Sähköenergiatekniikka Luento Sähköjärjestelmän peruskomponentit Matti Lehtonen
5..018 Sähkön kokonaiskäyttö 85,5 TWh vuonna 017 (+0,4 %)
Sähkön käyttöhuiput suurin sähköteho megawattia (MW) 5..018 7.1.016 15177 MW
Sähkön tuotanto Suomessa ja tuonti 017 (85,5 TWh) 5..018
5..018 Sähkön kokonaiskäyttö 017 (85,5 TWh)
Siirto- ja jakeluverkoston periaatekaavio Voimalaitos - generaattori (10,5 kv, 0 kv) - generaattorimuuntaja (0/400 kv) Kaukovoimansiirto - tehovälimuuntaja (400/0 kv) - 400, 0 (ja 110) kv johdot - kytkinasema (0 kv) - muuntoasema (400/0 kv) Suurjännitejakelu - 110 kv johdot - syöttöasema (110/0 kv) Keskijännite- (välijännite-)jakelu - 0 kv johdot Pienjännitejakelu - 0,4 kv johdot ja kuluttajat
Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko vuonna Nordel
Voimalaitosten ominaisuudet ja tuotantokustannukset Lauhdevoimalaitos (fossiilinen polttoaine) Lauhdevoimalaitos (painevesireaktori) Vastapainelaitos Kaasuturbiinilaitos
PERINTEINEN HÖYRYVOIMALAITOS
Höyryvoimalaitosten ominaisuuksia Polttoaineena kivihiili, öljy tai turve Hyötysuhde parhaimmillaan 40% Perus- tai välikuormalaitoksia Suuri ympäristörasitus: CO, SO ja NO x Kokonaishyötysuhde paranee jos jäännäslämpö voidaan hyödyntää lämmitykseen Lauhdutin korvataan lämmönvaihtimella vastapainevoimalaitos
Kombivoimalaitos
Kombivoimalaitosten ominaisuuksia Yksi generaattori kaasuturbiinin perässä, toinen höyryrurbiinin Kaasuturbiinin hukkalämpö hyödynnetään höyryn tuotannossa SO ja NOx emissiot paremmin hallinnassa kuin perinteisissä voimalaitoksissa Vastapainekäytössä terminen hyötysuhde on erittäin hyvä. Sähkön ja lämmön suhde noin 50/50
YDINVOIMALAITOKSET Painevesi- ja kiehutusvesireaktori
YDINVOIMALAITOSTEN OMINAISKSIA Reaktoria lukuunottamatta perinteisiä höyryvoimalaitoksia Kalliit investoinnit & halpa polttoaine => peruskuormalaitoksia Ei emissioita: CO, SO, tai NO x Käytetyn polttoaineen jälkikäsittely ja loppusijoitus Nykyiset laitokset perustuvat -35:n fissioon (0,7% luonnonuraanista 35:ttä) Hyötöreaktori: -38 muunnetaan plutoniumiksi Fuusioenergia: D+T= He+n tai D+D=T+H tai D+D=He+n
Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin 14 000 km ja sähköasemia 100 15
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 190-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. 16
Avojohdot a) ja b) 0 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
Avojohtojen eristimiä. a) eristin SH-4, b) lautaseristin, c) sauvaeristin, d) moniaine-eristin, e) moniaine-eristimen leikkaus: 1 lasikuituvahvisteinen sauva, silikonikumipinnoite, 3 silikonikumilaipat, 4 kemiallinen sidos, 5 vulkanointi, 6 silikonipolymeerikittaus, 7 päätekappa, 8 kiila. Eristinketjun kapasitanssit
400 kv eristinketju varusteineen. 1 eristin, 8 yläsuojasarvi, 9 alasuojasarvi, 13 suojakäämi, 15 kannatuspidike
a) S = 3 v I = 3 p I P = S cos Q = S sin S = P + Q S = P + jq Tehot kolmivaihejärjestelmässä 30 V R 10 Resistanssi R RI I 3 A P 3 v 3 30cos0 3W 15,9kW Q 3 I I cos v I sin 0 0 cos φ = P/S = tehokerroin P = pätöteho W Q = loisteho var S = näennäisteho VA I
c) 10 30 V v 10 Tehot kolmivaihejärjestelmässä (jatkoa) Z R jx 10 j10 14,1 45 ZI Z 16,6 45A S P Q 11, kva I 300 14,1 45 P 3 vi cos 3 30 16,6 cos 45 7,9 kw Q 3 vi sin 3 30 16,6 sin 45 7,9 kvar S 3 I 3 30 16,6 11, kva Toinen tapa S 7,9 j7,9 kva 3 v0 I45 3 vi 45 3 30 16,645 VA S S 3 v I 3 v I 3 p I 11, 45 kva Voimaverkoissa lasketaan tavallisesti pääjännittellä I p 3 vi 0 I I - I I X= Reaktanssi (ind) I Kapasitanssi I L X= jl 1 jc C = -j 1 C
I a Z I b Johdot Z/ Z/ a b Y/ Y/ Y T Z = (r + jl) s Y= (g + jc) s s = pituus r = resistanssi / s l = induktanssi / s g = konduktanssi / s c = kapasitanssi / s Suurjännitteisillä johdoilla reaktanssi X=ωL dominoi pitkittäisimpedanssia ja suskeptanssi B=ωC dominoi poikittaisadmittanssia
Tehonsiirto siirtojohdolla - Tehokulmayhtälö P 1 X P sin δ 1=alkupään jännite =loppupään jännite 1, välinen kulma=δ X = johdon reaktanssi P max 0º 90º 180º stabiili alue Staattisen stabiilisuuden rajateho
Tehonsiirto siirtojohdolla - esimerkki 1 X P sin δ
Johtojen siirtokapasiteetti Tehokulma rajoittaa tehonsiirtokykyä pitkillä suurjännitteisillä siirtojohdoilla Lyhyillä johdoilla ja jakeluverkoissa siirtokyvyn määrää joko terminen kuormitettavuus (= maksimi virta) tai johdon resistanssissa ja reaktanssissa tapahtuva jännitteenalenema (max Δ)
Esimerkki: kaapelin siirtokyky
Esimerkki keskijännitteisen avojohdon siirtokyky
Sähkönjakelun periaate 8
Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristeimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 9
Muuntajan toiminta N 1 N Kierrosjännite sama 1, I 1, I 1 1 N N Teho säilyy 1 1 1 1 1 N N I I I 3 I 3 S Toision impedanssi Z ensiöstä nähtynä? Z n 1n 1 1 1 1 1 1 ' N N merkitään tavallisesti Z N N N N I N N I Z ensiössä I Z toisiossa
Esimerkki: Oikosulkuvirta sähköaseman kiskossa X k X T S k = 1000 MVA verkon oikosulkuteho E ~ I k 110 0 kv k = 10% Muuntajan impedanssi(%) ja Nimellisteho S N = 0 MVA X X k T S u 1 k k S N 110 1000 1,1 0 0,1 0 Xk on siirtoverkon reaktanssi (110 kv) (0 kv) XT on muuntajan oikosulkureaktanssi Koska nämä on määritelty eri jännitteelle redusoidaan muuntajan toiselle puolelle 0 kv I 110 kv I k k 1 tarkistus : I k tasossa 3 X k X tasossa 1 3 Xk X n I 1 k 1n T T 0 110 E E 3 3 1 3 4,81kA 0 110 3 1,1 0 kv 110 kv 1,1 110 0 0,875 ka 4,81 ka 0,875 ka
Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 3
Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 33
Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 34
Sähköaseman kaaviot 13kV -KK järjestelmä 1. kokoojakisko(kk) I. KK II 3. KK-erottimet 4. Katkaisija 5. Virtamuuntaja 6. Jännitemuuntaja 7. Linjaerotin 8. Ylijännitesuoja T kenttäleveys (m) 35
Ylijännitesuojat Ylijännitesuojat (kipinäväli tai metallioksidisuoja) Rajoitetaan laitoksen mitoituksen ylittävät jännitteet Käyttö: tehomuuntajat, kaapelipäätteet, generaattorit Ilmaeristeisen ja kiinteällä eristyksellä eristetyn komponentin rajapinnassa Suojelee kiinteää eristystä läpilyönniltä a) yksivälisuojia, b) lintuestein varustettu kaksivälisuoja. 36
Venttiilisuojat Metallioksidisuojan tyypillinen ominaiskäyrä (kuva a) ja venttiilisuojan rakenne (kuva b) 1 = metallioksidilieriö, = päätyelektrodit, 3 = metallinen tukisylinteri, 4 = kuorimateriaali, 5 = metallinen välilevy. Venttiilisuoja siirtyy ylijännitteellä johtavaksi ja siirtää ylijännitepulssin maahan Suoja palautuu ylijännitteen mentyä ohi takaisin eristävään tilaan Venttiilisuoja toimii vain lyhytaikaisilla ylijännitteillä (salamat) 37
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (1/3) 3-vaiheinen, 0 kv ei nollajohdinta silmukoitu, käytetään säteittäisenä erottimet, osassa kauko-ohjaus korvausmahdollisuudet vikatilanteissa maasta erotettu tai sammutettu (kompensoitu) suojaus releillä + katkaisijoilla tyypillinen siirtomatka 0 30 km (Lapissa jopa 100 km) tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja 38
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (/3) Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet 5 01 mm hinta 10 0 k /km Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi johtokatu; usein kaksois- tai kolmoisjohtona 0 30 % kalliimpi kuin vastaava avojohto 39
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (3/3) Maakaapelit täysi eristyskyky, muovieristys poikkipinnat 10 40 mm hinta 30 50 k /km kaivuolosuhteista riippuen trendinä mm. Tanskassa ja Ruotsissa Keskijänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapeli Keskijänniteilmakaapeli 40
Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/0/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat 5 40 mm Ilmakaapeli 41
Jakeluverkon rakenne Jakelumuuntamo 0 kv johdon ja muuntajan välissä yleensä erotin ylijännitesuoja tai suojakipinäväli Muuntamorakenne + muuntaja ilmajohdoissa pylväsmuuntamo, 1- tai -pylväsrakenne kaapeliverkoissa puisto- tai kiinteistömuuntamo Pienjännitekeskus pylväsmuuntamossa pylväsvarokekotelot puistomuuntamossa oikea keskus Muuntajan runko on suojamaadoitettu 4
Jakelumuuntamot Muuntajatyyppejä Pylväsmuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöttömiä Normaalit jakelumuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöllä varustettuja Väliottokytkimet ± 5 % 16 100 kva 30 3150 kva Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat 315 000 kva Palamattomia Hermeettiset jakelumuuntajat 50 1000 kva Öljyn ja ilman yhteys estetty, kosteus ei pääse muuntajaan vanheneminen hidastuu 43
Jakelumuuntamot Ring main unit (RM) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 44
Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja 50 315 kva) öljynkeräysastia betonijalusta 45
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. Kannatusköysi toimii samalla nolla- ja maadoitusjohtimena (PEN-johdin). 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 46
Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 0 kv Sähköasema 0 kv 0 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 47
Jakelumuuntamot 0 kv 0 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 48
Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 49