2/2012 - Fingrid
2/2012 - Fingrid 2/2012 - Fingrid
Kantaverkon ABCKirjoitussarja esittelee kantaverkon keskeisiätoimintaperiaatteita, laitekokonaisuuksia ja komponentteja.Sarjan tähän mennessä julkaistuihin kirjoituksiin voit tutustuaverkkosivuillamme osoitteessa www.fingrid.fi.Jännitteet sähkön siirto- ja jakelujärjestelmissäTeksti: Jarmo Elovaara | Kuva: Juhani EskelinenSähkönsiirron tekniikka on suhteellisennuorta: vasta 1880-luvunalussa luotiin edellytykset siirtääsähköä pitkähköjä matkoja. Tuolloinkehitettiin vaihtovirtamoottori ja patentoitiinidea, jossa generaattorin antamajännite muutettiin korkeammaksi sähkönsiirtoa varten ja kulutuskohteessataas alemmaksi sähkön käyttöä varten.Koska sähkön kehittäminen ja siirtäminenon ollut paljon pääomia vaativaatoimintaa, tehdyt investoinnit ovatolleet pitkäikäisiä. Tämä on joissakinmaissa, kuten Ruotsissa, näkynyt käytettävienjännitteiden melko suurenakirjona. Vasta viimeisten 40–50 vuodenaikana sähkönjakelujärjestelmää on rationalisoituvähentämällä käytössä olevienjännitetasojen määrää.Sähkönä siirrettävän tehon suuruusmääräytyy käytettävästä jännitteestäja siirrettävästä virrasta (P~ U·I).Sähkönkulutuksen ja siirtoetäisyyksienkasvaessa on tullut tarvetta entistä suuremmillesiirtojännitteille. Taloudellisinjännite riippuu sekä tehonsiirtotarpeestaettä siirtoetäisyydestä. Yleensä kannattaaottaa käyttöön sitä suurempi siirtojännite,mitä pidempi siirtoetäisyys on,mutta jännitearvot ovat tapauskohtaisia.Edullisimman jännitteen luonne on sellainen,että jännite kannattaa mieluumminylimitoittaa kuin alimitoittaa (kuva1). Kun tietyn tehon siirtämiseksi tarvittavajännite esimerkiksi kaksinkertaistetaan,virran arvo puolittuu ja johdossasyntyvät virtalämpöhäviöt pienenevätneliössä (~I 2 ) eli neljäsosaan alkuperäisestä.Näin siirron ja jakelun hyötysuhdeparanee. Pienempi virta merkitseemyös pienempää johdinpoikkipintaa jasiten kevyempiä ja halvempia johtimiaja pylväitä, mutta muutoin jännitteenkorottaminen suurentaa laitteiden kokoaja nostaa myös niiden hintaa. Lisäksisuurempi jännite merkitsee yleensämyös vähemmän rinnakkaisia johtojayhteysvälillä.Johdossa kulkeva virta aiheuttaahäviöitä, jotka ilmenevät sekä häviötehona(lämpönä) että johdon jännitteenalenemana.Sähkönjakeluverkotsuunnitellaan siten, että mitoittavan tehonsiirtämiseksi tarvittavien investointikulujenja häviökustannusten summapysyy mahdollisimman pienenä. Suurvoimansiirtoverkoissaetäisyydet ovatkuitenkin pitkiä ja huomiota on kiinnitettävämoneen muuhunkin jännitteestäriippuvaan seikkaan kuten esimerkiksisiihen, mikä on suurin siirrettävissäoleva teho ilman, että verkon eri generaattoreidentahtikäyttö häiriintyy. Seriippuu yhteyden päissä vaikuttavienjännitteiden tulosta.Suurin maailmalla käytössä olevajännite on yleensä myös suurin teknisestija taloudellisesti käytettävissäoleva vaihtoehto. Tekniset reunaehdottulevat yleensä vastaan katkaisijoidenvirrankatkaisukyvyssä ja laitteiden(mukaan lukien avojohdot) eristystenjännitekestoisuudessa. Jännitteiden javirtojen suurentuessa lisääntyvät myösympäristöhaitat ja turvallisuusuhat, kutenoiko- ja maasulkuvirtojen riskit. Neon hallittava.Sähkönkäytön alkuaikoina tekninentietämys oli vielä vajavaista, eikälaajoja verkkoja osattu rakentaa. Aluksiratkaiseva tekijä jännitetason valinnassaolikin kulutuslaitteiden mahdollisimmanhyvä toiminta. Ennen vaihtovirtamoottorinkehitystä sähköä käytettiin lähinnäsuurimpien kaupunkien valaisemiseen.Lamput olivat tasavirralla toimivia kaarilamppuja,joiden toiminnan kannaltanoin 120 voltin (V) jännite oli parasmahdollinen. Vuonna 1883 kehitettyvaihtosähköjärjestelmä mahdollistisuuremmat jännitteet ja sähkön käytönteollisuudessa. Vaihtosähköjärjestelmienkehittyessä alettiin valaistukseen käyttäämetallisella hehkulangalla varustettujalamppuja, joita voitiin käyttääkaarilamppuihin verrattuna noin kaksinkertaisellajännitteellä. Silti Suomessakinoli 1900-luvun alkupuoliskollamonessa kaupungissa pienjänniteverkonjännitteenä edelleen 110 V.Kaarilamppujen käyttö oli Atlantintakana ilmeisesti yleisempää kuin Euroopassa.Niinpä Euroopan ja Yhdysvaltainpienjännitejakeluun vakiintuivat erijännitteet, jotka ovat edelleen käytössä:Euroopassa standardijännite on 230/400V, Yhdysvalloissa ja siellä kehitettyäteknologiaa käyttävissä maissa puolestaan120/208 tai 120/240 V. Suurjännitteelläkineurooppalaiset ja amerikkalaisetstandardijännitesarjat yhtenäistettiinvasta vuonna 2006.Kuva 2 esittää verkon nimellisjännitteenäilmaistun vaihtosähköverkon siirtojännitteenkehitystä vuosien saatossa.Kuvasta näkyy, että siirryttäessä suuremmanjännitteen käyttöön peräkkäistenjänniteportaiden jännitteiden suhdeon teknistaloudellisista syistä suuruusluokkaakaksi. Suurin ilmajohtoverkoissakäytettävä vaihtojännite on nyt mm.Venäjällä, Japanissa ja Kiinassa käytössäoleva 1000–1200 kilovolttia (kilovoltti,kV = 1000 volttia). Kaapeliverkoissaon tyydyttävä noin puolet pienempäänjännitteeseen, mutta suurien jännitteidensiirtoyhteydet ovat yleensä niin pitkiä,ettei kaapelien käyttö ole niissä edesmahdollista saati taloudellista.FINGRID 2/2012 | 32
Suhteellinen hinta / pu10,750,50,25S=50 kmTaloudellisinsiirtojänniteS=100 kmS=200 kmS=400 kmS=600 kmKuva 1: Tietyn pituisenjohdon hinnan riippuvuusjännitteestä (ehyt viiva)ja optimisiirtojännite(katkoviiva) erisiirtoetäisyyksillä eräässätilanteessa. Hintaakuvaavana suureena onominaiskustannus elisiirrettävän tehon suhteenskaalattu hinta. Lopputuloson esitetty suhteellisarvona.0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Verkon jännite U R/ kVHyvin pitkissä ilmajohto- ja merikaapeliyhteyksissäkäytetään tasasähköä(DC). Tällaisia yhteyksiä on vähemmänkuin vaihtosähköyhteyksiä, eikä niissäole ollut saavutettavissa standardoinnillasamanlaisia säästöjä kuin vaihtosähköäkäytettäessä. Niinpä käytettävätjännitteet ovatkin projektien omientarpeiden ja teknologian kehityksenmääräämiä. Suurin siirtojännite DCavojohdoillaon tällä hetkellä 800 kV,DC-kaapeliyhteyksillä noin 550 kV.Sähkönkulutuksen määrän vaihdellessamyös jännitteen suuruus vaihtelee.Liian suuren vaihtelun estämiseksijännitettä on säädettävä verkon erikohdissa. Jännitettä voidaan säätää yhteiskäyttöverkossatahtikoneiden avullaja muuntoasemilla muuntajakäämienkierrosmäärää muuttamalla (käämi- javäliottokytkimet). Muualla verkossajännitteen säädössä turvaudutaan kompensoimislaitteideneli kondensaattorienja reaktorien (”kelojen”), aikaisemminmyös ns. synkronikompensaattorien(kuormittamaton tahtikone) ohjaukseen.Kondensaattori nostaa, reaktori laskeejännitettä.Sopivalla tavalla kytketyn reaktorienja kondensaattorien yhdistelmän avullavoidaan huolehtia myös sähkön laatuunvaikuttavista asioista. Perinteisten katkaisijallaohjattujen kompensoimislaitteidensijasta käytetään nykyään myöstehopuolijohteiden avulla kytkettäviäkompensoimislaitteita, jotka ovat lähesjatkuvasti ohjattavia. Niitä voidaankäyttää kompensoinnin lisäksi myösverkon dynaamisten ominaisuuksienmuuttamiseen, kuten vaimennuksen lisäämiseenmuutostilanteiden jälkeen. Verkon nimellisjännite / kV1400120010008006004002000525380220 28715 50 1101880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020VuosiKuva 2: Siirtojännitteiden kehitys. Jännitteen 380 kV rinnallakäytetään jännitettä 400 kV ja jännitteen 287 kV sijasta jännitteitä300 kV tai 365 kV.7351200Kuudessa vuosikymmenessä 7,8:sta 400 kilovolttiinSuomen ensimmäinen, 8 kilometrin pituinen 7,8 kV kolmivaiheinensiirtojohto rakennettiin 1897 Laatokan Karjalaan syöttämään sähköäkaivosteollisuuden pumpuille, murskauslaitteille, köysiradalle jne. Ensimmäinenkokonaan kotimaisin voimin suunniteltu voimansiirtojärjestelmä(15 kV ja 33 km) otettiin käyttöön vuonna 1900 Säkkijärven ja Viipurin välillä.Suomen ensimmäinen 110 kV johto siirsi vuodesta 1929 alkaen Imatrankoskessatuotettua energiaa Etelä-Suomen läpi Hikiän kautta edelleenTurun Koroisiin.220 kV käyttöön siirryttiin Suomessa 1950-luvun alussa. 400 kV jänniteotettiin ensimmäisenä maailmassa käyttöön Ruotsissa 1950-luvun alussa,kun Luulajajoen voimalaitokset kytkettiin valtakunnan verkkoon. Sitä ennenkorkein maailmalla käytetty jännite oli ollut 287 kV. Myös Suomi oliensimmäisten joukossa 400 kV käyttöönotossa 1960-luvun alussa.Ruotsissa valmistauduttiin 1970-luvun lopussa jopa 800 kV siirtojännitteenkäyttöön. Sähkön kysynnän kasvun väheneminen ja voimistunut keskustelu800 kV johtojen ympäristö- ja mahdollisista terveyshaitoista johtikuitenkin siihen, että Ruotsin hallitus ei antanut vuonna 1980 käyttölupaajo rakennetulle Forsmarkin ydinvoimalaitoksen ja Suur-Tukholman väliselle800 kV johdolle.FINGRID 2/2012 | 33
- Page 4: 12DesigniaKANSALLISMAISEMAANHyvin s
- Page 7 and 8: Muotoilu ja tekniikkakäsi kädess
- Page 9 and 10: ENSIMMÄINENpeltopylväs tulee Hyvi
- Page 11 and 12: Fingridin tyyppipylväätovat läp
- Page 13 and 14: Omaisuudenhallintapäivässäteeman
- Page 15 and 16: Työhön ryhdyttiin, koska maankäy
- Page 17 and 18: Rahoituspäällikön työn jasuosik
- Page 19 and 20: ”Kaikki tapaturmat ovat ennaltaeh
- Page 21 and 22: Tällä palstalla esitellään ja s
- Page 23 and 24: oli vain noin 2 500 megawattia. Mut
- Page 25 and 26: Fingrid edelleenkansainvälisenvert
- Page 27 and 28: Olkiluoto 4 -ydinvoimalaitoshankkee
- Page 29 and 30: Kraftnät Åland käyttää omistam
- Page 31: SÄHKÖPYÖRITTÄÄTällä palstall
- Page 35 and 36: KIIKARISSAMetsän isäntäKarhun pa
Suhteellinen hinta / pu10,750,50,25S=50 kmTaloudellisinsiirtojänniteS=100 kmS=200 kmS=400 kmS=600 kmKuva 1: Tietyn pituisenjohdon hinnan riippuvuusjännitteestä (ehyt viiva)ja optimisiirtojännite(katkoviiva) erisiirtoetäisyyksillä eräässätilanteessa. Hintaakuvaavana suureena onominaiskustannus elisiirrettävän tehon suhteenskaalattu hinta. Lopputuloson esitetty suhteellisarvona.0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Verkon jännite U R/ kVHyvin pitkissä ilmajohto- ja merikaapeliyhteyksissäkäytetään tasasähköä(DC). Tällaisia yhteyksiä on vähemmänkuin vaihtosähköyhteyksiä, eikä niissäole ollut saavutettavissa standardoinnillasamanlaisia säästöjä kuin vaihtosähköäkäytettäessä. Niinpä käytettävätjännitteet ovatkin projektien omientarpeiden ja teknologian kehityksenmääräämiä. Suurin siirtojännite DCavojohdoillaon tällä hetkellä 800 kV,DC-kaapeliyhteyksillä noin 550 kV.Sähkönkulutuksen määrän vaihdellessamyös jännitteen suuruus vaihtelee.Liian suuren vaihtelun estämiseksijännitettä on säädettävä verkon erikohdissa. Jännitettä voidaan säätää yhteiskäyttöverkossatahtikoneiden avullaja muuntoasemilla muuntajakäämienkierrosmäärää muuttamalla (käämi- javäliottokytkimet). Muualla verkossajännitteen säädössä turvaudutaan kompensoimislaitteideneli kondensaattorienja reaktorien (”kelojen”), aikaisemminmyös ns. synkronikompensaattorien(kuormittamaton tahtikone) ohjaukseen.Kondensaattori nostaa, reaktori laskeejännitettä.Sopivalla tavalla kytketyn reaktorienja kondensaattorien yhdistelmän avullavoidaan huolehtia myös sähkön laatuunvaikuttavista asioista. Perinteisten katkaisijallaohjattujen kompensoimislaitteidensijasta käytetään nykyään myöstehopuolijohteiden avulla kytkettäviäkompensoimislaitteita, jotka ovat lähesjatkuvasti ohjattavia. Niitä voidaankäyttää kompensoinnin lisäksi myösverkon dynaamisten ominaisuuksienmuuttamiseen, kuten vaimennuksen lisäämiseenmuutostilanteiden jälkeen. Verkon nimellisjännite / kV1400120010008006004002000525380220 28715 50 1101880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020VuosiKuva 2: Siirtojännitteiden kehitys. Jännitteen 380 kV rinnallakäytetään jännitettä 400 kV ja jännitteen 287 kV sijasta jännitteitä300 kV tai 365 kV.7351200Kuudessa vuosikymmenessä 7,8:sta 400 kilovolttiinSuomen ensimmäinen, 8 kilometrin pituinen 7,8 kV kolmivaiheinensiirtojohto rakennettiin 1897 Laatokan Karjalaan syöttämään sähköäkaivosteollisuuden pumpuille, murskauslaitteille, köysiradalle jne. Ensimmäinenkokonaan kotimaisin voimin suunniteltu voimansiirtojärjestelmä(15 kV ja 33 km) otettiin käyttöön vuonna 1900 Säkkijärven ja Viipurin välillä.Suomen ensimmäinen 110 kV johto siirsi vuodesta 1929 alkaen Imatrankoskessatuotettua energiaa Etelä-Suomen läpi Hikiän kautta edelleenTurun Koroisiin.220 kV käyttöön siirryttiin Suomessa 1950-luvun alussa. 400 kV jänniteotettiin ensimmäisenä maailmassa käyttöön Ruotsissa 1950-luvun alussa,kun Luulajajoen voimalaitokset kytkettiin valtakunnan verkkoon. Sitä ennenkorkein maailmalla käytetty jännite oli ollut 287 kV. Myös Suomi oliensimmäisten joukossa 400 kV käyttöönotossa 1960-luvun alussa.Ruotsissa valmistauduttiin 1970-luvun lopussa jopa 800 kV siirtojännitteenkäyttöön. Sähkön kysynnän kasvun väheneminen ja voimistunut keskustelu800 kV johtojen ympäristö- ja mahdollisista terveyshaitoista johtikuitenkin siihen, että Ruotsin hallitus ei antanut vuonna 1980 käyttölupaajo rakennetulle Forsmarkin ydinvoimalaitoksen ja Suur-Tukholman väliselle800 kV johdolle.FINGRID 2/<strong>2012</strong> | 33
Change language