Keskitetyn varavoimajärjestelmän soveltuvuus sairaalakokonaisuuden sähköverkon varmistamiseen

Abstract

Tässä diplomityössä arvioidaan, voidaanko sairaalakokonaisuuden hajautetut rakennuskohtaiset varavoimageneraattorit korvata keskitetysti sijoitetulla varavoimajärjestelmällä. Tavoitteena on, että kriittisten toimintojen sähkönsyötön varmuus säilyy tai paranee ja että samalla järjestelmän kokonaiskustannukset sekä käytön ja kunnossapidon vaativuus pienenevät. Tarkastelu kohdistuu keskijännitetasoiseen toteutukseen, jossa varavoimatuotanto liitetään sairaala-alueen 10,5 kV verkkoon ja järjestelmä toimii sähkökatkon aikana saarekkeena.

Arviointi perustuu kirjallisuuskatsaukseen, kuormitus- ja mitoituslaskentaan, valmistajakohtaiseen generaattoridokumentaatioon sekä järjestelmätason kustannus- ja riskitarkasteluun. Lisäksi tarkastellaan jakeluketjun yhteisten komponenttien vaikutusta toimintavarmuuteen katkaisijoiden vikaantumisnopeuteen perustuvalla esimerkkilaskennalla. Kuormien luokittelu ja syötönsiirtoaikavaatimukset kytketään kuormanhallintaan siten, että kriittiset varavoimaryhmät voidaan turvata myös tilanteessa, jossa yksi generaattoriyksikkö on poissa käytöstä.

Tulosten perusteella keskitetty, keskijännitteellä toteutettu varavoima voidaan arvioida toteutettavaksi laajassa sairaalakokonaisuudessa, kun toteutussuunnittelussa varmistetaan suojaus-, selektiivisyys- ja automaatioratkaisut sekä käyttötilanteiden hallinta. Hyödyt painottuvat pienjännitekaapeloinnin ja jännitetason noston tarpeen vähenemiseen, huollon ja testauksen keskittämiseen sekä polttoainehuollon hallinnan yksinkertaistumiseen. Keskittämisen keskeinen haitta on riippuvuus yhteisistä vikapisteistä, minkä vuoksi vaihtoehtoiset syöttörakenteet, redundanssi ja kuormanhallinta korostuvat ratkaisun toiminnallisina edellytyksinä.

In this master’s thesis, the feasibility of replacing a hospital complex’s distributed, building-specific standby generators with a centrally located emergency power system is evaluated in a way that maintains or improves the security of supply for critical functions while reducing total system costs and the demands of operation and maintenance. The analysis focuses particularly on a medium-voltage implementation in which emergency power generation is connected to the campus 10.5 kV network and the system operates as an island during a power outage.

The evaluation is based on a literature review, load and sizing calculations, manufacturer-specific generator documentation, and a system-level cost and risk assessment. In addition, the impact of shared components in the distribution chain on reliability is examined through an example calculation based on circuit-breaker failure rates. Load classification and transfer-time requirements are linked to load management so that critical emergency power groups can be secured even when one generator unit is out of service.

Based on the results, centralized emergency power implemented at medium voltage can be considered feasible in a large hospital campus, provided that the detailed design ensures appropriate protection, selectivity, and automation solutions as well as operational control of different use cases. The benefits are primarily related to reducing low-voltage cabling and the need for increasing voltage level, centralizing maintenance and testing, and simplifying fuel supply management. The key disadvantage of centralization is dependence on common points of failure, which is why alternative supply configurations, redundancy, and load management are emphasized as functional prerequisites for the solution.