Sähköenergiatekniikka Luento 2 Sähköjärjestelmän peruskomponentit Matti Lehtonen
Sähkön kokonaiskulutus Suomessa TWh 120 Tilasto Ennuste 100 80 60 40 20 1930 40 50 60 70 80 90 2000 2010 2020 2030 Energiateollisuus 2008 0
Sähkön kulutushuiput 1970-20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 Tilasto Ennuste 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Energiateollisuus 2008
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
Sähkön kokonaiskulutus 2008 Teollisuus 53 % Häviöt 4 % Sähkölämmitys 10 % Palvelut 18 % Asuminen, maatalous 15 % Energiateollisuus 2008
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 - 110 kv johdot - syöttöasema (110/20 kv) Keskijännite- (välijännite-)jakelu - 20 kv johdot Pienjännitejakelu - 0,4 kv johdot ja kuluttajat
Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko vuonna 2008 Nordel 2008
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 2, SO 2 ja NO x Kokonaishyötysuhde paranee jos jäännäslämpö voidaan hyödyntää lämmitykseen ÞLauhdutin korvataan lämmönvaihtimella Þ vastapainevoimalaitos
Kombivoimalaitos
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
YDINVOIMALAITOKSET Painevesi- ja kiehutusvesireaktori
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???
Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin 14 000 km ja sähköasemia 100 15
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
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
400 kv eristinketju varusteineen. 1 eristin, 8 yläsuojasarvi, 9 alasuojasarvi, 13 suojakäämi, 15 kannatuspidike
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
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
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
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 = 3 230 cos 0 23W = 15,9kW I sin 0 v = 0 f I
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=45 2 2 S = P + Q = 11,2 kva = 230Ð0 = 14,1Ð 45 P = 3 U I cos f = 3 230 16,26 cos 45 = 7,9 kw Q = 3 U I sin f = 3 230 16,26 sin 45 = 7,9 kvar S = 3 U I = 3 230 16,26 = 11,2 kva Toinen tapa S = 7,9 + j7,9 kva Þ = = = * = 3 UvÐ0 IÐ45 = 3 UvI Ð45 = 3 230 16,26Ð45 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
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)
Tehonsiirto siirtojohdolla - Tehokulmayhtälö U1 U X 2 P = sin δ P P max 0º 90º 180º d stabiili alue Staattisen stabiilisuuden rajateho
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
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
Venttiilisuojat Metallioksidisuojan tyypillinen ominaiskäyrä (kuva a) ja venttiilisuojan rakenne (kuva b) 1 = metallioksidilieriö, 2 = päätyelektrodit, 3 = metallinen tukisylinteri, 4 = kuorimateriaali, 5 = metallinen välilevy. 28
Sähkönsiirtojärjestelmät 29
Sähkönsiirtojärjestelmät Eräs sähkönjakelujärjestelmä jossa on sekä 110/33kV kaupunkisyöttöjä että 110/11kV maaseutusyöttöjä. Lisäksi suurkuluttajille on omat 110kV linjat. 30
Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristeimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 31
Muuntajan toiminta N 1 N 2 f Kierrosjännite sama U 1, I 1 U 2, I 2 2 1 2 1 N N U U = Teho säilyy 1 2 1 2 2 1 1 1 2 2 N N U U I I U I 3 I U 3 S = = Þ = = Toision impedanssi Z 2 ensiöstä nähtynä? Z 2 2n 1n 2 1 2 2 2 1 1 2 2 2 1 2 1 1 ' 2 2 2 2 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 = = = =
Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 33
Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 34
Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 35
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
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
Kytkinlaitosten rakenne 38
Virtamuuntajat Virtamuuntajat Muuttaa päävirtapiirin virran mitattavaksi arvoksi tehonmittaukseen, suojaukseen jne. Mittasydämiä eri tarkoituksiin Nimellisarvot standardien mukaisia Ensiön standardisoidut nimellisarvot ovat: 10-12,5-15 - 20-25 - 30-40 - 50-60 - 75 A sekä näiden kymmenpotenssikerrannaiset ja osat. Toisiovirran standardiarvot ovat 1 A, 2 A ja 5 A 39
Jännitemuuntajat Päävirtapiirin jännite muunnetaan mitattavaksi jännitteeksi Käämit sekä suojaukseen että mittaukseen (avokolmio maasulkusuojaukseen) Nimellisarvot standardien mukaiset Kapasitiivinen jännitemuuntaja kantoaaltoyhteydessä 40
Jakeluverkon rakenne Perinteinen järjestelmä voimalaitos kantaverkko alueverkko jakeluverkko 41
Sähkönjakelun periaate 42
Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 20 kv Sähköasema 20 kv 20 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 43
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
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!
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 20 30 km (Lapissa jopa 100 km) tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja 46
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (2/3) Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet 25 201 mm 2 hinta 10 20 k /km Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi johtokatu; usein kaksois- tai kolmoisjohtona 20 30 % kalliimpi kuin vastaava avojohto 47
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (3/3) Maakaapelit täysi eristyskyky, muovieristys poikkipinnat 120 240 mm 2 hinta 30 50 k /km kaivuolosuhteista riippuen trendinä mm. Tanskassa ja Ruotsissa Keskijänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapeli Keskijänniteilmakaapeli 48
Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/20/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat 25 240 mm2 Ilmakaapeli 49
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
Jakelumuuntamot Muuntajatyyppejä Pylväsmuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöttömiä Normaalit jakelumuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöllä varustettuja Väliottokytkimet ± 5 % 16 100 kva 30 3150 kva Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat 315 2000 kva Palamattomia Hermeettiset jakelumuuntajat 50 1000 kva Öljyn ja ilman yhteys estetty, kosteus ei pääse muuntajaan Þ vanheneminen hidastuu 51
Jakelumuuntamot 20 / 0,4 kv pylväsmuuntamoita 52
Jakelumuuntamot Kanadasta, 3 x 1-vaihemuuntajan pylväsmuuntamo 53
Jakelumuuntamot Pohjoisamerikkalainen jakelumuuntaja KJ PJ 120 V 0 V PJ 120 V 54
Jakelumuuntamot Ring main unit (RMU) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 55
Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja 50 315 kva) öljynkeräysastia betonijalusta 56
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
Jakelumuuntamot 20 kv 20 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 58
Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 59