DFM(A)-Aspects of an Advanced Cable Gland Design

Nowadays typical motor junction boxes do not incorporate cable glands, which would provide good electrical performance interms of electromagnetic compatibility. In this paper, a manufacturability and assembly analysis for the new construction of a rigid body feeder cable junction of an electric motor is presented especially for converter drives (practical tests were carried out at LUT during 2007). Although the cable junction should also clamp the cable to provide enough tensile strength, the phase conductors should not get squashed by the groundingconnection. In order to ensure good performance in an electrical mean especially in converter drives, the grounding of the cable should be connected 360 degrees around the cable. In this paper, following manufacturing technologies are discussed: traditional turning, precision and centrifugal casting, and rotation moulding. DFM(A)-aspects are presented in detail.

Optimization of the power cable for low voltage direct current system

The demand for electricity is constantly growing in contemporary world and, in the same time, quality and reliability requirements are becoming more rigid. In addition, renewable sources of energy have been widely introduced for power generation, and they create specific challenges for the network. Consequently, new solution for distribution system is required, and Low Voltage Direct Current (LVDC) system is the proposed one. This thesis focuses on the investigation of specific cable features for low voltage direct current (LVDC) distribution system. The LVDC system is public ±750 VDC distribution system, which is currently being developed at Lappeen-ranta University of Technology. The aspects, considered in the thesis, are reliable and economic power transmission in distribution networks and possible power line communication in the LVDC cable.

Estimation of existing cable systems in generator-busbar unit and choice the optimal solution for its modernization

The aim of this master’s thesis is to develop an algorithm to calculate the cable network for heat and power station CHGRES. This algorithm includes important aspect which has an influence on the cable network reliability. Moreover, according to developed algorithm, the optimal solution for modernization cable system from economical and technical point of view was obtained. The conditions of existing cable lines show that replacement is necessary. Otherwise, the fault situation would happen. In this case company would loss not only money but also its prestige. As a solution, XLPE single core cables are more profitable than other types of cable considered in this work. Moreover, it is presented the dependence of value of short circuit current on number of 10/110 kV transformers connected in parallel between main grid and considered 10 kV busbar and how it affects on final decision. Furthermore, the losses of company in power (capacity) market due to fault situation are presented. These losses are commensurable with investment to replace existing cable system.

The influence of high cable penetration in distribution networks on earth fault currents and the operation of relay protection.

Recent Storms in Nordic countries were a reason of long power outages in huge territories. After these disasters distribution networks' operators faced with a problem how to provide adequate quality of supply in such situation. The decision of utilization cable lines rather than overhead lines were made, which brings new features to distribution networks. The main idea of this work is a complex analysis of medium voltage distribution networks with long cable lines. High value of cable’s specific capacitance and length of lines determine such problems as: high values of earth fault currents, excessive amount of reactive power flow from distribution to transmission network, possibility of a high voltage level at the receiving end of cable feeders. However the core tasks was to estimate functional ability of the earth fault protection and the possibility to utilize simplified formulas for operating setting calculations in this network. In order to provide justify solution or evaluation of mentioned above problems corresponding calculations were made and in order to analyze behavior of relay protection principles PSCAD model of the examined network have been created. Evaluation of the voltage rise in the end of a cable line have educed absence of a dangerous increase in a voltage level, while excessive value of reactive power can be a reason of final penalty according to the Finish regulations. It was proved and calculated that for this networks compensation of earth fault currents should be implemented. In PSCAD models of the electrical grid with isolated neutral, central compensation and hybrid compensation were created. For the network with hybrid compensation methodology which allows to select number and rated power of distributed arc suppression coils have been offered. Based on the obtained results from experiments it was determined that in order to guarantee selective and reliable operation of the relay protection should be utilized hybrid compensation with connection of high-ohmic resistor. Directional and admittance based relay protection were tested under these conditions and advantageous of the novel protection were revealed. However, for electrical grids with extensive cabling necessity of a complex approach to the relay protection were explained and illustrated. Thus, in order to organize reliable earth fault protection is recommended to utilize both intermittent and conventional relay protection with operational settings calculated by the use of simplified formulas.

Feasibility of replacing multiple ADSL connections with Multi-Dwelling Access

This final project was made for the Broadband/Implementation department of TeliaSonera Finland. The question to be examined is if the operator should replace multiple ADSL connections implemented over a leased line with Multi-Dwelling access based on an Ethernet/Optical Fibre access network. The project starts with describing the technology related to these access network solu-tions and presents the technology that is used in TeliaSonera Finland's access network. It continues from the technology to describe the problem with some of the ADSL implemen-tations of TeliaSonera. The problem is the implementations done over a leased line that can cost TeliaSonera over years as much as a possible investment to extend network when there is several lines leased to the same building. The project proposes a Multi-Dwelling access as a solution to this problem and defines the circumstances when to use it. After a satisfactory solution has found the project takes a view how implementation of the solution might alter the network and a new problem is found. When used commonly to replace need of ADSL implementation Multi-Dwelling access would significantly increase optical cable congestion near operators POP. As a final deed this project also proposes a technical change to existing way to implement multi-dwelling access with EPON technology.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Ennakoiva vikojen havaitseminen liityntäverkosta

Tässä diplomityössä on tutkittu mahdollisuuksia ennakoida ja havaita kaapelivikoja mahdollisimman varhaisessa vaiheessa teleoperaattorin liityntäverkosta, joka käsittää optisen rajapinnan ja asiakkaan välisen parikaapeleilla toteutetun osan verkkoa. Liityntäverkon ikääntyessä kaapeleiden ja liitosten viat yleistyvät sekä niiden korjauskustannukset kasvavat. Mahdollisimmanvarhaisessa vaiheessa vikoja havaitsemalla ehkäistään vikojen laajentumista sekä asiakkaiden palveluiden katkeamista. Kannattavin tapa toteuttaa liityntäverkon vikoja ennakoiva järjestelmä Elisa Oyj:n tapauksessa on hyödyntää yrityksessä uudistettua DSL-tekniikkaa. DSLAM:eilla päivittäin suoritetuilla mittauksilla voidaan havaita liityntäverkon kaapeleiden kunnon heikkeneminen sekä vikaantumiset. Työssä on tutkittu vikatapausten aiheuttamia muutoksia linjojen sähköisiin ominaisuuksiin sekä niiden näkymistä mittaustuloksissa. Työssä löydettiin menetelmät toteuttaa liityntäverkon kuntoa mittaava ja tarkkaileva järjestelmä. Ennakoivalla toiminnalla voidaan aikaansaada merkittäviä kustannussäästöjä viankorjausprosessin eri vaiheissa sekä parantaa palveluiden laatua.

Langattoman tiedonsiirron hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmän hallinnassa

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehittyessä mielenkiinto niiden soveltamiseen teollisuudessa on kasvanut. Langattoman tiedonsiirron avulla voidaan korvata perinteiset kaapeliratkaisut ja samalla mahdollistaa uusia, lisäarvoa toiminnalle tuovia sovelluksia. Tavoitteena on kustannussäästöjen lisäksi tuotannon tehostaminen paremman tiedonkeruun ja joustavamman käyttöympäristön avulla. Kaukolämpöjärjestelmän osien väliset etäisyydet ovat useimmiten niin pitkiä, ettei lyhyen kantaman langattomia tekniikoita voida hyödyntää. Tämän työn perusteella realistisina vaihtoehtoina ovat toistaiseksi yleisten matkapuhelinverkkojen hyödyntäminen sekä radiolinkit, mutta tulevaisuudessa uudet langattomat verkkotekniikat voivat mahdollistaa ulkopuolisista operaattoreista riippumattoman mobiilin tiedonsiirtojärjestelmän toteuttamisen koko kaukolämpöjärjestelmän alueelle. Työn aikana havaittiin myös, että uusien sovellusalueiden kanssa on vielä entistäkin tärkeämpää kiinnittää huomiota huolelliseen suunnitteluun, kustannuslaskelmiin sekä tietoturvaan, jotta voidaan toteuttaa luotettava, edullinen ja toimivalangaton tiedonsiirtojärjestelmä.

Laajakaistayhteyksien vertailua käyttäjän ja rakennuttajan näkökulmasta

Diplomityön tarkoituksena on selvittää eri laajakaistatekniikoiden ominaisuuksia, ja verrata niitä käyttäjien ja rakennuttajien näkökulmaan. Miten käyttäjätsuhtautuvat tekniikan kehittymiseen, ja mitä he ovat valmiita maksamaan siitä. Ovatko näkemykset rakentajien kanssa samansuuntaisia, vai onko tekniikka edellä käyttäjiä? Näihin kysymyksiin pyrittiin saamaan vastaus tässä diplomityössä haastattelemalla molempia osapuolia ja vertailemalla vastauksia. Laajakaistayhteydet ovat lähes kaikkien saatavilla nykypäivänä. Suurin osa yhteyksistä on toteutettu kuparitekniikoilla, joista ADSL on yleisin kaapeli-TV ratkaisun kanssa. Harvemmin asutuilla tai muuten hankalasti tavoitettavilla alueilla laajakaistayhteydet ovat toteutettu langattomin ratkaisuin WiMAX- tai @450-tekniikoilla. Laajakaistayhteyksien kriteerinä on ollut 256 kbit/s nopeus, mutta nykyään käyttäjien keskiarvo on noussut 2 Mbit/s nopeuteen. Nopeudet vaikuttavat sovelluksiin, mitä voidaan käyttää. Nykyään Internetin kautta on saatavilla monipuolisesti erilaisia sovelluksia ja viestintätapoja. Vaatimukset laajakaistayhteyksiltä ovat erilaisia; toiset vaativat reaaliaikaisuutta ja suurta nopeutta ja samalla toiset tyytyvät vähempään. Kaikille yhteyksille on kuitenkin yhteistä se, että niiden käyttövaatimukset ovat kasvaneet jatkuvasti. Tulevaisuutta onpyritty kartoittamaan tekniikoiden mahdollisesta kehitysnäkökulmasta, sekä sillä, miten muualla maailmassa edetään laajakaistatekniikoiden kanssa. Oman vivahteen kehitykseen tuovat kansalliset tarpeet ja resurssit.

Sähkölaitekaapelipäätteiden kokoonpanotuotannon siirtäminen alihankkijalle

Työn tavoitteena oli selvittää kustannussäästöjä sähkölaitekomponentin kokoonpano- tuotannossa. Työssä vertaillaan oman ja alihankintatuotannon välisiä kustannuksia sekä tarkastellaan toiminnan joustavuutta, kun kokoonpano muodostuu kokonaisuudessaan ostettavista osista ja kuljetusmatka osien tuottajilta sekä myyjiltä on lyhyempi alihankkijalle, kuin omalle tehtaalle. Työssä järjestellään tuotteen kokoonpanolle edellytykset siirtymiseen alihankkijan hoidetta-vaksi niin, ettei siitä aiheudu ongelmia osavalmistuksen ja hankinnan, sekä valmiiden tuotteiden hallinnassa. Työssä selvitellään tuotteenmerkitystä ja sen kehittämistä sähkölaiteteollisuudelle. Tuotteen ja tuotannon kehittämisestä oli kohdeyrityksessä perustettu erityinen projekti, johon kuului myös muita sähkökaapeliliitäntään kuuluvia osia. Tuoteryhmä,jota tämä tutkimus käsittelee, siirrettiin alihankkijan kokoonpanotuotantoon vuonna 2000. Kaapelipäätteet kuuluvat yhtenä vaihtoehtoisena osana sähkölaitteiden voimakaape- loinnin läpivientiin ja suojaukseen. Projektissa kehitettiin 3 erilaista kaapelipäättä, joiden tehtävänä oli korvata 20 aikaisempaa mallia. Tällä tavoin kyseisen tuotteen ja sen komponenttien valmistussarjakokoja voitiin nostaa ja silti tuotannonkiertoa nopeuttaa, koska puskurivarastossa olevien variaatioiden määrä väheni 20:sta 3:een. Myös osa kokoonpanossa käytettävistä komponenteista voitiin käyttää kaikkien kaapelipäätemallien kokoonpanossa. Työssä vertaillaan kuljetuskustannusten eroa osahankinnassa oman ja alihankinta- tuotannon välillä, sekä vertaillaan varaston ja tuotannon tilankäyttöä ja tuotantokapasiteettia. Työn tarkoituksena on perustella ajatusta, että kuljetusmatkoja lyhentämällä voitaisiin saada kustannussäästöjä. Oman ja alihankintatyön kustannuksia vertaillaan ja huomattava säästö kokoonpanotyössä on tässä tapauksessa se, että alihankkijan laskutushinta työlle on alhaisempi, kuin mitä työn osuudelle on määritelty omassa tuotannossa. Varastotilan osalta vertailuatehtiin ainoastaan tilan käytön suhteen.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Service Management in IP Networks

IP-verkoissa tarjottavat palvelut ovat lisääntyneet, on tullut uusia kanavia, jotka tarjoavat IP-pohjaisia palveluja. Internet-palvelujen tarjonta on tullut mukaan kaapelitelevisio- ja matkapuhelinverkkoihin. Lisääntynyt palvelujen tarjonta ja kysyntä ovat lisänneet palvelujen hallinnan merkitystä. IP-verkoissa on ilmennyt turvallisuuteen, skaalattavuuteen ja palvelun laatuun liittyviä ongelmia. Palvelun laadun tärkeys painottuu reaaliaikaisuutta ja suurta kapasiteettia vaativissa sovelluksissa. Tulevaisuudessa IP-liikenteen on ennustettu kasvavan yli satakertaiseksi nykyisestä tasosta kolmen vuoden kuluessa. Tämän vuoksi on kehitetty uusi verkon ja palvelun hallintamenetelmiä, joista tässä työssä on tutkittu sääntöpohjaista verkon hallintaa.

Kaapeloinnin kannattavuus Fortum Sähkönjakelun keskijänniteverkoissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kaapeloinnin kannattavuutta keskijänniteverkossa. Työssä vertailtiin ilmajohto- ja kaapelirakenteen teknisen elinkaaren aikaisia kustannuksia. Myös rakennevaihtoehtojen ympäristöllisiä vaikutuksia tarkasteltiin ja vertailtiin. Kustannusten vertailu tapahtui esimerkkilaskelmin olemassa olevaan verkkoon. Tarkoituksena oli löytää Fortum Sähkönjakelulle mahdollisimman tyypilliset alueet tarkasteltaviksi kohteiksi. Esimerkkialueiksi valittiin Talvisillan haja-asutuslähtö Somerolta, Ruskon maaseututaajama sekä Kaarinan teollisuusalue. Vertailulaskelmat suoritettiin siten, että kullekin alueelle tehtiin sekä ilmajohto- että kaapelisaneeraus ja laskettiin kummankin rakenteen investointi-, ylläpito- ja keskeytyskustannukset. Laskelmissa selvisi, että haja-asutusalueella kaapeli ja ilmajohto olivat lähes yhtä edulliset. Maaseututaajamassa sekä teollisuusalueella ilmajohto oli selvemmin edullisempi nykyisellä kustannustasolla. Lisäksi laskettiin kustannusvertailu tulevaisuudessa mahdollisesti tapahtuvien erilaisten kustannusmuutosten lähtöarvoilla. Useassa skenaariossa kaapeli oli haja-asutusalueella edullisempi. Maaseututaajamassa ja teollisuusalueella ilmajohto pysyi pääasiassa edullisempana vaihtoehtona.

Satamanosturin dynamiikan reaaliaikasimulointi

Työn tavoitteena oli mallintaa satamanosturin dynamiikkaa mahdollisimman tarkasti kuvaava yksinkertaistettu malli Simulink-ohjelmalla, jonka jälkeen malli käännettiin edelleen reaaliaikasimulaattorille soveltuvaan muotoon. Nosturin malli yksinkertaistettiin käsittämään kolme osaa: Nosturin rungon, nostovaunun ja kontin. Voimista mallinnettiin pyörien kontaktivoimat, köysivoimat sekä siirtovoima. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin Opal-RT:n RT-LAB reaaliaikasimulointiohjelmistoa, sekä tavallisia PC-tietokoneita. Simulointiin liitettiin myös 3D-animaatio, jolla nosturin liikkeet saatiin visualisoitua. Animoitava grafiikka luotiin WorldUp-ohjelmistolla ja liitettiin RT-LAB-simulaatioon RT3D-rajapinnan ja WorldUp Player:n avulla. Työn tuloksena saatiin satamanosturin dynaamista käyttäytymistä kuvaava Simulink-malli, jota on mahdollista käyttää reaaliaikaisessa simuloinnissa. Mallia testattiin RT-LAB reaaliaikasimulaattorissa, ja simuloinnista saatuja tuloksia verrattiin Adams:lla simuloituihin tuloksiin. Saatujen tulosten perusteella mallia voidaan pitää onnistuneena. Myös RT-LAB reaaliaikasimulaattori visualisointeineen vaikuttaa toimivalta kokonaisuudelta.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.