Source: http://docplayer.fi/19592559-Julkisen-rakennuksen-sah-koverkon-suunnittelu-ja-oi-kosulkutarkastelu.html
Timestamp: 2018-12-17 20:25:34+00:00
Document Index: 19359534

Matched Legal Cases: ['kko ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'kko ', 'KKO ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

JULKISEN RAKENNUKSEN SÄH- KÖVERKON SUUNNITTELU JA OI- KOSULKUTARKASTELU - PDF
Download "JULKISEN RAKENNUKSEN SÄH- KÖVERKON SUUNNITTELU JA OI- KOSULKUTARKASTELU"
1 JULKISEN RAKENNUKSEN SÄH- KÖVERKON SUUNNITTELU JA OI- KOSULKUTARKASTELU Mikko Broman Opinnäytetyö Toukokuu 2013 Sähkötekniikka Sähkövoimatekniikka
2 TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Sähkötekniikka Sähkövoimatekniikka MIKKO BROMAN: Julkisen rakennuksen sähköverkon suunnittelu ja oikosulkutarkastelu Opinnäytetyö 55 sivua, joista liitteitä 1 sivu Toukokuu 2013 Tämän työn tarkoituksena oli tutustua julkisen rakennuksen sähkösuunnitteluun sekä sähkösuunnitteluun liittyviin standardeihin ja laskelmiin. Esimerkkinä työssä käytettiin esisuunnitteluvaiheessa olevaa suurta julkista rakennusta. Esimerkin avulla työssä käsiteltiin sähkönjakelujärjestelmän eri komponentteja keskijännitejakelusta pienjännitejärjestelmän kauimmaiseen kulutuspisteeseen asti. Keskijänniteverkon käsittelyssä keskityttiin lähinnä keskijännitekojeistoon ja oikosulkusuojaukseen. Työssä käsiteltiin myös muuntajan mitoittamista sekä muuntajien teknisten arvojen määrittämistä. Pienjännitejärjestelmään siirryttäessä käsiteltiin tarkemmin jakelujärjestelmän mitoitusta sekä erilaisten jakelukomponenttien eroja. Pääpaino työssä oli sähköjärjestelmän laskennallisessa tarkastelussa. Uudistunut SFS6000- standardi velvoittaa joko urakoitsijan tai suunnittelijan esittämään sähköjärjestelmän suojaukseen liittyvät laskelmat. Tämän työn tarkoituksena on toimia ohjeena siitä, mitä asioita tulee ottaa huomioon näitä laskelmia tehdessä. Työn laskelmia ei voida suoraan soveltaa erilaisiin kohteisiin, vaan laskelmat tulee aina tehdä tapauskohtaisesti. Tätä työtä voidaan kuitenkin käyttää mallina laskennan eri vaiheissa yleisimmissä sähkönjakelujärjestelmissä. Asiasanat: oikosulkuvirta, jännitteenalenema, selektiivisyys
3 ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Degree Programme in Electrical Engineering Electrical Power Engineering MIKKO BROMAN: The Designing Process and Short-circuit Current Calculation of a Public Buildings Distribution Network Bachelor's thesis 55 pages, appendices 1 page May 2013 The objective of this thesis was to go through the standards and calculations involved in the electrical designing process of a public building. A building currently in preliminary design phase was used as an example to more easily process all the things involved in the designing process. The distribution network is studied all the way from the connection point of the medium voltage grid to the last consumption point in the low voltage distribution network. When studying the medium voltage grid, switchgears and protection against short- circuit currents are emphasized. Choosing a transformer of the correct rating and calculating the technical values of transformers are also considered while studying the medium voltage grid. The different components of an electrical distribution network are studied more closely while researching the low voltage distribution network of the building. The focus of this thesis was on the mathematical consideration of the buildings distribution network. The SFS6000- standard was updated, so now either the designer or the contractor has to mathematically prove that the buildings electrical protection will work properly. This thesis can be used as a reference when calculating the properties of a distribution network. However, this thesis cannot be directly applied during the calculation process. All calculations must be made according to the specifications of the distribution network being inspected. Key words: short-circuit current, voltage reduction, selectivity
4 4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO Kohderakennus SÄHKÖLIITTYMÄ Kohteen keskijänniteverkon rakenne Rakennuksen sähkötehon tarve KESKIJÄNNITEVERKKO Keskijännitekojeisto Relesuojaus Muuntajat Muuntajien mitoitus Muuntajien teknisten arvojen määrittäminen PIENJÄNNITEJÄRJESTELMÄ Jakelujärjestelmä Kaapelin mitoitus Jakelukiskon mitoitus Pienjännitekeskukset Pääkeskusten oikosulkusuojaus Ryhmäkeskusten oikosulkusuojaus Oikosulkuvirrat Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK Ryhmäkeskus KAJK0109- kulutuspiste Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK Ryhmäkeskus KAJK0108- kulutuspiste Jännitteenalenema Pääkeskus - ryhmäkeskus KAJK Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK Ylikuormitus SELEKTIIVISYYS Selektiivisyyden määrittäminen POHDINTA LÄHTEET LIITTEET Liite 1. Keskijännitekojeiston piirikaavio... 55
5 5 LYHENTEET JA TERMIT c I I 1s I dyn I N k P prospektiivinen R r R k R N S U U N X x X k X N Z z Z K Z N jännitekerroin sähkövirta ekvivalenttinen yhden sekunnin oikosulkuvirta dynaaminen oikosulkuvirta nimellisvirta sysäyskerroin muuntosuhde pätöteho tehollinen arvo resistanssi suhteellinen resistanssi oikosulkuresistanssi nimellisresistanssi näennäisteho jännite nimellisjännite reaktanssi suhteellinen reaktanssi oikosulkuimpedanssi nimellisimpedanssi impedanssi suhteellinen impedanssi oikosulkuimpedanssi nimellisimpedanssi
6 6 1 JOHDANTO Työn tavoitteena oli luoda TSS GROUP:lle malli siitä, mitä asioita tulee ottaa huomioon sähkönjakelujärjestelmän suojauksessa sekä mitoituksessa. Työssä on käytetty lähteenä pääosin Sähköinfon julkaisemaa kirjasarjaa "Sähköasennukset", jonka teoria pohjautuu ST- kortteihin sekä SFS- standardeihin. Muita lähteitä ovat mm. SFS600- käsikirja sekä Kari Huotarin ja Jarmo Partasen tekemä opetusmoniste "Teollisuusverkkojen oikosulkuvirtojen laskeminen". Keskijänniteverkon tarkastelussa keskitytään asiakkaan keskijännitekojeistoon sekä 20/0,4 kv muuntajiin. Verkon laatuun ja kokoonpanoon asiakkaan kiinteistön ulkopuolella ei oteta kantaa. Myöskään maasulkusuojauksen tarpeeseen ei oteta kantaa, koska kyseinen vikatyyppi rajattiin opinnäytetyön aihepiirin ulkopuolelle. Pienjännitejärjestelmän tarkastelussa kiinnitetään erityisesti huomiota oikosulkusuojauksen toimivuuteen sekä jakelukomponenttien kuormitettavuuteen. Muita pienjännitejärjestelmästä käsiteltäviä aiheita ovat jännitteenalenema sekä suojalaitteiden selektiivisyys. Tässä työssä käsitellään vain kolmivaiheista TNC-S- järjestelmää, eikä tämän järjestelmän eroihin toisiin järjestelmiin nähden oteta kantaa. Työssä käsitellään sähköverkon suunnittelua vain sähköalan standardien kannalta. 1.1 Kohderakennus Työn esimerkkikohteena käytetään esisuunnitteluvaiheessa olevaa uudisrakennusta. Rakennuksen pinta-alaksi on arvioitu noin neliömetriä, kerroksia tulee olemaan kymmenen. Rakennus tulee monipuoliseen käyttöön, sillä kohteessa on muun muassa ravintolatilat, keittiö, ATK-saleja, kirjasto, luentotiloja, liiketiloja sekä toimistotiloja. Tätä opinnäytetyötä tehdessä kaikkien tilojen lopullista käyttötarkoitusta ei ollut vielä määritetty, joten työssä käytetään suunnittelutoimiston kokemuspohjaisia arvioita muun muassa tehontarpeen määrityksessä. Rakennus tulee olemaan osa suurta kiinteistökompleksia, ja esimerkiksi keskijännitesyöttö tulee kiinteistön omasta jakeluverkosta.
7 7 2 SÄHKÖLIITTYMÄ 2.1 Kohteen keskijänniteverkon rakenne Kohde rakennetaan osaksi suurta kiinteistökompleksia, jolla on oma keskijänniteverkko. Verkko on rakenteeltaan rengasverkko, jolloin sähkönsyöttö voidaan varmistaa vikatilanteissa olettaen, että vika esiintyy vain liittymän toisella puolella. Lisäksi rengasverkon käytöllä saavutetaan parempi jännitevakavuus kuin säteittäisellä verkolla. Myös tehohäviöt ovat pienempiä rengasverkossa. (Pääkkönen 2012, 2) Keskijänniteverkon arvot selvitettiin asiakkaan edustajalta. Kohderakennusta syöttävän verkon arvoja tarvitaan esimerkiksi mitoitettaessa relesuojausta kohteen keskijännitelaitteistoon. Keskijänniteverkkoa voidaan pitää jäykkänä, mikäli oikosulkuvirtataso on riittävän suuri. Myös etäisyys sähköasemalta vaikuttaa keskijänniteverkon jäykkyyteen. Keskijänniteverkon ollessa jäykkä, pienjännitepuolen heikentynyt sähkönlaatu tai oikosulkutilanne ei vaikuta keskijännitepuolella. (Motiva Oy 2006, 21) 2.2 Rakennuksen sähkötehon tarve Rakennuksen sähkötehon tarpeen määritystä käsitellään ST- kortissa ST- kortin kaavoilla sähkötehon tarve voidaan määrittää hyvinkin tarkasti esimerkiksi laiteluetteloiden avulla. Esisuunnitteluvaiheessa ei voida kuitenkaan suoraan käyttää kortissa määriteltyjä tapoja, koska kaikkia tarpeellisia tietoja ei vielä ole olemassa. Tässä työssä rakennuksen sähkötehon tarpeen määrityksessä käytetään ST- kortissa esiteltyjä tapoja, joita on muokattu vastaamaan kohderakennusta suunnittelutoimiston kokemuspohjaisia mitoitusarvoja hyödyntäen. Kokemuspohjaisilla arvoilla voidaan määrittää suurpiirteinen sähkötehon tarve, mutta lopullista mitoitusta niillä ei voida tehdä. Näillä arvoilla määritettiin rakennuksen arvioitu neliökohtainen pätöteho, joka on 45 W /m 2. Rakennuksen mitoittava pinta-ala on m 2, jolloin tarvittava pätötehon määrä on
8 8 Pätötehon määrästä päästään rakennuksen sähköliittymän näennäistehon tarpeeseen jakamalla se ensin arvioidulla sähkötehokertoimella ja tämän jälkeen hyötysuhteella. Rakennuksen sähköliittymän arvioitu tehokerroin on 0,94 ja hyötysuhde 0,95. Näillä kertoimilla saatu arvo, 756 kva, kerrotaan vielä kertoimella 1,3, jotta kohteeseen voidaan myöhemmin lisätä sähkölaitteita siten, ettei syöttävä laitteisto ylikuormitu. Lopullinen rakennuksen sähkötehon tarve on 983 kva. Esimerkkejä erilaisten rakennusten sähköliittymän tehokertoimista, hyötysuhteista ja tulevaisuuskertoimista löytyy STkortista (ST 13.31)
9 9 3 KESKIJÄNNITEVERKKO 3.1 Keskijännitekojeisto Kojeistolla tarkoitetaan rakennekokonaisuutta on sähkön tuottamisessa, siirrossa, muuntamisessa tai muuttamisessa tarvittavia kytkin-, suoja-, ohjaus- tai valvontalaitteita (ABB , 13.4). Suurin osa nykyisin käytetyistä kojeistoista on metallikuorisia kojeistoja. Myös eristysainekuorisia kojeistoja on tarjolla, mutta näiden käyttö on vähäisempää. Metallikuoriset kojeistot jaotellaan kolmeen luokkaan niiden kojeisto-osastoinnin ja eristemateriaalin mukaan. Näitä luokkia ovat metallikoteloitu kojeisto, tilakoteloitu kojeisto sekä kennokoteloitu kojeisto. Kohderakennuksessa käytetään kennokoteloitua kojeistoa, joka on varustettu kiinteällä kalustuksella ja eristeaineena toimii normaali ilma. Kojeiston mallirakenne näkyy kuvassa 1. Kuvassa numerolla 1 on merkitty kokoojatila, numerolla 2 katkaisijatila, numerolla 3 lähtötila ja numerolla 4 toisiokojetila. (ABB , 13.4) Kuva 1 Keskijännitelaitteisto (ABB , 13.4)
10 10 Tässä työssä käytetään keskijännitekojeistona ABB:n Uniswitch- kojeistoa. Kojeisto koostuu useista kennoista, joilla on erilaisia käyttötarkoituksia. Kennojen rakenne näkyy kuvassa 2. Todellisuudessa kaapelipäätetilassa voi olla myös lisävarusteita, kuten ylijännitesuojia, virtamuuntajia ja toinen maadoituskytkin. Kuva 2 Ilmaeristeinen, kennokoteloitu kojeisto (ABB, luettu , 6) Kohteen keskijännitekojeisto koostuu kahdesta kuormanerotinkennosta, mittauksilla varustetusta pitkittäiskatkaisijakennosta sekä kolmesta katkaisijakennosta. Keskijännitekojeiston rakenne on esitetty liitteessä 1. Syöttävä verkko kytketään kuormanerotinkennoon. Syöttävä verkko on rakenteeltaan rengasverkko, jolloin kuormanerotinkennoja tarvitaan kaksi. Kuormanerotinkennot kytketään pitkittäiskatkaisijakennoon, joka on varustettu tarpeellisilla mittalaitteilla. Esimerkkikokoonpanossa käytetään kahta virtamuuntajaa ja yhtä jännitemuuntajaa. Virtamuuntajia tarvitaan kaksi, koska suojalaitteiden virtatiedot tulevat yhdeltä ja energiamittauslaitteiston virtatiedot toiselta virtamuuntajalta. Pitkittäiskatkaisijakenno yhdistetään katkaisijakennoihin, joista jännite siirretään muuntajille keskijännitekaapeleita pitkin. Katkaisijakennoista tulee alkuun käyttöön vain kaksi, mutta tulevaisuuden kasvutarpeeseen on varauduttu yhdellä ylimääräisellä kennolla. Yleensä muuntajalle liittyminen
11 tehdään varokekuormanerottimella kustannussyistä. Tässä työssä käytetään kuitenkin katkaisijakennoja selektiivisyyden monipuolisemman tarkastelun takia Relesuojaus Keskijännitepuolen suojaus toteutetaan relesuojauksella. Relesuojauksen asettelut lasketaan sekä keskijännitepuolen että pienjännitepuolen oikosulkuvirtojen avulla. Syöttävän verkon oikosulkuarvot on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1 Syöttävän verkon oikosulkuarvot Normaali syöttötilanne Varasyöttötilanne 13,2 ka I dynmax I'' k3max 7,3 ka 4,25 ka I'' k2min 6,01 ka 3,44 ka Asiakasmuuntamoiden maksimisuojausasettelut kerrotaan sähkölaitoksen asiakasmuuntamo-ohjeessa. Kyseiset asetteluarvot on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2 Asiakasmuuntamon suurimmat sallitut suojausarvot (Tampereen sähkölaitos, luettu , 2) Sähkövirran arvo [A] Laukaisuaika [s] Pikalaukaisu ,1 Hidastettu laukaisu 500 0,4 Suojauksen tulee toimia pienimmällä keskijännitepuolen oikosulkuvirran arvolla, jotta suojaus reagoi kaikkiin keskijännitepuolen oikosulkutilanteisiin. Keskijännitepuolen relesuojauksen tulee myös toimia siinä tilanteessa, että pienjännitepuolella tapahtuu oikosulku ennen pienjännitepuolen ensimmäistä suojalaitetta. Tarkasteltaessa verkkoa keskijänniteverkon puolelta, on ensimmäinen pienjännitepuolen suojalaite pienjännitepääkeskuksessa sijaitseva kompaktikatkaisija. Relesuojauksen tulee siis havaita pienjännitepuolen oikosulut, jotka tapahtuvat muuntajan ja kompaktikatkaisijan välillä. Suurinta pienjännitepuolen oikosulkuvirtaa määritettäessä pitää ensin tarkistaa, tarvitseeko syöttävä verkko huomioida laskuissa. Mikäli syöttävän verkon alkuoikosulkuteho
12 12 on alle 400 kertaa suurempi kuin muuntajan nimellisteho, tulee syöttävä verkko huomioida pienjännitepuolen suurinta oikosulkuvirtaa määritettäessä. (Huotari & Partanen 1998, 16) Syöttävän verkon alkuoikosulkuteho lasketaan kaavalla 1. Kaavassa käytetään normaalitilanteen alkuoikosulkuvirtaa, koska lasketaan pienjännitepuolen suurinta oikosulkuvirtaa. (1) c on jännitekerroin, jolla otetaan huomioon sähkömotoristen voimien ja verkon nimellisjännitteen ero S'' kv on syöttävän verkon alkuoikosulkuteho (VA) U n on syöttävän verkon nimellispääjännite (V) I'' kv on syöttävän verkon alkuoikosulkuvirta (A) Muuntajan nimellisteho on 1 MVA, jolloin epäyhtälön 278 MVA <(400 1 MVA) mukaan tulee syöttävä verkko huomioida pienjänniteverkon suurinta oikosulkuvirtaa laskettaessa. Oikosulkuvirta voidaan määrittää joko Theveninin sijaiskytkentää hyödyntäen tai ominaisoikosulkuteholaskennalla. Ominaisoikosulkuteholaskenta on esitelty tässä työssä sellaisia tapauksia varten, joissa ei ole mahdollista laskea sijaiskytkentää hyödyntäen. (2) S'' m on muuntajan oikosulkuteho (VA) S n on muuntajan nimellisteho (VA) z k on muuntajan suhteellinen oikosulkuimpedanssi Oikosulkutehot summautuvat oikosulkuun siten, että sarjakytkennässä olevat komponentit muodostavat tehojen rinnankytkennän ja rinnan olevat komponentit muodostavat tehojen sarjakytkennän.
13 13 Syöttävä verkko ja muuntaja muodostavat sarjakytkennän, jolloin niiden oikosulkutehot summautuvat rinnankytkennän mukaisesti kaavalla 3. (Hietalahti. Oikosulkulaskenta) (3) S'' T on verkon vaikutuksen huomioiva oikosulkuteho (VA) S'' kv on syöttävän verkon alkuoikosulkuteho (VA) S'' m on muuntajan oikosulkuteho (VA) Verkon vaikutuksen huomioiva oikosulkuteho aiheuttaa kaavan 4 mukaisen oikosulkuvirran (Hietalahti 2011, 4). (4) I'' k on pienjänniteverkon suurin oikosulkuvirta toisiopuolella (A) c on jännitekerroin, jolla otetaan huomioon sähkömotoristen voimien ja verkon nimellisjännitteen ero S'' T on verkon vaikutuksen huomioiva oikosulkuteho (VA) U n on pienjännitepuolen nimellinen pääjännite (V) Oikosulkuvirta redusoidaan ensiöpuolelle kaavalla 5. (5) I '' ke on pienjänniteverkon suurin oikosulkuvirta redusoituna ensiöpuolelle on muuntajan muuntosuhde Ominaisoikosulkuteholaskenta on kuitenkin likimääräinen tapa selvittää oikosulkuvirtoja, joten oikosulkuvirta on järkevää selvittää sijaiskytkentää hyödyntäen.
14 14 Keskijänniteverkon vaikutus huomioidaan syöttävän verkon oikosulkuimpedanssilla sekä muuntajan oikosulkuimpedanssilla. Keskijänniteverkon oikosulkuimpedanssi lasketaan kaavalla 6 (Huotari & Partanen 1998, 15). (6) Z kv on syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi ( ) c on jännitekerroin U n on keskijänniteverkon nimellinen pääjännite (V) I'' kv on syöttävän verkon alkuoikosulkuvirta (A) Muuntajan oikosulkuimpedanssi lasketaan kappaleessa kaavalla 15. Muuntajan oikosulkuimpedanssin arvoksi toisiopuolella saadaan 9, Ω. Syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi redusoidaan toisiopuolelle kaavan 7 mukaisesti (Tarkiainen 2008, 30). ( ) ( ) (7) on syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi toisiopuolella on muuntajan muuntosuhde Pienjänniteverkon suurin oikosulkuvirta toisiopuolella ratkaistaan kaavalla 8 (Huotari & Partanen 1998, 9). (8) I'' kpjmax on pienjännitepuolen suurin oikosulkuvirta toisiopuolella (A) c on jännitekerroin U n on toisiopuolen nimellinen pääjännite (V) Z kv on syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi
15 15 Z km on muuntajan oikosulkuimpedanssi toisiopuolella Tämä arvo redusoidaan ensiöpuolelle kaavalla 9 (Huotari& Partanen 1998, liite I,16). (9) I'' kpjmax on pienjännitepuolen suurin oikosulkuvirta toisiopuolella (A) on pj- puolen suurin oikosulkuvirta redusoituna ensiöpuolelle (A) on muuntajan muuntosuhde Keskijänniteverkon pienimmän oikosulkuvirran arvon ratkaisemiseen tarvitaan syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi eri syöttötilanteissa, joka ratkaistaan kaavalla 6. Lähtöarvot on esitetty aikaisemmin taulukossa 2. Normaali syöttötilanne, 3-vaiheinen oikosulku Normaali syöttötilanne, 2-vaiheinen oikosulku Varasyöttötilanne, 3-vaiheinen oikosulku Varasyöttötilanne, 2-vaiheinen oikosulku Suurin oikosulkuimpedanssi esiintyy tilanteessa verkkoa syötetään varasyötöllä ja verkossa tapahtuu 2-vaiheinen oikosulku. Tätä arvoa käytetään määritettäessä pienintä
16 keskijänniteverkon oikosulkuarvoa. Pienin keskijänniteverkon oikosulkuvirran arvo ratkaistaan kaavalla 10 (Huotari & Partanen 1998, liite I, 15). 16 (10) I kmin on pienin suurjännitepuolen oikosulkuvirta (A) c on jännitekerroin U n on syöttävän verkon pääjännite (V) Z kv on syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi 0,8 on oikosulkukohdassa esiintyvän vikaimpedanssin huomioiva kerroin Syöttävän verkon suurin oikosulkuimpedanssi redusoidaan toisiopuolelle kaavan 7 mukaisesti. ( ) Pienjännitepuolen pienin oikosulkuvirta ratkaistaan kaavalla 11. Pienin oikosulkuvirta esiintyy kaksivaiheisessa oikosulussa, joka huomioidaan kertoimella. (Huotari & Partanen 1998, 11) (11) I'' kpjm on pienjännitepuolen pienin oikosulkuvirta ensiöpuolella c on jännitekerroin U n on syöttävän verkon pääjännite Z T on kokonaisoikosulkuimpedanssi 0,6 on oikosulkukohdassa esiintyvän vikaimpedanssin huomioiva kerroin Tämä arvo redusoidaan ensiöpuolelle kaavalla 9. Epäsymmetriset vikavirrat muuntuvat Dyn- kytketyssä muuntajassa, jolloin redusoinnissa tulee käyttää lisäksi kerrointa (Huotari & Partanen 1998, liite I, 17).
17 17 Suojareleen pikalaukaisuportaan tulee havahtua viimeistään pienjännitepuolen suurimpaan oikosulkuvirtaan, hidastetun laukaisun tulee toimia pienjännitepuolen pienimmällä oikosulkuvirralla. Esimerkki suojareleiden asetteluarvoista on esitetty taulukossa 3. Taulukko 3 Suojareleasettelut Katkaisijakennot Pitkittäiskatkaisijakenno I> 75 A 100 A t 0,3 s 0,4 s I>> 400 A 425 A t 0,05 s 0,1 s Esimerkkiarvot eivät ole lähellä asiakasmuuntamo- ohjeessa kerrottuja arvoja, joten releiden asettelua voidaan tarvittaessa muuttaa. 3.3 Muuntajat Kohteeseen tulee kaksi muuntajaa sähkönsyötön varmennuksen takia. Mikäli toinen muuntajista vikaantuu, voidaan rakennuksen sähkönsyöttö hoitaa yhdelläkin muuntajalla. Tämän takia on tärkeää, että muuntajat ovat tehonsyöttökyvyltään yhtä suuret ja vikatilanne on huomioitu mitoittamalla muuntaja niin, että se kykenee syöttämään rakennuksen koko sähkökuormaa. Muuntajat varustetaan väliottokytkimillä, jotta niiden jännitetasoa voidaan säädellä tarvittaessa. Muuntajat ovat kuivamuuntajia, eli niissä ei käytetä öljyeristystä. Kuivamuuntajan eristys toteutetaan tyypillisesti valuhartsieristyksellä tai ilmaeristyksellä. Kuivamuuntajan palokuorma on paljon pienempi kuin perinteisen öljyeristeisen muuntajan, jolloin muuntajatilalta vaadittu palosuojaus ja varoetäisyydet ovat pienempiä. Kuivamuuntajia käytettäessä on huomioitava, että niiden ylikuormittaminen vaatii erillisen jäähdytyksen rakentamista. Kuivamuuntajien jäähdytykseen on muutenkin kiinnitettävä erityistä huomiota. Mikäli kuivamuuntaja halutaan koteloida kosketussuojauksen toteuttamiseksi, ilmanvaihto heikkenee edelleen ja samalla kuormitettavuus pienenee. (Kauppila, Tiainen & Ylinen 2009, 58)
18 18 Muuntajatilojen vaatimuksia käsitellään tarkemmin standardeissa SFS 6001 A1 + A2 Suurjänniteasennukset. Muuntajatilan katsotaan täyttävän sähkölaitteistojen turvallisuudesta annetut määräykset (KTMP 1193/1999), kun edellä mainittujen standardien lisäksi noudetaan Sähkötarkastuskeskuksen julkaisua A4 Vahvavirtailmajohtomääräykset. Kyseiset määräykset koskevat kuitenkin vain uusia muuntamoja, sillä vanhojen määräysten mukaan rakennetuissa muuntamoissa voidaan edelleen noudattaa niiden rakentamisajankohtana voimassa olleita määräyksiä. (Kauppila ym. 2009, 48) Sähkönsyötön varmennuksen takia pienjännitepääkeskukset täytyy varustaa varasyöttöyhteydellä, jotta molemmat pienjännitepääkeskukset voidaan kytkeä yhden muuntajan syötettäväksi. Varasyöttöyhteys on varustettu erottimella, joka suljetaan vain siinä tapauksessa, että toinen muuntajista on vikaantunut tai muuntaja halutaan muuten erottaa verkosta. Tarkoituksena ei siis ole syöttää yhtä keskusta kahdella muuntajalla, vaan kumpikin muuntaja syöttää normaalitilanteessa omaa pienjännitepääkeskustaan. Kuvassa 3 esitetään muuntajien liityntä pienjännitepääkeskuksiin sekä mainittu varasyöttöyhteys. Kuva 3. Muuntajien liityntä sekä komponentit, ympyröitynä varasyöttöyhteys
19 Muuntajien mitoitus Muuntajan valinnassa määräävä asia on sen tehonsyöttökyky. Muuntajan nimellisen näennäistehon tulee olla suurempi tai yhtä suuri kuin syötettävän verkon kuormatehon. On kuitenkin huomioitava, että syötettävä verkko saattaa koostua erilaisista toimilaitteista, joita ei käytetä yhtä aikaa. Verkon kuormateho tulee ajatella jatkuvana tehona, joka verkosta otetaan normaalitilanteissa. (Hietalahti n.d., 1) Useampaa muuntajaa käytettäessä on järkevää pyrkiä valitsemaan kohteeseen vain samanlaisia muuntajia. Muuntajien ollessa samanlaiset niihin käyvät myös samat varaosat. Tällöin laitteiston huolto helpottuu ja nopeutuu, kun varaosia on rajallinen määrä ja ne käyvät kumpaan tahansa muuntajista. Myös varasyöttöyhteyden käyttö on yksinkertaisempaa samanlaisten muuntajien kanssa, koska ei ole väliä kumpi muuntajista vikaantuu, toisella voidaan aina syöttää koko syötettävän verkon vaatima sähköteho. Rakennuksen sähkötehon tarpeeksi on luvussa 3.2 määritetty 983 kva. Muuntajan nimellistehon tulee olla suurempi tai yhtä suuri kuin syötettävän verkon kuormatehon, jolloin voidaan valita muuntaja, jonka nimellisteho on 1000 kva Muuntajien teknisten arvojen määrittäminen Valitut muuntajat ovat tyypiltään Siemens GEAFOL- kuivamuuntajia. Muuntajien tekniset tiedot löytyvät taulukosta 4. Taulukko 4. Muuntajan tekniset tiedot (SIEMENS)
20 20 Muuntajien laskennallisia arvoja tarvitaan määritettäessä jännitteenalenemaa, oikosulkuvirtoja ja maasulkuvirtoja. Yleensä muuntajavalmistaja ilmoittaa oikosulkuimpedanssin arvon Z k prosentteina muuntajan nimellisimpedanssista Z n, jolloin on tarpeellista laskea muuntajan nimellisimpedanssi. Valitun muuntajan tapauksessa ilmoitetaan kuitenkin oikosulkujännitteen arvo, jolloin oikosulkuimpedanssi pitää määrittää kaavan 12 mukaisesti. Kolmivaihemuuntajan impedanssi vaihetta kohden lasketaan kaavalla 12 (Kauppila ym. 2009, ). Ensiöpuoli (12) Toisiopuoli Z n on muuntajan nimellisimpedanssi U n on muuntajan nimellispääjännite (V) I n on muuntajan nimellisvirta (A) Mikäli muuntajan nimellisvirta I n ei ole tiedossa, voidaan se laskea kaavalla 13 (Kauppila ym. 2009, ). Ensiöpuoli (13) Toisiopuoli I n on muuntajan nimellisvirta (A) U n on muuntajan nimellispääjännite (V) S n on muuntajan nimellisteho (VA)
21 21 Ensiöpuolen oikosulkuimpedanssia määritettäessä lasketaan nimellisimpedanssi ensiöpuolen arvoilla. Vastaavasti toisiopuolen oikosulkuimpedanssia määritettäessä lasketaan nimellisimpedanssi toisiopuolen arvoilla. Muuntajan muut tarvittavat tekniset arvot lasketaan kaavoilla (Kauppila ym. 2009, ). Oikosulkuresistanssi R k Ensiö Toisio (14) R k on muuntajan oikosulkuresistanssi P kn on kuormitushäviöt nimellisvirralla (W) S n on muuntajan nimellisteho (VA) I n on muuntajan nimellisvirta (A) u r on muuntajan resistanssin aiheuttama oikosulkujännite prosentteina U n on muuntajan nimellispääjännite (V) Oikosulkuimpedanssi Z k Ensiö (15) Toisio Z k on oikosulkuimpedanssi u k on suhteellinen oikosulkujännite (V) U n on muuntajan nimellispääjännite (V) S n on muuntajan nimellisteho (VA)
22 22 Oikosulkureaktanssi X k määritetään edellä laskettujen arvojen avulla. Ensiö Toisio (16) X k on oikosulkureaktanssi Z k on oikosulkuimpedanssi R k on oikosulkuresistanssi Suhteellinen oikosulkuimpedanssi nimellisimpedanssiin nähden Ensiö (17) Toisio z kr on suhteellinen oikosulkuimpedanssi nimellisimpedanssiin nähden Z k on oikosulkuimpedanssi Z n on nimellisimpedanssi Suhteellinen oikosulkureaktanssi nimellisimpedanssiin nähden Ensiö (18) Toisio x kr on suhteellinen oikosulkureaktanssi nimellisimpedanssiin nähden X k on oikosulkureaktanssi Z n on nimellisimpedanssi Suhteellinen oikosulkuresistanssi nimellisimpedanssiin nähden Ensiö
23 (19) 23 Toisio r kr on suhteellinen oikosulkuresistanssi nimellisimpedanssiin nähden R k on oikosulkuresistanssi Z n on nimellisimpedanssi Muuntajassa syntyvä suhteellinen jännitteenalenema voidaan määrittää likimääräisesti kaavalla 21. Kaavassa vaadittu kuormitusvirta lasketaan kaavalla 20. Rakennuksen tehojakaumasta ei ole tarkkaa tietoa, joten muuntajakohtainen teho on tässä tapauksessa syötettävän verkon kuormateho. Yhdellä muuntajalla ei normaalitilanteessa ole näin suurta kuormaa, mutta varasyöttötilanteessa koko kuormateho tulee yhden muuntajan syötettäväksi A (20) (21) U hr on suhteellinen jännitteenalenema (%) I on kuormitusvirta (A) I n on muuntajan nimellisvirta (A) R kr on suhteellinen resistanssi nimellisimpedanssiin nähden cos φ on kuormituksen tehokerroin X kr on suhteellinen reaktanssi nimellisimpedanssiin nähden Välittömästi muuntajan toisiossa syntyvän symmetrisen kolmivaiheoikosulun aikaansaama oikosulkuvirta I k lasketaan kaavalla 6. (22) I k on kolmivaiheinen oikosulkuvirta (A) U n on muuntajan nimellispääjännite (V) Z k on muuntajan oikosulkuimpedanssi
24 24 4 PIENJÄNNITEJÄRJESTELMÄ 4.1 Jakelujärjestelmä Kiinteistön pienjännitejakelu pääkeskuksilta ryhmäkeskuksille toteutetaan osittain kaapeleilla ja osittain jakelukiskoilla. Jakelukiskojärjestelmä on nopea ja helppo asentaa perinteiseen kaapelointiin verrattuna. Omien kokemusteni perusteella jakelukiskon asennus kuitenkin vaikeutuu huomattavasti, mikäli asennusreitti ei ole suoraviivainen. Jakelukiskot koostuvat määrätyn pituisista moduuleista, jolloin yksikin mutka saattaa pysäyttää asennustyön, mikäli reittiä ei ole tarkasti mitattu ja selvitetty. Yksi kiskojärjestelmä pystyy siirtämään tehon, mihin kaapeloinnilla vaadittaisiin useita kaapeleita. Tällöin säästetään asennustilaa ja myös palokuorma pienenee. Kohderakennuksessa jakelukiskoja käytetään siirtämään tehoa pohjakerroksesta yhdeksänteen kerrokseen ja kaikkiin kerroksiin siinä välissä. Näin suurin osa pitkistä nousukaapeleista jää pois. Nousukaapeleiden korvaaminen jakelukiskolla on helppo tapa välttää pitkien kaapeleiden ongelmia. (SKSConnecto luettu , 3 ) Kaapelin mitoitus Kaapelien jännitteenalenemaa ja oikosulkuvirran riittävyyttä käsitellään luvuissa 5.3 ja 5.4. Kaapelia mitoitettaessa on ensin tiedettävä oletettu kuormitusvirta, joka kaapelin on pystyttävä siirtämään. Kuormitusvirran avulla valitaan suojalaite, jonka nimellisvirta on suurempi tai yhtäsuuri kuin oletettu kuormitusvirta. Pienjänniteverkossa yleisimmin käytetyt suojalaitteet ovat sulake ja johdonsuojakatkaisija. Seuraavaksi pitää selvittää sulaketta vastaava kuormitusvirta, joka kaapelin on siis vähintään kestettävä. Seuraava toimenpide on määrittää asennusolosuhteita vastaavat korjauskertoimet ja jakaa näiden tulolla sulaketta vastaava kuormitusvirta. Asennusolosuhteita vastaavat korjauskertoimet löytyvät SFS6000-standardista, SFS Korjauskertoimet tulee aina valita vaativimman olosuhteen mukaisesti. Lasketulla sähkövirran arvolla voidaan nyt selvittää tarvittava johtimen poikkipinta-ala. Tähän tarvitaan johdon kuormitustaulukko, joka löytyy SFS6000- standardista, SFS Alla esitetään esimerkki johtimen poikkipinta-alan määrittämisestä.
25 25 Oletettu kuormitusvirta on 26 A, suojalaitteeksi on valittu C-tyypin johdonsuojakatkaisija. Johdonsuojakatkaisijan nimellisvirran tulee olla suurempi tai yhtä suuri kuin kuormitusvirran, jolloin valitaan johdonsuojakatkaisija, jonka nimellisvirta I N on 32 A. Johtimen kuormitettavuuden I z tulee noudattaa kaavoja 23 ja 24 (SFS ). (23) (24) I B on virtapiirin mitoitusvirta (A) I Z on johtimen jatkuva kuormitettavuus (A) I N on suojalaitteen nimellisvirta (A) I 2 on virta, joka varmistaa suojalaitteen toiminnan määrätyssä toimintaajassa (A) C-tyypin johdonsuojakatkaisijalla, jolloin. Johtimen kuormitettavuuden tulee olla siis vähintään yhtä suuri kuin suojalaitteen nimellisvirran. (SFS ) Kaapelin asennusolosuhteet vaihtelevat matkalla. Tällöin on hyvä laskea kaikkia asennusolosuhteita vastaava kuormitusvirta. Taulukossa näkyy asennusolosuhteiden vaikutus johtimen koon valintaan. Taulukko 5 Korjauskertoimien vaikutus johtimen pinta-alaan Maa-asennuksen lämpötilana käytetään yleensä arvoa 15 C, mutta korjauskertoimen vaikutuksen havainnollistamiseksi käytetään arvoa 0 C. Vaadittu johdinkoko voi siis vaihdella hyvinkin paljon kaapelin asennusmatkalla. Tämän takia on tärkeää määrittää vaikein asennusolosuhde, muuten mitoitus ei onnistu
26 oikein. Tässä esimerkissä vaativin olosuhde on putkiasennus seinällä, jolloin johtimen poikkipinta-alan tulee olla kuparijohtimella 10 mm Jakelukiskon mitoitus Jakelukiskojen jännitteenalenemaa ja oikosulkuvirran riittävyyttä käsitellään luvuissa 5.3 ja 5.4. Jakelukiskon mitoitus tapahtuu samankaltaisesti kuin kaapelin. Ensimmäiseksi pitää selvittää kokonaisvirta, joka jakelukiskon pitää kyetä siirtämään. Tämä voidaan laskea jakelukiskoon liitettävien laitteiden sähkötehosta. Asennusolosuhteet eivät vaikuta jakelukiskon mitoitukseen yhtä paljon kuin kaapelin, ympäristön lämpötila pitää huomioida korjauskertoimella vasta kun kyseinen lämpötila on suurempi tai yhtä suuri kuin 40 C. Taulukossa 3 näkyvät yhden valmistajan ilmoittamat korjauskertoimet lämpötilalle. Taulukko 6 Ympäristön lämpötilan vaikutus mitoitukseen (Schneider) Suurempi merkitys mitoituksessa on päävirtapiirien määrällä. Päävirtapiirien vaikutus käyttöasteen korjauskertoimeen nähdään taulukosta 4. Taulukko 7 Päävirtapiirien määrän vaikutus käyttöasteen tasoituskertoimeen (SFS-EN ) Alla esitetään esimerkki jakelukiskon mitoituksesta.
27 Jakelukiskoon liitetään 10 ryhmäkeskusta, joiden arvioitu pätötehon tarve on 228 kw. Kaavalla 23 lasketaan jakelukiskon kokonaisvirta (Pohjolainen 2011, 14). 27 (25) I b on jakelukiskon kokonaisvirta (A) P on liitettävien laitteiden kokonaisteho (W) α on käyttöasteen korjauskerroin U on pääjännite (V) cos φ on tehokerroin Oletetaan, että ympäristön lämpötila on alle 40 C, jolloin lämpötilan huomioiva korjauskerroin on 1 eikä sitä tarvitse huomioida. Näin ollen lasketulla sähkövirran arvolla voidaan määrittää jakelukiskoa suojaava suojalaite. Suojalaitteen nimellisvirran tulee olla suurempi kuin jakelukiskolle lasketun arvon. Valitaan suojalaitteeksi gg- sulake, jonka nimellisvirta on 250 A. Jakelukiskon nimellisvirran tulee olla vähintään yhtä suuri kuin suojalaitteen nimellisvirran. Tähän tapaukseen sopiva jakelukisko voisi olla esimerkiksi SKSConnecton valmistaman JL-jakelukiskomalliston 250 A versio. Jakelukiskoihin on helppo lisätä jälkeenpäin laitteita, jolloin mitoitukseen on hyvä jättää kasvuvaraa tulevaisuuden varalle. Esimerkissä laskettua jakelukiskon kokonaisvirtaa voidaan kasvattaa varmuuskertoimella. Käytettäessä varmuuskerrointa 1,3 tulee jakelukiskon kokonaisvirraksi 273 A, jolloin suojalaitteen nimellisvirta on 315 A. Tällöin valitaan samasta jakelukiskomallistosta versio, jonka nimellisvirta on 400 A. 4.2 Pienjännitekeskukset Tässä työssä pienjännitepääkeskuksilla tarkoitetaan niitä kahta jakokeskusta, jotka liittyvät kiskosilloilla muuntajiin. Ryhmäkeskuksilla tarkoitetaan niitä jakokeskuksia, jotka liittyvät pienjännitepääkeskuksiin. SFS-EN A1 standardi määrittelee jakokeskuksen seuraavasti: "Rakennelma on yksi tai useampia kytkinlaitteita niihin liittyvine ohjaus-, mittaus-, suoja- ja säätölaitteineen. Kokoonpano on valmistajan vastuulla sisältäen tarpeelliset sähköiset ja mekaaniset kytkennät ja liitännät sekä rakenneosat."
28 28 Kyseinen standardi koskee jakokeskuksia, jotka ovat tyyppitestattuja tai osittain tyyppitestattuja ja joiden nimellisjännite ei ylitä vaihtosähköllä 1000:a volttia enintään 1000 hertsin taajuudella tai tasasähköllä 1500:a volttia. (SFS-EN A1) Pienjännitepääkeskukset toimivat pienjännitejärjestelmän jakelupisteenä. Muuntajat liitetään pienjännitepääkeskuksiin kiskosiltojen avulla. Muuntajien nimellisvirta on 1443 A, jolloin voidaan käyttää kiskosiltoja, joiden nimellisvirtakestoisuus on 1600 A. Keskuksia mitoitettaessa on tärkeää selvittää dynaaminen kestovirta, joka kuvaa oikosulun voimavaikutuksia laitteistoilla. Keskusten komponentit ja rakenteet tulee mitoittaa dynaamisen kestovirran mukaan. Dynaamisen kestovirran määrittämiseen tarvitaan suurinta pienjännitepuolella esiintyvää oikosulkuvirtaa. Tämä arvo on laskettu muuntajan ensiöpuolelle kappaleessa 4.2 kaavalla 8, tulokseksi on saatu A. Kyseinen arvo esiintyy heti muuntajan jälkeen, mutta samaa arvoa voidaan käyttää myös pienjännitepääkeskuksille, sillä muuntajan ja pääkeskuksen välistä impedanssia ei tarvitse ottaa huomioon, mikäli voidaan olettaa, että yhteys on lyhyt ja vahva. Dynaamisen kestovirran määrittämiseen tarvitaan sysäyskerrointa, joka kuvastaa verkon resistanssin ja reaktanssin suhdetta. Riittävään tarkkuuteen päästään käyttämällä taulukon 8 mukaisia arvoja. Pienjänniteverkon suurin oikosulkuvirta on suurempi kuin 20 ka mutta pienempi kuin 50 ka, jolloin käytetään taulukon 8 mukaisesti sysäyskertoimena arvoa 1,5. Taulukko 8 Sysäyskertoimen määrittäminen (Huotari & Partanen 1998, 24) I''k [ka] k cos φ 10 1,2 0,5 20 1,4 0,3 50 1,5 0,25 >50 1,6 0,2 Dynaaminen kestovirta pääkeskuksella lasketaan kaavalla 24. (26) I dyn on dynaaminen kestovirta k on sysäyskerroin I'' k on suurin pienjännitepuolen alkuoikosulkuvirta
29 29 Terminen kestovirta kuvaa oikosulkuvirran kestoisuutta lämpenemän kannalta. Yleensä kyseinen arvo ilmoitetaan yhden tai kolmen sekunnin arvona. Ekvivalenttinen yhden sekunnin oikosulkuvirta määritetään kaavan 25 mukaisesti. (27) I 1s on ekvivalenttinen yhden sekunnin oikosulkuvirta I'' k on verkon alkuoikosulkuvirta t on vian kestoaika s on yksi sekunti Oikosulkuvirrat tulee katkaista viimeistään silloin, kun virtapiirin komponentit saavuttavat niille sallitun suurimman lämpötilan. Mikäli oikosulku kestää enintään 5 sekuntia, voidaan johtimille laskea aika ne saavuttavat sallitun suurimman lämpötilan. Tämä aika lasketaan kaavan 26 mukaisesti. (SFS , ) (28) t on kestoaika sekunteina S on johtimen poikkipinta I on tehollinen oikosulkuvirta k on kerroin, joka ottaa huomioon johtimen materiaalin ominaisuudet Kerroin k määritetään taulukon 9 mukaisesti (SFS , ). Taulukko 9 Kertoimen k määrittäminen (SFS , )
30 30 Kertoimeen k vaikuttavat mm. johtimen eristeaine, johtimen poikkipinta- ala sekä eri tilanteiden lämpötilat Pääkeskusten oikosulkusuojaus Pääkeskukset suojataan kompaktikatkaisijoilla. Kompaktikatkaisijat ovat huomattavasti pienempiä kuin ilmakatkaisijat, mutta samalla myös suorituskyvyltään heikompia. Esimerkkikohteeseen sopiva kompaktikatkaisija on esimerkiksi ABB:n valmistaman SACE Tmax- malliston T7-versio, jonka nimellisvirta on 1600 A. Kohteen muuntajien nimellisvirta on 1443 A, jolloin T7-version nimellisvirtakestoisuus on riittävä. Pienjännitepääkeskuksia suojaavien katkaisijoiden toiminta-arvot tulee asetella siten, että ne havahtuvat pienimpään pienjännitepuolen oikosulkuvirtaan, joka tapahtuu pienjännitepääkeskuksessa. Mikäli muuntajien alajännitepuolen ja pienjännitepääkeskusten välinen yhteys voidaan olettaa vahvaksi ja lyhyeksi, ei sen impedanssia tarvitse ottaa huomioon oikosulkuvirtaa määritettäessä (Huotari & Partanen 1998, liite I, 17). Pienin pienjännitepuolella esiintyvä oikosulkuvirta on laskettu kappaleessa 4.2 kaavalla 11. Muuntajan nimellisvirta on laskettu kappaleessa 4.3 kaavalla 13. Katkaisijan asettelu ei saa ylittää oikosulkuvirran arvoa, mutta se ei myöskään saa olla liian lähellä muuntajan nimellisvirran arvoa, jotta vältytään ylikuormituksen aiheuttamilta laukaisuilta. Katkaisijan asetteluarvona voidaan käyttää esimerkiksi kaksinkertaista muuntajan ni-
31 31 mellisvirtaa, jolloin ylikuormitus ei varmasti aiheuta laukaisua. Katkaisijan oikosulkusuojaus asetellaan siis arvoon 2880 A. Pienin oikosulkuvirta pääkeskuksella on A, jolloin suojaus varmasti toimii Ryhmäkeskusten oikosulkusuojaus Ryhmäkeskusten syöttökaapelit suojataan pääkeskuksilla kahvasulakkeilla. Kahvasulakkeiden erinomaisen katkaisukyvyn ansiosta ne soveltuvat erittäin hyvin oikosulkusuojaukseen (Tiainen 2010a, 160). Erinomaisen katkaisukyvyn takia oikosulkuvirran aiheuttamat rasitukset sähköjärjestelmän komponenteissa jäävät pieniksi (ABB luettu , 6). Myös ryhmäkeskukset suojataan kahvasulakkeilla. Tämän ansiosta selektiivisyyden tarkastelu helpottuu, koska suojalaitteiden toimintakäyrät pysyvät samankaltaisina. Mikäli ryhmäkeskuksella käytetään johdonsuojakatkaisijoita tai erityyppisiä sulakkeita, selektiivisyyden varmistaminen vaikeutuu toimintakäyrän ollessa peräkkäisissä suojalaitteissa erilainen. Syöttökaapelin ja ryhmäkeskuksen nimellisvirta on käytännössä sama, jolloin selektiivisyys voidaan varmistaa yksinkertaisesti jättämällä suojalaitteiden välille yksi nimellisvirtaporras. 4.3 Oikosulkuvirrat Oikosulkuvirran arvo on laskettu pääkeskukselle asti kappaleessa 4.2. Oikosulkusuojausta mitoitettaessa käytetään pienintä oikosulkuvirran arvoa, jotta suojaus varmasti toimii kaikissa oikosulkutilanteissa. Laskettaessa oikosulkuvirtaa pääkeskukselta kulutuspisteille päin on huomioitava, että kahvasulakkeet rajoittavat oikosulkuvirran arvoa (ABB luettu , 6). Eräiden kahvasulakkeiden oikosulkuvirran rajoitus esitetään kuvassa 4.
32 32 Kuva 4 Virranrajoitus, gg- sulakkeet OFAF_H_ koot /4a (ABB luettu , 32) Oikosulkuvirran laskenta tapahtuu samalla tavalla kaikissa pienjännitejärjestelmän kulutuspisteissä, jolloin on yleensä riittävää, että selvitetään oikosulkuvirran kannalta pahimman pisteen oikosulkuvirta. Pienjännitekaapelien impedanssi rajoittaa oikosulkuvirran arvoa, jolloin pahin piste on yleensä kulutuslaite, joka on kauimpana pääkeskukselta. Esimerkkilaskentaan on valittu kohderakennuksen 9. kerroksessa sijaitseva ryhmäkeskus KAJK0109 sekä 8. kerroksessa sijaitseva ryhmäkeskus KAJK0108, jonka syöttö tulee jakelukiskolta. Näin voidaan havainnollistaa jakelukiskon ja kaapelin erot oikosulkusuojauksen kannalta Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK0109 Ryhmäkeskuksen KAJK0109 oletettu kuormitusvirta on 116 A. Keskuksen suojalaitteiden nimellisvirran tulee olla vähintään yhtä suuri kuin kuormitusvirran, jolloin voidaan
33 33 valita suojalaite, jonka nimellisvirta on 125 A. Ryhmäkeskusta syöttävän kaapelin suojalaitteen nimellisvirtaa määritettäessä tulee selektiivisyys ottaa huomioon jättämällä peräkkäisten suojalaitteiden nimellisvirtojen väliin yksi nimellisvirtaporras. Tällöin kaapelin suojalaitteen nimellisvirta on 200 A. Kaapelin tulee kestää vähintään suojalaitteen nimellisvirran mukainen kuormitus. Keskuksen KAJK0109 syöttökaapeliksi soveltuu esimerkiksi tyypin AXCMK-LSZH 4x120/41 AN kaapeli, jonka suurin sallittu kuormitettavuus on 225 A (DRAKA AXCMK-LSZH luettu ). Ryhmäkeskuksen syöttökaapelin suojalaitteena käytettävä kahvasulake rajoittaa oikosulkuvirran arvoa kuvan 4 mukaisesti. Pienimmällä syöttävän verkon oikosulkuvirralla prospektiivinen oikosulkuvirta pääkeskuksella on kaavan 11 mukaisesti A. Oletetaan, että pääkeskuksessa sijaitseva kompaktikatkaisija ei rajoita oikosulkuvirtaa. Kuvaa 4 tulkitsemalla voidaan todeta, että kyseisellä prospektiivisella oikosulkuvirralla nimellisvirraltaan 200 A gg- sulake päästää lävitseen noin A dynaamista oikosulkuvirtaa. Tästä voidaan määrittää prospektiivinen oikosulkuvirta suojalaitteen jälkeen kaavaa 24 mukaillen. Sysäyskertoimena käytetään taulukon 9 mukaisesti arvoa 1,4. (26) Tästä oikosulkuvirran arvosta voidaan laskea kyseisen kaapelilähdön oikosulkuimpedanssi pääkeskuksella kaavan 6 mukaisesti. Oikosulkuimpedanssi ryhmäkeskuksella KAJK0109 koostuu pääkeskuksen oikosulkuimpedanssista sekä ryhmäkeskuksen syöttökaapelin impedanssista. Ryhmäkeskuksen KAJK0109 syöttökaapelin impedanssi lasketaan kaavan 29 mukaisesti. Kaapelin arvioitu pituus on 60 m. Kaapelin tekniset tiedot löytyvät tuote-esitteestä (Draka AXCMK- LSZH luettu ). (29)
34 34 Z kk on syöttökaapelin impedanssi ( ) Z L on vaihejohtimen impedanssi kilometriä kohti ( ) Z N on paluujohtimen impedanssi kilometriä kohti ( ) l on kaapelin pituus (km) Pienin oikosulkuvirta pääkeskuksen ja ryhmäkeskuksen KAJK0109 välillä ratkaistaan kaavan 11 mukaisesti. Eräiden gg- tyyppisten sulakkeiden toiminta-aikakäyrät näkyvät kuvassa 5. Suojalaitteen nimellisvirta on yli 32 A, jolloin toiminta-aikana voidaan käyttää arvoa 5 sekuntia (Tiainen 2010a, 164). Kuvaa 5 tulkitsemalla saadaan 200 A gg- sulakkeen vaatimaksi oikosulkuvirraksi 1250 A 5 sekunnin toiminta-ajalla A 1250 A, jolloin piirissä esiintyvä oikosulkuvirta on riittävä suojauksen toiminnan varmistamiseksi.
35 35 Kuva 5 Eräiden gg- tyyppisten sulakkeiden toiminta-aikakäyrät (ABB luettu , 25) Suurin sallittu pituus ryhmäkeskusta KAJK0109 syöttävällä kaapelille voidaan määrittää kaavasta 11. Oikosulkuvirran I k09 tilalle sijoitetaan pienin sallittu oikosulkuvirta, 1250 A. ( ) Kaapelin suurin oikosulkuvirta tarvitaan termisen kestovirran määrittämiseen. Piirissä esiintyvä terminen kestovirta ei saa ylittää kaapelille annettua maksimiarvoa, jotta kaapelin lämpötila ei nouse yli sallitun arvon (SFS , ). Suurin oikosulkuvirta määritetään tilanteessa syöttävässä verkossa tapahtuu normaalitilanteessa kolmivaiheinen oikosulku. Tämä arvo on laskettu kappaleessa 4.2 kaavalla 8, arvoksi on saatu A. Kuvaa 4 tulkitsemalla kahvasulakkeen lävitseen päästämäksi dynaamiseksi oikosulkuvirraksi saadaan noin A. Tästä lasketaan
36 prospektiivinen oikosulkuvirta kaavaa 26 mukaillen. Sysäyskertoimen arvo on taulukon 8 mukaisesti 1,4. 36 Kaavan 6 avulla ratkaistaan kyseisen tilanteen oikosulkuimpedanssi. Ryhmäkeskusta syöttävän kaapelin impedanssi pysyy samana. Suurin oikosulkuvirta pääkeskuksen ja ryhmäkeskuksen KAJK0109 välillä ratkaistaan kaavan 8 mukaisesti. Suurin sallittu vian kestoaika määritetään kaavan 28 mukaisesti. Kertoimen k arvo saadaan taulukosta 9. Kaapelin eristeiaine on EPR/PEX ja johdinmateriaali alumiini, jolloin käytetään kertoimelle arvoa sekunnin terminen oikosulkuvirta määritetään kaavan 27 mukaisesti. AXCMK-LSZH 4x120/41 AN- kaapelin suurin sallittu 1 sekunnin terminen oikosulkuvirta on 8700 A (DRAKA AXCMK-LSZH luettu ) A 8700 A, jolloin kaapelin lämpötila ei nouse alle 5 sekuntia kestävässä oikosulkutilanteessa yli sallitun arvon Ryhmäkeskus KAJK0109- kulutuspiste Ryhmäkeskuksen KAJK0109 suojalaitteina käytettävät 125 A kahvasulakkeet rajoittavat oikosulkuvirtaa kuvan 4 mukaisesti. Ennen keskusta esiintyvä pienin oikosulkuvirta
37 37 on kaavan 11 mukaisesti 1728 A. 125 A kahvasulake ei rajoita näin pientä prospektiivista oikosulkuvirtaa, jolloin oikosulkuvirta kahvasulakkeen molemmilla puolilla on sama. Ryhmäkeskuksen oikosulkuimpedanssi pienimmällä oikosulkuvirralla ratkaistaan kaavalla 11. Esimerkkilaskenta tehdään valaistusryhmälle, jonka suojalaitteena toimii B- tyypin 10 A johdonsuojakatkaisija. Syöttökaapelin tyyppi on MMJ 3x1,5S. Valaistusryhmän syöttökaapelin pituudeksi oletetaan 40 m. MMJ 3x1,5S- kaapelin impedanssi on 12,1 kilometrin matkalla (DRAKA MMJ luettu ). Kaapelin impedanssi esimerkkitilanteessa ratkaistaan kaavan 29 mukaisesti. Pienin yksivaiheinen oikosulkuvirta ratkaistaan kaavan 30 mukaisesti (Tiainen 2012, 95). (30) I k on yksivaiheinen oikosulkuvirta (A) c on jännitekerroin joka ottaa huomioon sähkömotoriset voimat U n on nimellispääjännite (V) Z on oikosulkupiirin impedanssi ( ) B10- johdonsuojakatkaisija vaatii vähintään 50 A suuruisen oikosulkuvirran toimiakseen (Tiainen 2012, taulukko 41.4a). 50A 200 A, jolloin valaistusryhmän oikosulkusuojaus toimii esimerkkitilanteessa. Suurin sallittu pituus syöttökaapelille määritetään kaavan 11 avulla. Oikosulkuvirran arvon tilalle sijoitetaan suojalaitteen vaatima oikosulkuvirta.
38 Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK0108 Ryhmäkeskuksen KAJK0108 syöttö tulee jakelukiskolta KAJAK0100. Jakelukiskon oletettu mitoittava kuormitusvirta on 331 A, jolloin kyseisen lähdön suojaksi voidaan valita suojalaite, jonka nimellisvirta on 355 A. Tällainen suojalaite on esimerkiksi ABB:n valmistama kahvasulake, jonka tyyppi on OFAF1H355. Jakelukiskon nimellisvirran tulee olla vähintään yhtä suuri kuin suojalaitteen nimellisvirran. Sopiva jakelukisko kyseiseen käyttöön on esimerkiksi SKSConnecton valmistama JL- jakelukisko, jonka nimellisvirta on 400 A. Jakelukiskoa ei kytketä suoraan pääkeskukseen vaan teho siirretään jakelukiskolle kaapelia pitkin. Kaapelin kuormitettavuuden tulee olla vähintään yhtä suuri kuin suojalaitteen nimellisvirran. Sopiva kaapeli on esimerkiksi MCMK-LSZH 4x185/95 AN, jonka kuormitettavuus on 386 A (DRAKA MCMK luettu ). Pienin oikosulkuvirta pääkeskuksella on kaavan 11 mukaisesti A. Kuvaa 4 tulkitsemalla saadaan 355 A kahvasulakkeen jälkeiseksi oikosulkuvirran huippuarvoksi noin A. Tästä saadaan prospektiivinen oikosulkuvirta kaavan 28 avulla. Sysäyskertoimena käytetään taulukon 8 mukaisesti arvoa 1,4 Pääkeskuksen oikosulkuimpedanssi lasketaan kaavalla 6. Jakelukiskoa syöttävän kaapelin impedanssi kilometriä kohden on 0,12 (DRAKA MCMK luettu ). Kaapelin pituudeksi on arvioitu 15 metriä. Kaapelin impedanssi oikosulkutilanteessa lasketaan kaavan 29 mukaisesti.
39 39 (29) Jakelukiskon impedanssi metriä kohden on 0,194 (SKSConnecto luettu , 13). Jakelukiskon pituudeksi on arvioitu 27 m, jolloin jakelukiskon kokonaisimpedanssi on 0, m, eli 0,005. Oikosulkutilanteessa pitää ottaa huomioon myös paluujohdin, jolloin oikosulkutilanteen kokonaisimpedanssi on kaksinkertainen normaaliin kokonaisimpedanssiin nähden. Pienin oikosulkuvirta pääkeskuksen ja ryhmäkeskuksen KAJK0108 välillä ratkaistaan kaavan 11 mukaisesti. Kuvasta 5 tulkittu 355 A kahvasulakkeen vaatima oikosulkuvirta 5 sekunnin toimintaajalla on 2500 A A 2500 A, jolloin piirissä esiintyvä oikosulkuvirta on riittävä suojauksen toiminnan varmistamiseksi Ryhmäkeskus KAJK0108- kulutuspiste Ryhmäkeskuksen KAJKJ0108 mitoittava nimellisvirta on 32 A. Keskuksen suojalaitteiksi käyvät 32A kahvasulakkeet, jolloin jakelukiskon ja ryhmäkiskon välinen liitäntäkaapeli tulee suojata vähintään 40A kahvasulakkeilla selektiivisyyden takaamiseksi. Kuvasta 4 tulkitsemalla saadaan 40A kahvasulakkeen rajoittamaksi dynaamiseksi oikosulkuvirraksi 3000 A. Kyseisen tilanteen prospektiivinen oikosulkuvirta lasketaan kaavan 26 mukaisesti. Sysäyskertoimena käytetään arvoa 1,2 taulukon 8 mukaisesti. Suojalaitteiden jälkeinen oikosulkuimpedanssi lasketaan kaavalla 6.
40 40 Jakelukiskon ja ryhmäkeskuksen välisen liitäntäkaapelin tulee kestää vähintään 40 A kuormitusvirta. Tällöin voidaan käyttää esimerkiksi DRAKAFLEX H07RN-F 5G10- kaapelia, jonka kuormitettavuus on 54 A (DRAKA FLEX luettu ). Oletetaan jakokeskuksen ja jakelukiskon väliseksi etäisyydeksi 3 metriä. Kaapelin impedanssi kilometriä kohden on 1,91 (DRAKA FLEX luettu ). Kaapelin impedanssi kyseisessä asennuksessa lasketaan kaavalla 29. Jakelukiskon ja ryhmäkeskuksen välillä esiintyvä pienin oikosulkuvirta lasketaan kaavalla A gg- sulake vaatii toimiakseen 190 A oikosulkuvirran 5 sekunnin toiminta-ajalla (D taulukko 41.5). 840 A 190 A, jolloin piirissä esiintyvä oikosulkuvirta on riittävä suojauksen toiminnan varmistamiseksi. Ennen ryhmäkeskuksen suojalaitetta pienin oikosulkuvirran arvo on kaavan 11 mukaisesti 840 A. 32 A kahvasulake ei rajoita näin pientä oikosulkuvirtaa, jolloin oikosulkuvirta on suojalaitteen molemmilla puolilla sama. 32 A kahvasulake vaatii toimiakseen 150 A oikosulkuvirran 5 sekunnin toiminta-ajalla (Tiainen 2012, taulukko 41.5) A, jolloin piirissä esiintyvä oikosulkuvirta on riittävä suojauksen toiminnan varmistamiseksi. Ryhmäkeskuksen KAJK0108 oikosulkuimpedanssi ratkaistaan kaavalla 6. Käytetään esimerkkinä pistorasiaryhmää, jonka suojalaitteena käytetään B16- johdonsuojakatkaisijaa. Syöttökaapelina käytetään MMJ 3x2,5S- kaapelia, jonka impedanssi
41 41 kilometriä kohden on 7,41 Ω (DRAKA MMJ luettu ). Kaapelin pituutena käytetään arvoa 50 metriä. Syöttökaapelin impedanssi oikosulkutilanteessa lasketaan kaavalla 29. Pienin oikosulkuvirta kyseisessä ryhmässä lasketaan kaavalla 30. B16- johdonsuojakatkaisija vaatii toimiakseen 80 A suuruisen oikosulkuvirran (D taulukko 41.4a). 218 A 80 A, jolloin piirissä esiintyvä oikosulkuvirta on riittävä suojauksen toiminnan varmistamiseksi. Mikäli piirissä esiintyvä oikosulkuvirta olisi pienempi kuin suojalaitteen vaatima oikosulkuvirta, on yksi mahdollisuus tilanteen korjaamiseksi suurentaa syöttävän kaapelin poikkipintaa. Mitä suurempi poikkipinta kaapelilla on, sitä pienempi on sen impedanssi. Impedanssin pienentyessä kasvaa oikosulkuvirran suuruus. Näin ollen riittävään oikosulkuvirran arvoon voidaan päästä yksinkertaisimmillaan suurentamalla syöttökaapelia. 4.4 Jännitteenalenema Jännitteenalenema johtuu sähköjärjestelmän komponenteissa syntyvistä jännitehäviöistä. Mitä suurempi impedanssi, sitä suurempi on komponentissa syntyvä jännitehäviö. Myös kuormituksen tyyppi vaikuttaa jännitteenaleneman suuruuteen. Jännitteenalenemasta puhuttaessa tarkoitetaan yleensä suhteellista jännitteenalenemaa, joka tarkoittaa prosentuaalista eroa syöttävän jännitteen ja syötettävän laitteen jännitteen välillä. Absoluuttinen jännitteenalenema tarkoittaa samaa eroa voltteina. SFS standardi määrittelee jännitteenalenemalle taulukon 10 mukaiset raja-arvot. Kyseiset arvot on ilmoitettu pienjänniteliittymän ja kuormituspisteiden välillä, eikä jän-
42 42 nitteenalenema saisi ylittää näitä arvoja missään tilanteessa. Suurempi jännitteenalenema on kuitenkin sallittu, mikäli kyseessä on laite jolla on suuri käynnistysvirta. (SFS Liite 52G) Taulukko 10 Jännitteenaleneman raja-arvot pienjänniteasennuksissa (SFS liite 52G) Absoluuttinen jännitteenalenema pienjänniteasennuksessa voidaan laskea kaavan 29 mukaisesti (SFS liite 52G) ( ) (31) on absoluuttinen jännitteenalenema (V) on piirin vaihemäärästä riippuva kerroin, 1 kolmivaiheisille mikäli kuormitus on symmetrinen ja 2 yksivaiheisille piireille sekä epäsymmetrisille komivaiheisille piireille on johdinmateriaalin resistiivisyys normaalikäytössä ( ) on johtojärjestelmän pituus (m) on johtimien poikkipinta (mm 2 ) on tehokerroin johtimen reaktanssi johtimen pituusyksikköä kohden ( ) on kuormitusvirta (A) Suhteellinen jännitteenalenema voidaan laskea absoluuttisen jännitteenaleneman avulla kaavalla 30 (SFS Liite 52 G).
43 43 (32) u on absoluuttinen jännitteenalenema (%) U 0 on jännite vaiheen ja nollan välillä (V) Esimerkkikohteessa pienjänniteliittymän alkamiskohtana voidaan pitää pääkeskuksia. Jännitteenaleneman laskennan havainnollistamiseksi lasketaan jännitteenalenema ryhmäkeskuksille KAJK0108 ja KAJK0109. Laskennassa on käytetty SFS600- käsikirjassa kerrottuja arvoja, joita voidaan käyttää tarkkojen mitoitustietojen puuttuessa (SFS liite 52G) Pääkeskus - ryhmäkeskus KAJK0108 Pääkeskuksen ja ryhmäkeskuksen KAJK0108 välillä on kaksi kaapelia ja yksi jakelukisko. Kaapelit ovat erilaisia ja eripituisia, joten kummallekin pitää laskea jännitteenalenema erikseen. Jakelukiskon jännitteenalenema lasketaan valmistajan ilmoittamista tiedoista. Jakelukiskon absoluuttinen jännitteenalenema lasketaan kaavalla 33 (SKSConnecto luettu , 13). (33) u on absoluuttinen jännitteenalenema I on kuormitusvirta L on jakelukiskon pituus 0, on jakelukiskovalmistajan ilmoittama arvo 400 A JL- jakelukiskolle [V/A/m] Jakelukiskoa syöttävän kaapelin absoluuttinen jännitteenalenema lasketaan kaavan 31 mukaisesti. ( )
44 44 Jakelukiskon ja ryhmäkeskuksen KAJK0108 välisen kaapelin absoluuttinen jännitteenalenema lasketaan kaavalla 31. ( ) Ryhmäkeskuksen KAJK0108 ja esimerkkikulutuspisteen välinen absoluuttinen jännitteenalenema lasketaan kaavan 31 mukaisesti. Kuormitusvirran tarkkaa arvoa ei ole tiedossa, joten oletetaan sen olevan 14 A. ( ) Suhteellinen jännitteenalenema pääkeskuksen ja kulutuslaitteen välillä lasketaan kaavalla 32. Sallittu jännitteenalenema pistorasiaryhmälle on taulukon 10 mukaisesti 5 %, joten laskettu jännitteenalenema on liian suuri. Mikäli jännitteenalenema on yli sallitun rajan, voidaan sitä pienentää kasvattamalla syöttävien kaapeleiden poikkipintaa. Mikäli tiedetään, että jännitteenalenema on ongelma vain yhdessä ryhmässä, voidaan kasvattaa kyseisen ryhmän syöttökaapelin poikkipintaa. Jos kuitenkin tiedetään, että jännitteenalenema on ongelma useammalla ryhmällä, on syytä harkita keskuksen syöttökaapelin suurentamista. Paras vaihtoehto on suurentaa pisimmän kaapelin poikkipintaa, sillä jännitteenalenema riippuu suuresti johdinten poikkipinnan ja pituuden suhteesta. Myös johdinten materiaalia vaihtamalla voidaan pienentää jännitteenalenemaa. Alumiinin resistiivisyys on suurempi kuin kuparin, joten käyttämällä kuparijohtimia päästään pienempään jännitteenalenemaan.
45 Ryhmäkeskuksen KAJK0108 ja pääkeskuksen välinen suhteellinen jännitteenalenema lasketaan kaavalla Suunnittelutoimiston tavoitteena on, että jännitteenalenema ryhmäkeskuksilla ei ylitä arvoa 2 %. Suurin jännitteenalenema esimerkkitilanteessa syntyy jakelukiskossa. Vaihtamalla 400 A versio 630 A versioon jännitteenalenema ryhmäkeskuksella tippuu arvoon 1,6 %. Tällöin jännitteenalenema ryhmäkeskuksella on tavoitteen mukainen. Pistorasiaryhmän syöttökaapeli aiheuttaa kaavalla 32 laskettuna 4,4 % jännitteenaleneman. Mikäli syöttökaapelia ei voida lyhentää, ovat vaihtoehdot jännitteenaleneman rajoittamiseksi suurentaa ryhmän syöttökaapelia tai pienentää ryhmän kuormitusvirtaa. Vaihtamalla johdinten poikkipinnan 2,5 mm 2 :stä 4 mm 2 :in, tippuu ryhmän aiheuttama jännitteenalenema arvoon 2,8 %. Tällöin jännitteenalenema pienjänniteliittymän ja kulutuspisteen välillä on 2,8 % + 1,6 %, eli 4,4 %. Sallittu arvo on 5 %, eli jännitteenalenema esimerkkitilanteessa on riittävän pieni Pääkeskus- ryhmäkeskus KAJK0109 Absoluuttinen jännitteenalenema ryhmäkeskuksella KAJK0109 lasketaan kaavalla 31. ( ) Suhteellinen jännitteenalenema määritetään kaavan 32 mukaisesti. Suunnittelutoimiston tavoite on alle 2 % suhteellinen jännitteenalenema ryhmäkeskustasolla, jolloin ryhmäkeskuksen KAJK0109 jännitteenalenema on riittävän pieni. Valaistusryhmän aiheuttama jännitteenalenema lasketaan kaavalla 31. Valaistusryhmän kuormitusvirta ei ole tiedossa, joten oletetaan sen olevan 8 A.
46 46 ( ) Suhteellinen jännitteenalenema määritetään kaavan 32 mukaisesti. Suhteellinen jännitteenalenema valaistusryhmän ja pienjänniteliittymän välillä on 1,74 % + 3,4 %, eli 5,14 %. Valaistusryhmälle sallittu maksimiarvo on taulukon 10 mukaisesti 3 %. Mikäli ryhmäkeskuksen syöttökaapelin johdinten poikkipinnaksi valitaan 185 mm 2, on jännitteenalenema ryhmäkeskuksella 1,23 %. Tällöin valaistusryhmän osuus jännitteenalenemasta saa olla maksimissaan 3 % - 1,23 %, eli 1,73 %. Mikäli valaistusryhmän syöttökaapelin johdinten poikkipintana käytettäisiin arvoa 2,5 mm 2, saadaan kaavaa 31 mukaillen syöttökaapelin maksimipituudeksi 3,5m. Tämä ei ole realistinen arvo syöttökaapelin pituudelle, joten on harkittava muita toimenpiteitä. Syöttökaapeleiden johdinten poikkipintaa ei voida suurentaa rajattomasti, sillä myös taloudelliset kustannukset tulee ottaa huomioon. Vaihtoehdoiksi jäävät kuormitusvirran pienentäminen sekä syöttöjännitteen arvon nostaminen. Kuormitusvirtaa voidaan pienentää jakamalla kuormituslaitteita useammiksi kokonaisuuksiksi, jolloin yhden kuormalaitelähdön kuormitusvirta pienenee. Esimerkkikiinteistön muuntajat on varustettu väliottokytkimillä, jolloin muuntajan nimellisjännitettä voidaan nostaa 2,5 % kerrallaan. Muuntajan nimellisjännitettä nostettaessa tulee ottaa huomioon lähempänä muuntajaa sijaitsevat kuormalaitteet, sillä ei myöskään ole järkevää syöttää niille liian suurta jännitettä. Tämä saattaa rikkoa laitteita ja aiheuttaa lisää komplikaatioita. Valaistusryhmän kuormitusvirtaa pienentämällä arvoon 5 A saadaan valaistusryhmässä syntyvän absoluuttisen jännitteenaleneman arvoksi kaavalla 29 laskien 2,9 V. Suhteellinen jännitteenalenema on tällöin kaavan 32 mukaisesti 1,26 %. Näin ollen ryhmäkeskuksen syöttönä voitaisiin käyttää myös kaapelia, jonka johdinten poikkipinta on 120
47 47 mm 2. Tällöin jännitteenalenema valaistusryhmällä on 1,26 % + 1,74 %, eli 3 %. On kuitenkin syytä harkita suuremman syöttökaapelin käyttöä, jotta kuormitusta ei tarvitse jakaa tarpeettoman pieniin kokonaisuuksiin. Muuntajien nimellisjännitteen suurentamista on syytä harkita aina tapauskohtaisesti, sillä kuormitusvirran muutoksella on huomattavasti suurempi merkitys jännitteenalenemaa määritettäessä. Valaistusryhmän suhteellinen jännitteenalenema 8A kuormituksella ja 2,5 % suuremmalla liittymäpisteen vaihejännitteellä on kaavalla 32 laskettuna 1,97 %. Suurempi muutos saatiin siis aikaan kuormitusvirtaa muuttamalla. Paras keino jännitteenaleneman rajoittamiseen on syytä määrittää aina tapauskohtaisesti. Mikäli jännitteenalenema on ongelma koko kiinteistössä, voi muuntajan nimellisjännitteen korottaminen olla paras ratkaisu. Jos ongelma esiintyy vain yhdellä ryhmäkeskuksella tai kuormalaiteryhmällä, paras ratkaisu saattaa olla syöttökaapeleiden suurentaminen tai vaikeissa tapauksissa kuormituksen jakaminen niin, että yhdellä kuormalaitelähdöllä tai ryhmäkeskuksella on pienempi kuormitusvirta. Edellä lasketun esimerkin perusteella voidaan kuitenkin todeta, että nykyisten standardien noudattaminen vaatii sen, että ryhmäkeskustasolla pyritään pienempään jännitteenaleneman suhteelliseen arvoon kuin 2 %. Kuormalaitteiden syöttökaapelit ovat lähes poikkeuksetta huomattavasti pienempiä kuin ryhmäkeskusten syöttökaapelit, jolloin niissä syntyy myös suhteessa enemmän jännitteenalenemaa. Kaapeli, jonka johdinten poikkipinta on 1,5 mm 2 ja materiaali kupari, aiheuttaa 100 metrin matkalla 24 V jännitteenaleneman 10 A kuormitusvirralla. Mikäli johdinten poikkipinta on 10 mm 2, vastaavassa tilanteessa syntyvä jännitteenalenema on 3,7 V. Näin ollen ryhmäkeskuksen jännitteenalenema tulee pitää pienenä, jotta kuormalaitteiden syöttökaapeleiden pituudet voidaan pitää realistisina. 4.5 Ylikuormitus Muulloin kuin vian aikana esiintyvää, mitoitusvirtaa suurempaa virtaa kutsutaan ylikuormitusvirraksi. Ylivirta taas voi tarkoittaa myös oikosulkua, koska sillä tarkoitetaan mitä tahansa piirissä esiintyvää, mitoitusvirtaa suurempaa virtaa. Ylivirtasuojauksesta puhuttaessa tarkoitetaan siis sekä ylikuormitussuojausta että oikosulkusuojausta. (Tiainen 2010b, 45)
48 48 Virtapiirissä esiintyvä ylikuormitusvirta tulee pystyä katkaisemaan ennen kuin kohonnut lämpötila aiheuttaa vaurioita virtapiirin komponenteissa tai sen välittömässä ympäristössä. Katkaisu toteutetaan ylikuormitussuojilla, joista yleisimmin käytetyt ovat sulakkeet, johdonsuojakatkaisijat sekä muunlaiset tarkoitukseen sopivat katkaisijat. Tässä työssä on käytetty kaikkia edellä mainittuja suojalaitteita myös oikosulkusuojaukseen, jolloin voidaan puhua ylivirtasuojista. (Tiainen 2010b, 45) Ylikuormitussuojan tulee täyttää seuraavat SFS6000- standardissa määritellyt ehdot (SFS ): Virta I 2 riippuu siitä, minkälaista suojalaitetta käytetään. Myös toiminta-aika vaikuttaa virran I 2 suuruuteen. Esimerkiksi B10- johdonsuojakatkaisijalla arvo on 50 A 0,4 sekunnin toiminta-ajalla (Tiainen 2012, taulukko 41.4a). Samalla toiminta-ajalla gg- sulakkeella virran arvo on 82 A (Tiainen 2012, taulukko 41.5). Ylikuormitussuojauksen toiminnan varmistamiseksi on yleensä hyvä valita suojalaite, joka on nimellisvirtaportaassa heti kuormitusvirran yläpuolella. Mikäli valitaan liian suuri suojalaite, saattaa virtapiiri ylikuormittua ilman että suojalaite reagoi tilanteeseen. On kuitenkin syytä huomata, että liian pieni suojalaite, joka kuitenkin on standardin SFS6000 sallimissa rajoissa, saattaa aiheuttaa turhia laukaisuja. Vaikka asennus on standardin mukainen, se ei vielä takaa asennuksen oikeanlaista toimintaa. Suojalaite on valittava siten, että se takaa asennuksen virheettömän toiminnan normaalitilanteissa ja täyttää myös standardissa vaaditut suojausehdot.
49 49 5 SELEKTIIVISYYS Sähköjärjestelmän suojaus on selektiivinen, kun vikatilanteessa vain lähinnä vikaa oleva syötönpuoleinen suojalaite laukeaa. Mikäli suojaus ei ole selektiivinen, leviää vika laajemmalle alueelle verkkoon jolloin tarpeettoman suuri alue tulee jännitteettömäksi. Epäselektiivisyys voi myös tarkoittaa sitä, että suojalaite ei toimi ollenkaan vikatilanteessa. Selektiivisyyden määrittäminen on tärkeää tehdä jo suunnitteluvaiheessa, koska tällöin suojalaitteiden kokoluokkiin on vielä helppoa vaikuttaa. Mikäli selektiivisyyttä ei tarkastella huolellisesti, voi suojalaitteiden epäselektiivinen toiminta aiheuttaa pahimmillaan omaisuus- ja henkilövahinkoja. (ST 53.13) 5.1 Selektiivisyyden määrittäminen Käytetään esimerkkinä selektiivisyyden määrittämisestä ryhmäkeskusta KAJK0108 ja sen kulutuslaiteryhmää. Muuntajan ja ryhmäkeskuksen KAJK0108 kulutuslaiteryhmän välillä sijaitsee 5 suojalaitetta, joiden kaikkien tulee toimia selektiivisesti toisiinsa nähden. Kyseiset suojalaitteet löytyvät taulukosta 11. Taulukko 11 KAJK0108 kulutuslaiteryhmää edeltävät suojalaitteet Suojalaite Tyyppi Nimellisvirta (A) Toiminta-aika (s) Kompaktikatkaisija SACE T A Kahvasulake OFAF2H Kahvasulake OFAF1H Kahvasulake OFAF1H Johdonsuojakatkaisija S 201-B ,4 Valmistajat toimittavat yleensä suojalaitteistaan virta-aikakäyrät, joista voidaan tulkita niiden toimintakäyrä oikosulkuvirran ja laukaisuajan perusteella. Kuvaan 6 on koottu ryhmäkeskuksen KAJK0108 kulutuslaiteryhmää edeltävien suojalaitteiden virtaaikakäyrät. Kahvasulakkeiden arvot on otettu kuvasta 5, johdonsuojakatkaisijan virtaaikakäyrä löytyy valmistajan tiedoista (ABB luettu , 33).
50 50 Kuva 6 KAJK0108 selektiivisyys Käyrät on sovitettu manuaalisesti kuvaan, joten pientä heittoa todellisiin arvoihin nähden saattaa esiintyä. Käyrät eivät mene päällekkäin missään kohtaa, joten epäjohdonmukaisia laukaisuja ei pitäisi esiintyä. Jokaisen suojalaitteen toiminta pienimmällä oikosulkuvirran arvolla on tarkastettu kappaleessa 5.3. Voidaan siis todeta suojauksen toimivan selektiivisesti. Kompaktikatkaisija asetellaan toimimaan niin, että se toimii selektiivisesti siitä ryhmäkeskuspuolella sijaitseviin suojalaitteisiin nähden. Kuvassa 6 näkyvä käyrä kompaktikatkaisijalle on ehdotus asettelusta, ei laitteen todellinen virtaaikakäyrä. Keskijänniteverkon selektiivisyys määräytyy sitä suojaavien katkaisijoiden releasetteluista. Keskijänniteverkon puolella esiintyvistä oikosulkuvirroista päätellyt, suuntaaantavat releasettelut löytyvät taulukosta 3. Näitä asetteluita havainnoidaan kuvassa 7.
UPM-Kymmene Oyj Rauma, valvojana käyttöpäällikkö Timo Pitkänen
TAMPEREEN Sähkötekniikan koulutusohjelma Tutkintotyö PAPERITEHTAAN 20 KV VERKKO-OSUUDEN SYÖTÖN MUUTTAMINEN Työn ohjaaja Työn teettäjä Tampere 2005 Lehtori Seppo Järvi UPM-Kymmene Oyj Rauma, valvojana käyttöpäällikkö