Sähkönjakelun käyttövarmuus rautatieympäristössä

Rautatiejärjestelmien liikenteenohjauksen turvallisuustasoa ja tehokkuutta on nostettu Suomessa toteuttamalla rataverkon ohjaus turvalaitejärjestelmä ratkaisuilla. Erittäin tärkeässä roolissa rataverkkojen turvallisuuden ja toiminnan varmistamiselle on tässä artikkelissa käsitelty turvalaitteiden UPS- varavoimalaitteistojen modulaariset ratkaisut, jotka ovat tärkeä osa tehokasta ja varmistettua turvalaitteiden sähkönsyöttöjärjestelmää. Artikkeli pohjautuu Tommi Laurilan opinnäytetyöhön, jonka tuloksena UPS-laitteisto päivitettiin turvalaitteissa Ylivieska-Kokkola -rataosuudelle Väyläviraston erikoismääräysten mukaisiksi.

Lähes koko suomen rataverkon ohjaus toteutetaan turvalaitejärjestelmillä, mikä on nostanut rautatiejärjestelmän turvallisuustasoa ja liikenteenohjauksen tehokkuutta merkittävästi.

Teknisen kehityksen varjopuolena on syntynyt riippuvuus kyseisen turvalaitejärjestelmän toiminnasta. Turvalaitteen vika- ja häiriötilanteet näkyvät nopeasti liikenteen täsmällisyydessä, ja näin myös kuormittavat helposti liikenteenohjausta. Häiriötilanteissa vähintäänkin junanopeudet putoavat, ja pahimmillaan junaliikenne voi keskeytyä järjestelmähäiriön vuoksi kokonaan (1, s. 221). Tästä syystä turvalaitejärjestelmien suunnittelussa on kiinnitettävä erityistä huomiota mm. katkeamattoman virransyötön varmistamiseksi, joka voidaan toteuttaa järkevällä laitteisto- ja varavoimaratkaisuilla.

Laitteiston arkkitehtuuri

Väylävirasto edellyttää, että uudet turvalaitetilat varustetaan redundanttisella, moduulein toteutetulla UPS-laitteistolla. UPS-laitteen hankinnassa suunnittelijan tulee ottaa huomioon suojauksen toimivuuden varmistamiseksi tarvittava oikosulkuvirran syöttökyky ja kuorman suuruus. UPS-laitteiston mitoituksessa voidaan kuitenkin päätyä siihen, että oikosulkuvirran suuruuden takia UPS-laite ylimitoitetaan ja kuormitusaste jää alle 10 %: in. Syötettäessä tärkeitä järjestelmiä, kuorma ei saisi ylittää 45 % UPS-järjestelmän nimellistehosta (2, s. 6)

Tavanomaisin ratkaisu sähkönsyötön varmistamiseksi on toteutettu tähän asti ns. kaksoismuunnos-UPSeilla. Tällaisen arkkitehtuurin päätarkoituksena on suojata kuormia, ja minimoida kuormaan syötetyn sähkötehon häiriöt.

Kriittisten kuormien toimintavarmuuden ja vikasietoisuuden lisäämiseksi on markkinoille tullut modulaarisia UPS-laitteita. UPS-laitteen moduulit on varustettu itsenäisen toiminnan mahdollistavilla komponenteilla, eli laitteisto koostuu useasta itsenäisestä UPS-laitteesta. Moduulin vikaantuessa rinnakkaiset moduulit huolehtivat kuormien syötöstä, joka tapahtuu katkottomasti. Tämä myös mahdollistaa vikaantuneen moduulin vaihtamisen käytön aikana, ja viankorjaus ei aiheuta häiriötä kriittisille kuormille. Onkin siis hyvin tärkeää, että laitteisto on aidosti modulaarinen, eli järjestelmässä käytetään oikeaa arkkitehtuuria. Ratkaisevaa ei ole se, kuinka monta moduulia kehikossa on, vaan se että onko UPS-järjestelmän päätöksenteko hajautettua vai keskitettyä (3).

Modulaarisuus ei tarkoita välttämättä vikasietoisuutta, koska ratkaisun lisääntynyt monimutkaisuus saattaa kokonaisuuden kannalta johtaa järjestelmän korkeampaan vikaantumisasteeseen.

Sähköistetyllä rataosuudella voidaan turvalaitetilan virransyöttö ottaa tarvittaessa myös sähköratajärjestelmästä. Ajolanka-ups -järjestelmien toimittajana on Suomen rataverkolla pääasiassa ECM sekä ABB. Yksi syy sähköradasta otetulle virransyötölle on sen käyttövarmuus. Syy piilee 110kV:n suurjännitelinjassa, jossa on harvoin sääolosuhteista johtuvia katkoja, toisinkuin pienemmissä linjoissa. Toisena valintakriteerinä ajolankajärjestelmää valittaessa voidaan pitää laitetilan sijaintia ja sen vaikutusta kustannuksiin. Laitetilat sijaitsevat usein kaava-alueiden ulkopuolella, jolloin liittymän kaapelointikustannukset ja mahdolliset uuden muuntamon rakennuskustannukset jäävät liittymän tilaajan maksettaviksi (4, s. 9).

Varavoiman mahdollisuudet

Sähkönjakelun häiriötilanteessa on kriittistä huolehtia siitä, että tehon syöttö turvalaitejärjestelmille ei katkea missään vaiheessa. Suomen rataverkon turvalaitteilla pääasiallinen varavoiman lähde on 6 h käyttöä varten mitoitettu akusto. Akusto voidaan mitoittaa myös 2 h ajalle, mikäli kohteessa on ajolangasta syötetty järjestelmä, jonka rinnalla on valtakunnan verkko (5, s. 198). Useimmiten turvalaitetiloihin on edellä mainittujen ominaisuuksien lisäksi lisätty mahdollisuus dieselaggregaatin kytkemiseen. Dieselaggregaatit ovat yleensä peräkärryyn asennettuja, autolla hinattavia kokonaisuuksia. Näin laitteistojen kunnossapitäjä voi alueellaan toimittaa varavoiman kohteeseen, jossa sitä tarvitaan. Tällä tavalla saadaan varmistettua junaliikenteen täsmällisyys poikkeustilanteissa.

Vaikka valintakriteerit turvalaitteiden sähkönsyötölle ovat tiukat, se herättää hieman kysymyksiä laadukkaalle laitteiston määritykselle. Mikäli turvalaitetila saa sähkönsyöttönsä ajolangasta, ja syöttö katkeaa usein lyhyen ajan sisällä jännitekatkojen seurauksena, miten varmistetaan akkujen kestävyys? Onko huomioitu akuston syväpurkuominaisuudet?

Lisäksi laitteistoa suunnitellessa tulisi ottaa huomioon käyttö- ja toimintavarmuus sähkönsyötön osalta. Vaikka tarkkaa määritystä huolto-ohituskytkennälle ei ole, niin tulisi ottaa huomioon, kuinka toimitaan poikkeustilanteissa. Vaikka modulaariset UPS-järjestelmät ovatkin laadukkaita arkkitehtuurinsa ansiosta, ei voida aukottomasti väittää, että laitteet eivät menisi koskaan rikki. Tällöin huoltoohituskytkennän katkoton toteutus häiriötilanteessa on tärkeää.

KUVA 2.Varavoima-akusto Ylivieskan liikennepaikalla

Tekniikka kehittyy, vaatimukset kasvavat. On siis selvää, että sähkönsyöttöjärjestelmien, akkuteknologian, UPS-laitteiden, sekä näihin liittyvien mahdollisten IoT-ratkaisujen lisääntyvä tarjonta markkinoilla antaa mahdollisuuksia laadukkaille toteutuksille, joilla voidaan varmistaa kriittisten kuormien tehonsyöttö poikkeustilanteissa. Lisääntyvän tarjonnan myötä tulee kuitenkin pohtia sitä, että kuinka ratkaisut löydetään kustannustehokkaasti mutta huolehtien mahdollisimman laajasta komponenttien elinkaaresta. Tässä nousee rooliin saumaton yhteistyö laitetoimittajien asiantuntijoiden sekä suunnittelu- ja tilaajaorganisaation välillä.

Lähteet

1. Järvinen, Laura & Viitanen, Jari 2014. Rautatieturvalaitteet. Helsinki: Liikennevirasto

2. Turvalaitteiden virransyöttöasennusten sähköturvallisuutta koskevat Liikenneviraston erikoismääräykset. 2016. Väylävirasto. Hakupäivä 20.03.2022. https://ava.vaylapilvi.fi/ava/Julkaisut/Liikennevirasto/ohje_2016_turvalaitteiden_virransyottoasennusten_web.pdf.

3. Lecuona, Gerardo 2020. Aidosti modulaarinen UPSjärjestelmä vaatii erityisen arkkitehtuurin. Elektroniikkalehti. Hakupäivä 20.03.2023. https://etn.fi/index.php/tekniset-artikkelit/10741-aidosti-modulaarinen-ups-jarjestelma-vaatii-erityisen-arkkitehtuurin https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201003064578

4. Leskelä, Mikko 2018. Asetinlaitteiden virransyöttö sähköratajärjestelmästä. Oulun ammattikorkeakoulu. Sähkö- ja automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma. Opinnäytetyö. Hakupäivä 20.03.2023.

5. Ratatekniset ohjeet (RATO) osa 6 Turvalaitteet. 2021. Verkkoaineisto. Väylävirasto. Hakupäivä 20.03.2023. https://ava.vaylapilvi.fi/ava/Julkaisut/Vaylavirasto/vo_2021-18_rato6_web.pdf https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202303284313

Laurila, Tommi 2023. UPS-laitteiston uusiminen turvalaitteissa. Oulun ammattikorkeakoulu. Sähkö- ja automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma. Opinnäytetyö.

Kirjoittajat: insinööriopiskelija (AMK) Veeti Leskinen ja Tekniikan ja luonnonvara-alan yksikkö yliopettaja Heikki Kurki Oulun ammattikorkeakoulu

Kuvat: Scneider Electric

Valokaarivikasuojausjärjestelmän rakenne ja ominaisuudet

Veeti Leskinen on perehtynyt valokaari-ilmiöihin, niiden aiheuttamiin vaaroihin ja niiltä suojautumiseen. Selvitystyön toimeksiantaja oli Oulun Vesi -liikelaitos, jonka prosessilaitteiden sähkönsyötön toimintavarmuuden tulee olla korkealla tasolla. Suojauksen avulla vältytään sähköpaloilta ja valokaarivikojen aiheuttamilta henkilövahingoilta sekä pitkiä sähkökatkoja aiheuttavilta tuhoisilta laitteistovaurioilta. Samassa yhteydessä laadittiin myös pienjännitekeskukseen sijoitettavan valokaarisuojausjärjestelmän konfigurointi- ja käyttöönotto-ohje.

Sähköjärjestelmässä esiintyvä valokaarivika on erityisen vaarallinen, sillä siinä muodostuu myrkyllisiä kaasuja, korkeita lämpötiloja, voimakkaita ääniä, paineaaltoja ja säteilyä.

Valokaarivika ja sen aiheuttamat vaarat

Valokaarivika on tapahtuma, jossa virtapiirin osien välillä vaikuttava sähkökentän voimakkuus kasvaa liian suureksi aiheuttaen läpilyönnin. Tällöin sähkövirta ei enää kulje tarkoitettua reittiä vaan niin sanotusti ”hyppää” ilman tai muun vähemmän johtavan aineen läpi johtimesta tai virtakiskosta toiseen johtimeen, kiskoon tai maadoitukseen. (1.)

Sähköjärjestelmässä esiintyvä suuritehoinen valokaarivika on erityisen vaarallinen, sillä se synnyttää myrkyllisiä kaasuja, korkeita lämpötiloja, voimakkaita ääniä, paineaaltoja ja säteilyä. Valokaaren jopa 20000 ⁰C:n lämpötila sulattaa sähköjärjestelmässä käytettäviä virtakiskoja ja johtimia, joista höyrystyy myrkyllisiä kaasuja ympäristöön. Jos valokaarta ei saada nopeasti katkaistua, lämpö kykenee sytyttämään vaatteet ja polttamaan ihon lähialueella. Äkillisen lämpötilan nousun aiheuttama paineaalto voi lennättää lähellä olevien laitteiden osia ja sulaa metallia suurella nopeudella aiheuttaen vakavia vammoja. (1.)

Suojausjärjestelmän rakenne ja toiminta

Valokaarivian suojausjärjestelmä voi yksinkertaisimmillaan koostua yksittäisestä järjestelmän keskusyksiköstä, valoanturista ja ohjattavasta katkaisijasta. Valokaaritilanteessa valoanturi lähettää välähdyksestä tiedon keskusyksikölle, joka lähettää laukaisutiedon sähköjärjestelmän pääkatkaisijalle. Pääkatkaisija suorittaa laukaisun, jolloin virransyöttö vikakohdassa katkeaa. Sen seurauksena tehonsyöttö vikakohtaan loppuu ja valokaari sammuu.

Useissa keskusyksiköissä ovat valmiina virranmittauskortti ja liittimet muutamalle valoanturille. Pienissä sähköjärjestelmissä tästä on hyötyä, sillä niissä suojaus voidaan toteuttaa käyttäen yhtä yksikköä, jolloin asennus- ja hankintakustannukset pysyvät kohtuullisina. Keskusyksiköihin voidaan myös lisätä erilaisia mittaus- ja liitinkortteja, joiden avulla voidaan toteuttaa tarvittavia lisämittauksia. Liitinkorteilla voidaan myös lisätä valoantureiden tai alayksiköiden määrää järjestelmässä. Laajoissa järjestelmissä voi olla useita keskus- tai alayksiköitä rinnakkain. Usein keskusyksikkö liitetään alayksiköihin väyläkaapelilla, jonka kautta alayksiköt ja valoanturit saavat myös tarvitsemansa tehonsyötön. Isoissa kohteissa suojausjärjestelmä vaatii yleensä varmistetun ulkoisen virtalähteen.

Tyypillinen suojausjärjestelmä muodostuu kuvan 1 mukaisesti yhdestä keskusyksiköstä, yhdestä tai useammasta alayksiköstä ja useasta valoanturista.

KUVA 1. Tyypillinen suojausjärjestelmä (2, s. 20)

Valokaaren tunnistaminen

Valokaaren välähdys havaitaan antureilla, jotka liitetään keskus- tai alayksikköön joko pika- tai ruuviliittimellä. Suojausjärjestelmään voidaan käyttää erilaisia antureita tai se voidaan toteuttaa käyttäen pelkästään yhtä anturityyppiä. Yleisimmät anturityypit ovat kuitu- ja pisteanturi.

Kuituanturi (kuva 2) on ohut ja pitkä lasiputki, joka asennetaan kiertämään paikoissa, joissa valokaarivikoja todennäköisesti syntyy.

Valokaarisuojausjärjestelmiin voidaan liittää myös siirrettäviä antureita, joita käytetään kunnossapitotöiden yhteydessä. Siirrettävä anturi kiinnitetään työntekijään silloin, kun suoritetaan huoltotoimenpiteitä jännitteellisessä laitteistossa. (3, s. 23.)

Suojausjärjestelmien konfigurointi ja ohjaus

KUVA 2. Kuituanturi (2, s. 54)

Kuituanturilla voidaan tehdä pitkiä lenkkejä suojattavan kohteen sisällä, jolloin asentaminen on nopeaa ja edullista. Niiden heikkoutena on hankaluus vian paikallistamisessa. Jos kuituanturi muodostaa sähkökeskuksen sisällä pitkän lenkin, on hankalaa paikallistaa valokaaren esiintymiskohtaa. Rakenteeltaan kuituanturi on hauras, ja usein se suojataankin läpinäkyvällä muoviputkella.

Pisteanturi (kuva 3) on kohdeanturi, joka ei pysty havaitsemaan muualla kuin suoraan anturin läheisyydessä sen etupuolella olevaa valonlähdettä. Pisteanturi on kuituanturia kalliimpi, mutta sen avulla valokaaren paikallistaminen on helpompaa. Se ei myöskään ole herkkä havaitsemaan ulkopuolisista valonlähteistä tulevaa valoa, jolloin vältytään turhilta suojalaitteiston laukaisuilta. Kestävän kotelonrakenteen ansiosta se ei tarvitse muuta kosketussuojaa.

Valokaarivikasuojausjärjestelmiä voidaan konfiguroida ja ohjata paikallisesti suojareleen käyttöpaneelista tai käyttäen tietokoneelle asennettua konfigurointiohjelmistoa (3, s 27). Samat toimenpiteet voidaan toteuttaa etänä internetin välityksellä. Keskusyksikkö pystyy myös lähettämään hälytyksiä ulkopuoliseen hallintajärjestelmään. Hälytyksien lähetys lisää järjestelmän toimintavarmuutta ja parantaa työturvallisuutta. Etäohjaus on etu erityisesti kohteissa, joissa ei ole vakituisesti laitteiston käyttöhenkilökuntaa paikalla.

Tulevaisuuden kehitysnäkymiä

Valokaarivikasuojausjärjestelmät ovat jo nykyisellään joustavia ja monipuolisia, mutta niitä kehitetään entistä tehokkaammiksi ja luotettavammiksi.

Suojausjärjestelmien laukaisunopeus lisääntyy ja alayksiköiden tarve vähenee samalla kun keskusyksiköiden prosessointiteho kasvaa ja niiden koko pienentyy. On oletettavaa, että valokaarisuojausjärjestelmien kehittyessä niiden hankintakustannus pienenee, mikä johtaa niiden yleistymiseen sekä henkilöturvallisuuden ja sähköjärjestelmien toimintavarmuuden paranemiseen.

Lähteet

1. COHS (Canadian Centre for Occupational Health and Safety) 2023. Arc flash. Hakupäivä 28.2.2023. https://www.ccohs.ca/oshanswers/safety_haz/arc_flash.html

2. Schneider Electric 2023 VAMP 321 Arc-fault Detection System for Medium Voltage Applications User Manual. Hakupäivä 15.4.2023. https://www.se.com/fi/fi/download/document/63230-218-204/

3. Leskinen, Veeti 2023. Valokaarisuojareleen konfigurointi. Oulun ammattikorkeakoulu. Sähkö- ja automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma. Opinnäytetyö. Hakupäivä 22.5.2023. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/793753/Leskinen_Veeti.pdf?sequence=2.

Oulun ammattikorkeakoulu0

Study of hygrothermal behaviour for building elements in different environment by hotbox method

Building envelope with high quality help us to ensure a good well-being of the environment in buildings. We have many approaches to assessing the appropriate building envelope. Approaches are divided in theoretical and practical. Theoretical approach includes simulations and calculations as (U-value, risk of water vapor condensation, etc...). In practical approach we often use in-site measurement and measure in environmental chambers. In walk-in environmental chambers, we can set different conditions and monitor hygrothermal parameters of structures as walls, ceilings, windows, or floors on a real scale. Environmental chamber with hotbox device is one possibility, it consists of hot and cold chamber. Chambers simulate outside and inside condition. Environmental chambers can help us to improve healthy and ecological living.

Environmental chamber

Environmental (climate) chamber is device, that is used to simulate different environment to which the sample is exposed. Main parameters, that can be changed, are temperature and relative humidity. Secondary parameters are air pressure, air flow and rain or solar simulation. Environmental chambers are divided by size into classic and walk-in. In classic environmental chambers we test specimens in range of decimetres. In walk-in environmental chambers we test specimens in range of metres. This article is focused on walk-in environmental chamber.

Types of walk-in environmental chamber

Walk-in environmental chambers for building physics purpose are divided into guarded or calibrated hotbox and CBS environmental chambers. Environmental chambers with hotbox devices consist of a hot and cold chamber. Hot and cold chambers are divided by measuring frame called hotbox. Specimen is built in a frame. Hot chamber simulates inside environment and cold chamber simulates outside environment.

CBS environmental chambers are advanced devices, that can be used as calibrated and guarded hotbox method and as one huge environmental chamber for testing room. [2,3]

Guarded hotbox method

There are two methods for measuring thermal performance with hotbox device, the calibration hotbox and guarded hotbox method. Guarded hotbox method is more accurate because specimen is measure in metering box. Metering box has same temperature as hot chamber, it ensures low thermal loses through joints, corners, and chamber’s envelope. [2]

In calibrated hotbox method we must consider heat losses through joints, corners, and chamber’s envelope. Calibration process is performed on specimen with known thermal resistance. This method is more suitable for non-homogenous specimens as wall with window. [2]

By sensors we can measure parameters such as heat flux, surface and environmental temperature, surface and climate side humidity, moisture content and air flow. From the measured values we can calculate thermal resistance of construction or simulate hygrothermal flow through the building elements or formulate the risk of water vapor condensation. [2,3,4]

Main purpose is going to map moisture and thermal flow in characteristic Finnish construction such as sandwich-structured composite. The next purpose is going to explain the formation of water vapor condensation inside the construction and its prevention or risk of mould growth. Another field of interest is hygrothermal behaviour inside the construction during rain simulation.

Results can be used to improve health living, predict hygrothermal behaviour during the year, determine suitability thermal insulation, composition of construction or influence of construction quality. Another area of interest is development of ecological material for thermal insulation and their durability. Measured data can be used together with simulation and calculation to show trends in future.

Walk-in environmental chamber on the European market

Currently, there is 5 large companies manufacturing walk-in environmental chambers on the European market. Manufactures are Weiss, CTS, Feutron, Netzsch and Angelantoni. Walk-in environmental chambers are custom-made according to the client's requirements. The requirements can be size of chamber, technical details, or addition in form of raining, solar simulation or shaking.

Sources

[1] [online]. Available from: https://analyzingtesting.netzsch.com/en/products/thermal-conductivity/tdw4140-and-tdw-4240

[2] TKK, Hot; BOX, Cold. Environmental chamber for investigation of building envelope performance. Journal of Architectural Engineering, 1997, 97.

[3] KIVIOJA, Henna; VINHA, Juha. Hot-box measurements to investigate the internal convection of highly insulated loose-fill insulation roof structures. Energy and Buildings, 2020, 216: 109934.

[4] DAEMS, David, et al. Design of an advanced hot box-cold box with full climatic control to test heat, air and moisture transport through real scale building elements. In: E3S Web of Conferences. EDP Sciences, 2020. p. 1900