SHKENERGIATEKNIIKKA Luento 9 Shkturvallisuus Matti Lehtonen Miksi linnut

SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA Luento 9 Sähköturvallisuus Matti Lehtonen

Miksi linnut eivät saa sähköiskua?

Esimerkki sähköiskusta Virhekytkennän takia kylpyhuoneen patterin kuoressa on 230 V jännite. Lattian ja verkon tähtipisteen (maan) välinen resistanssi on 20 kΩ suuruinen. Oletetaan henkilön kehon resistanssi 1 kΩ: ksi. Tämä sisältää myös jalkojen ja lattian välisen kontaktiresistanssin. Kuinka suuri virta kulkee sähköiskussa kehon läpi? Seuraukset? 230 V 20 kΩ R=1 kΩ

Vaihtovirran vaikutukset Tuntoraja (~ 1 m. A) • - virran minimiarvo, joka aiheuttaa tuntemuksia henkilössä. Reaktioraja (~ 3 -5 m. A) • - virta aiheuttaa tahdosta riippumattomia lihasliikkeitä Kouristusraja (~ 10 -15 m. A) • - virran suurin arvo, jolla henkilö pystyy irrottautumaan pitelemistään elektrodeista Sydänkammiovärinän raja-arvo • - virran minimiarvo riippuu ajasta. > 40 m. A jos sähkö vaikuttaa pitkän aikaa. Sydänkammiovärinän katsotaan olevan pääasiallinen kuolinsyy sähkötapaturmissa. On olemassa myös joitakin näyttöjä, että kuolinsyynä on ollut tukehtuminen tai sydänkouristus 19. 6. 2021 4

Pienen sähkövirran (50 Hz) vaikutukset (käsi-keho-käsi) 5% 50% 95% Virta m. A / AISTIMUS & VAIKUTUS 0, 7 1, 2 1, 7 Havaitsemiskynnys 1, 0 2, 0 3, 0 Pientä nipistelyä kämmenissä 1, 5 2, 5 3, 5 Nipistelyä myös ranteissa 2, 0 3, 2 4, 4 Käsien vapinaa, painetta ranteissa 2, 5 4, 0 5, 5 Kyynärvarsien lievää kouristumista 3, 2 5, 2 7, 2 Olkavarsien lievää kouristumista 4, 2 6, 2 8, 2 Kädet jäykistyvät ja kouristuvat irtautuminen mahdollista 4, 3 6, 6 8, 9 Olkavarret kouristuu, kädet raskaat ja tunnottomat 7, 0 11, 0 15, 0 Kädet kouristuu olkavarsiin saakka, vaikea irtautua 8, 5 12, 0 16, 5 Käsien täydellinen kouristuminen. Irtautuminen ei enää mahdollista. Sietoaika n. 20 s. Voimakkaita kipuja 19. 6. 2021 5

Vaarajännitteiden vaikutus ihmiseen Isommat virrat Sähkön vaikutustavat - Palaminen (valokaari) - veren muutokset - sydänkammiovärinä Sydänkammiovärinän 10% ja 1% todennäköisyydellä aiheuttava virta

Ihmiskehon impedanssi • Sähkövirran vaarallisuus riippuu pääasiassa kehon läpi kulkevan sähkövirran suuruudesta ja kestoajasta sekä kulkureitistä. Virran ja jännitteen riippuvaisuus ei ole lineaarista, koska kehon impedanssi riippuu kosketusjännitteestä. • Ihmiskehon osat kuten iho, veri, lihakset, luusto jne. muodostavat sähkövirralle tietyn impedanssin, jonka sijaiskytkentä voidaan esittää resistanssien ja kapasitanssien kytkentäkombinaatiolla. 19. 6. 2021 7

Kehon resistanssi eri jännitteillä Sydänkammiovärinän 10% todennäköisyyttä vastaavat jännitteet keston funktiona

Maadoitusjännitteet vs. kosketusjännitteet - kosketusjännite - askeljännite - vain osa maadoitusjännitteestä vaarajännitteenä Maasulkuvian aiheuttama kosketusjännite Ut, askeljännite Us, maadoitusjännite Ue ja potentiaali maan pinnalla V.

Sallitut kosketusjännitteet CENELEC: n mukaan MAADOITUS ON HYVÄKSYTTÄVÄ, JOS 1) Globaali maadoitus - kaupunkialueilla, kun maadoitukset yhdistetty 2) Maadoitusjännite < 2 x sallittu kosketusjännite 3) Maadoitusjännite < 4 x sallittu kosketusjännite & potentiaalintasausrengas 4) muulloinkin, jos osoitetaan mittauksin tai laskelmin kokonaisjännitevaatimusten täyttyminen

Esimerkki: kosketusjännite muuntamolla •

Esimerkki: Askeljännite • I= 50 A A B

Sähköturvallisuus – siirtyvät vaarajännitteet 19. 6. 2021 13

Esimerkki – siirtyvä vaarajännite Rakennustyömaalla on keskus joka on liitetty muuntamolle tilapäiskaapelilla. Kaapelin maadoitusjohdin (PEN) on kytketty kiinni muuntamolla mutta keskuksen pää on jäänyt maadoittamatta. Muuntamolla sattuu maasulkuvika jonka maadoitusjännite on 600 V ja kesto 0, 4 sekuntia. Tämän seurauksena keskukseen pistotulpalla kytketyn työkalun kuoreen tulee 600 V jännite. Miten työmiehen käy? Oletukset: maan resistiivisyys ρ=100 Ωm, kehon resistanssi 1000 Ω, kenkien resistanssi 1000Ω/kenkä. Jalka-maa kontaktiresistanssi Rg≈3ρ. 600 V R=1 kΩ Rk=1 kΩ Rg=3ρ Kokonaisresistanssi=R+0. 5(Rk+Rg) = R+0. 5(Rk+3ρ) = 1650 Ω Virta = 600 V/1650Ω = 360 m. A Sydänkammiovärinän Todennäköisyys > 1%

Esimerkki – puu jännitteisellä johdolla Myrskyn jälkeen on puu jäänyt nojaamaan jännitteiseen 20 k. V avojohdon johtimeen. Metsuri menee sahaamaan puuta 2 m korkeudelta. Miten metsurin käy? Otetaan 8 m mittainen puu (johtimen ja maan väli), resistanssi 10 kΩ/m, maan resistiivisyys ρ=2300 Ωm, kengän resistanssi 1 kΩ ja miehen 2 kΩ. Jalka-maa resistanssi Rg≈3ρ

Kosketusjännite Pienjänniteverkon maadoitukset PEN on yhdistetty suojamaa ja nollajohdin 16

PJ-verkon maadoitusjärjestelmä Suomessa on käytössä TN-C-S-järjestelmä: • Muuntamolta asiakkaan liittymään saakka nollajohdin N ja maadoitusjohdin PE on yhdistetty PEN-johtimeksi (TN-C) • Rakennusten pääkeskuksessa nolla- ja maadoitusjohdin eroaa (TN-S) muuntamo rakennus L 1 L 2 L 3 PEN N PE

Vikavirtasuojakytkin (30 m. A) • L N PE Kuorma

Nollavika syntyy kun PEN-johdin katkeaa muuntamon ja kuorman väliltä. Syy voi olla esimerkiksi irronnut liitos tai ilmakaapelin päälle kaatunut puu (PEN kannatinvaijerina). PJ-verkossa kuorma on aina hieman Epäsymmetrinen, jolloin osa virrasta L 1 Palaa PEN-johdinta pitkin. L 2 Jos PEN on poikki, kulkee paluuvirta PEN paluuvirta 200 V Maan kautta. Maapiirin resistanssi on L 3 Melko iso, jolloin katkoksen taakse Kuorman maadoitukseen tulee jännite. N PE Esimerkiksi 10 A virta ja 20 A resistanssi 200 V asiakkaan maadoituspisteessä Jännite leviää PE johtimen kautta kaikkiin suojamaadoitettuihin laitteiden kuoriin ilman että 30 m. A vikavirtasuoja havaitsee vikaa!

Vaihejännitteet nollavian aikana Nollavian aikana nollapiste Siirtyy ja vaihejännitteet Vääristyvät vastaavasti. Tyypillisesti yhdessä vaiheessa On huomattavasti normaalia Korkeampi jännite. Teoriassa vaihejännite voi Nousta lähelle pääjännitettä. Ylijännitteen suuruus vaihtelee Kuormavirran vaihtelun mukana

Sähköturvallisuus Turvallisuus ja kemikaalivirasto TUKES on työ - ja elinkeino- ministeriön alainen virasto, joka perustettiin 1. 1995. Virastolle on siirretty teknillisen tarkastuskeskuksen ja entisen Sähkötarkastuskeskuksen viranomaistoiminnat. 19. 6. 2021 21

Sähköturvallisuus • TUKESin tehtävänä on sähköturvallisuuden valvonta ja kehittäminen. • Tavoitteena on Suomen korkean sähköturvallisuustason ylläpitäminen. • Virasto opastaa ja neuvoo sähköalan ammattilaisia ja yksityisiä kansalaisia sähköturvallisuuteen liittyvissä kysymyksissä. • Valvonnan kohteita ovat sähkölaitteiden ja -tarvikkeiden turvallisuus, eräiden laitteiden energiamerkinnät, laitteiden sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC), sähkölaitteistot ja –asennukset, hissit, sähköurakointi, tarkastuslaitokset ja tarkastajat sekä henkilöpätevyyksien arviointilaitokset. 19. 6. 2021 22

Turvallisuusvaatimukset • Enintään 1000 V asennukset tehdään pääsääntöisesti standardisarjan SFS 6000 (Pienjännitesähköasennukset) mukaan ja yli 1000 V asennukset standardin SFS 6001 (Suurjännitesähköasennukset) mukaan. Sähkötyöturvallisuusasioissa noudatetaan standardia SFS 6002 (Sähkötyöturvallisuus). Tukes-ohjeeseen S 10 on lisäksi luetteloitu tiettyjen laitteistojen ja tilojen erityisvaatimuksia kuten mm. ilmajohtoja ja räjähdysvaarallisten tilojen sähköasennuksia koskevia standardeja 19. 6. 2021 23

Sähköturvallisuuslakia sovelletaan laitteisiin ja laitteistoihin, joita tarvitaan sähkön tuottamisessa, siirrossa, jakelussa tai käytössä ja joiden sähköisistä tai sähkömagneettisista ominaisuuksista voi aiheutua vahingon vaara tai häiriöitä. Sähkölaitteet ja laitteistot on suunniteltava, rakennettava, valmistettava ja korjattava niin sekä niitä on huollettava ja käytettävä niin, että: • 1) niistä ei aiheudu kenenkään hengelle, terveydelle tai omaisuudelle vaaraa; • 2) niistä ei sähköisesti tai sähkömagneettisesti aiheudu kohtuutonta häiriötä; sekä • 3) niiden toiminta ei häiriinny helposti sähköisesti tai sähkömagneettisesti. 19. 6. 2021 24

Sähköturvallisuus • Sähkönkäyttäjien suojaus sähköiskulta voidaan jakaa kahteen lähestymistapaan. Ensimmäisessä tavassa pyritään estämään kosketus jännitteiseen osaan (kosketussuojaus) ja toisessa tavassa pyritään rajoittamaan jännitteen ja virran vaikutusaika mahdollisimman lyhyeksi tai pidetään kosketeltavissa oleva jännite vaarattoman pienenä (kosketusjännitesuojaus). 19. 6. 2021 25

Sähköturvallisuus Suojaus sähköiskulta vaatii sekä kosketussuojauksen eli suojauksen suoralta koskettamiselta että kosketusjännitesuojauksen eli suojauksen kosketusjännitteeltä. 19. 6. 2021 Kosketussuojaus määritetään suojaukseksi, jolloin ihmistä estetään joutumasta kosketuksiin jännitteisten osien kanssa sähkölaitteen ollessa normaalissa tilassa. 26

Sähköturvallisuus a) Suojaus kaikelta koskettamiselta b) suojaus tahattomalta koskettamiselta Tavallisia kosketussuojausmenetelmiä ovat: — suojaus koteloinnilla — suojaus suojuksella — suojaus esteillä — suojaus sijoittamalla jännitteiset osat kosketusetäisyyden ulkopuolelle. 19. 6. 2021 27

Sähköturvallisuus -Suojaus eristämällä jännitteiset osat (tyypillisesti esim. kaapelit) -Suojaus sijoittamalla jännitteiset osat kosketusetäisyyden ulkopuolelle (esim. ilmajohdot) -Suojaus käyttämällä suojuksia ja kotelointia (IP-luokat) 19. 6. 2021 Ensimmäinen tunnusnumero - vaarallisten osien kosketussuojaus - suojaus vierasesineiltä ja pölyltä Toinen numero - vesisuojaus Lisäkirjaimet - käytetään vain, jos todellinen kosketussuojaus on parempi kuin 1. numero Täydennyskirjaimet - ilmaisevat poikkeuksellista toimintaa 28

Sähköturvallisuus IP-luokkajako 19. 6. 2021 29

Sähköturvallisuus 19. 6. 2021 30

Sähkötapaturmat • Vakavien sähkötapaturmien määrä on vähentynyt Suomessa jatkuvasti. Vaikka sähkönkäyttö on kasvanut runsaassa 60 vuodessa noin 70 kertaiseksi, on tapaturmien määrä suhteessa kulutukseen romahtanut. Suomessa kuolee kuitenkin vuosittain keskimäärin 3 - 4 ihmistä sähkötapaturmissa. Yleisimmät syyt kuolemaan johtaneisiin tapaturmiin ovat varomattomuus ja omat viritykset tai hölmöily. Valtaosa tapaturmista sattuu tavallisille sähkönkäyttäjille 230 V verkkojännitteellä. 19. 6. 2021 31

Tapaturmatilastot Kuolemaan johtaneet sähkötapaturmat 1945 -2014 19. 6. 2021 32

Kuolemaan johtaneita sähkötapaturmia • • Elementtiasentaja oli purkamassa betonielementtikuormaa autonosturilla, kun hän sai sähköiskun läheisen sähkölinjan kautta. Henkilö menehtyi sähköiskuun kiivettyään junan katolle. Putkiasentaja sai tappavan sähköiskun kylpyhuoneen valaisimen pistorasiaan liittämänsä työkoneen kautta. Valaisimessa oli nollattu virheellisesti vaihejohtimeen ja siten pistorasian maadoitusliuskat olivat jännitteisiä. Onkija sai onkikilpailun aikana kuolettavan sähköiskun 20 k. V: n avojohdosta hiilikuituvavan välityksellä. Maatalouslomittaja sai kuolemaan johtaneen sähköiskun työpaikallaan koskettaessaan käyttämätöntä rikkinäistä valokatkaisijaa, jossa oli kosketeltavissa paljaita jännitteisiä (230 V) johtimia. Lapsi oli tavoitellut lelua metallirunkoisen jalkalampun lähistöltä ja koskettanut yhtäaikaisesti sekä valaisimeen että keskuslämmityspatteriin. Valaisimen kuori oli jännitteinen, ja lapsi sai kuolettavan sähköiskun. Tapaturman syynä oli puutteellinen eristys jännitteisen johtimen ja valaisimen yläpäässä haarautuneen kromatun metalliputken välillä. 43 -vuotias mies sai saunoessaan kuolemaan johtaneen sähköiskun käynnissä olleesta pulsaattoripesukoneesta, joka oli sijoitettu navettarakennuksessa olleen saunan eteiseen. Pesukoneen runko oli jännitteinen, koska liitäntäjohdon pistotulppa oli vioittunut. Mies sai kuolemaan johtaneen sähköiskun tartuttuaan vanhasta navetasta tehdyssä tallissa jännitteiseen vesihanaan. Lämminvesivaraajan vastus oli rikkoutunut (eristysresistanssi 0 Ω), jolloin vesihana oli vesijohtoputkiston kautta tullut jännitteiseksi. Sulake ei ollut toiminut, koska suojakosketinpistorasiasta puuttui suojamaadoitus eikä maasta eristettyä putkistoa ollut maadoitettu.

Sähkötapaturmien seuraukset 2012 -2016 (Tukes) 2012 2013 2014 2015 2016 Ohi menevä kipu 22 21 18 27 24 Työkyvyttömyys ≤ 30 vrk 25 12 11 18 12 Työkyvyttömyys > 30 vrk 5 3 3 2 1 Kuolema - 1 1 - - Ei tiedossa 2 - - 1 - Ammattilaiset yhteensä 54 37 33 48 37 Ohi menevä kipu 20 29 30 38 34 Työkyvyttömyys ≤ 30 vrk 21 20 18 22 12 Työkyvyttömyys > 30 vrk 1 3 1 8 1 Kuolema 1 2 2 3 - Ei tiedossa 3 6 1 4 4 Maallikot yhteensä 46 60 52 75 51 Ammattilaiset Maallikot

Sähkötapaturmien seuraukset - vaikutusmekanismit • • Sähkövirta voi vaikuttaa kehoon joko suoraan tai valokaarena. Yleisimmät virran aiheuttamat vammat ovat ihon palovammoja. Suurimmat vammat syntyvät virran kulkiessa tärkeiden elinten, kuten sydämen ja aivojen, läpi. Vaurioiden oireet voivat olla havaittavissa heti, tai ne voivat kehittyä useiden kuukausien tai vuosien kuluessa. Sähkövirta aiheuttaa vammoja kahdella tavalla: resistanssin synnyttämän lämmön vaikutuksesta ja depolarisoimalla soluja. Sydämeen sähkövirta voi aiheuttaa rytmihäiriön. Lihaksistossa virta voi aiheuttaa hallitsematonta kouristelua, jonka seurauksena muut vammat voivat pahentua tai voi syntyä muita vammoja. Hermostossa virran seuraukset ovat hyvin moninaisia, mutta yleisimpiä oireita ovat muistihäiriöt, tajunnantilan muutokset, somaattisen hermoston ongelmat ja psykiatriset sairaudet.