läheisyydessä [8, s. 429]. Suuria kosketusjännitteitä voi kuitenkin esiintyä myös kau-kana vikapaikasta, jos vikapaikan lähellä on johtavia rakenteita. Kuvassa 13 on esitetty maadoitetun kaapelin kosketussuojan kautta siirtyvä jännite, mutta saman-kaltaisen tilanteen voisi aikaansaada myös maahan upotetut metalliset rakenteet, kuten viemärit ja vesiputket.
4.3 Vaarajännitteitä koskevat vaatimukset
Sähkövirran vaarallisuus ihmiselle riippuu pääasiassa sähkövirran suuruudesta, kulku-reitistä ja vaikutusajasta. Kuvassa 13 esitetyistä tilanteista vaarallisimpana voidaan pitää kosketusjännitetilannetta ilman potentiaaliohjausta, jolloin suuri osa sähkö-virrasta kulkee kuvatun ihmisen sydämen kautta. Pahimmassa tapauksessa edellä esitetyt vaarajännitetilanteet saattavat johtaa sydänkammiovärinään ja kuolemaan, kun liiallisen suuri virta vaikuttaa ihmiseen riittävän kauan. [17, s. 19]
Käytännössä maasulun aikaisista raja-arvoista tunnetaan suurin mahdollinen maajännite, mikä saadaan laskemalla UE yhtälöstä (11), kun käytetään maavirtana suurinta vikapaikan maasulkuvirtaa kaavojen (5) ja (7) mukaisesti. Sähkövirran raja-arvo on muutettu SFS-EN 50522 -standardissa sallitun kosketusjännitteenUT p raja-arvoksi, jolloin sitä voidaan verrata laskettuihin jännitteisiin [17, s. 19].
Kuvassa 14 esitetty kuvaaja sallitusta kosketusjännitteestä on johdettu liitteessä A esitetystä virtakuvaajasta c2, mikä vastaa alle viiden prosentin todennäköisyyttä sydänkammiovärinälle. Kuvan14 sallittu kosketusjännitekuvaaja perustuu neljän eri kosketusjännitetapauksen painotettuun keskiarvoon. Eri tapaukset on laskettu eri
Kuva 14: Sallittu kosketusjännite. [7, s. 93]
HF ja BF kertoimilla yhtälöllä (12):
UT p=IB(tf)· 1
HF ·ZT(UT)·BF, (12) jossaIB(tf) on liitteessä A esitetty käyrän c2 sallittu kehon virta, HF on sydämen virtakerroin, ZT on taulukon3 kehon impedanssi 50 %:lla väestöstä ja BF on kehon kerroin. [7, s. 101]
Sydämen virtakertoimella HF on kuvattu sähkövirran kulkureitin vaarallisuutta, kun taas kehon virtakertoimella BF kuvataan eri kulkureittien muuttuvan impe-danssin vaikutusta. Sydämen virtakertoimia sähkövirran eri kulkureiteille on esitetty taulukossa A1. Kehon virtakertoimet on esitetty IEC/TS 60479-1 -standardissa.
Jakeluverkon maadoitusten suunnittelua ja rakentamista ohjaavat pääosin SFS 6001 -standardissa määritetyt jakelumuuntamoiden suurimmat sallitut maadoitus-jännitteet. Standardissa esitettyjen vaatimusten perusteella määritetään jakelumuun-tamoille F-kerroin, jota käytetään kaavassa (13) suurimman sallitun maadoitusjän-nitteen laskennassa. Vaatimukset koskevat TN-järjestelmän pienjänniteverkkoa, jossa suur- ja pienjännitemaadoitukset on yhdistetty. Vaikka vaatimukset koskevat ainoas-taan TN-järjestelmää, tulee taulukon maadoitusjännitteiden vähimmäisvaatimukset täyttyä riippumatta pienjännitejärjestelmästä, kun pien- ja suurjännitemaadoitukset on yhdistetty jakelumuuntamolla.
UE ≤F ·UT p, (13)
jossa UE on sallittu maadoitusjännite ja UT p on kuvaajasta14 luettu suurin sallittu
Taulukko 3: Kehon kokonaisimpedanssit ZT kädestä käteen vaihtovirralla 50/60 Hz suurilla kosketuspinnoilla ja kuivissa olosuhteissa (muokattu). [28, s. 15]
Kosketusjännite
[V] Kehon kokonaisimpedanssien ZT [Ω] arvot, joita ei ylitetä 5 %:lla väestöstä 50 %:lla väestöstä 95 %:lla väestöstä
25 1 750 3 250 6 100
50 1 375 2 500 4 600
75 1 125 2 000 3 600
100 990 1 725 3 125
125 900 1 550 2 675
150 850 1 400 2 350
175 825 1 325 2 175
200 800 1 275 2 050
225 775 1 225 1 900
400 700 950 1 275
500 625 850 1 150
700 575 775 1 050
1000 575 775 1 050
Asymptoottinen arvo
= sisäinen impedanssi 575 775 1 050
kosketusjännite maasulkusuojauksen toiminta-ajan mukaan. [7, s. 143-144]
Taulukko 4: Maadoitusjännitteiden vähimmäisvaatimukset pien- ja suurjännitemaa-doitusten yhdistämiselle. [7, s. 96]
Vian kestoaika Rasitusjännite t
f≤ 5 s U
E≤ 1200 V t
f> 5 s U
E≤ 250 V
Jakeluverkon maadoituksia koskevassa osiossa 2.2 kuvatut jakeluverkon maadoi-tukset mitoitetaan kuvassa15 esitetyn suunnitteluprosessin lohkokaavion mukaisesti.
Carunan jakeluverkon maadoitusten suunnittelu tehdään asettamalla resultoivalle maadoitusimpedanssille tavoitearvo, jonka tulee alittua sähköverkon käyttöönoton yhteydessä tehtävissä maadoitusmittauksissa. Päivitetty SFS 6001 -standardi mah-dollistaa resultoivan maadoitusimpedanssin määrittämisen myös laskennallisesti vähintään kolmen muuntopiirin kattavasta yhteen liitetystä maadoitusjärjestelmästä [7, s. 145]. Resultoivan maadoitusimpedanssin laskennallinen määrittäminen tehdään maaperän resistiivisyysmittausten ja asennettujen maadoituselektrodien rakennetie-tojen perusteella. Maadoitusten sekä maaperän mittauksia käsitellään seuraavassa luvussa ja maadoitusten laskentaa käsitellään tarkemmin luvussa7.
Vaikka SFS 6001 -standardissa esitetyt vaatimukset jakelumuuntamoiden maadoi-tuksille esitetään yhtälön (13) mukaisesti kosketusjännitteinä, voidaan yleissääntönä
Kuva 15: Laajaan maadoitusjärjestelmään kuulumattoman maadoitusjärjestelmän suunnittelun lohkokaavio. [7, s. 94]
todeta vaatimusten täyttyvän myös askeljännitteille [7, s. 88]. Askeljännitteitä kos-kevat raja-arvot ovat kosketusjännitteitä suuremmat, koska virran kulkureitti on erilainen. Askeljännitteiden tapauksessa virran kulkureitti on jalasta jalkaan, mikä vaikuttaa yhtälön (12) sydämen -ja kehon virtakertoimiin.
Kertoimen F suurin sallittu arvo on Suomessa kaksi, mutta sitä suurempia kertoimia voidaan käyttää maaperän ollessa huonosti sähköä johtavaa ja standardissa SFS 6001 esitetyt lisävaatimukset täyttyvät [7, s. 143]. KerroinF saa olla arvoltaan 4, jos muuntopiirin alueen maaperä on huonosti sähköä johtavaa ja, kun seuraavat ehdot toteutuvat:
- syöttävän suurjänniteverkon maasulkusuojaus on laukaiseva,
- suoran maasulun riskiä on pienennetty muuntajan yläjännitepuolella,
- muuntamolla käytetään potentiaalinohjausta tai jotain SFS 6001 -standardin liitteen E mukaista eristystoimenpidettä,
- jokaisessa pienjänniteverkon haarassa on vähintään yksi maadoitus ja pienjän-niteverkon maadoitukset täyttävät SFS 6000-8-801 vaatimukset ja
- pienjänniteverkosta ei syötetä kohteita, joiden ulkotiloissa voi oleskella runsaasti ja usein ihmisiä. [7, s. 143-144]
Vastaavasti kerroinF saa olla arvoltaan 5, jos kaikki edellä olevat kohdat täyttyvät, muuntamolta syötetään yksittäistä rakennusta tai sähkölaitteistoa, ja seuraavat vaatimukset täyttyvät:
- syöttävässä rakennuksessa on maadoituselektrodiin kytketty pääpotentiaalinta-saus ja
- maaperä on huonosti johtavaa kaikilla todennäköisillä sähkölaitteiden käyttö-paikoilla. [7, s. 144]
Kaapeloidussa keskijänniteverkossa ei juurikaan ole tarvetta käyttääF = 4 tai F = 5 kertoimia, koska maadoitusten yhdistymisen vaikutus keskijännitekaapelin kosketussuojien kautta pienentää tehokkaasti kaikkien yhdistyneen maadoitusjär-jestelmän muuntamoiden resultoivaa maadoitusimpedanssia. Näin ollen keskijänni-tekaapelin reduktiovaikutus pienentää yksittäisten muuntopiirien maadoitusresis-tanssien vaikutusta resultoivaan impedanssiin, sitä tehokkaammin mitä suurempi on yhdistyneiden muuntamoiden lukumäärä kaapeliverkossa.
5 Maadoitusten mittaus
Tässä luvussa käsitellään jakeluverkon maadoitusten mittausmenetelmiä ja -teoriaa.
Maadoitusten mittausten tarkoituksena on selvittää, onko maadoitukset rakennettu vastaamaan suunniteltuja tavoitearvoja ja täyttyvätkö vaarajännitteitä koskevat vaatimukset. Mittaukset suoritetaan yleensä vaihtovirralla, koska tasavirta aiheuttaa maaperän polarisoitumisen [29, s. 151]. Verkkotaajuiset häiriöt eliminoidaan yleensä syöttämällä verkkotaajuudesta poikkeavaa mittausvirtaa [29, s. 151].
5.1 Käännepistemenetelmä
Käännepistemenetelmä on Carunan verkossa yleisimmin käytetty maadoitusmittaus-menetelmä. Käännepistemenetelmä soveltuu parhaiten suppeiden maadoitusjärjestel-mien, kuten ilmajohtoverkon muuntopiirien mittaamiseen, mutta sitä on käytetty Carunan verkossa myös yhdistyneen maakaapeliverkon maadoitusjärjestelmän mit-tauksissa.
Käännepistemenetelmässä mitattavaan maadoituselektrodiin syötetään mittaus-virtaa Im virtaelektrodista kuvan16 mukaisesti. Mittausvirta aiheuttaa maaperään vastakkaismerkkisen potentiaalijakauman mitattavan kohteen ja virtaelektrodin ympärille, mitä mitataan eri etäisyyksiltä jännite-elektrodilla. Kun virta elektrodi on sijoitettu riittävän kauas mitattavasta kohteesta, jännitemittaus saadaan teh-tyä virtaelektrodin ja mitattavan kohteen potentiaalijakaumien vaikutusalueiden ulkopuolelta.
P C RE
V Im
Um
Um1 Um2 Um3
Um4
x Kuva 16: Käännepistemenetelmän periaate ja jännitehäviökäyrä.
Potentiaalijakaumien vaikutusalueiden ulkopuolelta tehdyt mittaukset näkyvät
mittauskäyrän vaakasuoralla osuudella, minkä avulla voidaan määrittää mitattavan kohteen maadoitusresistanssi. Liian lyhyt virtaelektrodin etäisyys näyttäytyy mit-taustuloksessa jyrkkänä jännitehäviökäyränä, josta ei ole nähtävissä vaakasuoraa osuutta. Tämän kaltaisen mittauskäyrän käännepisteestä luettu arvo antaa todellis-ta suuremman maadoitusresistodellis-tanssin arvon mittodellis-taustulokseksi. Maadoitusresistodellis-tanssi määritetään mittaustuloksista Ohmin lailla yhtälön (14) mukaisesti. [6, s. 6 XII][15, s. 23]
Rm = Um
Im, (14)
jossa Um on mittauskäyrän käännepisteestä luettu jännite ja Im on mittausvirta. [6, s. 3 XII]
Kuva 17: Käännepistemenetelmän 1 maadoituselektrodi, 2 virta elektrodi ja 3 jännite-elektrodi.
Yhdistyneen maadoitusjärjestelmän mittaamisessa on käytännössä hankala päästä jännite-elektrodilla mitattavan kohteen vaikutusalueen ulkopuolelle, mikä synnyttää epätarkkuutta mitattuun maadoitusvastukseen. Koska mittauskäyrä ei aina muistuta kuvan16 mukaista teoreettista kuvaajaa, mittauskäyrän tulkinnassa käytetään usein niin kutsuttua 60 %:n sääntöä [29, s. 149][30]. Sääntö perustuu käännepistemene-telmän teoreettiseen tarkkaan mittauspisteeseen, joka voidaan määrittää kuvassa 17 esitetylle mittaustilanteelle. Pinnassa olevana pallona mallinnetun mitattavan maadoituksen ja jännite-elektrodin väliltä mitattu jännite voidaan lausua elektrodien sijaintien funktiona:
jossar on mitattavan elektrodin säde,C virta elektrodin etäisyys mitattavan elektro-din keskipisteestä,P jännite-elektrodin etäisyys mitattavan elektrodin keskipisteestä, θ jännite- ja virtaelektrodien välinen kulma, Im mittausvirta ja ρ homogeenisen maaperän resistiivisyys [6, s. 4 XII].
Mitattu resistanssi Rm saadaan jakamalla yhtälö (15) mittausvirralla, kun taas mitatun resistanssin suhde todelliseen elektrodin maadoitusresistanssiin saadaan
yhtälöstä (16). Kun elektrodi mallinnetaan puolipallona maan pinnassa, saadaan todelliseksi resistanssiksi taulukon1 mukaisesti RE = 2πrρ .
Rm
Kun jännitemittaus tehdään virtaelektrodin suuntaisesti ja samalta puolelta, saadaan cosθ = 1 ja yhtälön (16) virhetermiksi ε:
ε=−1 c − 1
b + 1
c−b, (17)
jonka nollakohdaksi saadaan homogeenisessa maaperässä niin kutsuttu 60 %:n sään-tö: b= 0,618·c. [6, s. 4 XII][31]
Esitetyn käännepistemenetelmän tarkan mittausetäisyyden käytön sisältämät oletukset maaperän homogeenisuudesta ja elektrodijärjestelmän sähköisestä keski-pisteestä eivät kuitenkaan aina päde. Tarkka impedanssin mittaus saadaan vain, kun kohteen maadoitusjärjestelmä voidaan esittää ekvivalentti pallonpuoliskona ja mittaus on tehty kohteen sähköisestä keskipisteestä [15, s. 23]. Käytännössä käänne-pistemenetelmän mittaustulokseen voi aiheuttaa epätarkkuuksia esimerkiksi maan epähomogeenisuudesta, ulkoisista lähteistä sekä maadoituselektrodin muoto ja laatu [6, s. 5 XII].
Tarkemmissa käännepistemenetelmän teoreettisissa tarkasteluissa on huomioitu luvussa2.3.1 esitetyn kaksikerrosmaan vaikutus käännepistemenetelmän tarkkaan mittauspisteeseen. Tarkka mittauspiste siirtyy yhtälön (17) nollakohdasta riippuen kaksikerrosmaana mallinnetun pinta- ja pohjamaakerrosten heijastuskertoimesta κ ja ylemmän maakerroksen syvyydestä. Teoreettisesti tarkan mittausetäisyyden voidaan yleisesti todeta kasvavan etäisyydestä b = 0,618·c, kun heijastuskerroin on positiivinen. [32]
Kaksikerrosmaan heijastuskerroin on positiivinen, kun pohjamaakerroksen resis-tiivisyys on pintamaakerrosta suurempi. Tämän kaltainen tilanne syntyy esimerkiksi, kun huonosti sähköä johtava peruskallio ulottuu lähelle pintakerroksen savimaata mittauksen alueella. Näissä tapauksissa 60 %:n säännön käyttäminen mittaustu-loksen tulkinnassa näyttäytyy todellista pienempänä maadoitusresistanssin arvona, mikä antaa liian hyvän kuvan maadoitusjärjestelmän tehokkuudesta. Käännepisteme-netelmän mittausvirhe ei siis aina siirrä mittaustulosta vaarajännitteiden kannalta turvalliseen suuntaan.