Sähköenergiatekniikka. Luento 2 Sähköjärjestelmän peruskomponentit Matti Lehtonen

Transkriptio

1 Sähköenergiatekniikka Luento 2 Sähköjärjestelmän peruskomponentit Matti Lehtonen

2 Sähkön kokonaiskulutus Suomessa TWh 120 Tilasto Ennuste Energiateollisuus

3 Sähkön kulutushuiput Tilasto Ennuste Energiateollisuus 2008

4 Sähkön nettohankinta 2007 Vesivoima 15,5 % Tuulivoima 0,2 % Ydinvoima 24,9 % nettotuonti 13,9 % Lauhdutus ym. 16,1 % Yhteistuotanto, teollisuus 13,3 % Yhteistuotanto, kaukolämpö 16,1 % Energiateollisuus 2008

5 Sähkön kokonaiskulutus 2008 Teollisuus 53 % Häviöt 4 % Sähkölämmitys 10 % Palvelut 18 % Asuminen, maatalous 15 % Energiateollisuus 2008

6 Siirto- ja jakeluverkoston periaatekaavio Voimalaitos - generaattori (10,5 kv, 20 kv) - generaattorimuuntaja (20/400 kv) Kaukovoimansiirto - tehovälimuuntaja (400/220 kv) - 400, 220 (ja 110) kv johdot - kytkinasema (220 kv) - muuntoasema (400/220 kv) Suurjännitejakelu kv johdot - syöttöasema (110/20 kv) Keskijännite- (välijännite-)jakelu - 20 kv johdot Pienjännitejakelu - 0,4 kv johdot ja kuluttajat

7 Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko vuonna 2008 Nordel 2008

8 Voimalaitosten ominaisuudet ja tuotantokustannukset Lauhdevoimalaitos (fossiilinen polttoaine) Lauhdevoimalaitos (painevesireaktori) Vastapainelaitos Kaasuturbiinilaitos

9 PERINTEINEN HÖYRYVOIMALAITOS

10 Höyryvoimalaitosten ominaisuuksia Polttoaineena kivihiili, öljy tai turve Hyötysuhde parhaimmillaan 40% Perus- tai välikuormalaitoksia Suuri ympäristörasitus: CO 2, SO 2 ja NO x Kokonaishyötysuhde paranee jos jäännäslämpö voidaan hyödyntää lämmitykseen ÞLauhdutin korvataan lämmönvaihtimella Þ vastapainevoimalaitos

11 Kombivoimalaitos

12 Kombivoimalaitosten ominaisuuksia Yksi generaattori kaasuturbiinin perässä, toinen höyryrurbiinin Kaasuturbiinin hukkalämpö hyödynnetään höyryn tuotannossa SO 2 ja NOx emissiot paremmin hallinnassa kuin perinteisissä voimalaitoksissa Vastapainekäytössä terminen hyötysuhde on erittäin hyvä. Sähkön ja lämmön suhde noin 50/50

13 YDINVOIMALAITOKSET Painevesi- ja kiehutusvesireaktori

14 YDINVOIMALAITOSTEN OMINAISUUKSIA Reaktoria lukuunottamatta perinteisiä höyryvoimalaitoksia Kalliit investoinnit & halpa polttoaine => peruskuormalaitoksia Ei emissioita: CO 2, SO 2, tai NO x Käytetyn polttoaineen jälkikäsittely ja loppusijoitus Nykyiset laitokset perustuvat U-235:n fissioon (0,7% luonnonuraanista 235:ttä) Hyötöreaktori: U-238 muunnetaan plutoniumiksi Fuusioenergia: deuterium + deuterium = tritium + energiaa???

15 Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin km ja sähköasemia

16 Avojohdot a) ja b) 20 kv puupylväitä c) vapaasti seisova 110 kv pylväs I-ketjuin d) vapaasti seisova 440 kv metallipylväs V-ketjuin e) 400 kv harustettu metallipylväs 110 kv harustettu puupylväs

17 Avojohtojen eristimiä. a) eristin SH-24, b) lautaseristin, c) sauvaeristin, d) moniaine-eristin, e) moniaine-eristimen leikkaus: 1 lasikuituvahvisteinen sauva, 2 silikonikumipinnoite, 3 silikonikumilaipat, 4 kemiallinen sidos, 5 vulkanointi, 6 silikonipolymeerikittaus, 7 päätekappa, 8 kiila. Eristinketjun kapasitanssit

18 400 kv eristinketju varusteineen. 1 eristin, 8 yläsuojasarvi, 9 alasuojasarvi, 13 suojakäämi, 15 kannatuspidike

19 Suurjänniteilmalinjat Suomessa voimajohdot rakennetaan tavallisesti käyttäen harustettuja pylväitä; 400 kv johdoilla teräspylväitä ja 110 kv johdoilla puupylväitä. Vapaasti seisovia ristikkopylväitä käytetään kaupunkialueilla. Vanhimmat johdot on rakennettu 1920-luvunlopulla ja ne ovat yhä käytössä. 110 kilovoltin 400 kilovoltin johtoja käytetään Suomen kantaverkkoyhtiö Fingridin valtakunnallisissa voimansiirtoverkoissa sekä 110 kv johtoja jossain määrin myös alueellisessa voimansiirrossa. 19

20 110kV ilmalinja 110 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 1 metri (6 8 lautasta) Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 6 metriä ja tiestä n. 7 metriä. 20

21 400kV ilmalinja 400 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 4 metriä (18 21 lautasta). Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 8 metriä ja tiestä n. 9 metriä. 21

22 S = 3 U v I = P = S cos f Q = S sin f S = P 2 + Q 2 S = P + jq U Tehot kolmivaihejärjestelmässä a) 3 U p I 230 V R 10 W Resistanssi R U = RI Þ I = 23 A P = 3U I cosf v Q = 3 U U f = 0 I = cos 0 23W = 15,9kW I sin 0 v = 0 f I

23 c) 10 W 230 V v v v 10 W Tehot kolmivaihejärjestelmässä (jatkoa) Z = R + jx = 10 + j10 = 14,1Ð 45 U = ZI Þ U Z = 16,26Ð - 45 A I f= S = P + Q = 11,2 kva = 230Ð0 = 14,1Ð 45 P = 3 U I cos f = ,26 cos 45 = 7,9 kw Q = 3 U I sin f = ,26 sin 45 = 7,9 kvar S = 3 U I = ,26 = 11,2 kva Toinen tapa S = 7,9 + j7,9 kva Þ = = = * = 3 UvÐ0 IÐ45 = 3 UvI Ð45 = ,26Ð45 VA S S 3 U v I 3 U v I * 3 U p I * = 11,2 Ð45 kva Voimaverkoissa lasketaan tavallisesti pääjännittellä I U U p = 3 UvI * ì ï í ï î U = U Ð0 I = I Ð- f * I = I Ðf X= Reaktanssi (ind) I Kapasitanssi I L X = jwl 1 jwc f = 90 C = U -j f = 90 U 1 wc

24 I a Z I b Johdot Z/2 Z/2 U a U b Y/2 Y/2 Y p Z = (r + jwl) s Y = (g + jwc) s T s = pituus r = resistanssi / s l = induktanssi / s g = konduktanssi / s c = kapasitanssi / s Pitkät johdot éu ê ëia b a = ù ú û écos b s = ê ê 1 j sin b s êë Zc (r + jwl) (g + jzc sin b sù ú cos b s ú úû jwc) éu ê ëib b ù ú û Z c = (r + jwl) (g + jwc)

25 Tehonsiirto siirtojohdolla - Tehokulmayhtälö U1 U X 2 P = sin δ P P max 0º 90º 180º d stabiili alue Staattisen stabiilisuuden rajateho

26 Ylijännitesuojat Ylijännitesuojien tehtävänä on rajoittaa suojattavaan kohteeseen saapuvien ylijännitteiden amplitudi vaarattomalle tasolle. Tähän päästään valitsemalla suojauslaitteet ja suojattavien kohteiden eristystaso eristyskoordinaation periaatteiden mukaisesti siten, että suojalaitteen suojaustason ja suojattavan kohteen kestotason väliin jää riittävä marginaali. Ylijännitesuojauksen optimointi on vaikea ja kallis tehtävä. Tärkeintä on kuitenkin sijoittaa ylijännitesuoja mahdollisimman lähelle arvokkainta suojattavaa kohdetta, joka useimmiten on muuntaja. 26

27 Ylijännitesuojat Ylijännitesuojat (kipinäväli tai metallioksidisuoja) Rajoitetaan laitoksen mitoituksen ylittävät jännitteet Käyttö:tehomuuntajat, kaapelipäätteet (yleensä ne kohdat joissa aaltovastus muuttuu) a) yksivälisuojia, b) lintuestein varustettu kaksivälisuoja. 27

28 Venttiilisuojat Metallioksidisuojan tyypillinen ominaiskäyrä (kuva a) ja venttiilisuojan rakenne (kuva b) 1 = metallioksidilieriö, 2 = päätyelektrodit, 3 = metallinen tukisylinteri, 4 = kuorimateriaali, 5 = metallinen välilevy. 28

29 Sähkönsiirtojärjestelmät 29

30 Sähkönsiirtojärjestelmät Eräs sähkönjakelujärjestelmä jossa on sekä 110/33kV kaupunkisyöttöjä että 110/11kV maaseutusyöttöjä. Lisäksi suurkuluttajille on omat 110kV linjat. 30

31 Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristeimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 31

32 Muuntajan toiminta N 1 N 2 f Kierrosjännite sama U 1, I 1 U 2, I N N U U = Teho säilyy N N U U I I U I 3 I U 3 S = = Þ = = Toision impedanssi Z 2 ensiöstä nähtynä? Z 2 2n 1n ' U U N N merkitään tavallisesti Z N N N N I N N U I U Z ensiössä I U Z toisiossa = ø ö ç ç è æ = = = =

33 Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 33

34 Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 34

35 Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 35

36 Sähköaseman kaaviot 1 123kV 2-KK järjestelmä 1. kokoojakisko(kk) I 2. KK II 3. KK-erottimet 4. Katkaisija 5. Virtamuuntaja 6. Jännitemuuntaja 7. Linjaerotin 8. Ylijännitesuoja T kenttäleveys (m) 36

37 Sähköaseman kaaviot 2 H-muotoinen jossa kaksi tulevaa linjaa ja kaksi muuntajaa. Keskellä KKerottimet sekä katkaisijan puolella että poikittain KK:n katkaisemiseksi. 123kV 2-muuntaja-asema Kokoomakisko(KK) KK-erotin Katkaisija Virtamuuntaja Jänn.muuntaja Linjaerotin Ylijänn.suoja 37

38 Kytkinlaitosten rakenne 38

39 Virtamuuntajat Virtamuuntajat Muuttaa päävirtapiirin virran mitattavaksi arvoksi tehonmittaukseen, suojaukseen jne. Mittasydämiä eri tarkoituksiin Nimellisarvot standardien mukaisia Ensiön standardisoidut nimellisarvot ovat: 10-12, A sekä näiden kymmenpotenssikerrannaiset ja osat. Toisiovirran standardiarvot ovat 1 A, 2 A ja 5 A 39

40 Jännitemuuntajat Päävirtapiirin jännite muunnetaan mitattavaksi jännitteeksi Käämit sekä suojaukseen että mittaukseen (avokolmio maasulkusuojaukseen) Nimellisarvot standardien mukaiset Kapasitiivinen jännitemuuntaja kantoaaltoyhteydessä 40

41 Jakeluverkon rakenne Perinteinen järjestelmä voimalaitos kantaverkko alueverkko jakeluverkko 41

42 Sähkönjakelun periaate 42

43 Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 20 kv Sähköasema 20 kv 20 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 43

44 20 kv avojohto ja PAS -johto Eristämätön johdin 20 kv avojohto voidaan rakentaa myös käyttäen ohuella muovikerroksella päällystettyjä johtimia. Tällaisissa PAS -johdoissa johtimet ovat selvästi lähempänä toisiaan kuin tavallisessa 20 kv avojohdossa 20 kilovoltin avojohto muodostuu kolmesta paljaasta metallisesta vaihejohtimesta, jotka ovat yleensä rinnakkain. Johtimet on kiinnitetty orressa oleviin eristimiin. Pylväät ovat useimmiten puuta. Johtoa käytetään pääasiassa jakeluverkkoyhtiöiden verkoissa taajamien ulkopuolella paikalliseen voimansiirtoon sähköasemien ja kuluttajamuuntajien välillä PAS -johto= Päällystetty Avojohto Suurjännitteelle PAS johto 44

45 Eristetyt avojohdot eli PAS-johdot Päällystettyjä keskijänniteverkkojen PAS-johtoja. a) SAX-johdin varusteineen (Nokia), b) SAMI-johdon suoran osan rakenne (Sekko). 1 tuki, 2 spacerin ripustin, 3 spacer. kapeammat johtokadut johtimien yhteenlyönti Þ ei häiriöitä kestää nojaavan puun useita vrk, ei kuitenkaan pysyvästi oikosulkuvalokaari ei pääse liikkumaan - johtimen poikkipalaminen? - pitimet valokaarielektrodeina johdinkatkeaman havaitseminen vaikeaa Mahdollisen vikatilanteen jälkeen PAS-johto tarkistettava johdinkatkeaman varalta!

46 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (1/3) 3-vaiheinen, 20 kv ei nollajohdinta silmukoitu, käytetään säteittäisenä erottimet, osassa kauko-ohjaus korvausmahdollisuudet vikatilanteissa maasta erotettu tai sammutettu (kompensoitu) suojaus releillä + katkaisijoilla tyypillinen siirtomatka km (Lapissa jopa 100 km) tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja 46

47 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (2/3) Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet mm 2 hinta k /km Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi johtokatu; usein kaksois- tai kolmoisjohtona % kalliimpi kuin vastaava avojohto 47

48 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (3/3) Maakaapelit täysi eristyskyky, muovieristys poikkipinnat mm 2 hinta k /km kaivuolosuhteista riippuen trendinä mm. Tanskassa ja Ruotsissa Keskijänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapeli Keskijänniteilmakaapeli 48

49 Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/20/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat mm2 Ilmakaapeli 49

50 Jakeluverkon rakenne Jakelumuuntamo 20 kv johdon ja muuntajan välissä yleensä erotin ylijännitesuoja tai suojakipinäväli Muuntamorakenne + muuntaja ilmajohdoissa pylväsmuuntamo, 1- tai 2-pylväsrakenne kaapeliverkoissa puisto- tai kiinteistömuuntamo Pienjännitekeskus pylväsmuuntamossa pylväsvarokekotelot puistomuuntamossa oikea keskus Muuntajan runko on suojamaadoitettu 50

51 Jakelumuuntamot Muuntajatyyppejä Pylväsmuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöttömiä Normaalit jakelumuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöllä varustettuja Väliottokytkimet ± 5 % kva kva Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat kva Palamattomia Hermeettiset jakelumuuntajat kva Öljyn ja ilman yhteys estetty, kosteus ei pääse muuntajaan Þ vanheneminen hidastuu 51

52 Jakelumuuntamot 20 / 0,4 kv pylväsmuuntamoita 52

53 Jakelumuuntamot Kanadasta, 3 x 1-vaihemuuntajan pylväsmuuntamo 53

54 Jakelumuuntamot Pohjoisamerikkalainen jakelumuuntaja KJ PJ 120 V 0 V PJ 120 V 54

55 Jakelumuuntamot Ring main unit (RMU) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 55

56 Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja kva) öljynkeräysastia betonijalusta 56

57 400/1000 voltin riippukierrejohto (AMKA) AMKA -johto on ns. riippukierrejohto, ja se muodostuu mustalla muovilla eristetyistä vaihejohtimista, jotka on kierretty kannatusköytenä toimivan paljaan metalliköyden ympärille. Johto on ripustettu puupylväisiin kiinnitettyjen kannattimien varaan Johtoa käytetään pääasiassa taajamien ulkopuolella jakeluverkoissa sekä katujen, teiden ja lenkkipolkujen tms. valaistusverkoissa. Johdon korkeus maasta on yleensä vähintään 4 metriä ja tiestä 5,5 metriä Vaihemerkinnät 57

58 Jakelumuuntamot 20 kv 20 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 58

59 Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 59