Sähkömagneettinen yhteensopivuus voimalaitoksilla

Abstract

Sähkömagneettisen yhteensopivuuden merkitys voimalaitoksien turvallisuus- ja käyttövarmuusperusteisessa suunnittelussa on korostunut lähivuosien aikana. Sähkömagneettinen yhteensopivuus riippuu sähkölaitteiden häiriöpäästö- ja häiriösietotasoista. Tässä diplomityössä tutkitaan sähkömagneettista yhteensopivuutta ilmiönä, sekä nykyisten standardien soveltuvuutta yhteensopivuuden suunnittelussa. Työn tavoitteena on selvittää mitä voimalaitosympäristön laitteilta ja laitteistoilta tulee vaatia sekä miten vaatimuksia tulee tulkita.

Sähkömagneettiseen yhteensopivuuden tuomaan epävarmuuteen vaikuttaa voimalaitosympäristössä erityisesti säteilevät lähteet, kuten matkapuhelimet ja taajuusmuuttajat. Säteilevät häiriöt ovat luonteeltaan vaikeasti havaittavia ja häiriötasot voivat nousta huomattavan korkeiksi. Tällöin on riski, että säteilevät häiriöt pystyvät aiheuttamaan laitehäiriöitä. Riskien minimoimiseksi tulee tuntea sähkömagneettiset häiriöt ilmiönä sekä niitä rajoittavat standardit.

Yhteensopivuusvaatimuksien selvittämistä varten teoriaa ja säädöksiä tutkitaan tässä työssä laajamittaisesti kokemuksien, kirjallisuuden, standardien ja lainsäädännön avulla. Kirjallisuuden avulla työssä selvitetään säteilevien ja johtuvien häiriöiden fysikaalinen luonne, ja standardeilla sekä lainsäädännöllä minimivaatimustaso voimalaitosympäristön sähkölaitteille. Lisäksi työssä toteutetaan tutkimushaastatteluita suomalaisten voimalaitosoperaattoreiden sähkösuunnittelijoille ja vastaavissa tehtävissä työskenteleville asiantuntijoille. Tutkimushaastatteluilla selvitetään voimalaitoksilla nykyisin kohdattavat haasteet ja kehitystarpeet.

Tutkimus osoittaa, että voimalaitosympäristön laitteille ja laitteistoille selkeästi soveltuvia tuotekohtaisia standardeja on rajoitetusti ja käyttökelpoiset standardit ovat lähtökohtaisesti yleisstandardeja. Yksittäiset yleisstandardit eivät luo kuitenkaan erehtymätöntä tarkkuutta sähkömagneettisesta yhteensopivuudesta. Laitteelle soveltuvat päästö- sekä sietorajat tulee määrittää sen turvallisuusmerkityksen perusteella. Vaatimusmäärittelyssä tulee käyttää validointi- ja verifiointiprosessia, jolloin soveltuvien testien ja vaatimusten oikeellisuudesta voidaan varmistua hyväksyttävällä tarkkuudella. Työn tuloksena kehitettiin vaatimusten valintaprosessimalli, joka auttaa suunnittelijoita määrittämään oikean vaatimustason. Kehitetyn mallin avulla määritettiin yleiset yhteensopivuusrajat voimalaitoksille. Lisäksi työssä annettiin ehdotuksia sähkömagneettisen yhteensopivuuden suunnitteluprosessin kehittämiseksi.

Importance of electromagnetic compatibility in safety and operation function of power plants has been emphasized over the recent years. Electromagnetic compatibility depends on emission and immunity level of electrical equipment and devices. This thesis studies electrical compatibility as theoretical phenomenon and its suitability of the existing standards for designing. The aim of this thesis is to clarify what should be required from electrical equipment and devices in operating power plants to achieve electromagnetic compatibility.

Electromagnetic compatibility uncertainty is particularly affected by radiated sources such as cellular phones and electrical drives. Radiated interference phenomena by nature is challenging to predict and distribution level may rise remarkably high. Distribution may cause equipment malfunctions. To manage the risks, electromagnetic interference have to be known as phenomenon and in accordance with existing standards.

In order to determine compatibility requirements, theory and standards are studied extensively by using operators experience, literature, standards and legislation. With literature, physical phenomena of radiated and conducted disturbances are studied. Minimum level of requirements for power plant environment is determined by standards and legislation. In addition, research interviews are accomplish with Finnish power plants design engineers and experts who are working in related field. The purpose of interviews is to find out current challenges that design engineers are facing and developments that are needed to compatibility design process.

The research result shows that product standards for the equipment and devices are limited and generic standards for emissions and immunity are mostly useful. However, generic standards do not offer unmistakable accuracy of electromagnetic compatibility. The equipment and devices emission and immunity levels should be applied based on their safety classification. Requirement specification validation and verification process should be used to ensure acceptability of used test methods and requirements. The correctness can then be ensured with acceptable accuracy. As a result requirement selection process was developed in thesis. Selection process helps designers to determine correct levels of requirements. The developed model was used to define general compatibility limits for power plants. In addition, suggestions were given for the development of electromagnetic compatibility designing process.