Liisa Haarla & Jarmo Elovaara: Sähköverkot II

Ympäri maailmaa sijaitsevat, toisiinsa linkitetyt sähkövoimajärjestelmät ovat yhdessä suurin ihmisen luoma rakennelma. Nämä järjestelmät ovat myös nykyisen yhteiskuntamme tärkein infrastruktuuri. Sähkön saamiseksi voimaloista tuotantolaitosten ja kuluttajien käyttöön tarvitaan kuitenkin siirto-, alue- ja jakeluverkkoja, ja näiden tärkeiden rakenteiden toimintaan Sähköverkot I (Järjestelmätekniikka) ja Sähköverkot II(Johdot ja asemat) pureutuvat.

Teokset esittelevät suurjännitejohdot sekä sähköasemat ja niihin sisältyvät erilaiset laitteet. Teknisten asioiden lisäksi käsitellään taloudellisia ja ympäristökysymyksiä. Ensimmäisessä osassa Järjestelmätekniikka ja sähköverkon laskenta keskitytään verkkoon järjestelmänä ja toisessa osassa Verkon suunnittelu, järjestelmät ja laitteet tarkastellaan sähköverkkojen erilaisia laitteita ja osajärjestelmiä. Alan opiskelijoille ja insinööreille teospari onkin välttämätön tietopaketti.

Fingrid Oyj on tukenut kirjojen julkaisemista. Teokset on julkaistu Otatieto-sarjassa.

Kirjoittajat

Jarmo Elovaara, professori, diplomi-insinööri, toimii johtavana asiantuntijana Suomen kantaverkosta vastaavassa Fingrid Oyj:ssä.

Liisa Haarla
, tekniikan tohtori, toimii sähkönsiirto­järjestelmien professorina Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulussa.

Sisällys

Liisa Haarla & Jarmo Elovaara
SÄHKÖVERKOT II
Verkon suunnittelu, järjestelmät ja laitteet

11 1. Suurjännitetekniikka
11 1.1 Ylijännitteet
29 1.2 Ylijännitteiden rajoittaminen
41 1.3 Eristysrakenteiden jännitelujuus
62 1.4 Koejännitteet ja standardien mukainen jännitetestaus
66 1.5 Eristyskoordinaatio
70 1.6 Testisuureiden synnyttäminen ja mittaaminen
76 2. Sähköasemat ja niiden suunnittelu
76 2.1 Yleistä
76 2.2 Sähköasennuksille asetettavat yleiset vaatimukset
86 2.3 Oikosulkuvoimat
96 2.4 Sähköasemat
117 2.5 Kojeistot
128 2.6 SF6-eristeiset kytkinlaitokset
141 3. Sähköasemien laitteet
141 3.1 Muuntajat
161 3.2 Katkaisijat
190 3.3 Erottimet
198 3.4 Mittamuuntajat
225 3.5 Kompensoimislaitteet
237 3.6 Venttiilisuojat
244 3.7 Varokkeet ja varokeautomaatit
250 4. Sähköjohdot
250 4.1 Yleistä
250 4.2 Ilmajohtoja koskevat standardit ja määräykset
264 4.3 Ilmajohdot
286 4.4 Päällystetyt avojohdot
289 4.5 Avojohdon johdinlaskuista
303 4.6 Voimakaapelit
331 4.7 Tasasähkökaapeleista
335 5. Relesuojaus
335 5.1 Mikä on suojausjärjestelmä ja mihin sitä tarvitaan?
337 5.2 Maadoituksen vaikutus suojaukseen
339 5.3 Erilaisia vikoja342 5.4 Suojausjärjestelmien ja releiden ominaisuuksia
346 5.5 Yleisimmät suojareleet
361 5.6 Johtojen suojaus Suomessa
374 5.7 Tahtigeneraattorin suojaus
378 5.8 Muuntajan suojaus
380 5.9 Rinnakkaiskompensointilaitteiden suojaus
381 5.10 Kokoojakiskon suojaus
382 5.11 Katkaisijavikasuojaus
385 6. Asema-automaatio, kaukokäyttö
ja käytön valvonta
385 6.1 Johdanto
386 6.2 Sähköasema-automaatio
392 6.3 Kaukokäyttöjärjestelmät
414 6.4 Sähköverkon käytönvalvonta
423 6.5 Kuormien ohjaus jakeluverkossa
427 7. Maadoitukset
427 7.1 Yleistä
428 7.2 Maadoitus- ja vaarajännitteet
432 7.3 Maadoitusresistanssien laskeminen
435 7.4 Pylväsmaadoitukset
446 7.5 Asemamaadoitukset
451 7.6 Erilliskysymyksiä
454 7.7 Maadoitusmittaukset
460 7.8 Maadoittamisen suorittamisesta
464 8. Sähköverkkojen aiheuttamat häiriöt ja vaarajännitteet
464 8.1 Yleistä
466 8.2 Kapasitiivinen kytkentä
469 8.3 Induktiivinen kytkentä
475 8.4 Konduktiivinen kytkentä
477 8.5 Verkkoyhtiöiden omien ja muiden teleyhteyksien suojaaminen
492 9. Sähkövahingot ja sähkötapaturmat
492 9.1 Tilastotietoja
495 9.2 Sähkövirran vaikutus ihmiseen
498 9.3 Sähkövirran vaarallisuus suhteessa vaikutusaikaan
501 9.4 Ihmiskehon vastus ja jännitteen aiheuttama vaara
505 9.5 Valokaaren aiheuttama vaara
505 9.6 Ensiapu sähkötapaturmissa508 10. Tulevaisuuden sähköverkoista
508 10.1 Tulevaisuuden sähköverkkojen haasteet
511 10.2 Tulevaisuuden siirto- ja jakeluverkot
514 10.3 Tulevaisuuden sähköasemat ja siirtojohdot
516 Kirjallisuus
535 Hakemisto
551 Kirjoittajat

***

Esipuhe

Sähköä on siirretty Suomessa jo noin 130 vuoden ajan, ja nykyaikaisen yhteiskunnan toimintakyvylle sähköenergian jatkuvasta saannista on tullut elinehto. Järjestelmää, jolla sähköä siirretään tuotantolaitoksilta asiakkaille, kutsutaan sähköverkoksi. Sähköverkko kattaa Suomessa käytännössä koko maan. Sähkönsiirto ja -jakelu ovat dynaamisia prosesseja, ja sähköjärjestelmän toimintaan vaikuttavatkin sähkön tuotantolaitosten ja kulutuskohteiden ohella sähköverkon rakenne ja ominaisuudet. Verkon rakentamisessa ja käyttämisessä on pyrittävä siihen, että sähköenergian toimitus asiakkaille on mahdollisimman häiriötöntä ja muutenkin riittävän laadukasta. Lisäksi verkon olisi aiheutettava mahdollisimman vähän ympäristöhaittoja. Koska sähköä on vaikea varastoida, tuotannon säädöllä huolehditaan siitä, että tuotanto vastaa joka hetki kulutuksen ja verkossa syntyvien häviöiden yhteismäärää. Nyt pyrkimys energian säästämiseen ja ilmastonmuutoksen hillitsemiseen asettavat perinteiselle sähköverkolle myös uusia vaatimuksia. Nämä vaatimukset edellyttävät kulutuksen joustoa ja tuotannoltaan vaihtelevan uusiutuvan sähköenergian verkkoon liittämistä, joiden onnistuminen vaatii lisää muun muassa tiedonsiirtokapasiteettia.

Tämän teoksen kirjoittajien tavoitteena on ollut laatia riittävän yksityiskohtainen suomenkielinen oppikirja sähkönsiirtoon ja -jakeluun liittyvistä asioista. Aihepiirin laajuuden vuoksi teoksesta tuli lopulta kaksiosainen. Ensimmäinen osa keskittyy verkkoon järjestelmänä, ja siinä kuvataan verkostolaskentaa teoreettisine perusteineen, verkon kuvaamista erilaisissa laskentatehtävissä, säätökysymyksiä, sähkömarkkinoita, sähkön laatua ja ympäristökysymyksiä. Myös tasasähkön käyttö sähkön siirrossa ja tehopuolijohteilla aikaansaatavat uudentyyppiset aktiiviset verkkokomponentit tuodaan esiin. Lisäksi käsitellään lyhyesti suurjännitetekniikan oleellisimmat asiat. Kirjan toinen osa painottuu enemmän käytäntöön, ja siinä käsitellään sähköverkkojen erilaisia osajärjestelmiä ja laitteita, kuten avojohtoja ja kaapeleita, sähköasemia, muuntajia ja kytkinlaitteita sekä suojareleitä, kaukokäyttöjärjestelmiä, häiriö- ja vaarajännitteitä, maadoituksia ja turvallisuusasioita.

Teoksen esikuvana on ollut Jarmo Elovaaran ja Yrjö Laihon kirjoittama, ensimmäisen kerran vuonna 1976 julkaistu oppikirja Sähkölaitostekniikan perusteet. Sen sisältö on jouduttu kuitenkin perusteellisesti uusimaan, koska sähkönsiirtoon liittyvä toimintaympäristö ja laitetekniikka sekä ihmisten asenteet ja suhtautuminen energiakysymyksiin ovat viime vuosikymmenien aikana muuttuneet olennaisesti. Johdantona aiheeseen luodaan ensin katsaus Suomen energiapoliittisiin linjauksiin, mistä siirrytään siirto- ja jakeluverkkojen yleissuunnitteluun. Pääpaino on koko ajan siirtoverkkojen suunnittelussa, etenkin verkon tehonjaon ja vikavirtojen laskennassa sekä verkon stabiiliudessa. Lisäksi kuvataan verkoissa käytettävien laitteiden ja osajärjestelmien perusominaisuudet.

Voimajohtojen ja muuntajien sisällyttäminen oppikirjaan on katsottu välttämättömäksi, koska niistä ei ole enää saatavissa muuta suomenkielistä kokonaisesitystä. Teoksessa käydään läpi sähköverkkoihin ja niiden suojaukseen, kaukokäyttöön ja turvallisuuteen liittyvät vaatimukset ja suunnittelunäkökohdat. Mukana on runsaasti kirjallisuusviitteitä, jotka auttavat tutustumaan syvemmin kuhunkin aihepiiriin. Jarmo Elovaara on kirjoittanut luvut 1–4 ja 11 (I osa) sekä luvut 1–4 ja 6–10 (II osa), Liisa Haarla puolestaan luvut 5–8 ja 10 (I osa) ja luvun 5 (II osa). Luvun 9 alkuosa on Liisa Haarlan kirjoittama ja investointilaskelmia kuvaava loppuosa on Jarmo Elovaaran tekstiä. Oppikirja on tarkoitettu käytettäväksi sekä teknillisissä yliopistoissa että ammattikorkeakoulujen sähkö- tai energiatekniikan koulutusohjelmissa.

Koska perusasioiden lisäksi kirjassa on otettu esille pidemmälle menevää teoreettista asiaa, aineiston omaksuminen edellyttää perustietoja teoreettisesta sähkötekniikasta ja sähkökoneista. Toisaalta kirja käsittelee myös sähköverkkojen toimintaan liittyviä käytännön asioita, minkä vuoksi se sopii jokaisen alalla työskentelevän taustatueksi ja käsikirjaksi.

Teos perustuu kirjoittajien vuosikymmenten kokemuksiin työskentelystä kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:ssä ja sen edeltäjässä Imatran Voima Oy:ssä sekä opetus- ja tutkimustehtävistä Teknillisessä korkeakoulussa. Fingrid Oyj on myös luovuttanut muistioita ja kuvamateriaalia kirjoittajien käyttöön. Lisäksi kuva- ja taustamateriaalia on saatu Energiateollisuus ry:ltä sekä suomalaisilta sähkölaitevalmistajilta ja -maahantuojilta ABB Oy:ltä, Alstom Grid Oy:ltä, Energel Oy:ltä, Prysmian Cables and Systems Oy:ltä ja Siemens Osakeyhtiöltä. Myös lukuisten kotimaisten sähköalan organisaatioiden asiantuntijat ovat auttaneet kirjan viimeistelyssä ja tehneet useita parannusehdotuksia. Ulkomaisista henkilöistä on mainittava erityisesti ABB :n F. Bezold ja H.-E. Olovsson sekä Siemensin H. Koch. Tekniikan kandidaatti Janne Seppänen on saattanut julkaisukelpoiseen muotoon tekemämme kuvat. Teoksen kirjoittamista ovat rahallisesti tukeneet Fortumin Säätiö sekä Suomen tietokirjailijat ry. Haluamme osoittaa lämpimät kiitoksemme kaikille edellä mainituille saamastamme arvokkaasta avusta. Tärkein kiitos kuuluu kuitenkin perheillemme, jotka ovat kannustaneet ja tukeneet meitä läpi koko pitkän kirjoitusprosessin.

Helsingissä, joulukuun 21. päivänä 2010
Jarmo Elovaara ja Liisa Haarla

Laita hyvä kiertämään: