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.

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.

Elinkaarikustannusten ja toimitusvarmuuden analysointi sähkönjakelun saneerausmenetelmille

Tässä työssä tutkitaan haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkkojen kehittämistä. Kehityskohteiksi on valittu viisi tekniikkaa, 1000 V-järjestelmä, keskijännitejohtojen siirtäminen teiden varsille, PAS -johtojen käyttö, maakaapelointi sekä pylväskatkaisijan käyttö. Teoreettisen tarkastelun tavoitteena on määrittää reunaehdot tarkasteltavien tekniikoiden kannattavuudelle. Aiemmin keskijänniteverkko on rakennettu lähes poikkeuksetta avojohtona. Viime vuosien myrskyt sekä lumikuormat ovat häirinneet sähkönjakelua ja nostaneet painetta jakeluvarmuuden kasvattamiseksi. Tutkimuksessa haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkon kehittämiseen etsitään teknillisesti sekä taloudellisesti kannattavia ratkaisumalleja. Kehittämisen tavoitteena on parantaa kuluttajien sähkön laatua ja toimitusvarmuutta. Tutkimuksessa käsitellään tarkasteltavia tekniikoita esimerkkikohteiden avulla, jotka on valittu Itä-Suomelle tyypillisiltä jakelualueilta. Kohteissa taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä saneeraamista tarkastelussa oleviin korvaaviin menetelmiin. Korvaavilla ratkaisuilla toimitusvarmuus paranee, mutta kannattavuus riippuu siirrettävästä tehosta, asiakasryhmien jakaumasta sekä saavutettavasta vikataajuuden muutoksesta.

Taajama-alueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

This work analyses the medium voltage network in central built-up area of Savonlinna city, evaluates the future standards of the electricity distribution network and presents methods for the network renovation. Main challenge is to find a working topology and network solutions for the transitional phase of the renovation progress. The network renovation methods are verified with an example solution for an existing suburban area of Savonlinna City, wherein the medium voltage and small voltage distribution networks are renovated.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Sähköasemainvestointihankkeen määrittely

Tämän työn tavoitteena oli tehdä perusteltu esitys kahden suunnitellun sähköaseman toiminnan aloittamisen ajankohdasta sekä rakentamisen kestosta lupamenettelyineen. Työssä oli pyrkimys perustella asemien maantieteellinen sijainti, toteutustapa, rakenne sekä sähköasemien syöttöön tarvittavien 110 kV johtojen alustava rakenne ja reitti. Työssä on tarkasteltu uuden sähköaseman verkosto- ja kustannusvaikutuksia, sähköasemarakenteita ja niiden valintaa, sähköasemainvestointihankkeen vaiheita ja rakennuttamisprosessin läpivientiin tarvittavaa aikaa. Verkoston nykytilaa, käyttövarmuutta ja selviytymistä kuormituksen kasvusta on tarkasteltu sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohtien määrittämiseksi. Työn keskeisin painopiste oli sähköasemien rakentamisajankohdan määrittäminen. Sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohdan määrääväksi tekijäksi muodostuivat sähköasemien korvaustilanteet. Nykytilassa Valkealan haja-asutusalueen sähkönjakelua ei voida taata yksittäisen sähköaseman korvaustilanteessa, minkä takia sähköasemahankkeen valmistelu on aloitettava välittömästi. Kouvolan ydinkeskustan alueen maakaapeliverkon tehonsiirtokyky ja päämuuntajien reservitehokapasiteetti korvaustilanteissa riittävät vielä 5-10 vuotta riippuen suuresti alueen kuormituksen kasvusta.

Mäntsälän Sähkö Oy:n jakeluverkon kehittämissuunnitelma

Työn tavoitteena oli laatia Mäntsälän Sähkö Oy:n jakeluverkon kehittämissuunnitelma vuodelle 2020. Työn laadinta aloitettiin selvittämällä verkon nykytila ja käyttövarmuus korvaustilanteissa. Tämän jälkeen työssä paikannettiin alueet, joissa korvattavuuden parantaminen tai kuormituksien kasvaminen tulevaisuudessa edellyttää mittavia investointeja jakeluverkon käyttövarmuuden takaamiseksi. Työssä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin Järvelän alueen käyttövarmuuden kehittämistä ja Hennan alueen kuormituksen kasvuun varautumista. Järvelän alueen käyttövarmuuden parantaminen edellyttää joko uutta sähköasemainvestointia tai 110 kV johdon rakentamista. Hennan alueen kuormituksen kasvu edellyttää, alueen kuormituksista riippuen, joko yhtä tai kahta uutta sähköasemainvestointia.

10 kV:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Diplomityön tavoitteena on laatia LE-Sähköverkko Oy:lle 10 kV:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. LE-Sähköverkko Oy on Lahti Energian tytäryhtiö, joka vastaa sähkön siirrosta ja jakelusta Lahden alueella. LE-Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkossa on käytössä sekä 10 kV:n että 20 kV:n jännitetasot. Tulevaisuudessa tarkoituksena on, että vanha 10 kV:n keskijänniteverkko saneerataan 20 kV:n jännitteelle. Nykyään vanhaa 10 kV:n keskijänniteverkkoa esiintyy vielä aivan kaupungin keskustassa. Työn pääasiallisena tarkoituksena on laatia malli tulevasta 20 kV:n verkkotopologiasta sekä tarkastella jännitevaihdon toteuttamiseen liittyviä kysymyksiä. Työn alussa selvitetään mahdollisimman tarkasti ja luotettavasti käytössä olevan 10 kV:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvitetään verkon tulevia kehittämisen suuntaviivoja. Lisäksi työssä tarkastellaan saneeraustoimenpiteitä, joita eri verkkomalleille tulisi tulevaisuudessa tehdä luotettavan sähkönjakelutoiminnan varmistamiseksi niin teknisestä, kuin myös taloudellisesta näkökulmasta.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

Sähkönsiirtoprojektien kustannuslaskennan kehittäminen

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli lisätä tietoa asiakasyrityksen voimajohto- ja sähköasemaliiketoimintayksiköiden tarjouslaskennan nykytilasta, etsiä ongelmakohtia ja kehittää ratkaisuja ongelmiin. Työn tuloksena saatu tieto on kyseisille liiketoimintayksiköille tärkeää tulevaisuuden kannattavuuden ja jatkuvuuden kannalta. Työn alun teoriaosuudessa esitellään Suomen sähkönsiirtojärjestelmä, käydään läpi voimajohto- ja sähköasemarakentamisen perusteet sekä esitellään kirjallisuuskatsaus projektiliiketoiminnasta. Teoriaosuutta hyödynnetään myöhemmissä tarkasteluissa joissa pyrittiin löytämään kustannuslaskennan ongelmia. Tutkimuksen tärkein tavoite oli löytää tämän hetkisen kustannuslaskennan ongelmakohdat. Tutkimukseen sisältyy tarjouslaskentaohjelmiston koekäyttö sekä sen analysointi. Työn lopputuloksena todetaan, ettei tarkasteltu ohjelma ole sopiva voimajohto- tai sähköasematarjouslaskennan toteutukseen. Ohjelma on laskentatarkkuudeltaan hyvä, mutta ohjelman käyttö hidastaa ja vaikeuttaa sekä laskennan että projektin talouden seurannan suorittamista. Lopputuloksissa todetaan myös erinäisiä pienempiä kehityskohteita tarjouslaskennan sujuvoittamiseksi ja sen tarkkuuden parantamiseksi. 

Strategic planning of major disturbance proof network

In the 2000’s Finland suffered from storms that caused long outages in electricity distribution, longest up to two weeks. These major disturbances increased the importance of supply security. In 2013 new Electricity Market Act was announced. It defined maximum duration for outages, 6 h for city plan areas and 36 h for other areas. The aim for this work is to determine required major disturbance proof level for a study area and find tools for prioritizing overhead lines for cabling renovation to improve supply security. Three prioritization methods were chosen to be studied: A: prioritization line sections by customer outage costs they cause, B: maximizing customers major disturbance proof network and C: minimizing excavation costs in medium voltage network. Profitability calculations showed that prioritization method A was the most profitable and C had the weakest profitability. The prioritization method C drove renovation into unreasonable locations in the study area in reliability point of view. Therefore universal rule prioritization methods couldn’t be made from the prioritization methods. This led to the conclusion that every renewing area need to be evaluated in a case by case basis.

Niagara-Welland Power Company Limited fonds, 1833, 1852, 1904-1906, 1909, n.d.

The Welland Power and Supply Canal Company Limited, established in 1893 and incorporated in 1894 with a capital stock of $500,000. The aim of the company was to harness the natural water supply of the Niagara and Welland Rivers. In 1898 the Canadian Electrical News published a report by Henry Symons, QC outlining the main project of the company. This project involves the construction of a canal from the Welland River to the brow of the mountain at Thorold, a distance of 8 miles; the construction at Thorold of a power house, and from Thorold to Lake Ontario, a raceway by which to carry water into the lake. The estimate for the machinery to generate 100,000 horse power is £125,000; for transmission line to Toronto at a voltage of 10,000….The total estimate therefore amounts to £2,452,162, or roughly speaking, $12,000,000. Source: Canadian Electrical News, August 1898, p. 172. In 1899 the company officers petitioned the federal government desiring a name change to the Niagara-Welland Power Company Limited. Officers of the company were Harry Symons, President; Charles A. Hesson, Vice-President; and M.R. O’Loughlin, James B. Sheehan, James S. Haydon, Frederick K. Foster, directors; John S. Campbell, secretary-treasurer. The company’s head offices were located in St. Catharines, with a New York (City) office on Broad Street. In 1905 and 1909 the company petitioned the federal government for additional time to construct its works, which was granted. The company had until May 16, 1915 to complete construction. John S. Campbell (1860-1950) was a graduate of the University of Toronto and Osgoode Hall. During his university years John began his military career first in "K" Company, Queens Own rifles and then later as Commanding Officer of the 19th Lincoln Regiment, from 1906 to 1910. Upon his return to St. Catharines John Campbell served as secretary in the St. Catharines Garrison Club, a social club for military men begun in 1899. After being called to the Bar, he became a partner in the firm of Campbell and McCarron and was appointed to the bench in 1916, serving until retirement in 1934. Judge Campbell served as an alderman for several terms and was the mayor of St. Catharines in 1908 and 1909. He also served as the first chairman of the St. Catharines Public Utilities in 1914. John S. Campbell was married to Elizabeth Oille, daughter of Jerome B. and Charlotte (St. John) Oille. The family home "Cruachan" was located at 32 Church St.

Analyse des processus de dérive lors de la gravure profonde du silicium dans des plasmas SF6 et C4F8

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer des outils de diagnostics non-invasifs et de caractériser in-situ les dérives de procédé dans un réacteur industriel utilisé en production pour la gravure profonde du silicium par le procédé Bosch. Ce dernier repose sur l’alternance d’un plasma de SF6 pour la gravure isotrope du Si et d’un plasma de C4F8 pour la passivation des parois dans l’optique d’obtenir des tranchées profondes et étroites. Dans un premier temps, nous avons installé une sonde courant-tension sur la ligne de transmission du signal rf au porte-substrat pour l’étude de son impédance caractéristique et un spectromètre optique pour l’étude de l’émission optique du plasma. Nos travaux ont montré que l’évolution temporelle de l’impédance constitue un excellent moyen pour identifier des changements dans la dynamique du procédé, notamment une gravure complète de la photorésine. De plus, à partir des spectres d’émission, nous avons pu montrer que des produits carbonés sont libérés du substrat et des parois lors de l’alternance passivation/gravure et que ceux-ci modifient considérablement la concentration de fluor atomique dans le plasma. Dans un second temps, nous avons développé un réacteur à « substrat-tournant » pour l’analyse in-situ des interactions plasma-parois dans le procédé Bosch. Nos travaux sur ce réacteur visaient à caractériser par spectrométrie de masse l’évolution temporelle des populations de neutres réactifs et d’ions positifs. Dans les conditions opératoires étudiées, le SF6 se dissocie à près de 45% alors que le degré de dissociation du C4F8 atteint 70%. Le SF6 est avant tout dissocié en F et SF3 et l’ion dominant est le SF3+ alors que le C4F8 est fragmenté en CF, CF3 et CF4 et nous mesurons plusieurs ions significatifs. Dans les deux cas, la chaîne de dissociation demeure loin d’être complète. Nous avons noté une désorption importante des parois de CF4 lors du passage du cycle de passivation au cycle de gravure. Un modèle d’interactions plasmas-parois est proposé pour expliquer cette observation.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Um estudo de metamaterial em antenas de microfita

Metamaterials have attracted a great attention in recent years mostly due to their electromagnetic properties not found in nature. Since metamaterials began to be synthesized by the insertion of artificially manufactured inclusions in a medium specified host , it provides the researcher a broad collection of independent parameters such as the electromagnetic properties of the material host. In this work was presents an investigation of the unique properties of Split Ring Resonators and compounds metamaterials was performed. We presents a theoretical and numerical analysis , using the full-wave formalism by applying the Transverse Transmission Line - LTT method for the radiation characteristics of a rectangular microstrip antenna using metamaterial substrate, as is successfully demonstrated the practical use of these structures in antennas. We experimentally confirmed that composite metamaterial can improved the performance of the structures considered in this thesis