Sähkötekniikka ja –turvallisuus, T700403, 3 op

1
Sähkötekniikka ja –turvallisuus, T700403, 3 op
syksy 2015, Pekka Rantala
Opintojakson sisällön voi jakaa kolmeen suurempaan asiakokonaisuuteen:
sähkötekniikka, sähköturvallisuus ja sähkötyöturvallisuus.
Lähiopiskelua luokassa
Lähiopiskelua laboratoriossa
Itsenäistä opiskelua
yhteensä 26 tuntia (sisältää kokeet)
yhteensä 12 tuntia = 6 kpl töitä á 2 h
3 (op) × 27 h – 38 h = 43 tuntia
yhteensä 81 tuntia
Laboratoriossa tehtävät työt ovat kaikille pakolliset. Tällä opintojaksolla opiskelija
perehdytetään sähkön vaaroihin ja opastetaan oikeisiin toimintatapoihin.
Opintojakson loppukoe ja laboratoriotyöt on pakko suorittaa hyväksyttävästi, jotta jatkossa
pääsee tekemään töitä sähkölaboratorioissa.
Opintojakson arviointiperusteet
-
Koemenestys (suurin painoarvo)
-
Tuntiaktiivisuus ja asiallinen käyttäytyminen
-
Laboratoriossa toimiminen
 Asiallinen käyttäytyminen
 Ohjeiden noudattaminen TURVALLISUUS!
 Tehtäviin paneutuminen
2
Sisällys
1.
SÄHKÖTEKNIIKKAA ................................................................................................................................................ 3
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.
SÄHKÖN PERUSSUUREET ............................................................................................................................................. 3
VASTUSKYTKENNÄT.................................................................................................................................................... 5
KIRCHOFFIN LAIT ....................................................................................................................................................... 6
TASA- (DC) JA VAIHTO- (AC) SÄHKÖ ............................................................................................................................. 6
MUUNTAJA .............................................................................................................................................................. 8
3-VAIHEJÄRJESTELMÄ ................................................................................................................................................. 9
SUOMEN SÄHKÖVERKON RAKENNE.............................................................................................................................. 10
IMPEDANSSI Z......................................................................................................................................................... 12
SÄHKÖTURVALLISUUS ......................................................................................................................................... 13
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
LUVALLINEN SÄHKÖTYÖ ............................................................................................................................................ 13
SÄHKÖTURVALLISUUSMÄÄRÄYKSET ............................................................................................................................. 14
KIINTEISTÖN SÄHKÖVERKKO....................................................................................................................................... 15
JAKELUJÄRJESTELMÄT ............................................................................................................................................... 15
SUOJAUSMENETELMÄT ............................................................................................................................................. 17
SYÖTÖN AUTOMAATTINEN POISKYTKENTÄ .................................................................................................................... 18
SUOJAUSLUOKAT 0, I, II JA III SEKÄ SUOJAEROTUS.......................................................................................................... 19
LISÄSUOJAUS VIKAVIRTASUOJAA KÄYTTÄEN ................................................................................................................... 19
YLIVIRTASUOJAUS .................................................................................................................................................... 20
SÄHKÖLAITTEIDEN KOTELOINTILUOKAT (IP-LUOKKA)....................................................................................................... 21
MUUTAMA TÄRKEÄ ASIA ........................................................................................................................................... 22
SÄHKÖVIRRAN VAIKUTUS IHMISEEN ............................................................................................................................. 23
SÄHKÖTAPATURMIEN ENSIAPU ................................................................................................................................... 25
Sähkötyöturvallisuus omana dokumenttinaan
3
1.
Sähkötekniikkaa
1.1
Sähkön perussuureet
Sähkö on elektronien liikettä johtavassa aineessa. Elektronien liikkumisen saa aikaan
jännite-ero (potentiaaliero) kahden pisteen välillä, joiden välillä on johtava yhteys.
Elektronien liike saa aikaan sähkövirran johtimessa.
Virtapiirin pitää olla suljettu, jotta virta voi kulkea siinä.
”Suljettu virtapiiri”, ”Paluujohdin”, ”Kaikki mikä menee, pitää tulla myös takaisin.”
Sähköisen virtapiirin perusrakenne on seuraavan kuvan mukainen.
Virta I
Jännitelähde,
syöttö
Jännite U
Kuorma
Resistanssi R
Virta I
Vertaus:
Mikä vastaa virtaa, jännitettä ja vastusta veden virtauksessa?
4
Voiko olla jännitettä ilman virtaa?
Voiko olla virtaa ilman jännitettä?
Virtapiiri on kelluva, jos mitään sen pistettä ei ole yhdistetty yhteiseen nollapisteeseen eli
maahan (Ground = GND). Kelluva virtapiiri on maadoittamaton. Yhteisen maan potentiaalin
ajatellaan (toivotaan?) olevan nolla volttia.
Maadoitettu virtapiiri on yhdestä pisteestä yhdistetty maahan. Jos virtapiiri toimii ”oikein”,
niin maadoitusjohtimessa ei kulje lainkaan virtaa, koska maadoituksen kautta ei synny
suljettua virtapiiriä, josta virralla olisi paluureittiä.
U
U
Kuorma
GND
Kuorma
GND
Kelluva virtapiiri
Maadoitettu virtapiiri
Potentiaalieroa eli jännitettä merkitään symbolilla U.
Jännitteen yksikkö on voltti, V.
Johtavan yhteyden ”hyvyyttä” mitataan resistanssilla eli vastuksella, jonka symboli on R.
Resistanssin yksikkö on ohmi, Ω.
Jännite synnyttää johtimeen sähkövirran, jonka symboli on I.
Virran yksikkö on ampeeri, A.
Johtimeen syntyvän virran suuruus määräytyy ohmin lain mukaan:
I = U/R
eli
U = R×I
Virran kulkeminen johtimessa vastaa energian siirtymistä paikasta toiseen. Isossa
mittakaavassa virtapiirin tarkoituksena onkin energian siirtäminen paikasta toiseen, sähkön
”syntysijoilta” kulutuskohteeseen. Siirretty energia on yleensä tarkoitus saada kulutettua
kulutuskojeessa eli kuormassa, joka voi olla esim. valaisin, lämmitin tai sähkömoottori.
Sähkölähdettä voidaan kuormittaa paljon tai vähän. Pieni kuormitus tarkoittaa pientä virtaa,
suuri kuormitus suurta virtaa.
5
Mitä kauemmin sähköä virtaa, sitä suurempi määrä energiaa siirtyy. Usein kiinnostuksen
kohteena on kuitenkin energian siirtymisen sijasta energian siirtymisen nopeus eli teho.
Teho vastaa kysymykseen: Kuinka nopeasti energiaa siirtyy?
Tehon symboli on P. Tehon yksikkö on watti, W.
Virtapiirin kuorman teho voidaan laskea kaavalla:
P = U×I
Kaavassa U on kuorman navoissa vaikuttava jännite ja I on kuorman läpi kulkeva virta.
Kaavaparilla ”URI PUI” (= ”PUImURI”) pystytään ratkaisemaan suuri määrä erilaisia
sähkölaskuja. Kaavoja käytettäessä pitää muistaa eri suureiden yksiköt:
jännite:
voltti, V
virta:
ampeeri, A
resistanssi: ohmi, Ω
teho:
watti, W
U
R×I
Jos kulutuslaitteen teho on vakio P, niin ajassa t se kuluttaa energian E = P×t.
Sähkötekniikassa energian yksikkönä käytetään kilowattituntia, kWh.
1.2
Vastuskytkennät
R1
R2
R3
Sarjakytkentä:
Rkok
Rkok = R1 + R2 + R3
Rinnankytkentä:
R1
R2
R3
Rkok
1
1
1
1



R kok R 1 R 2 R 3
P
U×I
6
1.3
Kirchoffin lait
Kirchoffin virtalaki, pistesääntö (1. laki)
Pisteeseen tulevien virtojen summa on sama kuin pisteestä lähtevien virtojen summa.
Eli virtapiirin pisteeseen tulevien ja siitä lähtevien virtojen summa = 0.
I3
I1
I1 + I 2 = I3 + I 4
I2
I4
+ I 1 + I 2 - I3 - I4 = 0
Kirchoffin jännitelaki, silmukkasääntö (2. laki)
Virtapiiriin silmukkaan vaikuttava kokonaisjännite on piirin jännitehäviöiden summa.
Virtapiirin silmukan ympäri laskettujen eri osien potentiaalierojen summa = 0.
U1
R1
U
R2
U2
U = U1 + U2 + U3
R3
U3
1.4
Tasa- (DC) ja vaihto- (AC) sähkö
Tasasähkössä (DC = Direct Current) elektronit liikkuvat eli virta kulkee koko ajan samaan
suuntaan. Tasasähkön jännitelähteessä on selkeästi + (plus) ja – (miinus) –napa.
Tasasähköä käytetään tyypillisesti pienissä sähkölaitteissa ja silloin, kun halutaan siirtää tai
käsitellä informaatiota sähkön avulla. Tasasähköä käytetään kuitenkin myös suuremmissa
sähkökoneissa ja esim. sähkökulkuneuvoissa.
Vaihtosähkössä (AC = Alternating Current) elektronien liikkumissuunta eli virran
kulkusuunta vaihtuu jatkuvasti.
Vaihtojännitteen arvo vaihtelee ajan suhteen jatkuvasti. Vaihtojännitteen arvo voidaankin
ilmoittaa usealla eri arvolla:
7
Hetkellisarvo
u(t)
Huippuarvo
Upeak = UP = Û (uu hattu)
Tehollisarvo
URMS = Ueff
Jos ei erikseen muuta mainita, niin vaihtosähkön jännitteellä tarkoitetaan sen tehollisarvoa.
Tehollisarvo on se jännitteen arvo, jolla esim. lämpöpatterissa saadaan aikaan sama
lämmitysteho kuin samanarvoisella tasasähköllä. Yleismittarit mittaavat vaihtojännitteestä
nimenomaan tehollisarvoa. Vaihtosähkön tehollisarvon merkintä on tyypillisesti U RMS (Root
Mean Square). Tavallisen verkkovirran 230 V on nimenomaan jännitteen tehollisarvo.
Vaihtosähköä käytetään tyypillisesti silloin, kun halutaan siirtää energiaa sähkön avulla.
Siirtomatkat voivat olla jopa satoja kilometrejä pitkiä. Vaihtosähkömoottorit ovat myös
rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin tasasähkömoottorit.
Vaihtosähkössä jännitteen hetkellinen arvo vaihtelee jatkuvasti ajan kuluessa, tyypillisesti
sinin muotoisesti. Suomen sähköverkon vaihtosähkön taajuus on 50 Hz, eli sekuntiin
mahtuu 50 kpl sinin muotoista jaksoa. Vaihtosähkön yksityiskohtaisessa tarkastelussa
pitääkin ottaa huomioon myös tämä ajallinen vaihtelu. Yksi vaihtosähkön jakso eli ”yksi täysi
kierros” vastaa 360 astetta.
DC-jännite = URMS:n lukuarvo
AC-jännite
Yllä olevan kuvan vaihtosähkön keskiarvo on 0 v (nolla), niin kuin yleensä kaikkien ACjännitteiden. AC-jännitteen yhteydessä keskiarvolla ei olekaan yleensä käytännön
merkitystä. AC-jännitteen tehollisarvon kannalta plus- ja miinus-jännitteinen vaihtosähkö on
täysin samanarvoista. Alla olevassa kuvassa on tasasuunnatun AC-jännitteen muoto.
Vaihtosähkön käytöllä energian siirrossa pitkillä matkoilla on yksi lyömätön etu verrattuna
tasasähköön. Vaihtosähkön jännitettä voidaan muuttaa helposti muuntajalla. Pitkillä
siirtomatkoilla käytetään suurta jännitettä, joka muutetaan pienemmäksi jännitteeksi vasta
lähellä kulutuspistettä.
Mikä on tehon P kaava virran I ja resistanssin R avulla
sanottuna?
Miksi sähköenergian siirto on järkevää tehdä suurella jännitteellä?
8
1.5
Muuntaja
Muuntaja on ainoastaan vaihtosähköllä toimiva muunnin, jonka avulla voidaan muuttaa
jännitettä toiseksi.
Muuntajan toimintaperiaate (lähde: www.fingrid.fi)
Muuntajassa on kaksi käämiä, ensio- ja toisiokäämi. Ensiokäämissä kulkeva virta synnyttää
magneettikentän, joka indusoi toisiokäämiin jännitteen. Ideaalisessa (= häviöttömässä) muuntajassa
ensiopuolen teho P1 siirtyy kokonaan toisiopuolen tehoksi P2, eli P1 = P2. Käämien kierroslukujen
määrästä määräytyy muuntajan muuntosuhde µ.
Ideaalisen muuntajan toimintaa voidaan ”hallita” seuraavilla kaavoilla:
muuntosuhde µ =
N1 = ensiopuolen käämin kierrosten määrä
U1 = ensiopuolen jännite
I1 = ensiopuolen virta
N1 U1 I 2


N 2 U 2 I1
N2 = toisiopuolen käämin kierrosten määrä
U2 = toisiopuolen jännite
I2 = toisiopuolen virta
Huomaa kaavoissa, että virtojen suhde on toisinpäin kuin jännitteellä! Miksi näin?
Eli kun muuntajalla jännite suurenee, niin virta pienenee ja päinvastoin.
Samalla periaatteella toimivia muuntajia on pieniä ja suuria.
http://www.fingrid.fi/fi/verkkohankkeet/kantaverkonABC/Sivut/ABCteho-ja-mittamuuntajat.aspx
9
1.6
3-vaihejärjestelmä
Sähköenergian siirrossa käytetään Suomessa 3-vaihejärjestelmää. Sillä on tiettyjä teknisiä
etuja tasasähköjärjestelmään tai 1-vaiheiseen vaihtosähköjärjestelmään verrattuna. Alla
olevassa kuvassa näkyy kolmen eri vaihejännitteen vaihtelu ajan funktiona.
3-vaihejärjestelmän vaihejohtimet voidaan kytkeä generaattorissa, muuntajassa,
sähkömoottorissa tai esim. lämmittimessä joko tähteen tai kolmioon.
L1
L1
L2
L2
L3
L3
N
Tähtikytkentä
Kolmiokytkentä
Tähtikytkennässä on tähtipiste, johon kytketään järjestelmän nollajohdin. Nollajohtimen ja
vaihejohtimen välillä on vaihejännite, Suomen pienjänniteverkossa 230 V.
Kolmiokytkennässä ei ole nollajohdinta lainkaan. Kahden vaihejohtimen välillä on
pääjännite, Suomen pienjänniteverkossa 400 V.
Yksittäinen tasasuunnattu vaihejännite (ja teho) on sykkivää.
Miten sykkivää on tasasuunnatun 3-vaihejärjestelmän kaikkien
vaiheiden summa (ja teho)?
10
1.7
Suomen sähköverkon rakenne
Suomen sähköjärjestelmä koostuu voimalaitoksista, kantaverkosta, jakeluverkoista sekä
sähkön kuluttajista.
( http://www.fingrid.fi/fi/yhtio/esittely/voimansiirtoverkko/Sivut/default.aspx )
Voimalaitos
Kantaverkko
Jakeluverkko
Kuluttaja
Fingridin hallitsemaan Suomen kantaverkkoon kuuluu yli 13 000 km voimajohtoja, joiden
jännitteet ovat 400 kV, 220 kV ja 110 kV.
Kuvia sähköpylväistä on esim. osoitteessa http://calm.iki.fi/tolpat/
400 kV Kiiminki, Koitelintie
(kuva Toivo Miettinen)
220 kV Pyhäkoski-Petäjävesi –linja, Muhos
(Kuva Janne Määttä)
400 kV:n voimalinjan eriste
(kuva Toivo Miettinen)
110 kV, Kannus
(Kuva Janne Määttä)
11
Jakeluverkkoa käytetään sähkön siirtoon kulutusalueilla pienille ja keskisuurille
sähkönkäyttäjille. Jakeluverkot voidaan jakaa edelleen keski- ja pienjänniteverkkoihin.
Keskijännite on Suomessa yleensä 20 kV. Pienjännite on ”töpselistä” saatava 230/400 V.
20 kV, Tyrnävä
(Kuva Janne Määttä)
20 kV. Jakelumuuntaja, Tyrnävä
(Kuva Janne Määttä)
Sähköasemat ovat sähköverkon solmukohtia, joissa sähkön siirto voidaan jakaa eri
johdoille. Sähköasemat voidaan luokitella kytkinlaitoksiin ja muunto-asemiin, joista edellinen
yhdistää vain saman jännitetason johtoja ja jälkimmäinen myös kahden eri jännitetason
johtoja. Muuntoasemalla on yksi tai useampi muuntaja.
Kytkinlaitteita ovat katkaisijat ja erottimet. Katkaisija kykenee katkaisemaan ja sulkemaan kuorma- ja
vikavirran. Erottimella ei pystytä kuorma- ja vikavirtaa katkaisemaan. Erottimella tehdään
kytkinlaitoksen osat jännitteettömiksi turvallista työskentelyä varten ja aikaansaadaan turvallinen ja
näkyvä avausväli erotetun virtapiirin ja muun laitoksen välille. (Sähköasema ja sen tärkeimmät
laitteet: Julkaistu Fingrid-lehdessä 1/2004
Kirjoittaja: Jani Heikkilä)
12
1.8
Impedanssi Z
Vaihtosähkön yhteydessä resistanssin sijasta käytetään termiä impedanssi, jonka symboli on Z.
Vaihtosähköllä virtapiiriin vaikuttava jännite ja siinä kulkeva virta eivät aina vaihtele samassa
tahdissa, vaan niiden välillä voi olla vaihe-eroa. Vaihtosähköpiirien tarkka käsittely johtaa
kompleksilukujen ja osoitinlaskennan käyttöön. Impedanssi Z on kompleksinen suure, joka koostuu
reaaliosasta ja imaginaariosasta. Resistanssi R on impedanssin Z reaalinen komponentti.
AC-virta
AC-jännite
Jännite ja virta samassa vaiheessa
Kuorma on resistiivistä
Jännitteen ja virran välillä vaihesiirtoa
Virta on jännitettä jäljessä
Kuorma on induktiivista
Yksinkertaisissa vaihtosähkövirtapiireissä voidaan olettaa, että jännitteellä ja virralla ei ole vaiheeroa tai se on lähellä nollaa. Tällöin kaavoja U=RI ja P=UI käytettäessä voidaan käyttää jännitteen ja
virran tehollisarvoa ja impedanssin Z sijasta resistanssia R.
Kondensaattori on komponentti joka vastaa kapasitiivista impedanssia. Kondensaattorin toiminnan
voi ajatella niin, että ensin sen läpi kulkee virtaa, jonka seurauksena se latautuu, jolloin jännite
kondensaattorin napojen välillä nousee. Jännite on siis jäljessä virrasta.
Vertaus:
Tyhjään vesisäiliöön pitää ensin virrata vettä.
Vasta sen jälkeen vesisäiliön pinnankorkeus nousee.
Pinnankorkeuden (jännite) nousu on siis jäljessä veden virtauksesta (sähkövirta).
Kela on komponentti joka vastaa induktiivista impedanssia. Induktanssissa virta on jäljessä
jännitteestä. Sähkömoottori ja sen sisältämät käämit vastaa induktiivista kuormaa.
Kondensaattori
Kela
Jos vaihtosähkössä jännitteen ja virran välillä on vaihe-eroa, niin tehoa ei voi laskea suoraan
kaavalla P=UI. Pätöteho on varsinainen työtä tekevä teho. Sen kaava on: P=UI×cosφ, jossa cosφ
on tehokerroin. Jännitteen kanssa eri vaiheessa oleva virta aiheuttaa loistehoa. Se kuormittaa
siirtoverkkoa, vaikka varsinaista ”hyötytehoa” ei saadakaan sillä siirrettyä. Sähkömoottoreiden
induktiivinen kuorma aiheuttaa sitä. Induktiivista loistehoa voidaan kompensoida kondensaattoreilla.
13
1.
Sähköturvallisuus
Sähköturvallisuusasioissa on käytössä seuraavat nimitykset eri jännitteille:
Pienjännite (Low Voltage = LV) on korkeintaan 1000 V AC- tai 1500 V DC-jännite.
Suurjännite (High Voltage = HV) on pienjännitettä suuremmat jännitteet.
Pienoisjännite (Extra Low Voltage = ELV) on enintään 50 V AC- tai 120 V DC-jännite.
2.1
Luvallinen sähkötyö
Sähköpätevyysluokitus
Sähköalan töitä saavat yleensä tehdä tai johtaa vain sähköalalla ammattitaitoiset henkilöt.
Vaativuustason perusteella on määritelty kolme sähköpätevyysluokkaa: SP1, SP2 ja SP3.
Sähköpätevyyden saaminen edellyttää kolmen ehdon täyttymistä:
-
Koulutus
Pelkkä suoritetun tutkinnon nimike ei osoita riittävää koulutusta, esim.
elektroniikka-insinööri. Suoritetun tutkinnon pitää sisältää riittävä määrä
sähkövoimatekniikan ja siihen läheisesti liittyviä opintoja. Tietotekniikan
insinöörin tutkinto ei (yleensä) täytä sisältövaatimuksia tältä osin.
-
Työkokemus
Koulutustason ja pätevyysluokan mukaan vaadittavan työkokemuksen
pituus vaihtelee. Työkokemuksen pitää olla ko. pätevyysluokan sallimiin
sähkötöihin perehdyttävää.
-
Turvallisuustutkinto
Turvallisuustutkintoja on kolmen tasoisia, kullekin sähköpätevyystasolle
omansa.
Eri pätevyysluokille sallitut työt ovat pelkistetysti seuraavat:
SP1
SP2
SP3
Oikeus tehdä
kaikkia sähkötöitä
Oikeus tehdä
enintään 1000 VAC –
töitä
Oikeus tehdä
sähkölaitteiden korjausja huoltotöitä
”verkostopätevyys”
”kiinteistöjen
sähköpätevyys”,
pienjännitepätevyys
”laitehuoltopätevyys”
Hissipätevyydet ovat oma asiansa, jotka ovat sähköpätevyyksien ulkopuolella.
14
EU-tasoinen konedirektiivi (”koneasetus”) sääntelee koneiden ja laitteiden turvallisuutta.
Esim. paperikoneen sähköasennukset ovat tämän direktiivin alaisia.
Kelpoisuustodistus
Sähköalan ammattihenkilö voi saada luvan joidenkin sähkötöiden tekemiseen ilman
pätevyystodistustakin. Kelpoisuustodistus oikeuttaa tekemään sähkötyöt, jotka kohdistuvat
oman tai lähisukulaisen hallinnassa olevan asunnon tai asuinrakennuksen sähkölaitteistoon.
Yleisesti sallitut sähkötyöt
Pääsääntöisesti sähkötöitä saavat tehdä vain sähköalan ammattilaiset. Tavallinen
sähkönkäyttäjä voi kuitenkin määrätyin edellytyksin tehdä joitakin sähkölaitteisiin ja
asennuksiin kohdistuvia toimenpiteitä edellyttäen, että hänet on opastettu tai hänb on
perehtynyt näihin toimenpiteisiin ennen kuin ryhtyy niitä tekemään. Opastuksen tehtäviin voi
antaa esimerkiksi sähköalan ammattilainen.
Yleisesti sallittuja sähkötöitä ovat mm. seuraavat (luettelo ei ole täydellinen):
 Tavallisen tulppasulakkeen vaihto
 Valaisimen lampun ja sytyttimen vaihto
 Yksivaiheisen jatkojohdon korjaus ja teko
 Sähkölaitteen rikkoontuneen yksivaiheisen liitäntäjohdon ja pistotulpan vaihto
 Valaisimen liitäntäjohdon välikatkaisimen vaihto
 Jännitteettömien pistorasioiden ja kytkimien kansien irrotus maalauksen ja tapetoinnin ajaksi
ja rikkoontuneiden kansien vaihto.
 Harrastustoimintaan tehtävät sähkölaitteiden kokoonpanotyöt; esimerkiksi
radioamatöörilaitteet tai elektroniikkarakennussarjat.
Sähköpätevyys- ja kelpoisuustodistuksia Suomessa myöntää Henkilö- ja yritysarviointi
Seti Oy, joka on Tukesin tähän tehtävään nimeämä puolueeton ja riippumaton yksityinen yritys.
2.2
Sähköturvallisuusmääräykset
Aiemmin Suomessa oli sähköturvallisuusmääräykset, jotka ohjeistivat Suomessa
sähköturvallisuuteen vaikuttavissa asioissa. Nykyisin, EU-aikana, saman asian hoitaa
standardisarja SFS 6000, Pienjännitesähköasennukset. Se käsittelee rakennusten ja
monien muiden kohteiden sähköasennusten suunnittelua, rakentamista ja tarkastamista.
Standardi ei sen sijaan koske esim. laivojen, lentokoneiden ja koneiden sähköasennuksia.
EU-jäsenyyden myötä Suomessa on luovuttu sähkölaitteiden pakollisesta
ennakkotarkastuksesta sekä FI-merkin pakollisesta käytöstä. Nykyisin sähkölaitteissa on
eurooppalaisten vaatimusten mukaisesti pakollinen CE-merkki, jolla laitteen valmistaja tai
maahantuoja vakuuttaa tuotteen täyttävän turvallisuusvaatimukset. Sähköturvallisuutta
valvova viranomainen Suomessa on TUKES, Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (entinen
Turvatekniikan keskus).
15
2.3
Kiinteistön sähköverkko
Pienen kiinteistön sähköverkon periaaterakenne ja nimitykset ovat seuraavan kuvan mukaiset.
2.4
Jakelujärjestelmät
Jakelujärjestelmien luokittelun keskeinen peruste on se, miten järjestelmä on maadoitettu.
TN-S –järjestelmä
TN-S –järjestelmä on yleisin (asuin)rakennusten sähköasennusten jakelujärjestelmä,
ainakin uusissa asennuksissa. Lyhennyksen kirjaimet tulevat sanoista Terra Neutral
Separate.
Järjestelmän virtapiirin yksi piste on suoraan maadoitettu (TN). Tavallisesti maadoitettu
piste on kolmivaihejärjestelmän tähtipiste. Sähkölaitteistojen ja –laitteiden jännitteelle alttiit
osat on yhdistetty tähän pisteeseen suojajohtimen välityksellä. Suojajohdin, PE-johdin, on
koko järjestelmässä nollajohtimesta, N-johdin, erillinen johdin.
L1
L2
L3
N
PE
Jännitteelle alttiit osat
Järjestelmän maadoitus
16
TN-C –järjestelmä
TN-C –järjestelmä on aiemmin käytössä ollut (asuin)rakennusten sähköasennusten
jakelujärjestelmä. Lyhennyksen kirjaimet tulevat sanoista Terra Neutral Combined.
TN-C –järjestelmä on käytössä pienjännitejakeluverkossa.
Järjestelmän virtapiirin yksi piste on suoraan maadoitettu (TN). TN-C –järjestelmässä sama
johdin, PEN-johdin, toimii sekä suoja- että nollajohtimena koko järjestelmässä.
L1
L2
L3
PEN
Jännitteelle alttiit osat
Järjestelmän maadoitus
TN-C-S –järjestelmä
TN-C-S –järjestelmä on kahden edellisen järjestelmän yhdistelmä. Tällaisessa
sekajärjestelmässä TN-C –järjestelmä on aina oltava syöttävän keskuksen puolella TN-S –
järjestelmään nähden. Kerran toisistaan erotettua nolla- ja suojajohdinta ei saa kytkeä enää
uudelleen PEN-johtimeksi.
L1
L2
L3
PE
N
PEN
Jännitteelle alttiit osat
Järjestelmän maadoitus
17
TT- ja IT-järjestelmät
TT-järjestelmässä (Terra Terra) on virtapiiri maadoitettu yhdestä pisteestä ja jännitteelle
alttiit osat omilla erillisillä maadoituksilla.
IT-järjestelmässä (Insulate Terra) mitään virtapiirin osaa ei ole suoraan kytketty maahan.
Kyseessä on maasta erotettu järjestelmä.
Kumpikin näistä järjestelmistä on harvinainen Suomessa pienjänniteasennuksissa.
Euroopassa näitä kyllä käytetään muissa maissa. IT-järjestelmää käytetään Suomessa
esim. leikkaussaleissa.
L1
L1
L2
L2
L3
L3
N
PE
PE
TT-järjestelmä
2.5
IT-järjestelmä
Suojausmenetelmät
Sähköisku on ihmiselle tai eläimelle syntyvä fysiologinen vaikutus, jonka sähkövirta
aiheuttaa kulkiessaan kehon kautta. Suojausmenetelmien tavoitteena on vähentää
sähköiskun saamisen riskiä. Tässä materiaalissa käsitellään vain TN-S –järjestelmän
suojausmenetelmiä.
Perussuojauksen tehtävänä on estää sähköiskun saaminen ehjästä eli täysin kunnossa
olevasta sähkölaitteesta. Aiemmin perussuojauksesta käytettiin nimitystä kosketussuojaus.
Vikasuojauksen tehtävänä on estää vaarallisen sähköiskun saaminen vioittuneesta
sähkölaitteesta yhden vian tilanteessa. Aiemmin vikasuojauksesta käytettiin nimitystä
kosketusjännitesuojaus.
Lisäksi useissa tilanteissa tarvitaan lisäsuojausta. Käytännössä se vastaa tyypillisesti
vikavirtasuojan käyttöä.
Perussuojauksella tarkoitetaan suojausta, jonka avulla estetään ihmistä joutumasta
kosketuksiin jännitteisten osien kanssa sähkölaitteiden ollessa normaalissa tilassa (ei
viallisia). Perussuojaukseen käytettävät eri menetelmät ovat seuraavat:
 Eristys
 Kotelointi ja suojaus
 Esteiden käyttö (käytössä vain erityispatapauksissa)
 Sijoittaminen kosketusetäisyyden ulkopuolelle (käytetään ilmajohdoissa)
18
Suojaus eristämällä jännitteiset osat ja suojaus koteloinnilla ovat yleisimmät
perussuojauksen toteutustavat. Esim. johtimien eristäminen ja kytkimien kotelointi edustavat
näitä menetelmiä.
Käytettäessä kotelointia jännitteisten osien suojaukseen tulee koteloinnin olla vähintään
luokkaa IP2X. Usein käyttöolosuhteet kuitenkin asettavat suurempia vaatimuksia.
Kotelointiluokkia on käsitelty tarkemmin eri kohdassa tässä materiaalissa.
Vikasuojauksella tarkoitetaan suojausta, jonka avulla estetään ihmisiä tai kotieläimiä
koskettamasta vian seurauksena jännitteiseksi tulleita johtavia osia niin, että siitä aiheutuisi
vaaraa. Vikasuojaukseen käytettävät eri menetelmät ovat seuraavat:
 Suojaus syötön automaattisen poiskytkennän avulla
 Käytetään suojaeristystä
 Käytetään sähköistä erotusta
 Käytetään riittävän alhaista jännitettä eli pienoisjännitettä (= suojajännite)
2.6
Syötön automaattinen poiskytkentä
Suojaus syötön automaattisen poiskytkennän avulla on yleisin vikasuojauksen toteutustapa.
Sen avulla on tarkoitus estää ihmistä joutumasta koskettamaan eristysvian aiheuttamaa
vaarallista kosketusjännitettä niin kauan, että siitä aiheutuisi vaaraa. Eristysvian aiheuttama
vikavirta ja syntyvä kosketusjännite on poistettava niin nopeasti, että se ei aiheuta vaaraa
ihmiselle. Standardin mukaan poiskytkentäaika saa olla enintään 0,4 sekuntia.
Syötön automaattisen poiskytkennän käyttäminen suojausmenetelmänä edellyttää
suojajohtimen käyttämistä. Sähkölaitteen kaikki jännitteelle alttiit osat kytketään
suojajohtimella syöttävään keskukseen. Jos laitteeseen tulee eristysvika, eli jännitteelle altis
osa tulee jännitteelliseksi, syntyy suojajohtimeen vikavirta eli tässä tapauksessa
oikosulkuvirta.
Vikatilanteessa syntyy suljettu virtapiiri, vikavirtapiiri. Siinä paluujohtimena toimii
suojajohdin. Vikavirtapiirin resistanssin pitää olla riittävän pieni, jotta vikatilanteessa syntyvä
oikosulkuvirta on puolestaan riittävän suuri, muutaman sadan ampeerin luokkaa. Riittävän
suuri oikosulkuvirta polttaa sulakkeen riittävän lyhyessä ajassa, enintään 0,4 s.
Oikosulkuvirran riittävän suuri arvo varmistetaan sillä, että johtimien poikkipinta-alat ovat
riittävän suuria. Johtimet eivät myöskään saa olla liian pitkiä.
Syötön automaattinen poiskytkentä toteutetaan sulakkeilla tai johdonsuojakatkaisijoilla eli
automaattisulakkeilla syöttävässä keskuksessa.
19
2.7
Suojausluokat 0, I, II ja III sekä suojaerotus
Sähkölaitteille on määritelty neljä numeroitua luokkaa sen mukaan, millä tavalla laitteen
käyttäjä on suojattu laitteen vikaantumisen aiheuttamalta vaaralta.
Suojausluokka 0
- Jännitteiset osat on eristetty vain peruseristyksellä
- Tavallisella (vanhanaikaisella) pistotulpalla varustettuja sähkölaitteita
Suojausluokka I
- Laitteessa on erillinen suojamaadoitusjohdin
- Suojamaadoitetulla pistotulpalla varustettuja sähkölaitteita
- Keltavihreä, KeVi-suojajohdin
Suojausluokka II
- Jännitteiset osat on eristetty vahvennetulla eristyksellä tai
kaksoiseristyksellä
- Suojaeristettyjä sähkölaitteita, joissa on ”litteä” europistotulppa
- Kaksoiseristyksellä varustetun laitteen tunnus
Suojausluokka III
- Laitteessa käytetään pienoisjännitettä, ELV = Extra Low Voltage (<50 VAC)
- Pienoisjännitteen vanha termi nykyisin on pienoisjännite
- Suojajännitteisiä sähkölaitteita ovat esim. lasten sähkölelut
- Suojajännitemuuntajan tunnus (joka on myös suojaerotusmuuntaja)
Suojaerotus
Sähköinen erotus on yksi suojaustapa, vaikka sitä ei ole omalla numerolla luokiteltukaan.
Suojaerotus toteutetaan suojaerotusmuuntajalla. Siinä muuntajan toisiopuoli on erotettu
syöttävästä ensiöpuolesta niin hyvin, että toisiopuoli on täysin maasta erotettu.
Suojaerotusmuuntajalla syötettävään laitteeseen ei saa kytkeä suojamaadoitusjohtoa!
2.8
Lisäsuojaus vikavirtasuojaa käyttäen
Perus- ja vikasuojaus ei aina anna riittävää suojaa. Nykyisten määräysten mukaan lähes
kaikki maallikoiden käyttämät pistorasiat on suojattava enintään 30 mA:n vikavirtasuojalla.
VVSK = vikavirtasuojakytkin
IRSD = Residual Current Detector
FCCB = Fault Current Circuit Braker
20
Normaalitilanteessa virtapiirin nollajohtimessa kulkeva paluuvirta IN on täysin sama kuin
vaihejohtimessa kulkeva virta IL, ne vain kulkevat keskuksen kannalta eri suuntiin.
Vikavirtasuoja mittaa näiden virtojen summaa. Vikasuoja ei laukea, jos summa on nolla.
Vikatilanteessa (joka ei nyt kuitenkaan ole oikosulku) kaikki vaihejohtimessa kulkeva virta ei
palaakaan takaisin nollajohdinta pitkin, vaan ”eksyy” viallisessa kulutuskojeessa jonnekin
väärään paikkaan, jolloin IN ≠ IL. Jos ero on yli 30 mA, vikasuoja laukeaa.
vikasuoja
vikasuoja
Virta IL
Virta IL
L
L
N
N
Vikavirta
IV≠0
Virta IN≠IL
Virta IN
PE
PE
Virta IPE ≠0
Virta IPE =0
Ehjä sähkölaite
Viallinen sähkölaite
vikasuoja laukeaa
Henkilösuojaukseen tarkoitetun vikavirtasuojan laukeamisvirta saa olla enintään 30 mA.
Palosuojaukseen tarkoitetun vikavirtasuojan laukeamisvirta saa olla enintään 300 mA.
HUOM! Vikavirtasuoja ei suojaa ihmistä kaikilta mahdollisilta sähkötapaturmilta!
Miten käy, jos ihminen seisoo eristetyllä lattialla ja toisella
kädellä koskee vaihejohtimeen ja toisella nollajohtimeen?
Mikä suojalaite silloin laukeaa?
2.9
Ylivirtasuojaus
Kiinteän asennukset sähköjohdot on suojattava oikosulun tai ylikuormituksen aiheuttamilta
liian suurilta virroilta. Ylivirtasuoja suojaa siis ensisijaisesti sähkölaitteita ja
–laitteistoja niissä esiintyviltä vioilta tai ylikuormitukselta. Ylivirtasuojat suojaavat myös
ihmistä esim. tulipaloilta ja ehkäisevät sähköiskun saamista eristevikaisesta laitteesta (kts.
Syötön automaattinen poiskytkentä). Usein sama suojalaite, sulake, toimii sekä
oikosulkusuojana että ylikuormitussuojana. Varsinkin moottorikytkennöissä on usein erilliset
sulakkeet ja moottorinsuojakytkimet (lämpöreleet). Kiinteän asennuksen johtojen suojana
olevat ylivirtasuojat eivät välttämättä suojaa pistokytkimillä (töpselillä) liitettäviä
kulutuskojeita.
21
2.10
Sähkölaitteiden kotelointiluokat (IP-luokka)
(TUKES, Kodin sähkölaitteiden kunnossapito, 2008)
Kotelointi estää ihmistä koskettamasta sähkölaitteen vaarallisia osia ja samalla suojaa
sähkölaitteen sisäosia ulkopuolisilta vahingollisilta vaikutuksilta kuten vierailta esineiltä ja
pölyltä (=vierasainesuojaus) sekä myös vedeltä.
Useimmiten sähkölaitteen käyttöympäristö asettaa tavallista kosketussuojausta kovemman
kotelointivaatimuksen sähkölaitteelle. Kotelointiluokan säilyminen edellyttää monesti
laitteelta tiettyä asennus- tai käyttöasentoa.
Koteloinnin taso ilmoitetaan laitteessa tunnuksella IP, jonka jälkeen on tavallisesti kaksi
numeroa, esim. IP34.
Numeroiden merkitys on seuraava:
Ensimmäinen numero ilmaisee vierasainesuojauksen seuraavasti:
2 – vaaralliset osat kosketussuojattu sormelta
3 – vaaralliset osat suojattu työkalulta, jonka halkaisija ≥ 2,5 mm
4 – vaaralliset osat suojattu langalta, jonka halkaisija ≥ 1,0 mm
5 – sisäosat suojattu haitalliselta pölyltä ja langalta
Toinen numero ilmaisee vesisuojauksen tason seuraavasti
0 – vedeltä suojaamaton
1 – suojattu pystysuoraan tippuvalta vedeltä (esim. katoksessa ulkona)
3 – suojattu sateelta (esim. ulkotilassa mutta ei lähellä maata)
4 – suojattu roiskuvalta vedeltä (kosteissa ja märissä tiloissa)
5 – suojattu vesisuihkulta
Kotelointivaatimuksia sovelletaan sekä sähköasennuksiin että sähkölaitteisiin.
Kotelointiluokan tulee vastata käyttöpaikan olosuhteita. Sähkölaitteen tulee aina olla
vähintään kosketussuojainen. Minimivaatimusta parempaa kotelointiluokkaa voi käyttää ja
se on monesti perusteltua esim. kunnossapidon kannalta.
Esimerkkejä laitteiden merkinnöistä ja käyttöpaikoista:
IP20 tai ei merkintää kosketussuojainen kuivan tilan laite
IP2X kosketussuojainen laite, muut tiedot puuttuvat
IP21 tippuvedeltä suojattu, esim. astiakaapin alle ja katokseen
IP23 tai IP43 sateenpitävä, esim. ulos, ei maan lähelle
IP34 tai IP44 roiskevedenpitävä, ulos ja tavallisiin pesutiloihin
IP4X palonvaarallinen pölytön tila (vesisuojauksen taso ilmoittamatta)
IP5X palonvaarallinen pölyinen tila (vesisuojauksen taso ilmoittamatta)
IP65 pölytiivis, vesisuihkulta suojattu
IP67 vedenpitävä
Jos numeron ilmaisu ei ole tarpeen, voidaan se korvata merkinnällä X.
Vanhoissa sähkölaitteissa on käytetty IP-merkinnän asemesta pisaratunnuksia kuvaamaan
laitteen vesisuojausta.
22
Tavallisimmat kosteissa, märissä ja ulkotiloissa käytettävien laitteiden kotelointiluokat:
IP-tunnus
IP 21
Tippuvedenpitävä
IP 23 tai IP 43
Sateenpitävä
IP 34 tai IP 44
Roiskevedenpitävä
IP 67
Vedenpitävä
2.11
Muutama tärkeä asia
Vedonpoisto
Taipuisien kaapeleiden liitoksissa, siirrettävissä kulutuskojeissa ja esim. riippuvissa valaisimissa,
pitää liitäntäjohdossa olla kunnollinen vedonpoisto.
Vedonpoistajalla varmistetaan se, että liitäntäjohtoon kohdistuva veto ei kohdistu sähköliittimiin eikä
sähköjohtimiin, vaan johdon vaippaan ja kaapeliin kokonaisuudessaan.
Johtimien värit
Suojamaajohto, PE
keltavihreä
Nollajohto, N
sininen
Vaihejohto (”kuuma karva”), L, L1,..
musta tai ruskea tai harmaa
Värit ovat vaihdelleet eri aikoina. Vanhoissa asennuksissa (1970-luvulle asti) on esim. harmaata
väriä käytetty nollajohtimessa.
23
2.12
Sähkövirran vaikutus ihmiseen
Sähköiskun vaarallisuus riippuu ensisijaisesti ihmiskehon läpi kulkevan virran suuruudesta
ja siitä, miten kauan se vaikuttaa.
Kehon impedanssin (vaihtovirtavastus) yksinkertaistettu malli on esitetty seuraavassa
kuvassa.
Vaihtovirran vaikutukset ihmiselle on esitetty alla olevassa kuvassa.
Vaihtovirran vaikutukset IEC-raportin 479 mukaan (Ville Kurvinen, ins.työ Metropolia 2010)
24
Sähkövirran vaikutus vaihtovirralla ihmisen kehoon (Biegelmeierin ja Rotterin mukaan)
Sydänkammiovärinä merkitsee sydämen toiminnan häiriötä, joka ilmenee siten, että normaalisti
70…80 kertaa minuutissa tapahtuva sydänlihaksen supistuminen ja löyhtyminen muuttuu paljon
nopeammaksi liikkeeksi ts. sydän alkaa väristä. Sydänlihakset supistuvat ja löyhtyvät tällöin
epäsäännöllisesti toisiinsa verrattuna, minkä seurauksena sydämen pumppaava vaikutus muuttuu
mitättömäksi. Verenkierto lakkaa tai tulee niin heikoksi, että kehon kudosten hapensaanti häiriintyy
siitä huolimatta, että hengitys aluksi jatkuisikin normaalina. Aivojen herkimmät osat vaurioituvat jo n.
3…4 minuutin kuluttua ja kuolema seuraa nopeasti, ellei sydämen toimintaa saada ennalleen. Jotta
ensiaputoimenpiteistä olisi hyötyä, on niiden kohdistuttava myös sydämen toiminnan elvytykseen.
25
Hengityskeskuksen kautta kulkeva yli 30 mA virta aiheuttaa tavallisesti tilapäisesti niiden hermojen
halvaantumisen, jotka aivoista käsin ohjaavat hengitystä. Tästä seuraa hengityksen vaikeutuminen
tai estyminen. Pienemmillä virroilla voi virran katketessa ajoissa hengitys palautua itsestäänkin,
mutta suuremmilla virroilla on ulkoinen apu välttämätön hengitystoiminnan palauttamiseksi
ennalleen.
Kehon kautta kulkevien virtojen ollessa useita ampeereja, syntyy vaara kudosvaurioiden
syntymiselle. Jos verrattain suuri virta kulkee pitkäaikaisesti tai hyvin suuri virta lyhytaikaisesti kehon
tai sen osien kautta, virran kehittämä lämpö aiheuttaa tavallisesti kehon tai sen osien tuhoutumista.
Suurjännitteellä tapahtuvissa tapaturmissa, joissa virta on yleensä suuri, syntyy palovammoja. Ne
voivat olla paitsi ulkoisia myös sisäisiä, jotka voivat aiheuttaa myös myöhemminkin kohtalokkaaseen
seuraukseen päättyviä muutoksia kehossa.
2.13
Sähkötapaturmien ensiapu
Sähkötyöturvallisuusstandardi SFS 6002 edellyttää, ettätöissä, jotka suoritetaan sähkölaitteistoissa
tai niiden läheisyydessä, tulee olla riittävä määrä ensiapukoulutettuja henkilöitä.
Sähkötapaturmien ensiapuohje (D1-2009 Käsikirja rakennusten sähköasennuksista, Suomen
Punainen Risti)
1. Tee nopea tilannearvio
2. Katkaise virta ja irrota loukkaantunut vaarantamatta itseäsi
3. Tarkista autettavan tila
4. Hälytä apua numerosta 112
5. Anna ensiapua
a. tarvittaessa painelu-(puhallus)elvytystä
b. sokkipotilas makuulle, jalat ylös, peittely lämpimällä huovalla
c. ulkoisten palovammojen jäähdyttäminen, mutta elvytystilanteessa ei tehdä mitään