekuoppien seurauksena. Suurtaajuisia häiriövirtakomponentteja, yli 150 khz, syntyy riittävän suodatuksen puuttuessa. Myöskin mahdollisia ovat samaan syöttöpisteeseen kytkettyjen laitteiden kytkentätaajuuksien ero- ja summamuotoiset taajuuskomponentit.
Elektroniset laitteet 2 Kokoaaltotasasuuntaukseen ja kondensaattoriperustaiseen jännitteen stabilointiin perustuvat laitteet synnyttävät perusaallon harmonisia virtakomponentteja, joista ensimmäiset parittomat ovat voimakkaimpia.tehokerroin on tyypillisesti luokkaa 0,6 ja vaihesiirto lievästi kapasitiivinen. Kolmivaiheisessa järjestelmässä nollajohtimen virta on luokkaa 1,7 x vaihevirta. Harmoniset yliaallot lisäävät myös magneettikenttien altistavuutta.
Elektroniset laitteet 3 Elektroniset laitteet ovat usein suunniteltu toimimaan erittäin laajalla tulojännitteellä, esim. 90 270 V. Yleensä ko. laitteet ottavat koko ajan saman tehon, jolloin jännitteen laskiessa virta kasvaa tehon säilyttämiseksi. Jos 230 V jännitteellä virta on 10 A, niin 90 V jännitteellä se on n. 26 A. Tästä seuraa jännitteen aleneman aikana virran kasvu verkostossa, pahimmassa tapauksessa se on huomattava aiheuttaen suojalaitteiden toimintoja. Samasta syystä laitteet ottavat käynnistyessään nimellistä suuremman virran.
Elektroniset laitteet 4 Edellä mainitun tehon säilyminen tarkoittaa, että ko. laitteiden tulossa vaikuttava dynaaminen impedanssi on johonkin taajuuteen asti resistanssi, jonka vaihe on 180 astetta. Tämä tarkoittaa että, ko. taajuusalueella järjestelmä voi mennä epästabiiliksi, jos syöttöpuolen impedanssi on saman suuruinen tai suurempi ja vaiheeltaan vastakkainen esim. LC resonanssin seurauksena. Seurauksena saattaa olla matalataajuista tehon huojuntaa tai verkkotaajuutta suurempitaajuisia resonanssivirtoja.
Elektroniset laitteet 5 Taajuusmuuttajat ja pehmokäynnistimet ym. vastaavat laitteet tulisi aina varustaa riittävän tehokkailla verkkosuotimilla sekä tehdä asennukset määräysten ja ohjeiden mukaisesti. Pyörimisnopeuden säätimien asettelut tulee tarkastaa ja todeta ne käyttöpaikalle sopiviksi. Elektroniset laitteet tulevat aiheuttamaan valaistuskytkimien palamista kiinni-asentoon. Pienoisloistelamput ja LED-valonlähteet saattavat estää radioohjattujen kytkinten käytön asunnoissa.
Tuuligeneraattorit Aiheuttavat välkyntää tuulen vaihdellessa heikoilla verkon osilla. Yksivaiheiset laitteet aiheuttavat kuormitusepäsymmetriaa verkolle. Itse asennetut tuulimyllyt ovat selvä turvallisuusriski verkostotyöntekijöille.
Mittarien etäluenta Käytettäessä sähköverkkoa mittarien etäluentaan muodostuu häiriötekijöiksi kaikki yliaaltoja aiheuttavat kuormat. Mittarien luentajärjestelmät häiritsevät toisiaan vaikka toimivat eri taajuusalueilla aiheuttamalla verkkoon lisää ns. pohjakohinaa. Harmittoman tuntuiset pienet laitteet kuten pienloistelamput voivat estää mittarien luennan jo muutamalla lampulla tai aiheuttaa lääkintälaitteiden virhetoimintoja. Luentasignaali voi olla joillekin laitteille pahakin häiriösignaali.
LED loisteputki 18 W, virta (Dranetz) Event waveform/detail 500 250 Volts 0-250 -500-750 5 4 3 2 Amps 1 0-1 -2-3 -4-5 14:23:59,83 14:23:59,84 14:23:59,85 14:23:59,86 14:23:59,87 14:23:59,88 CHB Volts CHB Amps Timed at 08.01.2010 14:23:59
LED loisteputki 18 W, virtayliaallot % o f FN D 70 Event waveform/detail 60 50 40 30 20 10 0 Thd H10 H20 H30 H40 H50 CHB Amps Total RMS: 1.24 Amps DC Level : 0.00 Amps Fundamental(H1) RMS: 0.73 Amps Total Harmonic Distortion (H02-H50):69.86 % of FND Even contribution (H02-H50): 9.18 % of FND Odd contribution (H03-H49): 69.26 % of FND Timed at 08.01.2010 14:23:59
Yliaaltojen aiheuttamat haitat Häviöiden kasvu sähköverkossa ja sähkönkäyttäjien laitteissa lämpeneminen laitteiden kuormitettavuuden alentuminen Yliaallot aiheuttavat myös mittareiden virhenäyttämiä sekä automaatiolaitteiden ja suojareleiden virhetoimintoja Moottoreissa ylimääräistä lämpenemistä, eri taajuisia momentteja sekä ääni- ja värähtelyilmiöitä Muuntajissa jänniteyliaallot lisäävät tyhjäkäyntihäviöitä virtayliaallot lisäävät kuormitushäviöitä parillisten yliaaltojen aiheuttama tasakomponentti voi johtaa muuntajien kyllästymiseen
Pienloistelamppu, esimerkki (1) Myyntipakkauksen mukaan pienloistelammpu 11 W vastaa 60 W hehkulamppua Mitattu 7 W ja 79 var, virtayliaallot 186 % perusaallosta Vertailu hehkulamppu varaa verkkokapasiteettia 60 VA ja ns. energiansäästölamppu n. 80 VA Oletus: Siirtohinta 5 snt/kwh ja 1000 lamppua Tulot/h Hehkulamppu 60 kwh => 300 snt Pienloistelamppu 7 kwh => 35 snt Erotus 265 snt
Kulut/h Pienloistelamppu, esimerkki (2) Hehkulamppu 60 kvah => 300 snt Pienloistelamppu 80 kvah => 400 snt ja loistehon kompensointi ja yliaaltojen suodatus 3kVAh => 15 snt, yhteensä 415 snt Erotus 115 snt Verkkoyhtiön tulot pienenee 265 snt ja kulut kasvaa 115 snt eli tappiota syntyy 380 snt joka tunti.
Pehmokäynnistin jarrutus Volts 750 Event waveform/detail Amps 750 500 500 250 250 0 0-250 -250-500 -500-750 -750 11:51:51,2 11:51:51,4 11:51:51,6 11:51:51,8 11:51:52,0 11:51:52,2 CHA Volts CHB Amps Waveform event at 26.03.1999 11:51:51,12 PrevRMS MinRMS MaxRMS WorstIMP Phase HFHits AV Volts 225.8 214.8 228.1 0.0 0 deg. BI Amps 114 59 533 0 0 deg. CI Amps 119 59 531 0 0 deg. DI Amps 128 56 543 0 0 deg.
3. Yliaallon epäsymmetria Teollisuuslaitoksen yliaaltosuodattimet eivät pysyneet päällä, kolmannen yliaallon epäsymmetrian takia Epäsymmetria aiheutui toisella teollisuuslaitoksella väärin rakennetun yliaaltosuodattimen aiheuttamana (suodatin toimi vahvistimena) Korjaustoimenpiteenä muutettiin tehtaan prosessilaitteistoa siten, että yliaaltosuodatinta ei tarvittu sen jälkeen (vaihtoehtona oikean yliaaltosuodattimen hankinta)
3. Yliaallon epäsymmetria suodatettuna 37.5 %FND Harmonic Timeplot 35.0 32.5 30.0 27.5 25.0 22.5 20.0 17.5 14:54:00 14:54:10 14:54:20 14:54:30 14:54:40 14:54:50 CHA IH03 CHB IH03 CHC IH03 17.10.2001 14:54:00,00-17.10.2001 14:54:50,00 Site: POWER PLATFORM
3. Yliaallon epäsymmetria ei suodatettuna 25.0 %FND Harmonic Timeplot 22.5 20.0 17.5 15.0 12.5 10.0 14:40:30 14:40:40 14:40:50 14:41:00 14:41:10 14:41:20 CHA IH03 CHB IH03 CHC IH03 17.10.2001 14:40:30,00-17.10.2001 14:41:20,00 Site: POWER PLATFORM
Käynnistysvirta 5 kpl 11 W pienloistelamppuja U I
Käynnistysvirta 15 kpl 11 W pienloistelamppuja + 16 W LED + 8 W LED U I
Suuritaajuiset ilmiöt sähköverkossa Voimakkaasti lisääntymässä AMR-mittareiden PLC-luenta 3 95 khz (SFS-EN 50065-1) Kuluttajien laitteet 95 148,5 khz (SFS-EN 50065-1) Broadband PLC-sovellukset (2 28 MHz) laajakaistayhteydet kiinteistöihin kiinteistön sisäiset LAN-yhteydet (HomePlug - http://www.homeplug.org/home) Energiansäästölamput (pienloiste- ja LED-lamput) Hakkuriteholähteet Taajuusmuuttajat
Kentänvoimakkuusmittaukset eräässä asunnossa Ref 120 dbµv/m * Att 30 db * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 100 ms Marker 1 [T1 ] 110.13 dbµv/m 83.400000000 khz AMR-mittarin PLC-luentasignaali 1 PK VIEW 120 110 100 90 1 A TDF 110 dbµv/m = 0,316 V/m Ref 90 dbµv/m * Att 0 db 90 * RBW 100 khz VBW 300 khz * SWT 100 ms Marker 1 [T1 ] 55.06 dbµv/m 159.060000000 MHz 80 80 A 70 1 PK VIEW 70 ULA-radiolähetykset 60 50 50 dbµv/m 60 50 1 TDF 40 40 30 30 20 Start 0 Hz 10 khz/ Stop 100 khz 0 khz 100 khz Date: 11.DEC.2009 08:47:48 PLC-luentasignaalin aiheuttama kentänvoimakkuus on lähes 1000- kertainen ULA-lähetyksiin verrattuna 20 10 0-10 Center 165 MHz Date: 11.DEC.2009 09:46:04 27 MHz/ Span 270 MHz 30 MHz 300 MHz
Asunnon sisäinen HomePlug-LAN-yhteys Kentänvoimakkuus taajuustasossa: Ref 110 dbµv/m * Att 20 db * RBW 10 khz VBW 30 khz SWT 300 ms Marker 1 [T1 ] 104.31 dbµv/m 83.400000000 khz Aikatasossa 17 MHz taajuudella: Ref 110 dbµv/m * Att 20 db RBW 10 khz VBW 30 khz SWT 100 ms Marker 1 [T1 ] 36.83 dbµv/m 100.000000 ms 1110 110 100 A 100 A 1 PK VIEW 90 1 PK * VIEW 90 80 TDF 80 dbµv/m 80 TDF 70 70 60 60 50 50 40 40 1 30 30 20 20 10 10 Start 0 Hz 3 MHz/ Stop 30 MHz Center 17 MHz 10 ms/ 0 MHz 30 MHz 0 ms 100 ms Date: 11.DEC.2009 08:52:46 Date: 11.DEC.2009 09:06:57 noin 600 µs purske 20 60 ms välein
1 PK VIEW Ref 100 dbµv/m * Att 10 db AMR-mittarin PLC-luentasignaali PLC-luentasignaalien kentänvoimakkuus 30 m etäisyydellä AMKA-johdosta 100 90 80 70 60 * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 500 ms Marker 1 [T1 ] 44.65 dbµv/m 417.400000000 khz A TDF 1 PK * VIEW Ref 135 dbµv 110 70 dbµv/m 100 Toimistorakennuksen keskukselta mitattu jännitesignaali 86 khz taajuudella (viereisen keskuksen mittareiden luenta ei onnistunut suuren häiriötason vuoksi) 130 120 * Att 40 db RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 10 s 1 Marker 1 [T1 ] 118.33 dbµv 5.240000 s * A TDF 50 40 30 20 10 0 Start 0 Hz Date: 3.APR.2009 14:58:56 50 khz/ 1 5. harmoninen Stop 500 khz 0 khz 500 khz PLC-luentasignaalin perustaajuudet 90 80 70 60 50 40 Mitatun keskuksen AMR-mittareiden tietoliikennettä Center 86 khz 1 s/ 0 s 10 s Date: 21.JAN.2010 09:53:09 80 dbµv
Kerrostalon ilmanvaihdon taajuusmuuttajien häiriöt Häiriöjännitemittaus talon pääkeskukselta Taajuusmuuttajat (6 kpl 0,37 kw) päällä Ref 115 dbµv * Att 20 db * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 500 ms Häiriöjännitemittaus talon pääkeskukselta Taajuusmuuttajat poissa päältä Ref 115 dbµv * Att 20 db * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 500 ms Marker 1 [T1 ] 77.80 dbµv 237.000000000 khz 1 PK VIEW 110 100 A 1 PK VIEW 110 100 A 100 dbµv 90 90 80 TDF 80 1 TDF 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 Start 0 Hz 0 khz 50 khz/ Stop 500 khz Start 0 Hz 50 khz/ Stop 500 khz 500 khz 0 khz 500 khz Date: 20.JAN.2010 11:27:46 Date: 20.JAN.2010 12:19:06 AMR-mittareiden luenta ei onnistunut kun taajuusmuuttajat olivat päällä
LED loisteputki 18 W, virta (LeCroy) U: 100 V/V I: 5A/V
LED loisteputki 18 W, häiriöjännite (R&S) Ref 135 dbµv 1 130 * Att 40 db * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 500 ms Marker 1 [T1 ] 133.76 dbµv 69.000000000 khz A 135 dbµv = 5,6 V 1 PK VIEW 120 110 Harmoniset TDF 100 90 80 70 60 50 Lampun hakkurin perustaajuus 40 0 khz Start 0 Hz 50 khz/ Stop 500 khz 500 khz Date: 8.JAN.2010 14:10:21
LED loisteputki 18 W, säteilyhäiriöteho ja kentänvoimakkuus Ref 8 dbm * Att 20 db * RBW 10 khz VBW 30 khz SWT 500 ms Marker 1 [T1 ] -17.26 dbm 51.000000000 khz Ref 105 dbµv/m * Att 10 db * RBW 10 khz VBW 30 khz SWT 300 ms Marker 1 [T1 ] 89.49 dbµv/m 68.600000000 khz 1 PK * CLRWR 1 0-10 -20 A SGL 1 PK VIEW 100 1 90 80 A TDF -30 70-40 60-50 50-60 40-70 30-80 20 10-90 Start 0 Hz 5 MHz/ Stop 50 MHz Start 0 Hz 3 MHz/ Stop 30 MHz 0 MHz 50 MHz 0 MHz 30 MHz Date: 8.JAN.2010 14:06:45 Säteilyhäiriöteho, mitattu hetkellisenä kertapyyhkäisynä Date: 8.JAN.2010 14:20:00 Kentänvoimakkuus, mitattu parinkymmenen sekunnin ajalta max hold-mittauksena
LED loisteputki 18 W, säteilykentänvoimakkuus 1 PK VIEW Ref 105 dbµv/m 100 90 80 70 60 * Att 20 db 1 * RBW 100 khz VBW 300 khz SWT 5 ms Marker 1 [T1 ] 56.45 dbµv/m 93.680000000 MHz A TDF Laboratoriossa, jossa Ulalähetysten kentänvoimakkuus oli melko pieni, noin 40 dbµv/m, LED-loistelampun päällekytkeminen esti radion kuuntelun (Ula-lähetys hukkui kohinaan) 50 50 dbµv/m 40 30 20 10 Start 80 MHz 3 MHz/ Stop 110 MHz 80 MHz 110 MHz Date: 8.JAN.2010 14:38:00
Pienloistelamppu 11 W, virta U: 100 V/V I: 5A/V Pienloistelampuissa on tyypillisesti kokoaaltotasasuuntaaja joka lataa välipiirin kondensaattoria Virtapiikin muoto ja kestoaika riippuu lampun mitoituksista ja rakenteesta, mutta se sijoittuu kuitenkin pääosin vaihejännitteen 1. ja 3. kvadranteille
Pienloistelamppu 11 W, häiriöjännitespektri Ref 105 dbµv * Att 10 db * RBW 1 khz VBW 3 khz SWT 200 ms Marker 1 [T1 ] 89.85 dbµv 51.000000000 khz 1 PK VIEW 100 90 80 70 1 Harmoniset A TDF Hakkuritaajuus saattaa ryömiä huomattavastikin (jopa useita kymmeniä khz) lampun lämmetessä 60 50 40 30 20 Lampun hakkurin perustaajuus 10 Start 0 Hz 20 khz/ Stop 200 khz Date: 8.JAN.2010 13:57:23
LED loisteputki + pienloistelamppu, suodatus U: 100 V/V Pienloistelampun kapasitanssi suodattaa LED-lampun aiheuttamia häiriöitä silloin, kun pienloistelampun tasasuuntausdiodit ovat johtavassa tilassa Sama ilmiö saattaa häiritä AMRmittareiden PLC-luentaa (lamppujen aiheuttamien häiriöiden lisäksi) I: 5A/V
LED loisteputki + toinen pienloistelamppu, ei suodatusta U: 100 V/V Toisen valmistajan pienloistelampulla suodatusvaikutusta ei ollut havaittavissa I: 5A/V
Yhteenveto Ongelmia on ja tulee olemaan, mutta niiden kanssa pitää tulla toimeen. Ongelmia ei pidä ehdoin tahdoin hankkia, vaan yrittää kiertää ne mahdollisimman kaukaa. Pitäisi luoda kansantaloudellisesti edulliset pelisäännöt eli standardit ja noudattaa niitä. Kiitokset