Sähkön toimitusvarmuuden parantamiseksi testattiin uudenlaista jäänkaristinta

Jussi Suopajärvi, asiantuntija, Insinööri (AMK), Uudistuva Teollisuus, Lapin ammattikorkeakoulu.

Kylmillä alueilla on totuttu tulemaan toimeen pakkasen ja lumen kanssa. Ihmisten keksimä ja rakentama tekniikka monipuolistuu koko ajan, ja samalla ihmiset tulevat siitä enemmän ja enemmän riippuvaisiksi. Esimerkiksi sähkökatko aiheuttaa jo lyhyen ajan jälkeen erilaisia ongelmia ihmisille ja infrastruktuurille.

Talvisin yhtenä sähkökatkon syynä voi olla voimalinjalle kertynyt lumi ja jää. Esimerkiksi Norjan tuntureilla on alueita, joissa on mitattu yli 300 kg/m jää- ja lumipainoa voimalinjoilla (Kuva 1). Näin suuri ylimääräinen paino linjalla on jo erittäin merkittävä ongelma ja voi aiheuttaa suuria rakenteellisia vahinkoja, joiden korjaus on hidasta ja kallista.

Kuva 1. Masoud F., et al. “Coatings for Protecting Overhead Power Network Equipment in Winter Conditions” ISBN: 978-2-85873-334-7 CIGRE Publication 2015.

Jäänkestävä Arktis – Jään- ja lumenhallinnan innovaatiot (Ice Proof Arctic – Innovations for ice and snow management, IPA) -hankkeen tarkoituksena oli muun muassa kehittää ratkaisuja jää- ja lumikuormien aiheuttamien haittojen vähentämiseksi. Hankkeen aikana etsittiin ratkaisuja, joilla voidaan luotettavasti ja kustannustehokkaasti hallita lumen ja jään aiheuttamia riskejä kriittiselle infrastruktuurille kuten sähköverkoille.

Sähköverkkojen ilmajohtojen huoltotoimiin lisäkustannuksia tuovat muun muassa talvisaikaan suoritettavat tarkastukset tykkylumen varalta. Jää- ja lumivaurioiden ehkäisemiseksi tehdään pääsääntöisesti helikoptereilla niin sanottua huurrepartiointia, jolloin siirtolinjojen ukkosjohdinkaapeleiden päälle kertynyttä lunta ja jäätä tarvittaessa pudotetaan.

Ukkosköysi on suurilla sähkönsiirtolinjoilla oleva vaijeri, joka sijaitsee varsinaisten vaihejohtimien yläpuolella ja nimensä mukaisesti suojaa itse vaihejohtimia salamaniskuilta (Kuva 2). Salaman osuessa sähkölinjaan sen on suunniteltu osuvan ukkosköyteen ja tätä kautta se ohjautuu hallitusti maahan aiheuttamatta ongelmia sähkönjakeluun.

Kuva 2. Ukkosköydet ovat kaksi ylintä johdinta kuvassa. (Kuva Jussi Suopajärvi)

Lumen ja jään kertyminen ukkosköyteen (Kuva 3) aiheuttaa vuosittain ongelmia sähkönjakeluun. Pienimmillään ongelmat ovat vain lyhyitä sähkökatkoja, kun ukkosköysi painon alla osuu vaihejohtimiin ja aiheuttaa hetkellisen oikosulun. Pahimmillaan tällainen tilanne voi johtaa voimalinjan rakenteiden pettämiseen painon alla ja suuriin aineellisiin ja taloudellisiin vahinkoihin.

Kuva 3. Testiradalla kaapeliin kertynyttä kuuraa. (Kuva Markus Harrinkoski)

Suomessa tällaista ongelmaa esiintyy etenkin idässä ja pohjoisessa runsaslumisilla alueilla sekä tuntureiden huipulla. Ongelmana on myös, että kohteet, joissa ongelmista kärsitään eivät ole aina samoissa kohdissa, vaan voivat vaihdella linjan eri osuuksilla useiden kymmenien kilometrien matkalla. Toisena ongelmana on sähkölinjojen sijainti, koska linjat sijaitsevat usein maastossa hankalien kulkuyhteyksien päässä. Tähän asti lumenpudotusta ja linjojen tarkistamista on hoidettu helikoptereilla sekä tarkistuspartioilla. Tarkistuspartiot liikkuvat yleensä moottorikelkoilla tai mönkijöillä ja tarkistus on hidasta. Lisäksi tarkistukset ajoittuvat yleensä myrskyjen ja sateiden jälkipuolelle, jolloin vahinkoja on voinut jo aiheutua.

Idea jäänkaristimeen ja sen toimintaan tuli alun perin Global Boiler Works Oy:ltä ja testikaristimen toimintaperiaatetta alettiin suunnittelemaan heidän patenttinsa pohjalta. Laitteen toiminta perustuu ideaan, jossa kaapelia kiristetään ja sen jälkeen kiristys vapautetaan yhtäkkisesti. Tästä muodostuu aaltoliike, jonka seurauksena ukkosköyteen kerääntynyt lumi ja jää tippuvat alas ennen kuin ehditään lähellekään kriittistä painorajaa (Kuva 4). Tällaista ideaa haluttiin lähteä testaamaan, koska tarkoituksena oli kehittää laite, jolla lumi saadaan pudotettua mahdollisimman pienellä energiamäärällä. Pudotukseen käytettävän energiamäärän rajoittavana tekijänä on sen saanti ja kerääminen, koska laitteen käyttämä energia joudutaan keräämään esimerkiksi auringosta ja varastoimaan käyttöä varten akkuun.

Kuva 4. Jäänkaristimen aikaansaama lumen putoaminen (Kuva Jussi Suopajärvi).

Ice proof arctic -hankkeelle rakennettiin testiympäristö talveksi 2021–2022 Muonioon Oloksen tuulivoimapuistoon. Tuulivoimapuistossa on viisi tuulimyllyä ja se sijaitsee Olos-tunturin huipulla. Paikkana tämä oli loistava niin sijainniltaan kuin sää- ja lumiolosuhteiltaan (Kuva 5).

Testiympäristönä toimi kaksi merikonttia, jotka sijaitsivat noin 90 metrin etäisyydellä toisistaan. Konttien väliin oli asennettu johdin, joka kuvasti ukkosköyttä. Johtimena oli käytössä markkinanimeltään ”Sustrong” -johdin, jota käytetään oikeastikin ukkosköytenä siirtolinjoilla. Johtimeen oli kiinnitettynä erilaisia antureita, joilla pystyttiin mittaamaan johtimen kireyttä ja näin arvioimaan johtimelle kertyneen painon määrää ja karistimen tehokkuutta. Samassa ympäristössä testattiin myös muita Ice proof arctic hankkeeseen liittyviä sensoreita ja ideoita.

Kuva 5. Oloksen testialue (Kuva Jussi Suopajärvi)

Pudotin suunniteltiin toimimaan yhdellä moottorilla toimintavarmuuden parantamiseksi. Moottoriksi valikoitui 12 V:n lasinpyyhkimen moottori, koska sellainen tiedettiin ennestään hyväksi moneen eri tarkoitukseen edullisuutensa, toimintavarmuutensa ja alennusvaihteiston vuoksi. Testivaiheessa pudotinta ohjattiin internetin kautta ethernet-releellä. Pudottimeen oli asennettuna myös pieni kamera, jonka avulla laitteen moottorikäyttöä valvottiin ja samalla voitiin seurata laitteen sisäistä toimintaa (Kuva 6). Testivaiheen jälkeen pudotin on mahdollista varustaa sensoritekniikalla, joka havaitsee köyteen kerääntyneen lumen ja jään, kun asetettu raja ylittyy pudotin käynnistää täräytyssyklin automaattisesti. Yhtenä sensori vaihtoehtona voi olla esimerkiksi LoRaWAN-kulmasensori.

Kuva 6. Valvontakamerakuva laitteen sisältä (Kuva Jussi Suopajärvi).

Pudottimen mekaniikka (Kuva 7) on pyritty pitämään mahdollisimman yksinkertaisena, jotta toimintavarmuudesta saataisiin mahdollisimman hyvä. Pudottimessa 12 V:n moottori kiristää ketjuvälityksen kautta kierretankoa, johon on kiinnitetty pohjalevy. Pohjalevyyn on kiinnitetty sakarat, joiden päässä on laakerit, myös sakaran kiinnityskohdassa on käytetty laakeria liikkuvuuden parantamiseksi. Kaapelin kiristysvaiheessa sakaroiden kynnet ovat kiristyslevyn kulmien yli jousien pitäessä sakarat mahdollisimman kiinni toisissaan. Kiristyslevyssä on korvakkeet, johon kaapelia kiristävä painin kiinnitettiin. Testien alussa painikkeena käytettiin 3D-tulostimella ASA-muovista tulostettua mallia. Muovista tulostettu painin rikkoutui testin puolessa välissä. Rikkoutumisen jälkeen painin korvattiin alumiinista tehdyllä painimella.

Kuva 7. Karistimen osat 1 kiristyslevy, 2 sakara, 3 pohjalevy, 4 kartio, 5 ohjurit, 6 jousi, 7 kierretanko, 8 korvakkeet, 9 kaapelinpainin (Kuva Jussi Suopajärvi)

Kun moottoria käytetään kiristyssuuntaan, mekanismi liikkuu alaspäin kierretangon vetämänä (Kuva 8). Suunnitellun kiristyksen lähestyessä, kiristyslevyä pitelevät sakarat alkavat alapäästään osumaan kartioon, joka pakottaa sakarat yläpäästään erilleen ja näin ollen kiristyslevy vapautuu aiheuttaen iskun ja aaltoliikkeen kaapeliin.

Palautusvaiheessa moottoria pyöritetään vastakkaiseen suuntaan, jolloin pohjalevy ja siihen kiinnitetyt sakarat alkavat nousemaan. Sakaroiden saavuttaessa kiristyslevynpohjan, siihen kiinnitetyt ohjurit alkavat ohjaamaan ja levittämään sakaroita reunan yli. Sakaroiden kynsien ylittäessä kiristyslevyn reunan, laitteessa oleva jousi vetää ne yhteen ja lukitsee kiristyslevyn niiden väliin. Tämän jälkeen laite valmiina uuteen iskuun.

Kuva 8. 1 Kiristys alkaa, 2 sakarat alkavat osumaan kartioon, 3 laukaisu, uudelleen viritys (Kuva Jussi Suopajärvi)

Pudottimen avulla saatiin testiradalle kertynyttä lunta ja kuuraa pudotettua merkittäviä määriä, mutta testeissä havaitsimme, että parhaan tuloksen saavuttamiseksi pudotinta tarvitsi käyttää useampia kertoja peräkkäin. Alla olevista kuvioista (Kuvio 1) voi havaita muutokset, jotka karistimen käytöllä saatiin aikaan kaapelin kireydessä ja siitä arvioiduissa painossa. Johtimen kireys vaihtelee myös ympäristön lämpötilan mukaan, tämän takia taulukoiden nollakohta ei välttämättä ole oikeassa paikassa, mutta muutokset ovat selkeästi havaittavissa.

Kuvio 1. Kaksi erillistä pudotusta ja niiden seuraukset (Kuvio Oulun Yliopisto Harri Juttula).

Testausjakson jälkeen havaitsimme kaapelissa pieniä painaumia, jotka sijaitsivat karistimen pyörien sekä painimen kohdalla (Kuva 9). Tästä voi syntyä ongelma pitkään käytettäessä. Merkkejä varsinaisesta rikkoutumisesta ei kuitenkaan havaittu. Ongelmalta olisi mahdollisesti voitu välttyä, jos alkuperäisenä paininpäänä ollut muovinen 3D tuloste olisi kestänyt ongelmitta.

Kuva 9. Kaapelissa havaittuja jälkiä pudottimen kohdalta (Kuva Jussi Suopajärvi).

Hankkeessa saatiin paljon tietoa sähkölinjoille kerääntyvästä lumesta ja jäästä koko Skandinavian alueelta, koska mukana oli kumppaneita Suomen lisäksi Ruotsista ja Norjasta. Lisäksi saatiin tietoa miten alueelliset olot ja korkeuserot vaikuttavat lumen ja jään kertymiseen linjoille sekä millaista lumi ja jää ovat koostumukseltaan. Vaikka nyt testattu karistin jättikin painaumia kaapeliin, niin tästä on hyvää jatkaa eteenpäin mahdollisesti uuden karistintyypin kanssa tai parannellen tätä jo testattua laitetyyppiä.

(Ice Proof Arctic – Innovations for ice and snow management, IPA) -hankkeen tavoitteena on ollut lisätä innovaatiotoimintaa ja siihen osallistuvien toimijoiden määrää Interreg Pohjoinen -ohjelma-alueella kehittämällä ja tutkimalla erilaisia ratkaisuja jää- ja lumikuormien aiheuttamien vahinkojen pienentämiseksi. Hankkeessa on testattu erilaisia ratkaisuja sähkönsiirtolinjojen jäänmuodostumisen hallintaan, tuulimyllyjen siipiin muodostuvan jään hallintaan sekä erilaisten rakennusten kattojen lumikuormien hallintaan. Hankkeen kokonaisbudjetti on ollut 1 021 505 € ja 1 736 939 NOK. Hankeaika on ollut 1.10.2019-30.9.2022. Hankkeessa ovat olleet mukana Oulun Yliopisto, Luulajan Teknillinen Yliopisto, Tromssan Yliopisto ja Lapin Ammattikorkeakoulu. Päärahoittajina ovat toimineet Interreg Pohjoinen, Lapin Liitto, Region Norrbotten ja Tromssan ja Finmarkun fylkinkomuuni