Liisa Haarla & Jarmo Elovaara: Sähköverkot I

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.

Professori, diplomi-insinööri Jarmo Elovaara toimii johtavana asiantuntijana Suomen kantaverkosta vastaavassa Fingrid Oyj:ssä.
Tekniikan tohtori Liisa Haarla toimii sähkönsiirto­järjestelmien professorina Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulussa.

Sisällys

Liisa Haarla & Jarmo Elovaara
SÄHKÖVERKOT I
Järjestelmätekniikka ja sähköverkon laskenta

11 1. Johdatus sähkönsiirtotekniikkaan
11 1.1 Energian asema Suomen kansantaloudessa
16 1.2 Maailman energiavarat
18 1.3 Suomen energiahuolto
24 1.4 Suomen sähkönkulutus
28 1.5 Suomen sähköntuotanto
30 1.6 Voimalaitosten ominaisuudet ja tuotantokustannukset
47 1.7 Sähkömarkkinat
54 1.8 Sähkönsiirto ja -jakelu
68 1.9 Sähkönsiirron ja -jakelun järjestöt
73 2. Sähköverkko ja sen suunnittelu
73 2.1 Sähköverkon suunnittelun pääperiaatteet
78 2.2 Kuormitusten arvioiminen
89 2.3 Voimansiirtojohdon perusyhtälöt ja kuvaukset
97 2.4 Voimansiirtoverkon rakenneosien kuvaaminen
141 3. Verkon tehonjaon laskeminen
141 3.1 Suhteellisarvojen käyttö
145 3.2 Silmukoidun verkon tehonjaon laskeminen
154 3.3 Jakeluverkon seuranta- ja suunnittelulaskenta
164 3.4 Verkostolaskennan nykytilasta
166 4. Voimansiirtojärjestelmän vikatapausten laskeminen
166 4.1 Yleistä
170 4.2 3-vaiheinen oikosulku
177 4.3 Epäsymmetriset oikosulut
189 4.4 Myötä-, vasta- ja nollaimpedanssien ominaisuuksista
203 4.5 Vikavirtalaskenta laajoissa verkoissa
209 4.6 Verkon tähtipisteiden maadoitus
216 5. Stabiilius
216 5.1 Stabiiliuden määritelmiä
218 5.2 Kulmastabiilius
246 5.3 Jännitestabiilius
254 5.4 Taajuusstabiilius ja taajuusromahdus
257 5.5 Stabiiliuden parantamismahdollisuuksia
258 5.6 Esimerkkejä stabiiliushäiriöistä
271 6. Siirtoverkon luotettavuus
271 6.1 Johdanto
271 6.2 Katsaus voimajärjestelmän vikoihin
276 6.3 Voimajärjestelmän luotettavuuskäsitteitä
279 6.4 Käyttövarmuuden arviointitapoja
281 6.5 Voimajärjestelmän tilat ja verkkosuojat
285 6.6 Luotettavuusmatematiikkaa
294 6.7 Siirtoverkon käyttövarmuuden arviointia
297 7. Tehoelektroniikka sähkönsiirrossa
297 7.1 Vaihto- ja tasasähköyhteyksien eroja
301 7.2 Tasasähköyhteyksien käyttökohteita
308 7.3 Verkkokommutoivan tasasähköyhteyden toiminta
325 7.4 Jännitelähdesuuntaajaa käyttävä tasasähköyhteys
329 7.5 Tasasähköyhteys voi estää suurhäiriön
333 7.6 Tasasähköyhteys ja aliharmoninen resonanssi
335 7.7 Tehoelektroniikkalaitteistot siirtokapasiteetin lisääjinä
347 8. Päätötehon ja jännitteen säätö
347 8.1 Verkon taajuus ja jännite
352 8.2 Käytön suunnittelu ja reservit
358 8.3 Verkon taajuuden säätö
365 8.4 Verkon jännitteen säätö
379 9. Sähkömarkkinat ja sähkönsiirron kannattavuus
379 9.1 Sähkömarkkinat
382 9.2 Eurooppalaiset sähkömarkkinat
390 9.3 Pohjoismaiset sähkömarkkinat
396 9.4 Yhteiskäyttöverkot
399 9.5 Siirtotariffit Suomessa
403 9.6 Verkon kehittäminen
419 10. Sähkön laatu
419 10.1 Mitä on sähkön laatu?
422 10.2 Tunnuslukuja sähköntoimituksen keskeytyksille
435 10.3 Sähkön laadun standardeja ja suosituksia
438 10.4 Jännitetaso ja jännitteen hitaat ja nopeat vaihtelut
442 10.5 Jännitteen epäsymmetria
447 10.6 Yliaallot
453 10.7 Välkyntä
454 10.8 Taajuuden vaihtelut
454 10.9 Yhteenveto enintään jännitteelle 110 kV asetetuista laatuvaatimuksista
458 11. Ympäristökysymykset
458 11.1 Sähköverkkojen rakentamista koskeva ympäristölainsäädäntö
461 11.2 Sähköverkot ja melu
462 11.3 Kemikaaleihin liittyvät luvat ja asiakirjat
464 11.4 Ilmaston lämpeneminen
466 11.5 Pylväspuiden kyllästeet
468 11.6 Sähkömagneettiset kentät
484 11.7 Voimajohtojen visuaalisuus
485 Kirjallisuus
504 Hakemisto
520 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: