Sähköverkon kolmivaihetehon ja sähkön laadun mittaukset

​Uusi aikakausi sähkötehon mittauksiin MIKESin elektroniikkaverstaalta

Sähkön laatu heikkenee sähköverkkoon liitettävien teholähteiden ja suurten kuormien lisääntyessä. Jotta siirtoverkkoja voidaan hallita, tarvitaan luotettavia mittausmenetelmiä. Digitaaliset mittaukset ovat tällöin suureksi avuksi samoin kuin muussa matalataajuisessa vaihtovirtametrologiassa. Tähän mennessä tarkimmat vaihtojännitteen mittaukset ovat perustuneet lämpömuuntimiin, jotka muuntavat sähköisen tehon lämmöksi. Näin syntyvä lämpötilan nousu mitataan tarkoilla termopareilla. Vaihtojännitteen tehollinen arvo saadaan vertaamalla syntynyttä lämpöä tarkasti tunnetun tasajännitteen synnyttämään lämpöön. Lämpömuuntimilla ei kuitenkaan saada tietoa vaihtojännitteen eikä -virran vaiheesta eivätkä mittaukset siten kerro mitään mitattavan signaalin spektrisisällöstä eivätkä näennäis- tai loistehosta. Mittaukset ovat myös hyvin aikaa vieviä. Sen sijaan mittaamalla aaltomuoto ja digitoimalla se voidaan numeerisen analyysin työkaluja käyttäen laskea monia erilaisia ominaisuuksia sähkötehosta.


Tapio Lehtonen tarkistamassa yhtä seitsemästä digitoijan A/D-muunninkorttia.

MIKESissä on suunniteltu ja rakennettu oma näytteenottoon perustuva modulaarinen laite sähköverkon kolmivaihetehon ja sähkön laadun mittauksiin. MIKESin digitoijassa on seitsemän samanaikaisesti näytteitä ottavaa kelluvaa analogia-digitaalimuunninkanavaa: kolme virralle, kolme jännitteelle ja yksi nollajohdolle. Jokaisella kanavalla on oma lämpötilastabiloitu tarkka referenssijännitelähteensä. Monipuolisesti säädettävä näytteenottokello muodostetaan digitaalisen taajuussynteesin avulla sisäisestä tai ulkoisesta 10 MHz:n referenssitaajuudesta, esimerkiksi laboratoriossa olevasta atomikellosignaalista. Laitteeseen on suunniteltu varaus GPS-moduulille näytteiden aikaleimausta varten sekä mahdollistamaan tarkka synkronointi kenttäoloissa. Signaalinkäsittely tapahtuu mikrotietokoneessa, joka liitetään USB 2.0 –portin kautta laitteeseen. Tehdyn ohjelmiston avulla voidaan mittausten hallinnan lisäksi visualisoida signaaleja sekä laskea reaaliajassa komivaiheteho viimeisten IEEE- ja DIN-standardien mukaisesti.   

Testien tulokset osoittavat, että huolellisella suunnittelulla voidaan päästä alle 10-6:n suhteelliseen epävarmuuteen. Laite moninkertaistaa mittausten taajuuskaistan sekä stabiiliuden. Lisäksi laite tarjoaa monipuoliset mahdollisuudet signaalien synkronointiin ja näytteenoton ajoitukseen, joten se soveltuu erinomaisesti vaativiin vaihtovirtamittauksiin. Laite on ensisijaisesti suunniteltu kansallisten metrologialaitosten tarpeisiin mutta siitä on hyötyä myös kaikille erinomaista suorituskykyä laboratorio- tai kenttämittauksissa tarvitseville.

Tämä työ oli osa Smart Grids and Energy Markets (SGEM) tutkimusohjelmaa, jota koordinoi CLEEN Oy ja rahoitti Tekes.

Lisätietoja: tutkija Tapio Lehtonen, etunimi.sukunimi@vtt.fi, puh. 050 511 0037.