Sähköpalojen aiheuttamat taloudelliset vahingot ovat kasvaneet voimakkaasti Suomessa. Kaikista tulipaloista yli kolmasosa on saanut alkunsa sähköisestä syttymissyystä. Vakuutusyhtiöt maksavat vuosittain jo yli 200 M€ korvaukset pelkästään palovahingoista.

Sähköpalot aiheuttavat paljon harmia. Palon lähellä sijaitsevat tilat saattavat joutua käyttökieltoon ja vähintään sähköntuotantoon ja -jakeluun tulee keskeytyksiä vikojen takia. Yhteiskunnallisella tasolla seuraukset ovat vakavat.

Sähkö- ja teleurakoitsijaliiton (Stul ry), Turvallisuus- ja kemikaaliviraston (Tukes) ja Sähköturvallisuuden edistä- miskeskuksen (STEK ry) teettämässä tutkimuksessa selvitettiin, miksi sähköisissä liitoksissa ilmenee vikoja. Tutkimuksen tavoitteena oli paitsi selvittää sähköisten liitosten ongelmia, myös kartoittaa niitä keinoja, joilla vikoja ja mahdollinen sähköpalovaara voitaisiin ehkäistä.

Sähköalan ammattilaisille suunnatun kyselytutkimuksen pohjalta selvitettiin tyypillisimmät mekanismit sähkövikojen taustalla. Olosuhteiden tunnistamisen kautta pureuduttiin keinoihin, joilla sähköpaloja voidaan ehkäistä.

Miten tunnistaa vialliset liitokset?

Sähköpalot johtuvat lähes poikkeuksetta lämpötilan liiallisesta noususta. Liian usein kuitenkin syynä pidetään löysää liitosta, joka todellisuudessa on seuraus rakenteellisesta ongelmasta.

Oikeiden asennusmenetelmien ja toimivampien rakenteiden avulla päästäisiin pureutumaan ongelman ytimeen. Kaikille vikaantumistavoille on yhteistä liitosimpedanssin kasvu ja siitä seuraava hehkuva liitos.

Liitosten vikaantumismekanismien määrittämiseksi analysoitiin laaja valo- ja lämpökuva-aineisto. Vikaantumismekanismeja ja eri suojalaitteiden ominaisuuksia mallinnettiin laboratorio-olosuhteissa ja jatkotutkimuksiin valittuja komponentteja tutkittiin tarkemmin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja alkuaineanalyysilla (EDS-menetelmä).

Tutkimustuloksena havaittiin, että yllättävän monet viat olivatkin seurausta erilaisista kemiallisista muutoksista liitosten rajapinnoissa. Vaikka liitos vaikuttaisi ulkoisesti tiiviiltä, epäpuhtaudet voivat kulkeutua liitosten väleihin. Ulospäin vikaantuminen näkyy pääosin vaurioina liitosta ympäröivissä eristerakenteissa.

Hehkuva liitos on vain esiaste varsinaista vikaa ajatellen. Jos lämpötila nousee liian korkeaksi, eristerakenteet vaurioituvat ja niiden pinnalle muodostuu joko kokonaan tai osittain johtava virtatie. Tämän jälkeen eristeaine voi joko syttyä suoraan palamaan tai se voi aiheuttaa hiiltyneen eristeaineen läpi oiko- tai maasulun.

Rakenteeseen voi eristeen hiiltymisen tai johtavien osien oksidoitumisen seurauksena syntyä myös osittain johtavia rajapintoja, jolloin piiri johtaa eristerakenteen yli vasta, kun rajapinnan kynnysjännite ylittyy. Ilmiö aiheuttaa virtatransientin seurauksena kipinöintiä, jota suojalaitteet eivät välttämättä havaitse.

Keskusten tiiviydellä suuri merkitys

Jakokeskusten tiiviys näyttää tutkimuksen mukaan oleellisesti liittyvän siihen, miten ympäristöolosuhteet vaikuttavat liitosten vikaantumiseen. Tutkimuksessa analysoiduissa valokuvissa ja alkuaineanalyysissä korostui korroosion vaikutus liitosten vikaantumista voimakkaasti edistävänä tekijänä.

Kemiallista korroosiota voidaan vähentää sähköisissä liitoksissa joko alentamalla lämpötilaa, pinnoittamalla materiaaleja tai käyttämällä muuten kemiallisesti stabiileja materiaaleja. Pääsääntöisesti sähköiset liitokset suunnitellaan ja pyritään toteuttamaan niin, että liitokset eivät muodosta sähköistä paria, jossa materiaalien potentiaaliero toistensa välillä olisi liian suuri.

Sähkökemiallista korroosiota voi silti aiheutua, mikäli potentiaaliero syntyy liitoksessa vaikuttavan ylimenovastuksen takia. Syynä voi olla myös se, että liitos on altistunut ionipitoisille elektrolyyteille kuten kloori-ioneille, jotka kiihdyttävät korroosioreaktiota.

(Yllä) Liitosten vikaantumismekanismien kehittyminen.

(Yllä) Osittain johtavan rajapinnan aiheuttama katkos virtapiirissä ja sitä seuraava virtatransientti.

Suojalaitteet eivät havaitse kaikkia vikoja

Rinnan tai maapotentiaalia vastaan tapahtuvassa vikaantumisessa kipinöivä liitos vikaantuu usein siten, että kipinöinti on aluksi hyvin harvaa. Perinteisten sulakkeiden ja johdonsuojaautomaattien laukaisumekanismi ei havahdu vikaenergian ollessa liian pieni sen lyhytkestoisuuden takia.

Vikaantuneen kohdan yli oleva jännite (valokaarijännite) saattaa puolestaan olla melko suuri johtuen suuresta vikaimpedanssista. Sarjamuotoisessa vikaantumisessa haasteena on, että piirissä kulkeva virta ei kasva, vaikka vikaimpedanssi olisi hyvinkin pieni. Näin suojalaite ei havaitse vikaa, sillä vikaantumisen yhteydessä esiintyvät kytkentä- virtapiikit eivät riitä laukaisemaan sitä.

Vika voidaan toki havaita valokaarivahdeilla kipinöinnin ollessa erittäin voimakasta. Suuri osa kipinöinnistä jää kuitenkin havaitsematta perinteisillä suojalaitteilla.

Epäpuhtauksista vikaantuneen liitoksen (vasen kuva) ja puhtaan liitoksen (oikea) erot mikroskooppitarkastelussa ja alkuaineanalyysissa.

Säännöllinen tarkkailu estää sähköpaloja

estää sähköpaloja Kipinöinnin havaitsemiseen on kehitetty palosuojakatkaisija (AFDD = Arc Fault Detection Device). Sen toiminta perustuu viallisen liitoksen aiheuttamien korkeataajuisten häiriöiden analysointiin. Tutkimukset osoittavat, että palosuojakatkaisijoista on apua ryhmäjohtotasossa (≤16A) tapahtuvien palovaarallisten vikojen ehkäisyssä.

Olemassa olevista mittaus- ja kunnonhallintamenetelmistä lämpökuvaus, ultraäänimittaus sekä muun muassa virta- ja jänniteanalyysit auttavat vikaantumisen havaitsemisessa. Liitoksissa tapahtuvat kemialliset muutokset ovat usein kuitenkin peruuttamattomia. Sähkölaitteistojen kunnontarkkailun tuleekin aina olla säännöllistä.

Sähköiset liitokset eivät lähtökohtaisesti ole epäluotettavia, mutta niiden runsaus sähkölaitteistoissa lisää potentiaalisten vikaantumiskohtien määrää. Sähköpaloja voidaan parhaiten estää tarkkailemalla liitoksia säännöllisesti. Tämän ohella liitoksia tulee lämpökuvata ja kiristää systemaattisesti vikaantumisen estämiseksi.

Liitoksen vikaantumisen eri ilmenemismuodot virtapiireissä.

Lisätietoa alan toimijoille

Liitoksen vikaantumista ja sähköpaloja voitaisiin ennaltaehkäistä monella osa-alueella. Sen vuoksi tutkimuksessa luotiin toimenpidesuositukset sähkö- suunnittelijoiden, jakokeskusvalmistajien, komponenttivalmistajien, sähköurakoitsijoiden, huolto ja kunnossapitoyritysten, sähkölaitteistojen haltijoiden, jakeluverkkoyhtiöiden, paloviranomaisten, sähkölaitteistotarkastajien sekä sähköalan opetuksen käyttöön. Tutkimus suosituksineen löytyy kokonaisuudessaan osoitteesta www.ssep.fi .

Juha Alhainen,

Suomen sähkö- ja energiapalvelut,

valtuutettu tarkastaja,

juha. alhainen@ssep.fi