Huonolaatuinen sähkö voi leikata laitteen elinkaaresta yli puolet

Energiajärjestelmämme on historiallisessa murroksessa, kun tavoittelemme hiilineutraaliutta ja maailma sähköistyy. Murros tuo mukanaan puhtaamman energiatulevaisuuden, mutta haastaa samalla sähkön laatua.

”Olemme meneillään olevassa murroksessa monen uuden edessä. Sähkön laatua haastavat sekä tuotannon että kulutuksen muutokset. Uusiutuvan energian ja tehoelektroniikan lisääntyminen tuovat haasteita verkon jännitteelle, aallonmuodolle, taajuudelle ja myös verkon dynaamiselle stabiilisuudelle”, Service Sales Specialist Tomi Turkia Hitachi Energystä sanoo.

Ennen sähköä tuottivat pääasiassa voimaloiden suuret ja raskaat suoraan verkkoon kytketyt generaattorit. Niiden  massoihin sitoutunut liike-energia hidastaa muutoksia ja vakauttaa järjestelmää, mikäli tuotanto ja kulutus eivät pysy tasapainossa. Näin suoraan verkkoon kytketyt generaattorit toivat verkkoon eräänlaista joustoa. Tulevaisuudessa niiden osuus on yhä pienempi. Ennen inertiaa tarjosivat myös suuret moottorit, jotka pyörivät sähköverkon taajuuden tahdissa. Nyt valtaosa moottoreista saa sähkönsä tasasuuntaajan kautta.

”Tuulivoimalassakin on toki generaattori, joka muuttaa lapojen liike-energian sähköenergiaksi, mutta se on liitetty verkkoon suuntaajan kautta, ja suuntaajan sähkötekninen toiminta ei mahdollista generaattorin inertian hyödyntämistä verkkotaajuuden muutosten vastustamisessa. Inertiaa ei tarjoa myöskään aurinkovoimala, eikä vetyä tuottava elektrolyysilaitos. Lisäksi tuuli- ja aurinkovoima ovat sääriippuvaisia, vaikeasti ennustettavia ja nopeasti vaihtelevaa tuotantoa, mikä osaltaan lisää tarvetta järjestelmän joustolle.”

Meneillään olevassa muutoksessa taajuuden ylläpidosta tulee vaativampaa. Ellei taajuutta kyetä ylläpitämään joka hetki, aiheutuu sähköjärjestelmän toimintaan häiriöitä. Jos sähköverkon toimintaa vakauttava inertia jää liian pieneksi, uhkaa järjestelmää vakavat stabiilisuusongelmat, erityisesti verkon häiriötilanteissa tai nopeissa tuotannon tai kulutuksen muutoksissa.

Näiden ongelmien välttämiseksi tarvitaan kokonaan uusia ratkaisuja. Kysynnän ja tuotannon tasapainottamiseksi ja  taajuuden säätöön tarvitaan uutta kapasiteettia. Perinteisen vesivoiman ja osin fossiilisen joustavan tuotannon lisäksi ja sijaan tarvitaan lyhyen ja pitkän aikavälin kysynnän joustoa. Myös akkuenergiavarastot toimivat erinomaisesti lyhytaikaiseen kuormien tasapainottamiseen ja taajuuuden säätöön. 

Myös verkon inertiaongelmaan on olemassa ratkaisuja. Yksi vaihtoehto on Synchronous Condenser -teknologia, toinen Enhanced Statcom, missä yhdistyy kyky aktiiviseen jännitehäiriöiden tasapainottamiseen sekä merkittävä inertian tuottokyky. 

Tasasuuntaajat tuovat sähkön laatuhaasteet jokaiseen kiinteistöön

Uusiutuva energiantuotanto ei ole ainoa syy laatuhaasteiden lisääntymiseen. Myös tehoelektroniikan lisääntyminen kulutuksessa haastaa sähkön laatua

”Tasasuuntaajat ja muu tehoelektroniikka tuovat omat ongelmansa sähkön jännitteeseen varsinkin, jos ne ovat laadultaan heikkoja. Nämä ongelmat eivät koske vain suurten tehtaiden moottoreita, vaan tehoelektroniikkaa käytetään lähes kaikissa sähkölaitteissa tietokoneista ja LED-lampuista alkaen”, Turkia sanoo.

Huonolaatuinen tehoelektroniikka voi heikentää sähkön laatua esimerkiksi toimistokiinteistön sähköverkossa ja aiheuttaa siten toimintahäiriöitä ja vaurioita herkissä laitteissa. Turkia huomauttaa, että herkkiä ovat lähes kaikki elektroniikkaa sisältävät laitteet.

”Sähkön laatu siis heikkenee ja aiheuttaa monenlaista harmia: sähkölaitteiden käytössä ilmenee häiriöitä, ja laitteita myös rikkoutuu ennen aikojaan, huonolaatuinen sähkö voi leikata vaikkapa näyttöpäätteen elinkaaresta pois puolet tai enemmänkin. Tätä tapahtuu niin tehtaissa kuin toimistoissa, ja vuosi vuodelta enemmän, ellei laatuhaasteisiin puututa.”

Sähköautojen lataus vaatii huolellista suunnittelua

Hitachi Energyn Senior Service Engineer Ilkka Kesäläinen nostaa erityiseksi huolenaiheeksi sähköautojen latauksen. Suurteholatauslaitteet sisältävät suuritehoisen tasasuuntaajan, jonka kautta auton akkuun syötetään sähköenergiaa.

”Latauksen tehovaatimukset kasvavat lähivuosina edelleen, samoin latauslaitteiden määrä. Jos sähköverkkoon jää heikkoja osia, häiriöitä voi aiheutua yksittäiselle sähkönkäyttöpaikalle, mutta myös laajemmin sähköjärjestelmään”, Kesäläinen sanoo.

Kesäläinen toivoo, että suurteholatauksen tilaaja, suunnittelija, asentaja sekä laitetoimittaja selvittävät kohteen sähkönlaadulliset vaikutukset tarkasti olettamatta, että asia on toisen vastuulla tai hoidossa.

”Se, että noudattaa latauslaitteiston valmistamisessa sähkölaitteita ja -järjestelmiä koskevia standardeja, ei välttämättä riitä varmistamaan, että häiriöitä ei lopullisessa asennuksessa ilmenisi.”

Ylijännite, yliaalto ja loisteho – tyypilliset laatuongelmat

Kun Turkia ja Kesäläinen puhuvat sähkön laatuongelmista, he viittaavat tyypillisesti ylijännitteeseen ja jännitekuoppiin sekä harmonisiin yliaaltoihin, joita juuri tehoelektroniikan komponentit voivat aiheuttaa. Näiden ohella sähkön laatua haastaa loisteho, jota kulkee verkossa pätötehon rinnalla.

Kuten pätötehon, myös loistehon tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa. Säävarman verkon rakentaminen on kuitenkin lisännyt viime vuosina loistehon määrää, koska loistehoa syntyy maakaapeleissa. Loistehon kulutus on puolestaan laskenut, koska sitä kuluttavia sähkölaitteita, kuten suoraan verkkoon kytkettyjä sähkömoottoreita on korvattu suuntaajakäyttöisillä järjestelmillä.

Siinäkin tapauksessa, että loistehon tuoton ja kulutuksen määrät vastaisivat toisiaan suuressa kuvassa, yhtälö ei välttämättä toimi parhaalla mahdollisella tavalla. Loistehon siirto laajemmin sähköverkossa on teknisesti mahdollista, mutta se syö kapasiteettia pätötehon siirrolta niin jakeluverkossa kuin kuluttajien omissakin sähköjärjestelmissä. Niinpä loistehon kuluttajien on usein järkevää tuottaa tarvitsemansa loisteho itse loistehoa kuluttavan laitteen lähellä, ja verkkoyhtiön puolestaan hallita loistehon määrää jakeluverkon tasolla.

”Viimeistään nyt kannattaa selvittää, mikä on loistehon tarve sähköliittymässä ja tuleeko loistehosta maksettua turhaan loistehomaksuja. Myös verkkoyhtiöissä on tärkeää varmistaa, että loistehoa kompensoidaan tavalla, joka on verkon teknisten reunaehtojen sekä talouden kannalta järkevintä”, Kesäläinen sanoo.

Loistehon kompensoinnilla tarkoitetaan tilanteesta riippuen loistehon tuottamista tai kuluttamista, siis sen määrän optimointia.

Sähköverkon kartoitus kannattaa – ratkaisuja riittää

Jos sähköverkko oikuttelee tai laitteet vaurioituvat ennen aikojaan, Turkia pitää hyvänä lähtökohtana sähköverkon sähkönlaadun kartoitusta mittauksien avulla.

”Kartoittamalla löytyvät esimerkiksi yliaaltojen ja jännitehäiriöiden määrät ja lähteet, minkä jälkeen niihin voidaan löytää oikeat korjaavat toimenpiteet. Hitachi Energyn asiantuntijat pystyvät suunnittelemaan ja toimittamaan ratkaisut sähkönlaadun ongelmien ratkaisemiseen eri jännitetasoilla”, Turkia sanoo.

Tyypillisiä sähkön laatua parantavia laitteita ovat muun muassa aktiiviset ja passiiviset yliaaltosuodattimet, loistehon kompensointilaiteet sekä FACTS-laitteistot. Turkia lisää luetteloon myös akkuenergiavarastot, jotka ovat jo yleistyneet sähkön tuotannon ja jakelun yhteydessä.

”Sen lisäksi, että energiavaraston avulla voidaan tarjota esimerkiksi tuulella tai auringolla tuotettua sähköä huippukulutuksen aikaan, sitä voidaan hyödyntää myös sähköverkon taajuuden ylläpitämisessä. Energiavarasto pystyy reagoimaan alle sekunnissa, jos esimerkiksi tuulivoiman tuotanto hetkellisesti vähenee”, Turkia sanoo.