Jamkiin rakentuu sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI- ja koulutusympäristö

Sähköverkot Suomessa

Jotta sähköenergiaa voidaan hyödyntää, se pitää siirtää tuotantolaitoksista kulutuskohteisiin. Tuotantolaitoksia ovat perinteiset voimalaitokset sekä sähköverkkoon liitetyt hajautetun energiantuotannnon laitteistot – esimerkiksi aurinkosähköjärjestelmät tai tuulivoimalat. Lisäksi sähköenergiaa tuodaan (ostetaan) tarvittaessa naapurimaista tai siirretään (myydään) ylimääräinen tuotanto niiden sähköverkkoon. Kulutuskohteita ovat kotitaloudet, julkiset kiinteistöt, toimitilat, kauppakeskukset, teollisuuslaitokset – ihan kaikki paikat, joissa sähköä käytetään.

Suomessa sähköenergiaa siirretään karkeasti jaoteltuna kolmella tasolla: Fingridin hallinnoimassa kantaverkossa, paikallisten alue- tai jakeluverkkoyhtiöiden omistamissa alueverkoissa sekä jakeluverkkoyhtiöiden omistamissa jakeluverkoissa. Kaikki kolme verkkotasoa sisältävät voimajohtojen (sähkölinjat) solmukohdissa olevia sähköasemia, joissa jännitetasoa voidaan muuntaa ja sähkön siirto jakaa eri johdoille, jotka liittävät jonkin tietyn kohteen tai alueen sähköverkkoon. Sähköasemilla on muuntajien, kytkinlaitteiden, kojeistojen ja kompensointilaitteistojen lisäksi erilaisia suojalaitteita ja näiden muodostamia järjestelmiä. Suojalaitteiden avulla havaitaan automaattisesti sähköverkon häiriötilanteet ja rajataan häiriön vaikutusalue mahdollisimman pieneksi.

Kantaverkko on koko Suomen kattava runkoverkko. Kantaverkossa etäisyydet ja siirrettävä sähköteho ovat suuria, joten myös verkon jännite on siirtohäviöiden minimoimiseksi suuri: 400 kV, 220 kV tai 110 kV. Suurimmat voimalaitokset syöttävät tehonsa kantaverkkoon, josta se jaetaan edelleen kaikkialle Suomeen ja ylituotantotilanteissa naapurimaihin. Myös suurimmat tehtaat liittyvät suoraan kantaverkkoon.

Alueverkkoja ovat suurjännitteisten (110 kV) voimalinjojen muodostamat kokonaisuudet, jotka eivät kuulu Fingridin hallinnoimaan kantaverkkoon. Alueverkot ovat erillisten alueverkkoyhtiöiden tai jakeluverkkoyhtiöiden omistamia ja niissä siirretään sähköenergiaa 110 kV jännitetasolla kantaverkon ja keskijännitteisen jakeluverkon välillä. Suuret teollisuustoimijat omistavat osan isojen tehtaiden ja kanta- tai alueverkon välisistä 110 kV siirtoyhteyksistä.

Jakeluverkot ovat jakeluverkkoyhtiöiden omistamia alle 110 kV sähköverkkoja. Jakeluverkoissa käytetään tyypillisesti 20 kV keskijännitettä ja 400V pienjännitettä. Jakeluverkot liittyvät kanta- tai alueverkkoon sähköasemilla, joissa suurjännite muunnetaan keskijännitteisissä jakeluverkoissa käytettävälle 20 kV tasolle. Keskijänniteverkoissa sähköenergia siirretään edelleen lähelle kulutuskohteita ja lopulta muunnetaan jännitetaso jakelumuuntajalla kotitalouksille ja muille tavallisille sähkönkäyttäjille sopivaksi pienjännitteeksi, eli pääjännitteeltään 400 V suuruiseksi vaihtojännitteeksi (vaihejännite 230 V). Kiinteistöt, joissa tarvitaan tavanomaisia asuinkiinteistöjä suurempaa sähkötehoa (esimerkiksi kampukset, kauppakeskukset, teollisuslaitokset, yms.), sisältävät yleensä oman 20 kV / 400 V -jakelumuuntajan, jolla ne liittyvät suoraan keskijänniteverkkoon.

Häiriötilanteet ja suojalaitteet

Sähkönjakelussa syntyy toisinaan häiriötilanteita, vaikka niihin onkin varauduttu mahdollisimman hyvin. Laadukkaimmatkin laitteet tai komponentit voivat vikaantua ja voimakkaat luonnonilmiöt vaikuttavat väistämättä myös sähkönjakelujärjestelmään. Salamoinnin estäminen on haastavaa. Myös inhimilliset virheet tai sabotaasi voivat aiheuttaa häiriötilanteita.

Häiriötilanteet näkyvät sähkönkäyttäjille sähkökatkoina. Häiriötilanteissa sähköasemille sijoitetut suojalaitteet toimivat automaattisesti ja katkaisevat sähkön johtolähdöstä, jossa häiriö havaitaan (esim. yksittäisestä kaupunginosasta). Sähköverkon suojalaitteiden ja niiden muodostamien järjestelmien tehtävänä on suojella sähkönjakeluverkostoa (kaapelit, komponentit ja laitteistot) ja osaltaan varmistaa mahdollisimman turvallinen sähkönjakelu myös henkilöturvallisuuden kannalta.

Vahinkojen minimoimiseksi suojalaitteen tai suojausjärjestelmän toiminnan tulee olla nopea, herkkä ja varmatoiminen. Toisaalta turhia suojaustoimintojakaan ei saisi tapahtua, sillä sähkökatkot aiheuttavat taloudellista vahinkoa, inhimillistä haittaa ja jopa vaaratilanteita riippumatta siitä, johtuvatko ne todellisesta viasta vai ”väärästä laukaisusta”. Esimerkiksi kaupunkiympäristössä päämuuntajan verkosta irtoamisen kustannukset voivat olla suuruusluokaltaan yli 400 000 € tunnissa. Suomen kantaverkossa tapahtuva vakava suurhäiriö aiheuttaisi puolestaan arvioiden mukaan jopa 100 M€ kustannukset tunnissa. Sähkönjakelun häiriöt voivat aiheuttaa laajuudestaan ja kestostaan riippuen monenlaisia odottamattomiakin seurauksia sekä yhteiskunnan että yksilön kannalta. Syntyneen häiriön vaikutusalueen nopea rajaaminen ja syyn selvittäminen on siis ensisijaisen tärkeää.

Sähköverkon suojausjärjestelmien ja yksittäisten suojalaitteiden toimintaa testataan kaikilla verkkotasoilla (kanta- alue- ja jakeluverkko) säännöllisesti ja systemaattisesti erityisesti tähän tarkoitukseen kehitetyillä koestuslaitteilla. Koestuslaitteet simuloivat sähköverkon häiriötilanteita ja taltioivat sen, kuinka koestettava suojausjärjestelmä reagoi simuloituun vikaan. Hyvin suunniteltu ja toteutettu koestaminen varmistaa osaltaan sähköverkon suojausjärjestelmien luotettavan toiminnan.

KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö

Jyväskylän ammattikorkeakoulussa käynnistettiin kesällä 2021 sähköverkon suojauksiin ja suojausten koestamiseen keskittyvä KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö -hanke. KOESTUS-hankkeessa JAMKiin perustetaan TKI-ympäristö, jossa pystytään tutkimaan ja testaamaan sähköverkkojen suojauksissa käytettäviä suojalaitteita ja uusia suojausfunktioita, kehittämään koestustoimintaa, kehittämään häiriötilanteisiin liittyviä data-analytiikkaratkaisuja sekä vastamaan aihealueeseen liittyvään osaajavajeeseen. Aiheen merkitys korostuu jakeluverkkojen maakaapeloinnin, hajautetun sähköntuotannon ja sähköverkon älykkyyden lisääntyessä. Näiden seurauksena sähköverkon rakenne ja sen vaatimat suojausmenetelmät muuttuvat entistä monimutkaisemmiksi. Samalla kasvavat sähköverkkojen suojauksiin tai niiden koestukseen liittyvissä tehtävissä työskentelevien henkilöiden osaamisvaatimukset.

Hankkeessa rakennettavaan laiteympäristöön sisältyy verkkomalli, jonka avulla pystytään simuloimaan sähköverkkojen (110 kV kantaverkko ja 20 kV maaseutu- tai kaupunkiverkko) toimintaa. Verkkomallin lisäksi laitteistoon kuuluu Suomen sähköverkoissa tyypillisesti käytettäviä suojalaitteita sekä koestuslaite. Nämä mahdollistavat esimerkiksi suojalaitteiden kostustoimintaan tai suojausten suunnitteluun liittyvän TKI- ja koulutustyön.

Hankkeessa pyritään myös tunnistamaan erityyppisiä vikatilanteita suojalaitteiden häiriötallenteista data-analytiikan keinoin. Tavoitteena on, että suojaustoiminnon aktivoitumisen syy olisi jatkossa mahdollista tunnistaa ja luokitella automaattisesti. Tähän liittyvät löydökset tuodaan osaksi valmista TKI-ympäristöä. TKI-ympäristöä voidaan jatkossa hyödyntää myös nykyaikaisiin suojalaitejärjestelmiin liittyvien kyberuhkien kartoittamisessa ja aiheeseen liittyvän osaamisen kasvattamisessa.

Hankkeen tuloksina Keski-Suomen alueen yritysten ja muiden toimijoiden käytettävissä on:

1. Sähköverkon suojalaitteiden TKI-ympäristö sisältäen laitteistoja ja laaja-alaista osaamista.
2. Uusinta tietoa sekä testausympäristö suojalaitteiden keräämän datan analysointiin liittyen.
3. Sähköverkkojen suojaukseen ja suojausten koestamiseen sekä laitteiden tuottaman datan hyödyntämiseen liittyviä tietopaketteja.
4. Asiantuntijaverkosto.

Sähköverkon suojausten TKI-ympäristöä hyödynnetään hankkeen päätyttyä TKI-toiminnan ohella monipuolisesti koulutuksessa. Tämän seurauksena aihepiiriin liittyvä osaamisvaje helpottaa asteittain jo lyhyellä aikavälillä, mikä lisää Keski-Suomen osaamisomavaraisuutta sähköverkon suojauksiin sekä vikatilanteiden analysointiin liittyen. Hankkeessa syntyvillä tuloksilla parannetaan alueellisten yritysten ja toimijoiden edellytyksiä kehittää sähköverkkojen toimintaa osana kansallista huoltovarmuutta.

KOESTUS-hankkeen toteutuksessa ovat vahvasti mukana ALVA Sähköverkko Oy, Elektron E Oy, Enerva Oy, Fingrid Oyj, Rejlers Finland Oy ja Äänekosken Energia Oy.

Tämä on ensimmäinen KOESTUS-hankkeeseen liittyvä blogi-kirjoitus. Tulevissa KOESTUS-blogeissa tullaan käsittelemään tarkemmin mm. suojalaitteita ja niiden toimintaa, verkkomallia, koestusta ja häiriötallenteiden data-analytiikkaa.

KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö -hanketta rahoittavat Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR), hankkeen toteuttaja sekä hankekumppanit. Hankkeen toteutusaika on 1.6.2021 – 31.5.2023.

Kirjoittaja: Teppo Flyktman, lehtori, Koestus -projekin projektipäällikkö, Jyväskylän ammattikorkeakoulu