Energiatuotanto ja -jakelu (Varavoimajärjestelmät ja -laitteet)
Toimiva varavoimajärjestelmä on selkeä, joustava ja oikein mitoitettu
Teollisuudessa, voimalaitoksilla, sairaaloissa sekä tietoliikenne- ja sähkönsiirtoverkkojen tärkeissä kohdissa tarvitaan varavoimaa, jotta sähkönsyötön katkeaminen ei pääsisi aiheuttamaan vaaratilanteita tai muuta vakavaa haittaa. Varavoimajärjestelmän suunnittelussa joudutaan usein pohtimaan toisaalta suojaustarpeiden kriittisyyttä, toisaalta taas lisäinvestoinnin oikeaa kohdentamista ja kustannustehokkuutta.
Vakavissa sähkökatkotilanteissa on varmistettava, että sairaaloissa pystytään jatkamaan elintärkeitä hoitotoimia, että ydinvoimalaitosten jäähdytyspumput eivät kytkeydy pois päältä ja että matkapuhelinverkko pysyy ainakin jonkin aikaa toiminnassa.
Keskeytymätöntä sähkönsaantia tarvitaan myös siksi, että äkillinen sähkönsyötön keskeytys voi aiheuttaa myös kalliita laitevikoja. Nykypäivän tekniset laitteet vaativat toimiakseen tasaista ja jatkuvaa verkkovirtaa. Lisäksi teollisuuden prosesseissa saatetaan käsitellä sellaisia materiaaleja, jotka voivat koneiden pysähtyessä joko vahingoittua itse tai aiheuttaa vaurioita prosessilaitteille.
Tyypillisesti laitteistoja suojataan keskeytymättömän sähkönsyötön varmistavilla UPS-laitteistoilla ( Uninterruptible Power Supply), jotka perustuvat akustoihin. Mikäli akkujen kapasiteetti loppuu, varavoiman syöttöä on mahdollista jatkaa dieselöljyllä toimivilla aggregaateilla, jotka tuottavat sähköä ja samalla lataavat vara-akkuja.
Varavoimajärjestelmän koneet voivat olla sekä kiinteitä että siirrettäviä. Niitä asennetaan joskus esimerkiksi perävaunuihin.
Laitteistojen suunnittelussa on kiinnitettävä huomiota muun muassa siihen, kuinka paljon varavoimatehoa ja mahdollisesti käynnistysvirtaa eri kohteissa vaaditaan. Suurta varavoimatehoa – joskus useita megawatteja – voidaan tarvita vaikkapa energiantuotannossa, teollisuudessa sairaaloissa ja datakeskuksissa.
Varavoimaa heti – tai pienellä viiveellä
Varavoimajärjestelmä voi toimia kahdella vaihtoehtoisella tavalla. Varmennus saattaa perustua joko katkeamattomaan tai katkolliseen sähkön syöttöön.
Toteutustavan valintaan vaikuttavat turvallisuusnäkökohdat tai taloudelliset syyt – usein molemmat. Toisaalta sähkönsyötön varmennukselle on asetettu vaatimuksia lainsäädännössä ja muissa viranomaisten määräyksissä, koska on tärkeää turvata esimerkiksi huoltovarmuutta, ihmisten turvallisuutta sekä yhteiskunnan eri toimintoja.
Kun suunnitellaan jonkin kohteen suojaamista varavoimajärjestelmällä, on tunnettava suojattavan tilan käyttötarkoitus, samoin kuin sähkönsyötön katkeamisen mahdolliset välilliset ja välittömät vaikutukset. Tätä varten tarvitaan riskikartoitusta tai riskianalyysiä.
Katkeamattoman sähkönsyötön järjestelmää (UPS) tarvitaan silloin, kun sähkökatko voisi aiheuttaa esimerkiksi henkilöturvallisuusriskin. UPS-laitteiston akut syöttävät laitteille varavoimaa koko ajan, kunnes varavoimaa tuottava dieselgeneraattori pystyy syöttämään sähköä täydellä teholla.
Jos kuitenkin suojattava kohde on sellainen, että suojattavat laitteistot tai prosessit eivät kärsi hetkellisistä sähkön katkeamisista, saattaa olla taloudellista käyttää varajärjestelmänä katkollista järjestelmää.
Automatiikkaa ja käsin käynnistämistä
Katkollista syöttöä käytettäessä varavoimageneraattori on sijoitettu varavoimakeskuksen rinnalle. Tällöin sähkönsyöttöön tulee katkos yleisen sähkönjakelun keskeytyessä.
Laitteiston, joka on varmennettu katkollisella varavoimajärjestelmällä, tulee kestää hetkellisen sähkökatkoksen vaikutukset. Kun dieselkäyttöinen aggregaatti käynnistyy, se alkaa muutaman minuutin kuluttua syöttää sähkövirtaa generaattoriin kytkettyihin laitteistoihin.
Katkollinen sähkönsyöttö on mahdollista toteuttaa joko automaattisesti käynnistyvällä tai käsin käynnistettävällä varavoimajärjestelmällä. Yleensä varavoimajärjestelmät suunnitellaan automaattisesti käynnistyviksi, jolloin niihin kuuluu yleisen sähköverkon tilaa seuraava ohjausautomatiikka.
Monesti halutaan välttää varavoimajärjestelmään kytkettyjen laitteiden syöttökatko, kun palataan varavoimakäytöstä verkkokäyttöön. Tällöin systeemi toimii siten, että varavoimakone ja yleinen verkko syöttävät hetkellisesti sähköä rinnakkain.
Rinnankäynti verkon kanssa kuuluu kuvioon myös siinä tapauksessa, että varavoimalaitos on tarkoitettu sähkön tehohuippujen tasaamista varten.
Modulaarisuus tuo joustoa
Viime vuosina markkinoille on tullut modulaarisia UPS-varavoimajärjestelmiä, joiden avulla pyritään lisäämään käytettävyyttä ja rajoittamaan järjestelmän kokonaiskustannuksia.
Tällaisessa järjestelmässä yksittäinen UPS-moduuli pitää sisällään kaikki autonomisessa toiminnassa tarvittavat laitteistot ja ohjelmistot. Näitä voivat olla tasa- ja vaihtosuuntaaja, akkumuunnin, staattinen ohituskytkin, takaisinsyötön esto, ohjauslogiikka, näyttöpääte sekä kaavionäyttö, jota käytetään järjestelmän valvontaan ja ohjaukseen.
Kun kaikki kriittiset komponentit hajautetaan ja jaetaan erillisten yksiköiden kesken, mahdollinen yksittäinen vikakohta saadaan rajattua ja korjattua helpommin. Toisaalta modulaarisuudella voidaan optimoida akkukapasiteettia ja todennäköisesti säästää laitteiden vaatimaa lattiapinta-alaa, jolloin pienennetään investointikustannuksia.
Modulaarisen järjestelmän laajentaminen myös onnistuu tarvittaessa helposti.
Esimerkiksi hajautettuun rinnakkaisarkkitehtuuriin perustuvassa modulaarisessa UPS-järjestelmässä voi olla vaikkapa samassa 250 kW:n järjestelmäkaapissa erillisiä 50 kilowatin tehoisia moduuleja. Kun kaappeja voidaan tarvittaessa kytkeä jopa kuusi kappaletta rinnakkain, järjestelmä pystyy kattamaan tehoalueen 50–1500 kW. Tyypillisiä tällaisella systeemillä suojattavaksi soveltuvia kohteita ovat vaikkapa pienet ja keskisuuret datakeskukset, sairaalat, lentokentät sekä rautateiden turvalaitteistot.
Teksti: Ari Mononen
Kuvat: Unsplash
