Author Archives: Jari Puranen

Luokkatestijärjestelmän asennus

Hankkeessa kehitetty energiavarastojärjestelmä asennettiin yhteen sähkövoimatekniikan opetustilaan testattavaksi. Kyseinen tila valittiin siksi, ettei opiskelijoilla ole luokkaan normaaleja kulkuoikeuksia, jolloin laitteiston käyttö on valvottua. Käytännössä näin varmistettiin se, että joku hankkeen edustaja on paikalla, kun laitteistoa käytetään. Kuvassa 1 on panoraamana esitetty järjestelmän asennuspaikka. Samaan kuvaan on hahmoteltu maadoitusjohdon kulkureittiä järjestelmästä tilan sähkökeskukselle.

Kuva 1: Panoraamakuva luokkatilasta. Kuvaan on vihreällä viivalla hahmoteltu maajohdon kulkureittiä. (Kuva: Jari Puranen, 2017)

Asennuspaikka valittiin niin, ettei se olisi tilan käyttäjien tiellä. Toisaalta järjestelmä on kuitenkin paljon käytetyn pöytäryhmän lähellä, jolloin pistorasioille on luonnollista tarvetta. Järjestelmässä itsessään on vain kaksi 230 voltin pistorasiaa, joten pöytään kiinnitettiin erillinen pistorasiapaketti.

Kun sopiva paikka laitteelle löytyi, kytkettiin järjestelmän suojamaadoitus tilan varsinaiseen suojamaahan. Maadoitus kulkee johtokiskoa pitkin tilan sähkökeskukselle. Näin maadoittamalla järjestelmään voidaan liittää turvallisesti myös suojausluokan 1 laitteita.

Suojamaadoituksen jatkuvuus testattiin käyttöönottotesterillä, jolla käytännössä mitataan resistanssi maajohdon äärimmäisten pisteiden välillä. Jatkuvuus voidaan todeta mikäli resistanssi on riittävän pieni suhteutettuna johtimen halkaisijaan ja pituuteen. Tuloksesta vähennetään mittausjohtimien resistanssi. Kuvassa 2 on esitetty kyseinen mittaustilanne. Toinen mittapää on reunimmaisen pistorasian maakoskettimessa, toinen sähkökeskuksen suojamaaliittimessä.

Kuva 2: Käyttöönottomittaus, jossa mitattiin resistanssi maadoituksen äärimmäisten pisteiden välillä. (Kuvat: Tomi Salo, 2017)

Suojaamaan jatkuvuuden lisäksi mitattiin järjestelmään liitettyjen pistorasioiden jännitetasoksi 224 V sekä tehtiin yksinkertainen kulutustesti mittaamalla kannettavan tietokoneen ottama maksimiteho (kuva 3). Tietokoneen akku oli lähes tyhjä ja koneella ajettiin suorituskyvyn testaamiseen tarkoitettua ohjelmaa, jotta koneen kulutus saatiin hetkellisesti mahdollisimman suureksi. Ottoteho oli tällöin 48 W:a. Tämän perusteella järjestelmän invertterin mitoitus riittää mainiosti neljän kannettavan tietokoneen käyttöön ja lataamiseen.

 

 

 

 

 

Kuva 3: Tietokoneen ottotehon mittaaminen. Kulutusmittarin lukema hetkelliselle teholle on 48 W.

Asennuksen yhteydessä esiteltiin lisäksi käyttäjäkysely, jolla kerättiin tietoa käyttäjien odotuksista ja kokemuksista johdottomiin energiavarastoihin liittyen.

 

 

 

Laboratorio- ja luokkatilatestit

Hankkeen yhteydessä on testattu johdottomien energiavarastojen käyttöä ulkoilmaolosuhteiden lisäksi myös sisätiloissa. Näiden testien tarkoituksena on ollut selvittää tavallisten kuluttajalaitteiden käyttäytyminen energiavaraston kanssa ja päin vastoin. Testattuja laitteita ovat muun muassa tietokoneen näyttö, akkuporakone ja jääkaappi. Mittauksilla haluttiin selvittää esimerkiksi ottavatko ja saavatko kuluttajalaitteet samanlaista vaihtovirtaa ja -jännitettä invertteriltä kuin normaalisti sähköverkosta. Energialähteinä käytettiin Boschin kaupallista järjestelmää, hankkeessa kehitettyä järjestelmää sekä pientä kaupallista akkukäyttöistä invertteriä.

Epätavallisesti käyttäytyvät virta ja jännite saattavat aiheuttaa laitteen toimintaan häiriöitä, tai ne voivat kuormittaa energiavarastoa epätoivotulla tavalla. Useissa laitteissa verkosta otettu vaihtosähkö tasasuunnataan diodisillan avulla tasasähköksi. Tasasuuntauskytkentään lisätään kuorman rinnalle suotokondensaattori, jonka tarkoitus on pienentää tasajännitteen vaihtelua. Ilman kondensaattoria tasasuunnattu jännite on sykkivää (kuvassa 1 mustalla viivalla). Kun normaalia, sinikäyrän muotoista, vaihtojännitettä tasasuunnataan, käyttäytyy kondensaattorin virta ja jännite kuvan 1 sinisen viivan mukaisesti. Kuvaan merkityn jännitevaihtelun suuruus kuluttaa kondensaattoria. Tyypillisesti vaihtelu kasvaa kondensaattorin ikääntyessä.

Kuva 1: Tasasuunnatun jännitteen vaihtelu suotokondensaattorin kanssa. Kuvassa on mustalla tasasuunnattu jännite ja sinisellä kuormalle tuleva jännite. Kondensaattori tasaa jännitteen vaihtelua.

Mikäli johdottoman järjestelmän invertteri tuottaa sinimuotoista vaihtojännitettä, tasasuuntaus toimii aivan kuten tavallisella verkkosähköllä. Yleensä markkinoiden halvimmat invertterit tuottavat kuitenkin kanttimaista vaihtojännitettä, jolloin kondensaattorille syntyy suuria, yksittäisiä virtapiikkejä. Mikäli kondensaattoreita ei ole suunniteltu kestämään näitä piikkejä, saattavat kondensaattorit vanheta ennenaikaisesti liiallisen lämpenemisen vuoksi.

Luokkatesteillä puolestaan haettiin lähinnä käyttäjäkokemuksia opiskelijoilta. Tämän lisäksi myös johdottoman varaston kuormitusta haluttiin testata. Yksinkertaisella demonstraatiokytkennällä pyrittiin havainnollistamaan tämän tyyppisen järjestelmän sijoitteluun ja asennukseen liittyviä näkökulmia. Varastosta täytyy käytännössä jakaa energiaa jonkinlaiseen pistorasiaan, jolloin ollaan lähellä alkuperäistä ongelmaa, eli jatkojohtoviidakkoa risteilemässä pitkin lattioita. Myös energiavaraston maadoitus on pystyttävä hoitamaan siten, että myös suojausluokan 1 laitteita on turvallista käyttää.

Kuva 2: Johdoton sähköjärjestelmä luokkatilassa asennettuna. Pöydällä olevat pistorasiat on kytketty järjestelmän 230 V ulostuloon, ja järjestelmä on maadoitettu samaan suojamaakiskoon kuin tilan muutkin pistorasiat.

Luokkatestejä varten valittiin yksi TAMKin normaali opetustila. Järjestelmä suunniteltiin alunperin ulkokäyttöön ja verrattain pienille kokonaistehoille, joten koteloineen se on luokkatilaan asennettavaksi hieman suuri, mutta riittää antoteholtaan 4–5 kannettavan tietokoneen eli yhden pöytäryhmän virtalähteeksi. Vastaavan järjestelmän voisi mitoittaa vastaamaan esimerkiksi 10–20 kannettavan tietokoneen kulutusta.

Luokkatilaa silmällä pitäen kotelointi ja johtojen läpiviennit tulisi suunnitella turvallisuuden ja käytettävyyden mukaisesti. Esimerkiksi nyt järjestelmän pääkytkin on laitteen sisällä, koska ulkopuolisten ei ole tarkoitus itse laittaa järjestelmää toimintaan. Energiavaraston käytettävyyden kannalta tämä pitäisi olla mahdollista. Kytkin kannattaa järjestelmässä joka tapauksessa olla, jotta invertterin tyhjäkäyntivirta ei turhaan kuluta akkukapasiteettia.

Luokkatilojen sähköjärjestelmät

Likimain kaikilla kouluasteilla käytetään aiempaa enemmän oppilaiden ja opiskelijoiden omia laitteita oppitunneilla ja luennoilla. Kannettavien tietokoneiden ja muiden laitteiden akut harvoin kestävät kokonaisia koulupäiviä, joten opetustilaan on tavalla tai toisella saatava riittävä määrä latauspistorasioita.

Kiinteitä pistorasioita on harvoissa tiloissa suunniteltu niin, että niitä olisi sopivissa paikoissa ja riittävän useita. Esimerkiksi suurten luentosalien keskellä harvemmin on valmiina pistorasioita. Sama ongelma on erilaisissa monitoimitiloissa (kuva 1), joissa pöytien paikkoja ja järjestystä saatetaan muuttaa opetustilanteen mukaan.Kuva 1: Opetustilassa, jossa pöytien järjestys ja paikat vaihtuvat, sähköntuonti on käytännössä erilaisten jatkojohtojen varassa. Kuvassa pöytäryhmän keskelle on tuotu pistorasiapylväs.

Mahdollisia erilaisia ratkaisuja on melko vähän. Yleisin tapa on tuoda tilaan jatkojohtoja tai pistorasiapylväitä (kuva 2). Jatkojohdot kuitenkin aiheuttavat kompastumisvaaran, minkä lisäksi jatkojohtoja saatetaan kytkeä sarjaan, jolloin kiinteiden rasioiden kuormitus kasvaa merkittävästi. Pylväiden käyttäjiä tulisi opastaa niin, ettei niitä liitettäisi peräkkäin.

Kuva 2: Pistorasiapylväitä luentosalissa, jossa kiinteitä pistorasioita on vain yksittäisiä. Pylväät on kuvaamisen ajaksi esimerkin vuoksi kytketty sarjaan.

Pylväät tuovat pistorasiat pöytien lähelle ja niiden johdot on mahdollista kiinnittää esimerkiksi pöytien jalkoihin tai tuoda muuten turvallista reittiä, mutta laitteiden omat johdot risteilevät joka tapauksessa lattialla (kuva 3). Yhteen pylvääseen saa kytkettyä esimerkiksi 6 tietokonetta, jolloin penkkien väliset käytävät ovat melkoisen tukossa johdoista. Tällöin pikainen poistuminen esimerkiksi palohälytyksen johdosta on mahdotonta.

Kuva 3: Kannettavien tietokoneiden latausjohdot risteilevät käytävän poikki aiheuttaen kompastumisvaaran.

Luentosalien pöytiin voidaan turvallisesti jälkikäteen asentaa pistorasioita (kuva 4). Suuriin saleihin rasioiden asentaminen on kuitenkin työläs ja kallis urakka. Pöydän päälle asennetut rasiat saattavat viedä pöytätilaa tai olla muuten epäkäytännöllisiä. Lisäksi on vaara, että rasioihin kaatuu juomaa tai niihin kulkeutuu jotain muuta roskaa. Kuvan 4 pistorasiat on kuitenkin asianmukaisesti suojattu vikavirtasuojalla, jolloin vikatilanteessa ongelmaksi jää sähkönsyötön katkeaminen ja mahdollinen työn häiriintyminen.

Kuva 4: Auditorion pöytiin jälkiasennettuja pistorasioita.

Siirreltävät energiavarastot, jotka perustuvat suuriin akkuihin, eivät johtojen osalta paranna tilannetta, koska laitteiden omat johdot risteilevät joka tapauksessa lattialla. Yksi tulevaisuuden – joskin myös kallis – vaihtoehto voisivat olla pienemmät akkupaketit, ns. power bankit, joilla kannettavia laitteita voisi ladata. Tämä vaatisi kuitenkin kannettavissa tietokoneissa USB-C -väylän yleistymisen, jonka kautta akkujen lataaminen onnistuu, koska USB-C -väylä sallii huomattavasti perinteisiä USB-väyliä suuremman tehon. Vanhempien USB-liittimien kautta kannettavien tietokoneiden akkuja ei voi ladata. Opetustilassa voisi esimerkiksi olla näille varavirtalähteille kiinteä latauspiste, josta käyttäjä voisi tarpeen tullen noutaa lähteen itselleen.

 

Kenttätesti 2 – Säihke-leiri

Uudenmaan partiopiirin piirileiri Säihke järjestettiin 12.-20. heinäkuuta Hangon Syndalenissa. Leirille osallistui 2600 partiolaista, joiden lisäksi paikalla oli runsas joukko vapaaehtoisia vastaamassa leirin käytännön järjestelyistä sekä partiolaisten vanhempia. Turvallinen ja johdoton sähkönkäyttö -hankkeen edustajat olivat paikalla leirillä 13.-15.7.

Kuva 1: Hankkeen esittelypiste. Kuvassa vasemmalta oikealle Tomi Salo, Klaus Virtanen ja Aku Hyrskykari. (Kuva Jari Puranen, 2017)

Tapahtumapaikkana oli Puolustusvoimien Syndalenin ampuma-alueen leirialue, jonka sähköverkko toimi myös leirin huoltopalveluiden sähköistäjänä. Sähköverkko ei ollut kuitenkaan leiriläisten itse käytettävissä, joten partiolaisilla ei ollut mahdollisuutta esimerkiksi kännyköiden lataamiseen.

Hankkeessa ollaan kiinnostuneita sähkönkäytössä nimenomaan tällaisissa tapahtumissa, joissa osallistujia on paljon, eikä kiinteää verkkoa ole käytettävissä. Leirin sähkö- ja muihin järjestelyihin tutustumisen lisäksi hankkeen teltalla jaettiin tietoa turvallisesta sähkönkäytöstä, aurinkosähköstä, sähkön varastoinnista ja kaikesta muustakin sähköön liittyvästä. Samalla oli mahdollista ladata kännyköitä hankkeessa rakennetulla järjestelmällä sekä Boschin kaupallisella järjestelmällä.

Kuva 2: Latauspisteellä riitti asiakkaita. Kuvassa oikealla näkyvä tumma laite on Boschin kannettava energiavarastojärjestelmä. (Kuva ??, 2017)

Asiakkaita oli kolmen päivän aikana useita satoja, joten tämän tapaiselle palvelulle näyttäisi leirillä olevan kysyntää. Varttuneemmat tapahtuman osallistujat olivat hyvinkin kiinnostuneita erilaisista sähköjärjestelmistä mökkiympäristöön ja muihin vastaaviin kohteisiin.

Kenttätesti 1 – Jukolan viesti

Hankkeessa kehitettyä energiavarastojärjestelmää testattiin ensimmäisen kerran julkisessa tapahtumassa 17.-18.6.2017 järjestetyssä Jukolan viestissä Enossa. Järjestelmällä sähköistettiin yksi puolijoukkueteltta. Telttaan saatiin mm. valot ja hieman muuta viihdykettä, ja lähitelttoihin majoittuneet Jukolan viestin osallistujat pääsivät tarvittaessa lataamaan järjestelmällä matkapuhelimiaan.

Majoitusalueella ei muutoin ollut juurikaan mahdollista käyttää sähköä, koska esimerkiksi aggregaattien käyttö tapahtumassa on kielletty. Hankkeen laitteisto on kyseisen tapahtuman tavallisen osallistujan kuljetettavaksi liian raskas, mutta tarkoitus olikin nimenomaan kokeilla konseptin toimivuutta yleisötapahtumassa. Kuvassa 1 näkyy laitteisto majoitusteltan vieressä.

Kuva 1: Energiavarastojärjestelmän asennusta. Kuvaamishetkellä hankepäällikkö Tomi Salo asentaa maadoitussauvaa. Taustan näkymästä saa käsityksen tapahtuman olosuhteista. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Järjestelmä toimi moitteettomasti, eikä merkittäviä turvallisuusepäkohtia laitteiston osalta havaittu. Ensimmäisen päivän auringonpaisteessa päästiin testaamaan aurinkopaneelien toimivuutta ja ne tuottivatkin parhaimmillaan lähes maksimin 150 W. Paneeleille tehtiin alumiiniprofiilista telineet, jolla ne saadaan tuettua sopivaan asentoon epätasaisellakin alustalla. Aurinkopaneelit on tyypillisesti tarkoitettu asennettavaksi kiinteästi esimerkiksi katolle. Toisena päivänä testattiin myös kotelon ulkokelpoisuus melko voimakkaassa sateessa, minkä laitteisto kesti oivallisesti. Tapahtuman aikana kerrottiin yleisölle hankkeesta ja esiteltiin laitteistoa.

Kuva 2: Aurinkopaneelit telineissään. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Tapahtuman osallistujien sähköturvallisuusajattelussa havaittiinkin puutteita. Alla olevassa kuvaparissa (kuva 3) nähdään jatkojohto, joka on vedetty suojaamattomana kulkureitin poikki. Johto on näin alttiina vaurioille. Lisäksi johto aiheuttaa kompastumisvaaran. Johdon alkupää oli ulkokäyttöön tarkoitettu roikka, mutta viimeisenä on käytetty sisätiloihin tarkoitettua jatkojohtoa, jota ei ole suojattu millään tavalla vedeltä.  Kuva 3: Vähemmän turvallinen jatkojohto. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Energiavarastojärjestelmän esittely

Hankkeessa on kehitetty turvallista energiavarastojärjestelmää, jossa lyijyakkuihin varastoidulla energialla voidaan käyttää tavallisia kuluttajalaitteita ja ladata esimerkiksi puhelimien tai tablettien akkuja. Energiavarastojärjestelmä on rakennettu kenen tahansa kuluttajan saatavilla olevista komponenteista, mutta järjestelmän kokoaminen vaatii melko hyvää asiantuntemusta sähkötekniikasta.

Akkujen tuottama 12 voltin tasajännite voidaan muuntaa vaihtosuuntaajalla (invertterillä) 230 voltin vaihtosähköksi. Puhelimien ja tablettien lataaminen onnistuu myös suoraan laitteen USB-liittimistä. Järjestelmä on tarkoitettu energialähteeksi kohteisiin, joissa ei ole mahdollista ottaa energiaa sähköverkosta.

Akkujen tukena on kaksi aurinkopaneelia, joiden tuottama energia voidaan joko ladata akkuihin tai käyttää suoraan kuormalaitteissa. Järjestelmä perustuu kuitenkin pääasiallisesti akkuihin varastoituun energiaan, eikä toimi täydellä kapasiteetilla pelkillä aurinkopaneeleilla. Paneelien nimellisteho on yhteensä 200 W, eli käytännössä niistä saadaan Suomen olosuhteissa hyvällä auringonpaisteella noin 150 W:n teho. Tämä johtuu siitä, että paneelien nimellisteho määritellään suuremmalla Auringon säteilyteholla, kuin mitä Suomessa saadaan.

Järjestelmän komponentit on koteloitu niin, että sitä on turvallista käyttää myös ulkona ja jopa sateella. Pelkän kotelon IP-luokka on 67, mutta luokka on käytännössä pienempi kylkeen lisättyjen liittimien ja alareunaan tehtyjen läpivientien vuoksi. IP-luokan arvioidaan muutostenkin kanssa olevan kuitenkin ulkokäyttöön sopiva 44. Käyttäjän täytyy tietysti itse huolehtia siitä, että myös käytettävät laitteet on suunniteltu ulkotiloihin. Järjestelmä koteloituna omassa telineessään on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Energiavarastojärjestelmä.

Järjestelmän maksimiteho 230 V:n vaihtosähkölle on invertterin antoteho 300 W. Vaihtosähkölaitteille tarkoitettuja pistorasioita on kaksi kappaletta. Tämän lisäksi akusta voidaan ottaa energiaa tasasähköllä toimiviin USB-liittiminiin, sekä 12 V:n autosähköliittimeen (niin sanottu tupakansytytinliitin). Kotelossa olevat liittimet on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2: Energiavarastojärjestelmän liittimet. Ylimpänä 3 USB-liitintä, joissa jokaisessa on 2 erillistä USB-porttia, keskellä autosähköliitin, jonka virta on rajoitettu 10 A:iin ja alimmaisena 2 vaihtosähköpistorasiaa.

 

Yhden lyijyakun kapasiteetti on 105 Ah, mikä 12 V:n jännitteellä tarkoittaa energiassa 1260 Wh:a (1,26 kWh). Näin ollen maksimiteholla järjestelmällä voi käyttää vaihtosähköllä toimivia kulutuslaitteita noin 4 tunnin ajan, mikäli aurinkopaneeleista ei saada energiaa talteen. Järjestelmä on tarkoituksella tehty kapasiteetiltaan melko pieneksi, jotta se on liikuteltavissa. Hankkeessa on tarkoitus havainnollistaa sitä, että tämän tyyppinen järjestelmä soveltuu kesämökin, veneen tai muun vastaavan, väliaikaista sähköistystä vaativan, kohteen energiatarpeen kattamiseen. Vastaavan järjestelmän voisi yhtä hyvin suunnitella tukemaan suurempaakin tehon tarvetta. Käytännössä kyse on vain isomman akkukapasiteetin ja tehokkaamman invertterin hankinnasta. Esimerkiksi akkuja voisi kytkeä rinnan useampia, jolloin energiakapasiteetti on suurempi.

Järjestelmään haluttiin liittää kaksi aurinkopaneelia, koska laitteiston kenttätestejä tehtiin kesäaikaan. Paneelit on tarkoitettu nimenomaan akkujen tueksi, mutta pienemmillä kuormilla paneelit toki riittävät energialähteeksi. Paneelien yhteispinta-ala on noin 1,5 m2. Jos aurinkoiseen aikaan ei tarvita sähköä, pystytään paneeleilla lataamaan akkuja. Laitteistossa on säädin, joka ohjaa paneelien toimintapistettä siten, että paneeleista saadaan joka hetki paras mahdollinen teho. Säätimeen on liitetty erillinen näyttö, josta voidaan lukea paneelien, akun ja kuorman jännitteet ja virrat. Näytöstä nähdään esimerkiksi se, siirtyykö energiaa akkuun vai akusta pois. Säädin, näyttölaite ja invertteri on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3: Kotelo sisältä. Ylhäällä näyttöyksikkö, jonka alla säädin (harmaa) ja invertteri. Alareunassa vasemmalla pääkytkin, keskellä riviliittimet ja oikealla alhaalla vikavirtasuoja.

Teräskotelon mitat ovat 500 mm x 400 mm x 200 mm. Pienempäänkin tilaan tarvikkeet saisi mahtumaan, mutta koteloinnista haluttiin tehdä helposti esiteltävä ja selkeän näköinen. Johdotus on tehty niin, etteivät tasa- ja vaihtojännitekaapelit risteile keskenään, vaan 230 V:n alue on omansa. Jännitteiset osat on kosketussuojattu kotelon ollessa kiinni. 230 V:n pistorasiat ovat ulkoisesti suojausluokan 1 rasioita, mutta järjestelmää ei ole varsinaisesti tarkoitettu luokan 1 laitteiden virtalähteeksi, koska laitteessa ei ole varsinaista suojamaata, jonka tämän suojausluokan laitteet tarvitsevat, koska muutoin vikavirtasuoja ei voi toimia. Ilman vikavirtasuojaa viallisen luokan 1 laitteen käyttäjä altistuu sähköiskulle. Kotelo on kuitenkin mahdollista maadoittaa kuparisauvalla, jolloin järjestelmän vikavirtasuoja pääsee vikatilanteessa laukeamaan, eikä suojamaadoituksen vaativan laitteen käyttö aiheuta välitöntä riskiä.

Laitteiston eri osat on myös suojattu sulakkeilla, mikäli johtimissa kulkevat virrat vikatilanteessa nousevat liian suuriksi. Säätimessä ja invertterissä on omat sisäiset suojauksensa vikatilanteiden varalle.

Sähkölaitteiden kotelointiluokat

Sähkölaitteiden kotelointiluokat määritellään IP-koodilla, jota usein kutsutaan kotelointiluokaksi tai IP-luokaksi. Kotelolle annettu koodi kuvaa sitä, miten hyvin kotelo estää henkilöitä koskettamasta vaarallisia osia sekä vierasesineiden, pölyn ja veden haitallisen tunkeutumisen laitteeseen. IP-koodin perusteella voidaan tulkita millaiseen käyttöolosuhteeseen laite on tarkoitettu ja missä sitä voi turvallisesti käyttää. Ulkokäyttöön tarkoitetussa laitteessa kotelointiluokka on yleensä IP44 tai tuota suurempi. Kuluttajalaitteet ovat yleensä vähintään luokkaa IP20.

Kuvassa 1 on esimerkkinä kauppakeskuksen pihassa oleva sähköautonlatauspiste, jonka liittimen kotelointi on luokkaa IP54. Tämä tarkoittaa sitä, että liitin on läpän ollessa suljettuna suojattu haitalliselta pölyn tunkeutumiselta liittimen sisään (numero 5) ja roiskuvalta vedeltä kaikista suunnista mukaan lukien sade (numero 4). Kotelo ei kuitenkaan kestä esimerkiksi painepesua. Latauspistorasia on selvästi tarkoitettu ulkokäyttöön ja kotelointiluokka on sen mukainen.

sahkoautonlataus

Kuva 1: Sähköauton latauspisteen liittimen kotelointiluokka on IP54.

Koodi muodostuu siis kirjaimista IP, kahdesta numerosta sekä mahdollisesta lisäkirjaimesta. Ensimmäinen numero (0–6) kuvaa suojausta kosketusta ja vierasesineiden tai pölyn tunkeutumista vastaan ja toinen numero (0–8) suojausta veden tunkeutumiselta. Toista tunnusnumeroa ei aina tarvitse ilmoittaa, jolloin se voidaan korvata kirjaimella X.

Mitä suurempi ensimmäinen numero on, sitä pienemmän esineen tunkeutumiselta laitteen vaaralliset osat on suojattu. Esimerkiksi numero 2 tarkoittaa sitä, että koteloon ei voi tunkeutua halkaisijaltaan yli 12,5 mm oleva kappale. Numeron 3 tapauksessa halkaisijan pitää olla alle 2,5 mm. Jos vedeltä suojaaminen on laitteen käytön kannalta merkityksetöntä, voitaisiin kotelointiluokkaa kirjoittaa IP2X tai IP3X.

Vastaavasti mitä suurempi jälkimmäinen numero on, sitä paremmin veden tunkeutuminen kotelon sisään on estetty. Numero 2 tarkoittaa tässä sitä, että koteloon ei pääse valumaan vettä ylhäältä, mutta numero 3 tarkoittaa sateelta suojaamista. Taulukossa 1 on yhteenveto tavallisten IP-luokkien merkityksestä. Suurempi luokka pitää aina sisällään kaikki sitä alempien luokkien vaatimukset.

Taulukko 1: Yhteenveto IP-luokista. Taulukkoon on laitettu vain ne luokat, jotka ovat teknisesti mielekkäitä. Esimerkiksi ei ole mielekästä valmistaa laitetta, joka olisi täysin pölytiivis, mutta samaan aikaan kokonaan suojaamaton vedeltä.IP-koodit

IP-luokitus ei ole tarkoitettu kuvaamaan kotelon tai laitteen mekaanisesta kestävyyttä, vaan tämä ilmoitetaan tarvittaessa erillisellä IK-luokituksella. Esimerkiksi useiden uusien matkapuhelimien ilmoitettu kotelointiluokka saattaa olla hyvinkin korkea (esimerkiksi IP67 tai IP68), mutta tämä ei tarkoita, että puhelin olisi poikkeuksellisen kestävä mekaanisesti, vaikka mainostekstistä tällaisen mielikuvan saisikin.

Kuvassa 2 on keittiön välitilassa oleva LED-valaisin, johon on merkitty IP-luokaksi 44. Tämä tarkoittaa sitä, että valaisin on suojattu tunkeutuvilta esineiltä, joiden halkaisija on suurempi kuin 1 mm, ja roiskuvalta vedeltä. Tämä kotelointiluokka on varmasti perusteltu lähelle keittiön vesihanaa asennettavalle valaisimelle, joka voisi normaalissa käyttötilanteessa altistua vesiroiskeille, eikä kädestä valaisimeen lipsahtava ruokailuväline voi osua jännitteiseen osaan.keittiövalaisin-IP44

Kuva 2: Keittiön välitilan LED-valaisimen kotelointiluokka on IP44.

Kuvassa 3 on leivänpaahdin, johon valmistaja ei ole merkinnyt IP-luokkaa. Laitteesta kuitenkin nähdään, ettei sitä ole suojattu vedeltä millään tavalla, ja että aukot ovat niin suuret, että niistä pystyy työntämään sormen sisään. Kotelointiluokka on IP10. Laitteen pistotulpasta nähdään, että laitteen suojausluokka on 1.

20170511_094744

Kuva 3: Leivänpaahtimen kotelointiluokka on IP10.

IP-koodin loppuun voidaan laittaa lisä- tai täydentävä kirjain. Lisäkirjaimia ovat A, B, C ja D, jotka kuvaavat kosketussuojausta nyrkiltä (A), sormelta (B), työkalulta (C) ja langalta (D). Tämä on kuitenkin yleensä pääteltävissä jo ensimmäisen numeronkin perusteella. Täydentävistä kirjaimista H tarkoittaa suurjännitelaitetta. Muut kirjaimet M, S ja W liittyvät vesisuojauksen testaamiseen, eikä niitä juurikaan tavallisissa kuluttajalaitteissa käytetä.

 

Sähkölaitteiden suojausluokat

Erilaiset sähkökäyttöiset laitteet jaetaan neljään luokkaan sähköiskulta suojaamisen mukaisesti. Käytännössä suojausluokat näkyvät käyttäjälle laitteen pistotulpan ja niille tarkoitetun pistorasian muodossa.

Suojausluokka 0 – peruseristetty

Luokan 0 laitteessa ei ole lisäsuojausta vikatilanteiden varalle, vaan laitteen eristys on pelkästään peruseristyksen varassa. Peruseristys tarkoittaa sitä, että laitteen jännitteiset osat on eristetty laitteen rungosta. Peruseristyksen pettäessä laitteen turvallisuus riippuu olosuhteista ja käyttötavasta. Luokan 0 pistotulppa ja pistorasia ovat pyöreitä, eikä 0-luokan pistotulppaa saa kytkeä muiden suojausluokkien pistorasioihin. Tämän luokan pistorasioita ei enää nykyisin asenneta, mutta tällaisia pistotulppia on paljon esimerkiksi vanhoissa jalka- ja pöytälampuissa. Pistotulppia tai –rasioita ei saa muokata niin, että ne sopisivat yhteen. Esimerkki luokan 0 pistotulpasta on kuvassa 1.

luokka0tulppa

 

 

 

 

 

 

Kuva 1: Suojausluokan 0 pistotulppa, jonka tunnistaa pyöreästä muodosta.

Suojausluokka 1 – suojamaadoitettu

Luokan 1 laitteessa on peruseristyksen lisäksi laitteen kosketeltavat metalliosat liitetty kiinteän sähköverkon nollapotentiaaliin. Tätä kutsutaan suojamaadoitukseksi. Vikatilanteessa laitteen kuoren tullessa jännitteiseksi kulkee vikavirta suojajohtimen kautta. Tällöin vikavirtasuojakytkin katkaisee virran, eikä laitteeseen koskeva henkilö altistu pitkäkestoiselle suurelle virralle.

Suojausluokan 1 pistotulpan tunnistaa metalliliuskoista ja muodosta. Suojamaadoitettua pistorasiaa kutsutaan yleensä suko-rasiaksi (myös saksankielinen schuko-termi on käytössä). Tämän luokan pistorasiaan voi kytkeä myös suojausluokan 2 laitteen. Esimerkkejä luokan 1 pistotulpasta ja –rasiasta on kuvassa 2. Samassa kuvassa on suojausluokan 1 piirrosmerkki, jota ei kuitenkaan kaikissa laitteissa ole merkittynä, koska suojausluokan voi päätellä pelkästä tulpasta. Kotona tämän luokan laitteita on ovat tyypillisesti esimerkiksi kahvin- ja vedenkeitin ja silitysrauta.luokka1

Kuva 2: Suojausluokan 1 pistotulppa, pistorasia ja suojamaadoitusta kuvaava piirrosmerkki.

Suojausluokka 2 – suojaeristetty

Suojausluokan 2 laitteissa on jännitteisten osien peruseristyksen lisäksi lisäeristys, jolloin vikatilanteessa käyttäjä ei altistu jännitteelle. Suojaus ei saa riippua käyttöolosuhteista. Laitteessa ei ole suojamaadoitusmahdollisuutta, eikä laitetta saa kytkeä suojamaahan. Suojaeristetyn laitteen tunnistaa yleensä litteästä, niin sanotusta euromallisesta pistotulpasta. Kuvassa 3 on esitetty suojausluokan 2 piirrosmerkki, pistotulppa ja erityisesti tämän luokan laitteille tarkoitettu pistorasia. Kotitalouksissa tämän luokan laitteita ovat tyypillisesti televisio, pölynimuri ja hiustenkuivaaja.

luokka2

Kuva 3: Suojausluokan 2 kaksoiseristystä kuvaava piirrosmerkki, euromallinen pistorasia ja litteä pistotulppa.

Pistotulppa voi olla myös muotoiltu luokan 1 pistorasian mukaisesti, kuten kuvan 4 pölynimurin pistotulppa. Tällainen tulppa ei luonnollisestikaan sovi euromalliseen kapeaan pistorasiaan.

Luokka2-2Kuva 4: Pölynimurin suojausluokan 2 pistotulppa, joka on muotoiltu luokan 1 pistorasiaan sopivaksi. Vieressä laitteen arvokilpi.

Suojausluokka 3 – pienoisjännitteellä toimiva laite

Tämän suojausluokan laite toimii erillisen muuntajan tuottamalla pienoisjännitteellä eli korkeintaan 50 V vaihtojännitteellä tai 120 V tasajännitteellä. Myös suojajännite-nimitystä käytetään. Yleensä laitteet toimivat esimerkiksi 12 tai 24 V tasajännitteellä, jolloin käyttäjälle ei aiheudu laitteesta sähköiskun vaaraa. Muuntaja liitetään sille sopivaan pistorasiaan. Osassa muuntajista on niin sanottu toiminnallinen maadoitus, jolloin muuntaja on liitettävä suojamaadoitettuun pistorasiaan. Tämän tunnistaa myös siitä, että pistotulppa on luokan 1 mukainen, vaikka laite itsessään toimisi pienoisjännitteellä.

Luokan 3 laitteita ovat tyypillisesti koristevalot ja sähköllä toimivat lelut. Luokan 3 merkintää ei erikseen käytetä, mikäli laitetta käytetään paristoilla tai akuilla, jotka ladataan laitteen ulkopuolella.

luokka3

Kuva 5: Suojausluokan 3 laitteita ovat tyypillisesti erilaiset koristevalosarjat ja lelut. Vieressä luokan 3 piirrosmerkki.

Sähkölaitteen merkinnät

Markkinoilla olevissa sähkölaitteissa on oltava arvokilpi, jossa on merkittynä

  • jännite tai jännitealue voltteina ja lisäksi jännitteen taajuus
  • teho watteina tai virta ampeereina
  • valmistajan tai muun vastuullisen edustajan nimi, tavaramerkki tai muu tunnus
  • laitteen malli- tai tyyppimerkintä
  • koteloinnin IP-tunnus veden tunkeutumista vastaan, ellei kotelo ole täysin vedeltä suojaamaton
  • suojausluokan II ja III laitteisiin asianmukainen kuvatunnus.

Sähkölaitteiden koteloiden IP-tunnuksia ja suojausluokkia sähköiskua vastaan käsitellään omissa postauksissaan. Tässä postauksessa esitellään muita sähköturvallisuuteen ja laitteen käyttöön liittyviä arvokilven merkintöjä.

Kuvassa 1 on esimerkkinä television takaa löytyvä arvokilpi. Kilpeen on merkitty yläreunaan valmistajan tavaramerkki sekä laitteen malli. Malli- tai tyyppimerkintää voi tarvita esimerkiksi laitteen huoltoa tai varaosien hankintaa varten. Oikeassa yläkulmassa kerrotaan laitteen toimivan 220–240 V jännitealueella 50 tai 60 Hz:n taajuudella. Suomessa sähköverkon jännite on 230 V ja taajuus 50 Hz. Samalla on kerrottu laitteen ilmeisesti maksimiteho ja tyypillinen teho 111 W. Tehon perusteella on mahdollista arvioida laitteen sähkönkulutusta. Oikeassa reunassa keskellä on kaksoisneliö, joka tarkoittaa suojausluokan II laitetta. Laitteen saa siis liittää myös pistorasiaan, jossa ei ole suojamaadoitusta.
samsungtv
Kuva 1: Samsung -television arvokilpi.

Kuvan 1 arvokilvessä on lisäksi CE-merkintä, joka tarkoittaa sitä, että laite on tarkoitettu Euroopan markkinoille. Tämä merkintä on valmistajan tai maahantuojan oma vakuutus siitä, että tuote on vaatimusten mukainen. Merkintä ei siten varsinaisesti ole lupaus siitä, että laite olisi varmasti turvallinen.

Ympyrän sisällä oleva huutomerkki on CE-merkintään liittyvä huomiomerkki, joka tarkoittaa sitä, että kyseessä on radiolaite, jonka käyttöön liittyy rajoituksia tai jonka käyttö vaatii luvan. Tämä tarkoittaa sitä, että laite ei täysin täytä jokaisen EU-maan radiolaitteiden vaatimuksia. Käytännössä laitteen ohjekirjassa on lista maista, joissa asetetut vaatimukset täyttyvät. Vastaava merkki esiintyy yleensä esimerkiksi radio-ohjattavissa autoissa ja lennokeissa.

Oikean alareunan roska-astian kuva, jossa on rasti päällä, tarkoittaa sitä, että laite on kierrätettävä asianmukaisesti, eikä se sovellu sekajätteeseen. CE-merkinnän alapuolella on esitetty Hg-merkillä, että laitteessa ei ole elohopeaa.

laturi_edit
Kuva 2: Kannettavan tietokoneen virtalähteen arvokilven merkinnät.

Kuvassa 2 esitetyn virtalähteen arvokilvestä nähdään myös valmistajan tiedot, sekä tiedot muuntajan ottamasta ja antamasta jännitteestä ja virrasta. Ulostulo on tasasähköä (19,5 V ja 3,34 A). Arvokilpeen ei ole merkitty suojaus- tai kotelointiluokkaa. Kilpeen on kuitenkin erikseen merkitty talon kuvalla, että laite on tarkoitettu sisäkäyttöön, ja että laite tarvitsee toiminnallisen maadoituksen. Laturi on siten kytkettävä suojamaadoitettuun pistorasiaan.

Kuvan 2 arvokilven lukuisista muista symboleista suurin osa on erilaisia sertifikaatteja tietyille markkina-alueille, esimerkiksi CCC-merkintä on käytössä Kiinassa myytävissä laitteissa ja NOM-merkintä Meksikon markkinoilla.

Sähkölaitteiden suojaus- ja kotelointiluokista voi lukea tarkemmin näistä postauksista:
Suojausluokat
Kotelointiluokat

Litiumioniakun toimintaperiaate

Lyijyakun toiminta perustuu sulfaatti- ja vetyionien siirtymiseen elektrolyytin läpi akun elektrodeille samalla kun elektronit kiertävät elektrodilta toiselle ulkoisen kuorman kautta. Vastaavasti litium-ioniakku perustuu positiivisten litiumionien siirtymiseen akun elektrodilta toiselle. Li-ioni -akun rakenne on varsinkin elektrodien osalta hyvin erilainen kuin lyijyakulla. Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva yhden litiumionikennon periaatteesta.

Li-ion
Kuva 1: Litiumioniakun toimintaperiaate.

Ladattavia litiumakkuja yritettiin 70- ja 80-luvuilla kehittää niin, että akun anodi oli metallista litiumia. Tällaisen akun energiatiheys (Wh/kg) on erittäin suuri, mutta metallisen litiumin reaktioherkkyys estää käytännössä sen soveltamisen anodimateriaalina. Li-ioni -akussa anodi on grafiittia ja katodina käytetään esimerkiksi kobolttipohjaista metallioksidia (LiCoO2). Litium on elektrodeissa varastoituneena kiderakenteen muodostamien kerrosten väleihin.

Akkua ladattaessa katodilla olevat litiumatomit luovuttavat elektronin ja näin muodostuvat positiiviset litiumionit pääsevät kulkemaan grafiittianodille elektrolyytin läpi. Varausta purettaessa elektronit ja litiumionit kulkevat päinvastaisiin suuntiin.

Elektrodien välissä on erotin, joka estää litiumin kulkeutumisen anodin ja katodin välillä, mutta litiumionit pääsevät kulkemaan sen läpi. Erotin on kuvassa 1 piirretty katkoviivana, mutta on itseasiassa elektrodien välissä oleva huokoinen polymeerikerros (esimerkiksi polyeteeniä), joka pitää sisällään nestemäisen elektrolyytin. Erotin voi myös muodostua useammasta kerroksesta. Ohut erotinkerros mahdollistaa sen, että koko akku voidaan valmistaa ohueksi. Erottimen huokoskoko on sellainen, että elektrolyyttiä on riittävästi, mutta toisaalta huokoset sulavat umpeen kennon ylikuumentuessa. Erotin materiaalin sulaminen estää ionien siirtymisen.

Erotin päästää kuitenkin aina pienen vuotovirran kulkemaan, joten Li-ioni –akkujen varaus hiljalleen heikkenee itsestään. Mikäli erotin rikkoutuu ja elektrodit joutuvat keskenään oikosulkuun, kasvaa kennon lämpötila niin suureksi, että katodimateriaalina käytetystä metallioksidista alkaa vapautua happea ja akku voi syttyä palamaan. Tämä on ongelmallinen tilanne, koska tällöin palamiseen tarvittavat lämpö ja happi syntyvät samasta lähteestä, jolloin palavan akun sammuttaminen ei onnistu tukahduttamalla.

Ensimmäisillä latauskerroilla anodin pintaan saostuu elektrolyytistä ohut kerros, joka koostuu mm. litiumista ja erilaisista elektrolyytin epäpuhtauksista, joita saattaa irrota esimerkiksi katodimetallista. Tämä kerros toimii samaan tapaan kuin erotinkin, mutta tämä kerros on kennon toiminnan kannalta keskeinen, koska se estää myöhemmin litiumin kertymisen anodin pintaan, mikä kuluttaisi kennossa olevaa litiumia. Kerroksen liikamuodostus estetään erilaisilla elektrolyytin lisäaineilla.