Sähkötekniikan perustaa – sähkötermit tutuiksi

Yhteiskuvassa erilaisia sähkötarvikkeita ja mittareita. Kuvassa vasemmalla näkyvä laite on oskiloskooppi, joka näyttää havainnollisesti vaihtoviran jännitevaihtelut (katso kuvat seuraavalla sivulla). 

Kuvassa tasajännite mitattuna oskilloskoopilla. Yleismittarilla mitaten saadaan lukemaksi noin 12 V. 

Kuvassa normaali yksivaiheinen 230 V “töpselisähkö”. Yleismittarilla mitaten saadaan lukemaksi noin 230 V. 

Kuvassa oskilloskoopilla kolmivaiheinen “voimavirta”. Yleismittarilla vaiheiden väliltä noin 400 V ja nollaa tai maata vasten mitaten noin 230 V. 

1-vaiheinen pistotulppa. Keltavihreä johdin= suojamaa; Ei saa koskaan, eikä missään käyttää muuhun tarkoitukseen. Sininen on nollajohdin ja musta tai ruskea on vaihejohdin. Suojamaa pitää kytkeä niin, että jos johto irtoaa vedonpoistimesta, suojamaan johto pysyy viimeisenä kiinni pistotulpassa. Huomaa myös se, että vedonpoistin puristaa myös mustaa johdon kuorta – tällöin johto pysyy kiinni luotettavasti. 

3-vaihevirran luonne paljastuu hyvin tästä halkileikkauskuvasta. Vaiheet (L1, L2 ja L3) tuodaan jokainen omassa johdossaan, sininen on nollajohdin (maa) ja keltavihreä on suojamaa. Huomaa, että johtojen värikoodaus on muuttunut aikojen kuluessa monta kertaa, ja että voimavirtajohdon korjaus ei kuulu kaikille sallittuihin sähkötöihin. 

Mittaa turvallisesti. Noudata turvallisuusmääräyksiä (TUKES) ja mittalaitteen käyttöohjeita. Jos ohjeet epäilyttävät tai asia ei tunnu selvältä tai laite turvalliselta, älä mittaa! Huomaa että kaikkia mittareita ja koetuskyniä ym. ei ole tarkoitettu verkkojännitteelle. 

Sähköturvallisuuteen ei tässä artikkelissa oteta kantaa muutamaa linkkiä enempää. Erinomaisen selkeitä sähköturvallisuuden perusteoksia löytyy esim. Tukesin sivuilta (www.tukes.fi). Suosittelen tutustumaan mainittuihin lähteisiin seikkaperäisesti ja pitämään tietoa saatavilla tuotantotiloissa muistinvirkistystä varten.

Lisäksi muistutan vielä, että sähköala on vahvasti säädeltyä ja asennus- ja korjaustöissä on syytä turvautua asianmukaiset luvat ja taidot omaaviin ammattilaisiin. Niistä sähkötöistä, joita jokainen saa tehdä, löytyy luettelo tämän jutun lopusta.

Sähkötekniikan termistö on hyvin yksiselitteinen, vakiintunut ja mikä parasta, pääosin selvällä suomen kielellä. Suureiden nimet ja lyhenteet on standardoitu useilla kielillä. Harmillista on, että muutamat nimitykset ovat kovin samankaltaisia ja usein sekavasti tai väärin käytettyjä.

Aloitetaan sähkötekniikan perustermeistä:

JÄNNITE (lyhenne U), jonka yksikkö on voltti (V).

Jännite voi olla tasa- tai vaihtojännitettä. Esimerkkeinä 1,5 V tai 1,5 VDC sormiparisto, jonka napojen välillä on noin 1,5 voltin tasajännite (yleinen lyhenne DC, Direct Current ”suora virta”). Tasajännitelähteessä on aina kaksi napaa; plus (+) ja miinus (-). Vrt. Traktorin akku.

Vaihtojännite on esim. tavallisesta 1-vaihe pistorasiasta saatava ”kotisähkö” 230 V tai 230 VAC (AC tulee sanoista Alternating Current). Myös tässä on kaksi napaa; vaihe (~) ja nolla (N). Nyt vain nolla on koko ajan nolla, ja vaiheessa jännite on vuoroin plus- ja miinus-merkkistä.

Tästä päästäänkin suureeseen nimeltä TAAJUUS (f), jonka yksikkö on Hertsi (Hz). Taajuus voidaan yhtä hyvin ilmaista myös muodossa 50 1/s eli ”kertaa sekunnissa”. Taajuus kertoo vaihtosähkön tapauksessa, kuinka usein jännite vaihtuu plussasta miinukseen vaihejohtimessa. Kotimaisen verkkosähkön tapauksessa siis 50 kertaa sekunnissa, 50 Hz. Tasajännitteen taajuus on nolla.

Ja jotta asia ei heti tuntuisi vieraalta, listataan vielä yleisiä nimityksiä erilaisille sähköille: Vaihtosähköä on myös vaihtovirta, vaihtojännite, verkkovirta, kolmivaihevirta, voimavirta jne. Usein ei siis tehdä eroa puhutaanko jännitteestä, virrasta vai sähköstä. Eikä yleiskielessä ole tarpeenkaan. Vastaavasti tasasähköä on tasavirta, tasajännite.

Seuraava esiteltävä suure on VIRTA (I), jonka yksikkö on amppeeri (A). Kuten jännite, virta voi olla tasa- tai vaihtovirtaa. Jos jännitelähde on tasajännite, on virta tasajännitettä, esim. traktorin 60 Watin työvalo ottaa tasavirtaa 5 A. Kahvinkeitin ottaa keittiön 230 V kotisähkötöpselistä noin 7 A vaihtovirtaa.

Näiden suureiden kautta voidaan luontevasti puhua TEHOsta. Sähkölaitteiden teho (P) ilmoitetaan Watteina (W). Teho ei ota kantaa siihen, onko kyseessä vaihto- vai tasasähköjärjestelmä, merkinnät ja laskentakaavat kylläkin. Yksinkertaisimmillaan tehon laskeminen ja ymmärtäminen on tasasähköjärjestelmässä. Laitteen teho on selkeästi sen ottama virta kerrottuna laitteen liittimissä vaikuttavalla jännitteellä; P=U*I.

Tasavirran teho

Esimerkkinä edelleen työvalo: jännite 12 V, virta 5 A joista laskien teho on 12 V* 5A=60 VA (volttiampeeria) joka tasasähköllä siis on sama kuin 60 W.

Vaihtovirran teho

Vaihtosähköllä yhtälöihin pujahtaa kaikenlaisia ikäviä lurjuksia, johtuen juuri tuosta edestakaisesta plussan ja miinuksen puolella juoksemisesta. Ensinnäkin vaihtosähköllä tehoja ilmoitetaan kolmella eri nimikkeellä: NÄENNÄISTEHO (S), yksikkö volttiamppeeri (VA); PÄTÖTEHO (P), yksikkö watti (W) sekä LOISTEHO (Q), yksikkö vari (VAr).

Edellämainittujen tehojen erilaisuus voidaan yksinkertaistaa seuraavalla tavalla: Pätöteho on se teho, joka saadaan sähkömoottorin akselilta, loisteho on se, joka käytetään kyseisen moottorin magnetointiin, mutta joka ei näy akselitehossa ja näennäisteho on edellä mainitut yhteensä. Eli se teho, joka sähköverkosta otetaan mainitun moottorin pyörittämiseksi. Sähkövastus, vaikkapa kuumavesivaraaja, ottaa vain pätötehoa, samoin hehkulamput. Loistelamput ja tietokoneen virtalähteet taas ottavat (tai tuottavat) vaihtelevan määrän myös loistehoa.

Yksinkertaisimmillaan tehoa voi vaihtosähköjärjestelmässä laskeskella seuraavin kaavoin:

Yksivaiheisessa 230 V kotisähköverkossa 10 A sulakkeesta saadaan otettua

230 V*10 A= 2300 VA = 2,3 kVA. Kolmivaiheisesta 16 A voimavirtapistokkeesta saadaan vastaavasti:

400V*16A*√3=400*16*1,73VA

=11085VA=11kVA

Mikäli käytettäisiin resistiivistä eli puhdasta vastuskuormaa (vedenkeitin, lämmitin) voidaan tehot ilmoittaa vastaavasti watteina, 2,3 kW ja 11 kW.

Pätöteho on ”käytettävää” tehoa, loisteho taas on käyttäjälle ”hyödytöntä” mutta kuormittaa sähköverkkoa. Sen vuoksi tietyissä tapauksissa on edullista käyttää kompensointia eli tuottaa loistehoa käyttöpaikalla verkon kuormituksen pienentämiseksi.

Tehokerroin kertoo sähkölaitteen pätötehon suhteen näennäistehoon. Sähkömoottorissa, jonka kilvestä löytyy arvot nimellisjännite (Un) 400 V, nimellisvirta (In) 20 A ja cosf 0,88 voidaan laskeskella seuraavasti: Verkosta otetaan näennäistehoa

√3*400V*20 A= 13,9 kVA

ja pätötehoa √3*400V*20A*0,88=12,2 kW.

Kyseessä on akseli- eli nimellisteholtaan (Pn) 11 kW moottori. Tuo reilu 10 % pätötehosta hukkuu moottorin häviöihin kuten tuulettimeen ja lämpenemiseen.

SÄHKÖENERGIAa merkitään kirjaimella E, yksikkönä käytetään wattituntia, lyhenne Wh. Tutummin tietysti tuhat kertaa suurempana yksikkönä, kilowattituntina, kWh.

Lisätään vielä pari maustetta soppaan. RESISTANSSI (vastus), lyhenne R, yksikkö ohmi (Ω); sen kaveri kapasitanssi, lyhenne C ja yksikkö faradi (F).

Resistiivisyys kertoo materiaalin ominaisuudesta vastustaa sähkön kulkua. Metalleilla se on tyypillisesti hyvin pieni ja eristeillä, esim. posliinilla hyvin suuri. Materiaalin ominaisuutena resistiivisyys ilmoitetaan ohmina metrille tietyllä poikkipinnalla. Komponentille, vaikkapa sähkövastukselle, vastus ilmoitetaan ohmeina. Esimerkkinä käytetyn 12V/60W lampun vastus on 2,4 Ω.

KAPASISTANSSI taasen on selkeimmillään komponentissa nimeltä kondensaattori. Kondensaattori toimii kuin pieni pikaladattava ja purettava akku. Se varaa sähköä kapasiteettinsa verran ladattaessa ja antaa sitä purettaessa takaisin vaihtelevan määrän kondensaattorin tyypistä ja laadusta riippuen. Kondensaattoreita käytetään esimerkiksi suodattamaan sähköisiä häiriöitä erilaisissa järjestelmissä. Esimerkkinä vaikkapa televisio tai digiboksi, jonka merkkivalo kiiluu hetken virrankatkaisun tai töpselin irroituksen jälkeen kondensaattorien antaessa laitteelle hetken virtaa.

Jännitetasosta ei jakeluverkon loppupäässä eli käyttäjällä juurikaan synny epäselvyyksiä. Suomalaiset jännitetasot ovat nykyisin 1-vaihejärjestelmässä eli ”kotisähkössä” 230 V ja voimavirralla eli kolmivaihejärjestelmässä 400 V. Jännitteet ovat toisiinsa sidoksissa siten, että 230 V löytyy kolmivaiheverkon jokaisen vaiheen ja nollan väliltä, 400 V taas vaiheiden väliltä. Jännitteitä kutsutaan vastaavasti vaihe- ja pääjännitteiksi. Sähkönsiirrossa käytetään lisäksi 20 kV, 110 kV ja 400 kV suurjännitteitä.

Sulakkeen koko ilmoitetaan amppeereina. Sulake ei ota kantaan siihen, millaisella jännitteellä sitä käytetään. 10 A sulake palaa 20 amppeerin virralla yhtä nopeasti riippumatta siitä onko se 12 VDC vai 400 VAC kytkennässä. Eri jännitteille tarkoitettuja sulakkeita ei kuitenkaan ole syytä käyttää ristiin mm. eristysvaatimusten takia.

Erilaiset sähkölaitteiden ja johtimien mitoitukset toteutetaan kuormittavien laitteiden tyyppitiedoissa ilmoitettujen nimellisvirtojen (In) mukaan. Jos siis otetaan käyttöön laitteet, joiden nimellisvirrat ovat vaikkapa 2, 8 ja 6 A tarvitaan niiden yhtäaikaiseen käyttöön nimellisteholla vähintään 16 A sulake. Oikosulkumoottorilla samoin mitoituksen määrää tyyppikilven nimellisvirta.

Kuluttajien sähkölaitteiden tehot ilmoitetaan käytännössä aina pätötehona (Pn). Poikkeuksena muuntajat ja generaattorit, joille ilmoitetaan aina näennäisteho (Sn). Niinpä varavoimakoneen tehoilmoitus 90 kVA tarkoittaa siitä saatavan pätötehoa 72 kW. Käytännössä erinomainen kohde erehtyä, vaikkapa tarjousten vertailussa. n

Lisätietoa sallituista

sähkötöistä:

http://www.tukes.fi/kodinsahkoturvallisuus/3_7.html

Ei-ammattilaisille sallittuja toimenpiteitä

• Sulakkeen vaihto. Asunnon sulakkeen vaihto. Automaattisulakkeen asettaminen toiminta-asentoon. Valonsäätimessä (himmentimessä) olevan sulakkeen vaihto.

• Valaisimen lampun ja sytyttimen vaihto

• Jännitteettömyyden toteaminen hyväksytyllä jännitteenkoettimella, kun tehdään ei-ammattilaisille sallittuja töitä.

• Vikavirtasuojakytkimen toiminnan testaus.

Ei-ammattilaisille sallittuja korjaus-ja asennustöitä

• Yksivaiheisen jatkojohdon korjaus ja teko

• Sähkölaitteen rikkoutuneen yksivaiheisen liitäntäjohdon ja pistotulpan vaihto, esimerkiksi: tavallisella pistotulpalla varustetun sähkölaitteen liitäntäjohdon ja pistotulpan vaihto. Suojamaadoitetulla pistotulpalla varustetun sähkölaitteen liitäntäjohdon ja pistotulpan vaihto. Rikkoutuneen suojaeristeisen laitteen pistotulpan vaihto suojamaadoitettuun pistotulppaan, jolloin pistotulpassa oleva suojamaadoitusliitin jätetään kytkemättä.

• Valaisimen liitäntäjohdon rikkoutuneen välikytkimen vaihto

• Sisustusvalaisimen liittäminen valaisinliittimellä eli ”sokeripalalla”

• Kiinteässä asennuksessa valaisinliittimen eli ”sokeripalan” korvaaminen uuden järjestelmän mukaisella valaisinliitinpistorasialla sekä vioittuneen valaisinliittimen vaihto.

• Valaisinpistotulpan asennus ja vioittuneen tulpan vaihto

• Harrastustoimintana tehtävä sähkölaitteiden kokoonpano, esim. elektroniikan rakennussarjasta

Ei-ammattilaisille sallittuja muita töitä

• Nimellisjännitteeltään enintään 50 voltin vaihtojännitteisiin ja 120 voltin tasajännitteisiin laitteistoihin kohdistuvat sähkötyöt

• Omakotitalon antennin asentaminen

• Sähkölaitteiden mekaanisten osien korjaaminen, esim. pesukoneen letkun vaihto, edellyttäen että laitteen kosketussuojaus, vesisuojaus mukaan lukien, ei muutu.

• Luotettavasti ja kokonaan jännitteettömiksi tehtyjen sähköasennusten purku

• Kaapeliojan kaivaminen ja kaapelin veto maahan. Ennen kaapeliojan peittämistä on sähköalan ammattilaisen todettava, että työ on tehty asianmukaisesti.

Avaa artikkelin PDF