ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento 1, tausta-aineistoa: Johdatus kurssiin, kurssin sisältö, kertausta

ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento 1, tausta-aineistoa: Johdatus kurssiin, kurssin sisältö, kertausta Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla 3.9.2015 1

Kurssin kuvaus Kurssi: S-18.3200 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 (6 op) 24+36 (2+2) I-II Opettaja: Professori Liisa Haarla Laskuharjoitukset: Olli Mäkelä, Matti Koivisto, Jussi Ekström Tietokoneharjoitukset: Olli Mäkelä, Jussi Ekström Sisältö: Kurssi antaa perustiedot sähkönsiirtoverkoista ja niiden tärkeimmistä komponenteista. Kurssilla käsitellään jännitteen valintaa, siirtojohdon yhtälöitä, tehonjakolaskentaa, verkon vikoja ja häiriöitä, vikavirtoja ja symmetrisiä komponentteja, siirtoverkon suojausjärjestelmiä, staiiliutta, jännitteensäätöä, suurjännitteistä tasasähkövoimansiirtoa ja siirtorajojen määrittämistä. Suorittaminen: Välikokeet tai tentti ja harjoitustyöt Kirjallisuus: Elovaara & Haarla: Sähköverkot 1 ja 2, luentokalvot Esitiedot: ELEC-E8413 Power Systems tai vastaavat tiedot https://mycourses.aalto.fi/course/view.php?id5262&section2 2

Ajankäyttösuunnitelma Luennot 11 2 22 tuntia Ekskursio 4 tuntia Laskuharjoitukset 10 2 20 tuntia Kontaktiopetus yhteensä 46 tuntia Laskujen laskeminen 10 6 60 tuntia Harjoitustyöt 2 6 12 tuntia Itsenäinen työskentely yht. 72 tuntia Kertaus 10 tuntia Tentti 3 tuntia Yhteensä 133 tuntia / 5 op 3

Käytännön asioita Ilmoittautukaa WeOodissa Pakolliset harjoitustyöt: kaksi tietokoneharjoitusta. Harjoitukset tehdään 2 3 hengen ryhmätöinä, arvostellaan hyväksytty tai hylätty -periaatteella. 1. välikoe tiistaina 20.10.2015 2. välikoe ja tentti tiistaina 8.12.2014 klo 9 12 salissa salissa R004 (S3) Rästitentti maanantaina 11.1.2015 klo 16.30 19.30 4

Ekskursio Kurssin ekskursio todennäköisesti 10.11 klo 8 12 Tammiston sähköasemalle Vantaalle Lähtö klo 8.15 Otaniemestä Takaisin Otaniemessä klo 12.00 Ilmoittaumislistat ilmoitustaululle edellisellä viikolla Ekskursio ei ole pakollinen 5

Kurssin sisältö: Siirtoverkon tärkeimmät komponentit Jännitteen valinta, pätö- ja loistehon siirto Viat ja häiriöt, suojaus Staiilius Jännitteensäätö Tehonjako silmukoidussa verkossa Suurjännitteinen tasasähköyhteys Verkon siirtokapasiteetti, (N 1)-kriteeri 6

Kurssin tavoitteet Saada perustiedot siirtoverkoista ja sen tärkeimmistä komponenteista Oppia keskeiset siirtotekniikan käsitteet (staiilius, siirtokapasiteetti, järjestelmävastaava ) Oppia laskemaan siirtotekniikan laskuja käsin ja tietokoneohjelmilla Oppia oikeita termejä (siirtojohto, staiilius, häiriö, käyttövarmuus, siirtokapasiteetti, N 1 -kriteeri Materiaali: oppikirja: Elovaara & Haarla: Sähköverkot 1 ja 2, luentomateriaali 7

Missä tarvitaan siirtotekniikkaosaamista? Siirtoverkkoyhtiöissä (Suomessa Fingrid Oyj) Alue- ja jakeluverkkoyhtiöissä (Helen, Vantaan Energia, E-On, Elenia, Fortum ) Valmistavassa teollisuudessa (ABB, Siemens, Alstom Grid ) Sähköntuotantoyhtiöissä (Fortum, Kemijoki Oy, PVO, TVO ) Viranomaistoiminnassa (Energiavirasto, Työ- ja elinkeinoministeriö) Ulkomaisissa ja kotimaisissa järjestöissä (ENTSO-E, Energiateollisuus ry. ) Suunnittelu- ja urakointiyhtiöissä (Voimatel, Promapalvelut, Empower ) Yliopistoissa, ammattikorkeakouluissa 8

Kertausta, itseopiskeluun Mikä on siirtoverkko? Kertausta: sähkötekniikan perusasioita, osoitinlaskentaa Lisäksi mukava tietää -asioita: ENTSO-E, TSO Järjestelmävastuu Kertausta ja johdantoa: Elovaara & Haarlan: Sähköverkot 1, luvut 1.4, 1.5, 1.7 1.9, 3.1, 9.4 ja 10. 9

Pohjoismaisen voimajärjestelmän tilanne reaaliajassa http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila/sivut/default.aspx Vastaavia kuvia muista Pohjoismaista: http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila/sivut/pohjoismainen-voimajarjestelman-tila.aspx http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila/sivut/pohjoismainen-voimajarjestelman-tila.aspx http://www.energinet.dk/flash/forside/index.html http://www.landsnet.is/raforkukerfid/kerfisstjornun/aflflutningurnuna/ 10

Mikä siirtoverkko on? Siirtoverkko: suuri jännite, suuret tehot. Miksi ei suuri virta ja pieni jännite? (vrt. iso turogeneraattori: suuri virta, suuri teho) Yleensä silmukoitu verkko, joissakin maissa pitkät etäisyydet.. Nyrkkisääntö: silmukoitu verkko on siirtoverkkoa. Siirtoverkko on voimalaitosten ja alueverkkojen välissä. Kuormat liittyvät yleensä alueelliseen verkkoon, mutta suuret kuormat voivat liittyä suoraan siirtoverkkoon Siirtokykyä rajoittavat staiilius (pitkät johdot, suuri reaktanssi) tai komponenttien lämpeneminen (lyhyet johdot, sarjakompensoidut johdot, pieni reaktanssi) ja käyttövarmuusvaatimukset 11

Sähkömarkkinalaki 588/2013 Laki 588/2013: http://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/2013/20130588 Sähköverkkotoimintaa saa harjoittaa Suomessa sijaitsevassa sähköverkossa vain Energiamarkkinaviraston myöntämällä luvalla (sähköverkkolupa). Energiamarkkinavirasto määrää sähköverkkoluvassa yhden kantaverkonhaltijan järjestelmävastaavaksi kantaverkonhaltijaksi Kantaverkkoa ovat: 1) nimellisjännitteeltään vähintään 110 kilovoltin sähköjohdoista, sähköasemista ja muista laitteistoista koostuva valtakunnallinen yhtenäinen sähkön siirtoverkko; 2) kantaverkonhaltijan hallinnassa oleva, nimellisjännitteeltään vähintään 110 kilovoltin rajayhdysjohto. 12

13 IMATRA PUHOS UIMAHARJU LIEKSA KONTIOLAHTI VARKAUS YLLIKKÄLÄ HUUTOKOSKI ALAPITKÄ JUVA SEITENOIKEA PYHÄKOSKI NUOJUA PIKKARALA VUOLIJOKI PYHÄNSELKÄ UTANEN UTSJOKI IVALO KEMINMAA VAJUKOSKI PIRTTIKOSKI PETÄJÄSKOSKI KOKKOSNIVA VALAJASKOSKI OSSAUSKOSKI TAIVALKOSKI SELLEE TOIVILA JÄMSÄ VIHTAVUORI VISULAHTI LÄNSISALMI HIKIÄ TAMMISTO KORIA LOVIISA ANTTILA NURMIJÄRVI KYMI UUSNIVALA LEVÄSUO KALAJOKI KANGASALA LIETO OLKILUOTO INKOO FORSSA RAUMA HYVINKÄÄ ESPOO VIRKKALA ULVILA ALAJÄRVI MERI-PORI SEINÄJOKI TUOVILA PETÄJÄVESI VENTUSNEVA KRISTIINA https://www.entsoe.eu/index.php?id77

Komponentit Generaattori: muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi Generaattorimuuntaja (lock transformer) nostaa generaattorijännitteen siirtoverkon jännitteeksi Siirtoverkko (transmission grid) siirtää sähkön alueverkkoon ja suurille kuluttajille Siirtoverkon jännitteitä Suomessa: 110kV, 220 kv, 400 kv (muualla myös muita jännitteitä: esim. 345 kv, 500 kv, 765 kv) 14

Miksi suuret jännitteet? Suuri teho vaatii suuren jännitteen tai/ja suuren virran. Jos 850 MVA:n generaattorin pääjännite on 20 kv, on virta nimellisteholla noin 25 ka. Virran siirtämiseen tarvitaan paksut kiskot, jotta virtalämpöhäviöt eivät sulata kiskoja. Ei ole mielekästä rakentaa pitkiä siirtojohtoja paksuilla kiskoilla, vaan käyttää johdoissa isoa jännitettä ja pienempää virtaa 400 kv:n siirtojohdoilla sama teho siirretään siten, että virta on noin 1220 A 15

Kertausta: vaihe- ja osoitinsuureet u( t) 2U cos( wt) uˆ cos( wt) Û U UÐ0 Ue j0 i( t) 2I cos( wt -f) iˆcos( wt -f) Û I IÐ -f Ie - jf Sinimuotoisia suureita käsitellään osoittimilla. Osoitinlaskenta on laskentaa kompleksiluvuilla: x + x - jy jy z e z e jf -jf imaginaariakseli U UÐ0 -f I IÐ -f positiiviset kulmat, kiertosuunta reaaliakseli ks. Mohane s. 2-2 16

U UÐ0 I + S - IÐ -f Kertausta: impedanssi R jwl æ 1 - jç è w C jx ö ø L -jx C Impedanssikolmio jx c Z R jx L ZR + jx L jx C Z 2 æ 1 ö R + çwl - ø è wc 2 é 1 ê wl - - f tan 1 wc ê ê R ë ù ú ú ú û Z Z Ðf 17

Kertausta: laske piirin impedanssi ja piirrä impedanssikolmio, f 50 Hz Z X j0,1 Ohm Z C j5,0 Ohm R 2,0 Ohm 18

Ratkaisu Z X j0,1 Ohm Z C j5,0 Ohm R 2,0 Ohm Z j0,1 + 2 (-5j) 2-5j 0,1j + -10j 5,38Ð - 68,2 o 0,1j -1.86Ð21,8 o 0,1j -1,73-0,69j -1,73-0,59j 1,82Ð -18,9 o 19

Kertausta: teho, loisteho, tehokerroin 1-vaihejärjestelmä, virta ja jännite ovat samassa vaiheessa: p( t) u( t) i( t) 2U cos( wt) 2I cos( wt) 2UI cos 2 ( wt) UI + UI cos 2wt p(t) u(t) i(t) 20

Kertausta: teho, loisteho, tehokerroin 1-vaihejärjestelmä, virta ja jännite eivät ole samassa vaiheessa p( t) u( t) i( t) 2U cos( wt) 2I cos( wt -f) 2UI cos( wt) + UI cos(2wt -f) p(t) t u(t) i(t) 21

Pätö- ja loisteho Pätöteho tekee hyödyllistä työtä Yleensä loistehon halutaan olevan mahdollisimman pieni 22

Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä Vaihejännitteet U A,U B ja U C U A U B U C U C 120 120 U A 120 120 120 U B aikataso Osoittimet Kiertosuunta vastapäivään 23

Pää- ja vaihejännite Pääjännitteet U AB, U BC ja U CA U A U CA U AB A B U A U CA U AB U A U B U C 120 120 U B U BC U B C U B U A U BC U B U C U C U C Vaihejännitteet U A, U B ja U C 24

Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä Symmetrisessä tilassa olevassa 3-vaihejärjestelmässä virtojen ja jännitteiden hetkellisarvojen summa on nolla ja vektoreiden summa on nolla Symmetrisiä verkkoja voidaan laskea 1-vaihesijaiskytkennän avulla (esim. tehonjako (power flow, load flow) Nollavirtaa esiintyy, kun vaihevirtojen summa ei ole nolla. Näin on esimerkiksi maasulkujen aikana, epäsymmetrisillä kuormilla, vuorottelemattomilla johdoilla U c c U a i o u I U a I c o 0 0 a u I n i a a U + i a + u + I + i + U c + u + I I a I 0 U 0 c c + U 0 0 c 0 A Z kuorma N C B I 25

1-vaihesijaiskytkentä a I a A a I a A U c c U a I c U I 0 Z kuorma C B Û c U a Z kuorma n N n N U c U I c I I C B Symmetrinen 3-v. järjestelmä: N- ja n-piste ovat samassa potentiaalissa. Siispä tähtipisteet voidaan yhdistää, eivätkä piirin virrat, jännitteet tai tehot muutu. Tästä seuraa, että symmetrisiä ilmiöitä voidaan laskea 1-vaihesijaiskytkennällä. Symmetrisiä asioita: tehonjako, 3-vaiheinen oikosulku. 26

a I a A a I a A U a I 0 Z kuorma Û n N n N U a Z kuorma U c c I c U C I B U c c I c U C I B U cn I Tehdään 1-vaihesijaiskytkentä f U an U an a + I a A I c U n I a n - N Osoitindiagrammit 27

Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä Tehojen ja virran itseisarvot: S P Q I 3 UI U 3 Z 3U v v 3 UI cosf 3 UI sinf U Z I 3U 3U v v I cosf I sinf S 3 U S U v v 3P 3Q v v Muista: cosf pätöteholle Muista sinf loisteholle Kulma φ on jännitteen ja virran välinen vaihesiirtokulma, siis φ u φ i Tavallisesti induktanssin kuluttama loisteho on positiivinen ja kondensaattorin ottama loisteho negatiivinen. Siirtotekniikassa jännitteellä tarkoitetaan normaalisti pääjännitettä, ellei toisin ilmoiteta esim. alaindeksillä v. Koko järjestelmän teho on kolme kertaa vaiheteho. Kun lasket pääjännitteillä, muista yhtälöissä oleva 3! 28

Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä Tehon ja virran osoitinsuureet: S I 3 Z * 3 U I P + jq 3 U I cosj + j 3 U I sinj U U Z v 3 S U S U v v Kulma φ on jännitteen ja virran välinen vaihesiirtokulma, siis φ u φ i Näennäistehon yhtälö induktiiviselle johdolle on esitetty Elovaaran ja Haarlan Sähköverkot 1 -kirjan sivulta 219 29

Esimerkki: 1-vaiheinen vika: tähtipisteessä kulkee virtaa G1 irti verkosta x 0T1 x 0T2 x 0G1 YNd11 Yd11 x 0G2 x NG1 G1 G2 x NG2 G1 i ag1 0 0,7j/ 3 i cg1 0 a c U a 0,7j/ 3 i 0T1 / 3 0,7j/ 3 A C U A B i Avas j0,7 i Bvas 0,7j i Cvas 0,7j i Aoik j1,4 i Coik 0,7j i Boik 0,7j C A B a i 0 0 c i ag2 1,2j 0 0 0 G2 i G1 0 i F 3i 0T1 3 0,7j i F 3i 0 2,1j i cg2 1,2j 30

Suhteellisarvot Valitse perusteho S (100 MVA, 1000 MVA, laitteen nimellisteho ) Valitse perusjännitteeksi pääjännite U jokaisesta jännitetasosta, jota tarvitset (esim. 400 kv, 110 kv, 220 kv, 20 kv ) Laske perusvirta ja perusimpedanssi erikseen jokaiselle jännitetasolle Suhteellisarvot saadaan kun fysikaalinen arvo jaetaan perusarvolla On muitakin tapoja määritellä suhteellisarvot. Jos perusjännitteeksi valitaan vaihejännite, yhtälöt muodostuvat erilaisiksi S I Z, U S U 3 3 valittu U 3 I S 3U 3 U S 3U U 3 Z U S 2 31

3-vaihejärjestelmä suhteellisarvoilla Muistisääntö: suhteellisarvoilla (per unit, pu, p.u.) laskettaessa ei tarvita kolmosen neliöjuurta, kun perusjännitteeksi on valittu pääjännite! Harjoitus: osoita, että laskettaessa teho suhteellisarvoilla, ei tehon yhtälössä tarvitse kertoa 3:lla s p * u s ui i z u ui cosf q uisinf u p U U i ui cosf? I I 32

33 p S P S U I S U I U U I I U U ui p cos 3 cos 3 cos cos f f f f Teho suhteellisarvolla: Sijoitetaan U S U S I 3 3 3

Kertausta: pätöteho suurjännitejohdolla P P 1 P1 2 U U 1 X 2 sind d d 1 -d 2 P2 X U 1 exp(jd 1 ) U 2 exp(jd 2 ) U 1 Muistisääntöjä: teho siirtyy suuremmasta kulmasta pienempään ja loisteho siirtyy suuremmasta jännitteestä pienempään. I S d f U 2 jxi 34

Voimajärjestelmän tila Voimajärjestelmän tila Lähde: http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman_tila/ 35

Sähkötilastoja Suomesta ja Euroopasta http://energia.fi/tilastot-jajulkaisut/sahkotilastot http://epp.eurostat.ec.europa.eu/tgm/mapto olclosed.do?tamap&init1&plugin0&lan guageen&pcodeten00087&tooloxtypes 36

Pohjoismaissa Lähde: http://www.nordregio.se/maps--graphs/05- Environment-and-energy/Generation-of-electricity-inthe-Nordic-Countries/ 37

Ruotsin ja Suomen välinen sähkönsiirto http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/rajakapasiteetit/sivut/ruotsi1.aspx http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/rajakapasiteetit/sivut/ruotsi3.aspx Venäjän ja Suomen välinen sähkönsiirto http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/rajakapasiteetit/sivut/ven%c3%a4j%c3%a4-400-kv.aspx Viron ja Suomen välinen sähkönsiirto http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/rajakapasiteetit/sivut/viro.aspx Mitattu siirto: Mitattu sähköenergian siirto Fingridin 400 kv:n ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kautta Venäjältä Suomeen. Kaupallinen siirto: Suunniteltu kaupallinen tuontiohjelma Venäjältä Suomeen. Sisältää Fingridin 400 kv:n ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kautta siirrettävän sähkön. Siirtokapasiteetti: Suunniteltu siirtokapasiteetti sisältää Fingridin 400 kv:n yhteydet ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kapasiteettia 160 MW. Elspot kapasiteetti: Fingridin vahvistama kapasiteetti Elspot-markkinalle 38

European Network of Transmission System Operators ENTSO-E ENTSO-E on kantaverkkoyhtiöiden eurooppalainen yhteistyöjärjestö, joka perustettiin vuonna 2009. European Network of Transmission System Operators - Electricity http://www.entsoe.eu/ https://www.entsoe.eu/fileadmin/template/ot her/images/map_entsoe.png 39

ENTSO-E: alueelliset ryhmät verkon käyttötoimintaan Käyttöryhmät: RG Regional Group https://www.entsoe.eu/aout-entso-e/system-operations/regional-groups/pages/default.aspx 40

ENTSO-E: alueelliset ryhmät verkon suunnitteluun Suomi kuuluu alueeseen: Baltic Sea https://www.entsoe.eu/aout-entso-e/system-development/system-development-team/pages/default.aspx 41

Split of the unit transmission tariffs etween components related to TSO activities and other regulatory charges Euro / MWh Suomi Costs related to TSO activities: infrastructure (capital and all operation charges), losses, system services, congestion. Other regulatory charges not directly related to TSO activities: stranded costs, pulic interest contriution, renewale energy and other. Detailed in appendix 5. 42 https://www.entsoe.eu/pulications/market-reports/documents/synthesis_2014_final_140703.pdf#searchtariff%20synthesis sivu 10

Järjestelmävastaavat kantaverkkoorganisaatiot pohjoismaissa Suomi: Fingrid Oyj http://www.fingrid.fi/ Ruotsi: Svenska Kraftnät www.svk.se Norja: Statnett http://www.statnett.no/ Tanska: Energinet.dk http://www.energinet.dk/ Islanti: Landsnet http://www.landsnet.is/ 43

Regulaattorit eli valvovat viranomaiset Energiavirasto (EMV) Suomessa Energiavirasto valvoo ja edistää energiamarkkinoita, päästöjen vähentämistä, energiatehokkuutta sekä uusiutuvan energian käyttöä. Virasto on aktiivinen markkinoiden edistäjä, joka toimii avoimesti, tasapuolisesti, arvostavasti ja reilusti yhteistyössä sidosryhmiensä kanssa etsiessään aktiivisesti kestäviä ratkaisuja. Omalla vastuualueellaan se on älykkään energian asiantuntija, joka hallitsee niin uusiutuvan energian kuin energiatehokkuuden ja varmuudenkin teemat. Energiavirasto on kansainvälisesti arvostettu kehittäjä ja kumppani. Energiavirasto on riippumaton ja vastuullinen toiminnan luotettavuus kumpuaa vahvasta osaamisesta. Se katsoo asioita neutraalisti, laajasta näkökulmasta. Näkemyksellisyyttä se kehittää yhteiskunnan hyväksi. https://www.energiavirasto.fi/ ERGEG: Euroopassa European Regulators' Group for Electricity and Gas https://www.energiavirasto.fi/ http://www.energy-regulators.eu/portal/page/portal/eer_home 44

Lähteitä ja muuta luettavaa Elovaara, Haarla: Sähköverkot 1 ja 2. Otatieto Ned Mohan: First course on power systems, MNPere 2006, ISBN 0-9715292-7-2 Martti Paavola: Sähköjohdot, WSOY Porvoo 1975, ISBN 951-0-06635-4, 319 s. www.fingrid.fi http://www.entsoe.eu/ www.energia.fi 45