Teollisuuden sähköverkko

1. 110 kV Esimerkki suuren teollisuuslaitoksen sähköjakeluverkosta Muuntaja 10 kV tai 6 kV Erotin Katkaisija Erotin G M Kuristin Moottori Gen 1 690V 400 V 3 kV M M M 400V 690V 690V 690V 690V 690V 400 V 690V 690V 690V Moottorikeskus 690V 690V 690V 690V 400 V f1 f2 Ohjattu tasasuuntaaja Turvakytkin M M M M M Tasavirtakäyttöjä Oikosulkumoottorikäyttöjä 1 Teollisuuden sähköverkko 2 2 10 Keskijännitekojeisto Oikosulkuvirran rajoitus keskijännitteellä 690 V:n kojeisto Oikosulkusuojaus Kontaktori Ylikuormitussuojaus Integroidut komponentit Taajuusmuuttaja Loistehon kompensointi Yliaaltojen suodatus Virtayliaallot Jänniteyliaallot 3 12 7 4 11 5 11 8 6 9 10

2. Keskijännitekojeisto Tyypilliset nimellisjännitteet: • 20 kV, jos ei keski-jännitemoottoreita tai generaattoreita • 10 kV ja 6 kV, jos myös moottoreita tai generaattoreita keskijännitteellä • 3 kV esimerkiksi pienet moottorikes-kukset • Suojaus • Katkaisija 1 2 1 2

3. Johtolähdön suojaus • Tyypillisesti numeerinen suojarele • Suojausfunktiot esimerkiksi: • Ylivirtasuojaus • Suunnattu maasulkusuojaus 1 1 2 2

4. Ylivirtasuojaus t Asettelut: • Alempi porras I>,t> • Vakioaikahidasteinen • Käänteisaikatoimin-toinen • Ylempi porras I>>, t>> • Tavallisesti vakioaikahidasteinen • Joskus myös kolmas porras I>>> t> t>> t>>> I I> I>> I>>>

5. I0 I0 I0 I0 U0 U0 Maasulkusuojaus • Laajat verkot maasta erotettuja • Suunnattu maasulkusuo-jaus esim. I0sinf -karakteristika • Suppeissa verkoissa resistanssin kautta maadoitettu • Hälyttävä U0 suojaus tai suunnattu I0cosf -karakteristika

6. Keskijännitekatkaisija Tyypillisesti: • Vaunukatkaisija • Katkaisukammiossa tyhjiö tai SF6 kaasu • Ei rajoita oikosulkuvirran huippuarvoa (katso Is-rajoitin )

7. Oikosulkuvirtojen rajoitus keskijännitteellä Kuristin • Pienentää alakeskusten oikosulkuvirtoja. Sulake • Pienentää myös oikosulkuvirran huippuarvoa. • Ei suurille nimellisvirroille. Is-rajoitin • Pienentää myös oikosulkuvirran huippuarvoa. • Suurille niemellisvirroille. • Toiminta perustuu virran suuruuden ja nousunopeuden perusteella toimivaan räjähdyspanokseen. • Rajoitetaan esimerkiksi muuntajan rinnalle kytketyn generaattorin virtaa (kuvassa i1 ).

8. 690 V kojeisto Kalustusvaihto- ehdot: • Kiinteä • Ulosotettava • Ulosvedettävä Maadoitustavat: • Resistanssin kautta maadoitettu • Maasta erotettu 1 2

9. Resistanssin kautta maadoitettu verkko • Maasulku ei aiheuta käyttökeskeytystä => hälyttävä maasulkusuojaus • Vian etsintä lähtökohtaisesti kaapelivirtapihdillä • Vikavirran havaitsemisen parantamiseksi kytketään tähtipistevastuksen rinnalle lisävastus R2

10. Maasta erotettu verkko • Laite mittaa eristystasoa generoimalla maasta erotettuun verkkoon tiettyä signaalia • Vian paikallistaminen yleensä erillislaitteella

11. Oikosulkusuojaus • Kytkinvaroke kahvasulakkeilla • Katkaisukyky 100 kA • Paras virranrajoituskyky suurilla oikosulkuvirroilla • Moottorinsuojakytkin • Pienille nimellisvirroille • Katkaisukyky riippuu jännitteestä • Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija • Katkaisukyky riippuu jännitteestä • Yleensä sulaketta huonompi virranrajoituskyky suurilla oikosulkuvirroilla • Oikosulkusuojauksen ominaisuuksia kuvaavat: • Virta/aika –ominaiskäyrät • Virran rajoituskäyrät • Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-käyrät) • Koko suojauksen vaikutus otetaan huomioon koordinaatiotaulukoissa 1 2 3 4

12. Oikosulkusuojauksen virta/aika-ominaiskäyrät aM-sulake Katkaisija ilman ylikuormitussuojaa

13. Virran rajoituskäyrät aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija

14. Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-käyrät) aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija

15. Koordinaatiotaulukot Sovittaa yhteen moottorin, kontaktorin, ylikuormitussuojan, oikosulkusuojan ja usein myös kaapelin.

16. Kontaktori Sähkömekaaninen kontaktori • Koskettimien käyttöikä n. 1-2 milj. käynnistys/ pysäytys toimintaa • Pieni jännite- ja tehohäviö Puolijohdekontak- tori • Ei kulu • Suuri jännite- ja tehohäviö • Pienehkö nimellisvirta

17. Ylikuormitussuojaus Lämpörele • Perustuu bi-metallin taipumaan • Avaa ylikuormitustilan-teessa moottorin kon-taktorin ohjauspiirin • Voi sisältyä myös kompaktikatkaisijaan Käämin lämpötilaa mittaavat ylikuormitussuojat • Termistorit • PT-100 anturit Moottorinsuojarele ja älykäs moottorinohjain • Sisältää myös muita vikasuojauksia • Toimii myös ohjaus- ja mittauselimenä 1

18. Moottorinsuojarele jaälykäs moottorinohjain • Moottorin ohjaus ja valvonta väylän kautta • Ylikuormitussuojaus perustuu mitattujen virtojen avulla laskettuun moottorin lämpenemään • Muita vikasuojauksia esim: maasulkusuojaus, käynnistyksen valvonta, ylivirtasuojaus, vinokuormitussuojaus, alikuormitussuojaus.

19. Integroidut komponentit • Yhteen kojeeseen integroituna kon-taktoritoiminnon lisäksi oikosul-kusuojaus, yli-kuormitussuojaus, mahdollisesti muita suojauksia sekä väylän kautta tapahtuva ohjaus ja valvonta.

20. Taajuusmuuttaja • Verkkosuuntaajana yleensä kuusipulssinen diodisuuntaaja • Invertterin ohjattuna komponenttina yleensä IGBT • Suurella kytkentätaajuudella lähes sinimuotoinen moottorivirta • Verkkovirta säröytynyt • Ohjaustavat: • Skalaariohjaus • Vektorisäätö • DTC-säätö 1 2 3

21. Taajuusmuuttajan skalaariohjaus • Taajuusmuuttajalle annetaan taajuusohje, josta lasketaan jänniteohje nostamalla sitä tavallisesti lineaarisesti nimellisjännitteeseen.

22. Taajuusmuuttajan vektorisäätö • Staattorivirta jaetaan roottorivuon suhteen avaruusvektorina kahteen komponenttiin id ja iq , joita säädetään erikseen. • Momentti on verrannollinen virtakomponenttien tuloon T=Kt id iq. • Vakiovuoalueella pyritään pitämään vuohon verrannollista komponenttia id vakiona säätämällä jänniteohjeen amplitudia. Momenttiin verrannollinen virtakomponentti iq pyritään pitämään ohjearvossaan säätämällä taajuusohjetta. is Ψr iq id

23. Taajuusmuuttajan DTC-säätö • Säätö perustuu staattorivuon ohjaamiseen invertterin kytkentäkombinaatioilla siten, että sekä staattorivuo että momentti pysyvät halutun hystereesin sisällä. • Säätö laskee 25 ms välein optimikytkennän, jolla säädetään momenttia ja staattorivuota.

24. Loistehon kompensointi • Kondensaattoriparistoilla, jos ei tarvetta yliaaltojen suodatukseen tai ei resonanssivaaraa. • Estokelaparistoilla, jos yliaaltojen aiheuttama resonanssivaara. • Imupiireillä, jos tarvetta myös yliaaltojen suodatukseen. 1 2

25. ind kap Z 50 fr=189 Estokelaparisto • Käytetään loistehon kompensointiin pelkkien kondensaattoreiden sijaan, jos verkossa resonanssivaara. • Käämin ja kondensaattorin muodostama sarjaresonanssipiiri, jonka viritystaajuus on alle verkossa esiintyvien yliaaltotaajuuksien esim. 189 Hz. • Piiri on induktiivinen yli viritystaajuudella eikä voi muodostaa rinnakkais-resonanssia muuntajan kanssa. • Verkon nimellistaajuudella piiri vastaa kondensaat-toria. f/Hz

26. Sähköverkon resonassitilanne Rinnakkaisresonanssi: • Syöttävän verkon (lähinnä muuntajan) induktanssi ja kompensointikondensaattorin kapasitanssi muodostavat rinnakkaisresonanssin jollakin verkossa esiintyvällä yliaaltotaajuudella. • Aiheuttaa resonanssivirran voimakkaan vahvistumisen muuntajassa ja kondensaattorissa. Seurauksena suuret virta- ja jänniteyliaallot. Sarjaresonanssi: • Yliaaltolähteen ja kondensaattoripariston väliset muuntajat muodostavat sarjaresonanssipiirin kondensaattorien kapasitanssin kanssa. Rinnakkaisresonanssi Sarjaresonanssi

27. Jännitteet rinnakkaisresonanssissa • Esimerkki vaihejännitteestä ilman kompensointia ja kompensoinnin aiheuttamassa 7. yliaallon resonanssitilanteessa.

28. Virtayliaallot Esimerkiksi • Erityisesti suuntaajakäyttöjen verkosta ottama virta ei ole sinimuotoista, jolloin se voidaan jakaa perusaaltoon ja yliaaltoihin. • Jos suuntaajan pulssiluku on p, saadaan yliaallon järjestysluvuksi n=p.i+-1, jossa i=1,2,3,… • Täysin tasoittuneella DC-virralla saadaan n:nen yliaallon tehollisarvoksi In=I1/n. • Kokonaisvääristymä:

29. Yliaaltojen suodatus Keskijänniteimupiiri Pienjänniteimupiiri • Esimerkiksi suuntaajakäyttöjen aiheuttamia virtayliaaltoja suodatetaan • imupiireillä • aktiivisuodattimilla • Imupiiri on sarjaresonanssipiiri, joka on viritetty halutulle yliaaltotaajuudelle • Suuntaaja voidaan käsitellä verkossa perus- ja yliaaltoja generoivana virtalähteenä, jolloin imupiiri muodostaa yliaaltovirralle pieni-impedanssisen virtatien. Tällöin pääosa yliaaltovirrasta sulkeutuu imupiirin eikä syöttävän verkon kautta. 1

30. Aktiivisuodatin • Invertteritekniikkaan perustuva laite, joka generoi suuntaajan virran yliaallot. Syöttävästä verkosta syötetään vain perusaalto. • Voi kompensoida myös loistehoa.

31. Jänniteyliaallot Yliaaltovirtojen aiheuttamat jänniteyliaallot: • Kukin yliaaltovirtakomponentti aiheuttaa verkon impedansseissa vastaavan jännitehäviökomponentin. • Jännitteeseen syntyy samat harmooniset yliaallot kuin virroissa. Suuntaajan kommutoinnin aiheuttama jännitteen säröytyminen: • Johtuu suuntaajan toiminnan aiheuttamasta lyhytaikaisesta oikosulusta.