Exam text content

SVT-1100 Sähköenergia
Tentti 20.4.2009

Tentissä saa käyttää laskinta!

1.

Seppo Valkealahti
A

toi piras 15 Lyrssia,
mv €: st 09 151

Ri,

 

7: Heikki K-

Vastaa TOTTA, jos väittämä on mielestä tosi, ja TARUA, jos se ei mielestäsi pidä
paikkaansa. Oikeasta vastauksesta saat yhden pisteen, väärästä sinulta vähennetään yksi piste
ja tyhjästä vastauksesta saat nolla pistettä. (12 p)

a

b

) Pohjoismaiseen sähköverkkoon kytketyn yksivaiheisen sähkömoottorin tehon taajuus on
50 Hz.

) Yksi tyypillinen Suomessa käytettävä sähköenergian siirron pääjännite on 400 kV.

c) Tamperelainen sähkön kuluttaja voi ostaa sähköenergian siirtopalvelun miltä tahansa

d

sähköenergian siirtotoimintaan harjoittavalta yhtiöltä.

) Pika- ja aikajälleenkytkentöjä käyttämällä voidaan automaattisesti poistaa kaikki sähkön
jakeluverkon viat.

e) Sähkön jakeluverkossa kulkee ainoastaan loistehoa, kun jännitteen ja virran välillä on

vaihesiirtokulma 90%,

£) Ideaalinen kondensaattori (ei resistanssia) kuluttaa vaihtovirtapiirissä tehon, joka on

g

verrannollinen sen kapasitanssiin.

) Vesi- ja tuulivoimalla sekä uusiutuvalla bioenergialla pystytään yhdessä kattamaan
maailman nykyinen energian käyttö.

1) Pienjänniteverkon vaihejännite 230 V riittää aiheuttamaan ihmiskehoon virran, mikä

todennäköisesti johtaa kuolemaan.

i) Asuinrakennusten sähköjärjestelmissä käytetään Suomessa nykyään TN-S järjestelmään,

jossa on erillinen nolla- ja suojajohdin.

j) Siirrettäessä vakioteho johtimen läpi voidaan häviöitä pienentää nostamalla jännitettä.

k) Saman johtimen läpi voidaan viedä suurempi teho nostamalla jännitettä.

D)

Tasavirrasta (DC) jouduttiin aikanaan siirtymään vaihtovirran (AC) käyttöön, jotta
sähköenergiaa voitiin siirtää kohtuullisin häviöin pitkiä matkoja, eikä DC sovellu
vieläkään pitkille siirtoyhteyksille.

a) Mitä primäärienergian lähteitä käytetään sähköenergian tuotantoon Suomessa, ja mikä on

niiden suhteellinen osuus energia kokonaiskäytöstä? Entä Pohjoismaissa?

b) Piirrä oheisen kuvan kunkin kolmea vaihtovirtapiirin viran ja jännitteen arvot yhden

(

jakson ajalta sekä virran ja jännitteen osoitinpiirrokset.
6p

 

 

O 3 10 ja

 

 

 

 

 

 

 

x lauten v/vaitta
Jeni p Sem d em horse |
SVT-1100 Sähköenergia
Tentti 19.3.2007

  
      

Ei ha
e af » oäitielestäsi pidä paikkaansa.

1. Vastaa TOTTA, jos väittämä on mielestä tosi, ja EARU
Itä, vähtöhrietään yksi piste ja tyhjästä

Oikeasta vastauksesta saat yhden pisteen, väärästässit
vastauksesta saat nolla pistettä. (6 p)

 

a) 1900-luvun keskeisimpiä sähköteknisiä saavutuksia oli Lee De Forestin keksimä
elektroniputki.

b) Sähkövoima-alan diplomi-insinööri, insinööri tai teknikko saa tehdä oman tai lähisukulaisen
(lapset, vanhemmat ja isovanhemmat) hallinnassa olevassa asuinrakennuksessa
sähköasennustöitä.

c) Valaisimet ja televisiot ovat taloudellisesti merkittävimmät sähköpalojen aiheuttajat
Suomessa.

d) Kotitalousasiakkaan sähkön kokonaishinnasta - tyypillisesti noin 55 % koostuu
sähköenergian tuotantokustannuksista.

e) Sähkön jakelun perusperiaate pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla on, että jokainen asiakas
voi liittymispisteestään käsin käyttää koko maan sähköverkkoa.

D Sähkönjakelun keskeytyksestä aiheutuva haitta teollisuusasiakkaalle on suurempi PJK:sta
kuin AJK:sta, koska AJK on suunniteltu keskeytys ja asiakas voi varautua siihen etukäteen.

2. a) Kolmivaiheeseen sähköverkkoon, jonka taajuus on 50 Hz ja pääjännite 400 V, kytketään
tähtikytkennällä jokaiseen vaiheeseen kuorma, jonka resistanssi on 50 9 ja kapasitanssi 60
HF. Laske kuorman kuluttama pätöteho ja loisteho sekä kuorman vaihekulma. (4 p)
b) Kunkin vaiheen kuormaan kytketään vielä sarjaan 0,1 H:n induktanssi. Millä taajuudella
kuorma ei kuluta loistehoa? (2 p)

3. a) Ihminen on kytketty osaksi virtapiiriä siten, että kummassakin kädessä on elektrodi. Piirrä
ihmisen muodostaman virtapiirin osan (impedanssin) sijaiskytkentä, kun elektrodien välinen
jännite on pieni (muutamia voltteja) ja suuri (satoja voltteja). Piirrä myös ihmisen
impedanssin suuruus jännitteen funktiona. (3 p)

b) Kerro pohjoismaisen sähköpörssin systeemihinnan (spot-hinta) muodostumisperiaate
tuotantorakenteen sekä sähköenergian kysynnän ja tarjonnan näkökulmasta. (1,5 p)

c) Miten oikosulun aiheuttama vikavirta lasketaan karkeasti ja miten vikavirta käyttäytyy vian
syntymistä seuraavien muutamien sekuntien aikana? (1,5 p)

4. a) Salama iskee 400 KV:n siirtolinjaan Suomen kantaverkossa. Millainen ylijännitepulssi
tyypillisesti syntyy johtimiin ja miten pulssi etenee, kehittyy ja lopulta poistuu siirtolinjasta?
GP)
b) Mikä on eri primaarienergialähteiden suhteellinen osuus Suomessa kulutetusta energiasta?
Mitkä ovat niiden suhteelliset osuudet Suomessa tuotetusta sähköenergiasta? (3 p)

5. Eräässä paikassa Suomen rannikolla keskimääräinen tuulen nopeus on v ja ilman tiheys p.
Johda tuulta vastaan kohtisuoran ympyrän muotoisen pinta-alan, jonka säde on r, läpi menevän
tuulen kokonaistehon yhtälö. Laske tarvittava tuulivoimalan siiven pituus 5 MW:n tehon
tuottamiseen, kun tuulen nopeus on 10 m/s, ilman tiheys 1,2 kg/m? ja 40 % saatavilla olevasta
tuulitehosta voidaan muuttaa sähkötehoksi. (6 p)
SVT-1100 Sähköenergia Seppo Valkealahti
Tentti 7.4.2008

a) Vakionopeudella pyörivän kolmivaiheisen generaattorin tuottama kokonaisteho on ajan
funktiona vakio (sama jokaisella ajanhetkellä).

b) Yksi tyypillinen Suomessa käytettävä sähköenergian siirron vaihejännite on 400 kV.

c) Kotitalousasiakkaan sähkön verottomasta kokonaishinnasta noin puolet koostuu
sähköenergian tuotantokustannuksista ja puolet siirtokustannuksista.

d) Sähkötekniikan opetus aloitettiin Suomessa jo 1800-luvun.

e) Sähköjakeluverkossa kulkeva loisteho on yhtä suuri kuin nimellisteho, kun jännitteen ja
virran välillä on 90? vaihesiirtokulma.

f) Ainoastaan lisäämällä maailmankaikkeuden entropiaa voidaan primäärienergi
työksi.

 
  
   

2. a) Kerro heikkovirtatekniikan keskeinen teknologinen kehitys 1800- -uvull.
b) Kerro sähkövoimatekniikan keskeinen teknologinen kehitys 1800-luvullN?

 

N 1087

3. a) Osoita, että kolmivaihejärjestelmässä vaihejohtimien välinen jännite on mom 17
(tarkkaan ottaen 43) kertaa suurempi kuin vaihejohtimen ja nollajohtimen välinen
jännite.

b) Mikä on oltava Carnot lämpövoimakoneen kuuman höyryn lämpötila lauhteen lämpötilan
ollessa 30 %C, jotta olisi mahdollista saavuttaa teoreettinen hyötysuhde n = 0,757
Lämpövoimakoneen materiaalit kestävät kuitenkin korkeintaan lämpötilan 700 *.
Miten saat voimalan toimimaan halutulla teoreettisella hyötysuhteella 7 = 0,75, ja mihin
sen voisi rakentaa?

4 a) Kelassa on 280 johdinkierrosta ja sen pinta-ala on 0,2 m?. Kelaa pyöritetään
homogeenisessa magneettikentässä, jonka magneettivuon tiheys on 0,8 T. Mikä on
tuotetun jännitteen amplitudi ja tehollisarvo, kun jännitteen taajuus on 50 Hz?

b) Samanlainen ”generaattori? viedään USA:han, jossa vaihtovirran taajuus verkossa on
60 Hz. Miten generaattori tulee käämiä, jotta verkkoon syötettävä jännite olisi 10 kV.

5. 50 Hz taajuudella toimivalla generaattorilla tuotetaan sähköenergia kylälle, joka on kytketty
verkkoon tähtikytkennällä. Kylän aiheuttama kuorma vaihetta kohden on (75+j48)2 ja
siirtolinjan yhden johtimen impedanssi on (5+j12)0. Generaattorin napojen välinen jännite
on 440 V ja niihin on kytketty kolme 15 HF:n kondensaattoria tähtikytkennällä. Laske
generaattorin tuottama pätö- ja loisteho sekä sekä vaihekulma ja tehokerroin.

Kaavoja hyödynnettäväksi:
sin(&) + sin(B) = 2sin1 (a + B)cos1(a FB), cos(d) + cos(f) = 2cost (a + BIcoss(a-fB),

cos(a)— cos(B) =-2sin 3 (a+ B)sini(a- B)
7705112 — Sähköenergiatekniikka
Tentti 18.12.2003 P. Järventausta
M. Kauppinen

1. — Valitse oikea vaihtoehto (oikeasta +1 pistettä, väärästä -1 p, tyhjästä 0 p) (0 - 6 p.):

a) Suomessa sähköverkoissa käytettävät vaihejännitteet ovat tyypillisesti noin 231 kV,
127 kV, 63.5 kV, 11.5 kV tai 230 V (oikein/väärin).

b

=

Koko pohjoismaiden sähkön tuotannosta hieman yli puolet perustuu vesivoimaan
(oikein/väärin).

C

—

Sähkönverkon kuormituksessa tapahtuva merkittävä loistehon muutos vaikuttaa
sähkönsiirtoverkon taajuuteen (oikein/väärin).

d

=

Erotinta (isolator) käytetään sähköasemilla vikavirtasuojana katkaisemaan verkossa
kulkeva oikosulkuvirta (oikein/väärin).

e) Kosketusjännitesuojauksella tarkoitetaan suojausta jännitteiseksi tulevan jännitteelle
alttiin osan koskettamiselta, kun laitteessa on eristysvika. Tärkeä osa kosketus-
jännitesuojausta on potentiaalintasaus (oikein/väärin).

f) Verkkoliiketoimintaan liittyvä pistetariffi (=sähkön siirrosta perittävä maksu yhden
sähköyhtiön alueella) riippuu sähkön käyttöpaikasta (oikein/väärin).

p
; N

      
  

2. — Selosta lyhyesti
a) Polttokennon toimintaperiaate? (2p)
b) Miten muuntajan jännitteensäätö on toteutettu sähköverkon eri;
käytettävissä muuntajissa. (2p)

c) Mitkä tekijät pitää huomioida mitoitettaessa sähköverkon yksittäistä jo]

3. a) 132 kV:n siirtojohdon jokainen vaihe voidaan kuvata alla olevan kuvan 1 mukaisesti
pitkittäisellä induktiivisella reaktanssilla X, ja poikittaisella kapasitiivisella reaktanssilla
Xc. Kuvassa X, = 0.45 O ja Xc = 325 k9. Millä vaihevirraila kuvan johto käy luon-
nollisella tehollaan (johto ei tuota eikä kuluta loistehoa)? (3p)

132. X
—

 

 

 

Kuva 1
EVT-100 Tendho (18.47.2003 iv e

b) 110 kV:n siirtojohdon taajuus on 50 Hz Johdon pituus on 15 km ja sen loppupäähän on
liitetty 75 MVA:n kuormitus. Johdon yksivaiheinen sijaiskytkentä sisältää alla olevan
kuvan 2 mukaisesti resistanssia 0.14 9/km ja induktanssia 1.25 mH/km. (3p)

110 KW
| R L

|

Kuva 2

kuorma

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Laske jännitteen alenema kun
- — tehokerroin on 0.85 induktiivisella puolella.
- — tehokerroin on 0.9 kapasitiivisella puolella.

 

2) Alla olevan kuvan 3 mukaisessa generaattorin syöttämässä verkossa tapahtuu kol-
mevaiheinen symmetrinen oikosulku kiskossa 2 salaman osoittamassa paikassa. Laske
oikosulkuvirta ja oikosulkuteho. (4p)

 

 

 

 

 

kisko 1 kisko 2
kuorma

11/110 kV x 110/20 kV — >
S0MVA  Do8S va 30 MVA lax
0.08 pu N 0.082 pu
11/110 kV

50 MVA x

X'=0.15 pu (0) 0
10 MVA v isra V
0.03 pu

Kuva 3

b) Miten 20 kV:n sähkönjakeluverkko suojataan ukkosen aiheuttamilta ylijännitteiltä.
(2p)
SVT-100 tentti (9.10 2007 Sivu

a) 10 kilometriä pitkän 132 kV:n johdon loppupäähän on kytketty 100 MVA:n
kuormitus. Johdon yhden vaiheen resistanssi on 0.16 ohm/km ja reaktanssi 0.408
ohm/km. Miten paljon johdolla syntyvä jännitteenalenema pienenee, jos kuormituksen
tehokerrointa kasvatetaan 0.8:sta 0.95:een (kuormitus induktiivista, tehokerroin

”tagging”). (3p)

b) Vertaile pätötehohäviöitä 150 km pitkällä 400 kV:n johdolla seuraavissa
siirtotilanteissa:

- johdolla siirretään ainoastaan 1 GW pätötehoa

- johdolla siirretään 1 GW:n pätötehon lisäksi 750 MVar loistehoa.
400 KV:n johdon resistanssi on 0.020 9/km ja reaktanssi 0.278 O/km. (3p)

a) Kuvan 1 verkossa tapahtuu symmetrinen kolmivaiheinen oikosulku 22 kV:n
kuormituskiskossa. Laske oikosulkuvirta 22 kV:n kiskossa. (Ap)

11 kV

    
  

X = 0.15 pu siirtojohto
vika

 

150 MVA kuormitukset
100 MVA X = 0.04 pu
X = 0.20 pu