Nykyaikainen yhteiskunta nojaa vahvasti luotettavaan sähköverkkoon, jonka toimintavarmuus on kriittistä niin yrityksille, julkisille palveluille kuin kotitalouksillekin. Sähköverkko kohtaa kuitenkin päivittäin erilaisia häiriöitä ja uhkia, joista merkittävimpiä ovat äkilliset ylijännitteet. Nämä voivat salamaniskun hetkessä tuhota arvokkaita laitteita ja aiheuttaa laajojakin sähkökatkoja. Tässä artikkelissa perehdymme siihen, miten tehokkaasti toteutettu ylijännitesuojaus toimii sähköverkon vakaan toiminnan varmistajana ja mitä jokaisen sähköalan ammattilaisen ja kiinteistön omistajan tulisi tietää tästä tärkeästä turvallisuustekijästä.

Mitä ylijännitesuojaus tarkoittaa? Peruskäsitteet ja merkitys

Ylijännitesuojauksella tarkoitetaan järjestelmää, joka suojaa sähköverkkoa ja siihen kytkettyjä laitteita äkillisiltä jännitepiikkejä vastaan. Nämä jännitepiikit eli transienttiylijännitteet ovat lyhytkestoisia mutta voimakkaita jännitearvon nousuja, jotka voivat moninkertaisesti ylittää sähköverkon normaalin käyttöjännitteen. Ylijännitteet voidaan jaotella niiden syntyperän mukaan: ulkoisiin ja sisäisiin. Ulkoisista ylijännitteistä tunnetuin on salamanisku, joka voi aiheuttaa jopa miljoonien volttien jännitteen ja useiden kymmenien kiloampeerien virran. Sisäiset ylijännitteet puolestaan syntyvät tyypillisesti sähköverkon kytkentätapahtumista, kuten suurten moottoreiden käynnistyksestä tai kondensaattoripatterien kytkennästä.

Ylijännitesuojaus on kriittinen osa nykyaikaista sähköverkkoa useista syistä. Ensinnäkin nykyiset elektroniset laitteet ovat yhä herkempiä jännitteen vaihteluille kuin aiemmin. Esimerkiksi mikroprosessorit ja tehoelektroniikka voivat vaurioitua jo pienestäkin ylijännitteestä. Toiseksi, sähköverkkojen monimutkaistuessa ja laitekannan kasvaessa ylijännitteiden aiheuttamat taloudelliset menetykset ovat merkittäviä. Kolmanneksi, yhä useammat kriittiset toiminnot kuten sairaalat, datakeskukset ja teollisuusprosessit edellyttävät keskeytymätöntä sähkönsyöttöä. Tämän vuoksi ylijännitesuojaus ei ole pelkästään laitteiden suojaamista, vaan keskeytymättömän toiminnan ja turvallisuuden takaamista.

Miten ylijännitesuojaus toimii käytännössä?

Ylijännitesuojalaitteiden perusperiaate on yksinkertainen mutta tehokas: ne tarkkailevat jatkuvasti verkon jännitettä ja havaitessaan normaalista poikkeavan jännitearvon, ne ohjaavat ylimääräisen energian hallitusti maahan suojaten näin verkossa olevia laitteita. Toiminta perustuu erityisiin komponentteihin, jotka normaalijännitteellä toimivat kuin avoimet kytkimet, mutta muuttuvat lähes oikosuluksi ylijännitteen ilmetessä. Tällaisia komponentteja ovat mm. varistorit, kaasupurkausputket ja puolijohdekomponentit kuten suojadiodi ja tyristorit.

Varistorit ovat yleisimpiä ylijännitesuojien komponentteja. Ne valmistetaan metallioksidista, tyypillisesti sinkkioksidista (MOV, Metal Oxide Varistor). Varistori toimii kuin jännitteestä riippuva vastus – normaalijännitteellä sen resistanssi on erittäin korkea, mutta ylijännitteellä se putoaa nopeasti, ohjaten ylimääräisen virran maahan. Kaasupurkausputket puolestaan perustuvat nimensä mukaisesti kaasun purkautumiseen. Kun jännite nousee riittävän korkeaksi, putken sisällä oleva kaasu ionisoituu ja muodostaa johtavan kanavan. Puolijohdekomponentit, kuten suojadiodit, toimivat erittäin nopeasti, mutta niiden energiankäsittelykyky on yleensä rajallinen, minkä vuoksi niitä käytetään useimmiten herkimpien elektronisten laitteiden suojaukseen.

Ylijännitesuojan toimintaprosessi etenee tyypillisesti seuraavasti: Ensin suojalaite havaitsee normaalia korkeamman jännitteen, minkä jälkeen suojakomponentti aktivoituu luoden matalaimpedanssisen reitin maahan. Tämän reitin kautta ylijännite ohjautuu turvallisesti maadoitusjärjestelmään, josta se purkautuu lopulta maaperään. Kun jännite palautuu normaalitasolle, suojalaite palautuu valmiustilaan. Prosessi kestää vain mikrosekunteja, mutta se on välttämätön laitteiden suojaamiseksi salamoiden ja muiden häiriöiden aiheuttamilta jännitepiikeiltä.

Ylijännitesuojauksen tasot ja kokonaisvaltainen suojausjärjestelmä

Tehokas salamasuojausjärjestelmä rakentuu useasta suojaustasosta, jotka yhdessä muodostavat kokonaisvaltaisen suojausjärjestelmän. Tätä kutsutaan kaskadisuojaukseksi, jossa suojalaitteet on sijoitettu sähköverkon eri osiin siten, että ne porrastetusti vaimentavat ylijännitepiikkejä. Suojaus jaetaan tyypillisesti kolmeen tasoon: karkeasuojaukseen (tyypin 1 suojat), keskisuojaukseen (tyypin 2 suojat) ja hienosuojaukseen (tyypin 3 suojat).

"Ylijännitesuojauksen tehokkuus ei perustu yksittäiseen huippulaitteeseen, vaan oikein koordinoituun kokonaisjärjestelmään, jossa suojatasot toimivat saumattomasti yhteen salamaniskun energian asteittaiseksi vaimentamiseksi."

Karkeasuojaus sijoitetaan rakennuksen pääkeskukseen tai sen läheisyyteen. Sen tehtävänä on vastaanottaa suurin osa salamaniskun energiasta ja estää sen pääsy rakennuksen sähköjärjestelmään. Nämä suojalaitteet on mitoitettu kestämään jopa 100 kA:n salamavirrat. Keskisuojaus asennetaan tyypillisesti alakeskuksiin ja sen tehtävänä on ottaa vastaan karkeasuojauksen läpäisseet pienemmät ylijännitteet. Hienosuojaus puolestaan sijoitetaan mahdollisimman lähelle suojattavia laitteita, ja se toimii viimeisenä puolustuslinajana erityisen herkkien laitteiden suojaamisessa.

Suojausjärjestelmän toimintaa säätelevät kansainväliset ja kansalliset standardit. SFS-EN 62305 -standardisarja käsittelee salamasuojauksen eri näkökulmia, kuten riskien arviointia ja fyysisiä rakenteita. IEC 61643 -standardisarja puolestaan määrittelee ylijännitesuojalaitteiden testausvaatimukset ja luokitukset. Standardien noudattaminen on tärkeää, sillä oikein toteutettu suojausjärjestelmä takaa maksimaalisen suojan salamoiden aiheuttamia vahinkoja vastaan. Erityisen tärkeää on varmistaa eri tasojen suojalaitteiden välinen koordinaatio, jotta suojat toimivat oikeassa järjestyksessä ja suodattavat ylijännitettä progressiivisesti.

Ylijännitesuojauksen suunnittelu ja mitoitus sähköverkossa

Ylijännitesuojauksen suunnittelu alkaa perusteellisella riskianalyysillä, jossa arvioidaan kohteen alttiutta salamaniskuille ja muille ylijännitelähteille. Analyysissä huomioidaan mm. kohteen maantieteellinen sijainti, maaperän johtavuus, rakennuksen korkeus ja materiaalit sekä rakennuksessa käytettävien laitteiden herkkyys ja arvo. Riskianalyysin pohjalta määritellään tarvittava suojaustaso, joka voi vaihdella tavanomaisesta tehostettuun suojaukseen.

Suojausratkaisut vaihtelevat merkittävästi kohteen tyypin mukaan. Pientaloissa perussuojaus käsittää tyypillisesti pääkeskukseen asennettavan tyypin 2 ylijännitesuojan, joka suojaa kodin elektroniikkaa. Teollisuuslaitoksissa puolestaan vaaditaan monitasoista suojausta, sillä tuotantoprosessien keskeytyminen ylijännitteen vuoksi voi aiheuttaa suuria taloudellisia menetyksiä. Datakeskukset ja sairaalat edustavat kaikkein kriittisimpiä kohteita, joissa tarvitaan täydellistä salamasuojausjärjestelmää sekä UPS-järjestelmiä takaamaan katkeamaton toiminta.

Suojalaitteen valinnassa ja mitoituksessa huomioidaan useita teknisiä parametreja: maksimijatkuva käyttöjännite (Uc), suojaustaso (Up), nimellinen purkausvirta (In) ja maksimi purkausvirta (Imax). Oikein mitoitettu suojalaite kestää verkossa esiintyvät ylijännitteet mutta aktivoituu riittävän nopeasti suojatakseen laitteita. Asennuksessa on huomioitava myös johdotus – ylijännitesuojan liitäntäjohtojen on oltava mahdollisimman lyhyet impedanssin minimoimiseksi. Lisäksi on varmistettava, että ylijännitesuojat on ryhmitelty oikein ja että niiden koordinaatio toimii suunnitellusti.

Nykyaikainen sähköverkko ja sen varassa toimivat järjestelmät ovat alttiimpia häiriöille kuin koskaan aiemmin. Siksi kokonaisvaltainen ylijännitesuojaus on kriittinen osa jokaista sähköjärjestelmää – oli kyseessä sitten pientalo, teollisuuslaitos tai kriittinen infrastruktuuri. Tehokas suojaus edellyttää syvällistä ymmärrystä ylijännitteiden luonteesta, oikein mitoitettuja ja asennettuja suojalaitteita sekä säännöllistä kunnossapitoa. Jos haluat varmistaa kiinteistösi tai laitteistosi suojauksen tehokkuuden, ota yhteyttä asiantuntijoihimme. Tarjoamme kokonaisvaltaista osaamista niin suunnitteluun, toteutukseen kuin ylläpitoonkin. Ota yhteyttä ja varmista sähköjärjestelmäsi jatkuva toimivuus ylijännitteistä huolimatta.

Tämä artikkeli on luotu tekoälyavusteisesti ja siinä voi siitä syystä ilmetä epätarkkuuksia.