Suomen Sähköverkon taajuus

Sähköverkon taajuus on Suomessa 50Hz. Yleisesti maailmalla se on yleensä joko 50Hz, tai sitten 60Hz.

Tarkalleen ottaen verkon taajuus vaihtelee koko ajan hieman kulutuksesta ja tuotannosta riippuen. Taajuuden säilyttäminen 50Hz:ssa sekä sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen ovat erittäin tärkeitä tehtäviä sähköverkon toimivuuden takaamiseksi.

Mutta mitä tämä kaikki käytännössä tarkoittaa?

Suomen sähköverkon taajuutta (ja sähköverkon tilaa) voit muuten seurata reaaliajassa täältä.

Mitä taajuus oikein tarkoittaa?

Ensinnäkin, hertsi (Hz) on taajuuden yksikkö, joka merkitsee yhtä jaksoa sekunnissa. Kun tökkäät töpselin seinään, saat sieltä ns. vaihtovirtaa, jonka taajuus on 50Hz. Tämä tarkoittaa, että sähkövirran jännite aaltoilee minimistä maksimiin ja takaisin 50 kertaa joka sekunti.

Tässä on tilannetta kuvaava kuvaaja:

Kuvaajassa on sinisellä käyrällä merkittynä vaihtovirran jännitteen vaihtelua tavallisessa Suomalaisessa verkkovirrassa. Kuvasta näkee, että yksittäinen jakso (merkittynä punaisella katkoviivalla) on 0.02s mittainen, joka vastaa tietenkin 50Hz taajuutta. Yhteen sekuntiin mahtuu nimittäin 50 kpl 0.02s mittaisia jaksoja. Kuvaan on merkitty myös jännitteen tehollinen arvo (sininen katkoviiva), joka on Suomessa 230V. Huippuarvo on sen sijaan 325V.

Miksi sähköverkolla on taajuus? Miksi taajuuden vakaus on tärkeä?

Sähköverkossa käytetään vaihtovirtaa tasavirran sijaan mm. sen vuoksi, että vaihtovirran jännitettä on helppo muuttaa muuntajalla. Tästä on huomattavasti apua sähkönsiirrossa, sillä korkeampi jännite mahdollistaa huomattavasti pienemmät häviöt sekä ohuemmat johtimet, kun sähköä siirrettään pitkiä matkoja. Tämä puolestaan mahdollistaa suuret sähköntuotantolaitokset ja valtakunnallisen jakeluverkon.

Tasavirtaverkko sen sijaan vaatisi monimutkaisempia järjestelmiä jännitteen nostamista ja laskemista varten, ja / tai hyvin paikallista tuotantoa.

Vaihtovirralla voidaan myös esimerkiksi käyttää yksinkertaista ja tehokasta oikosulkumoottoria. Myös yksinkertaiset sähkögeneraattorit tuottavat luonnostaan vaihtovirtaa.

Tasasähköäkin käytetään laajasti, mutta harvemmin sähkön siirtoon (tosin poikkeuksiakin löytyy esimerkiksi Suomen ja Ruotsin välillä kulkeva Fenno-Skan merikaapeli).

Nämä yhdessä selittävät miksi sähköverkossa käytetään vaihtovirtaa.

Mutta miksi juuri 50Hz?

Yksinkertainen vastaus tähän kysymykseen on, että se on yhdessä sovittu standardi. Laitteet ja järjestelmät on standardista johtuen suunniteltu toimimaan tällä taajuudella, joten tässä vaiheessa sitä olisi todella hankala enää muuttaa.

Tähän kuitenkin liittyy eräs erittäin oleellinen seikka. Sähköverkon taajuus vaihtelee jatkuvasti. Taajuus kasvaa, jos tuotantoa on enemmän kuin kulutusta. Jos taas kulutus ylittää tuotannon, verkon taajuus laskee.

Tästä johtuen sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen (ja verkon taajuuden säätely) ovat erittäin tärkeitä tehtäviä Suomen sähköverkon toimivuuden takaamiseksi.

Luotettavaan ja tasapainoiseen sähköverkkoon kytketyt laitteet toimivat turvallisesti sekä tehokkaasti. Jos verkko ei olisi erinomaisessa tasapainossa, voisi seurata sähkökatkoksia tai virtapiikkejä jotka voivat hajottaa laitteita ja pahimmissa tapauksissa aiheuttaa jopa tulipaloja.

Miten taajuutta säädellään?

Sähköverkon taajuutta säädellään yksinkertaistetusti tasapainottamalla tuotanto ja kulutus mahdollisimman tarkasti.

Tasapaino on erittäin tärkeä, sillä ainakaan toistaiseksi sähköä ei pystytä varastoimaan kovin suuressa mittakaavassa. Tämä johtaa tilanteeseen, jota ei välttämättä kovin usein tule ajatelleeksi; kaikki käyttämäsi sähkö on tuotettu käytännössä samaan aikaan kuin kulutat sen.

Sähköverkon tasapainon saavuttamiseen on monia menetelmiä, ja kokonaisuus on monimutkainen.

Pelkistetysti sähkömarkkinat pyrkivät ennustamaan kulutusta mahdollisimman tarkasti etukäteen, jolloin tuotanto (ja tuonti ulkomailta) voidaan mitoittaa hyvin kulutukseen sopivaksi. Tätä kutsutaan kapasiteetin hallinnaksi. On esimerkiksi selvää, että päivällä kulutusta on enemmän kuin yöllä, ja kovilla pakkasilla lämmitykseen kuluu paljon sähköä. Tällaisiin seikkoihin sähkömarkkinat osaavat varautua kapasiteetin hallinnan keinoin.

Ennusteet eivät kuitenkaan koskaan ole täysin tarkkoja, joten Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid ylläpitää myös säätösähkömarkkinoita, sekä erilaisia reservejä verkon hienosäätöä varten lyhyemmillä aikaväleillä. Tätä hienosäätöä kutsutaan taajuusohjaukseksi.

Mutta miksi kulutuksen ja tuotannon tasapaino vaikuttaa verkon taajuuteen?

Asiaa voi lähestyä energian näkökulmasta. Voimalaitoksien sähkögeneraattorit tuottavat sähköverkkoon jatkuvasti energiaa. Jos kulutus on kuitenkin tuotantoa suurempi, niin tämän ylimääräisen energian on tultava jostakin. Tässä tapauksessa sen voi ajatella tulevan voimalaitosten sähkögeneraattorien pyörimisenergiasta.

Generaattoreissa liike-energiaa muunnetaan sähköenergiaksi. Pyörivään generaattoriin on myös varastoitunut jokin määrä liike-energiaa. Kun verkosta otetaan enemmän energiaa kuin sinne tuotetaan, generaattorien pyöriminen hidastuu, jolloin myös verkon taajuus laskee.

Vastakkaisessa tilanteessa generaattorit tuottavat enemmän energiaa, kuin mitä verkko kuluttaa. Tällöin ylimääräinen energia menee generaattorien kiihdyttämiseen, jolloin taajuus kasvaa.

Analogiana voi käyttää myös vaikkapa pyöräilyä. Kuvittele tilanne, jossa ajat tasaista vauhtia tasaisella tiellä. Muutat kehoosi varastoitunutta kemiallista energiaa liike-energiaksi. Tasaista vauhtia ajettaessa vastustavat voimat kuten kitka ja ilmanvastus (joita voi verrata tässä esimerkissä sähköverkon kulutukseen) ovat tasapainossa polkimiin puskemasi voiman (verrattavissa verkon tuotantoon) kanssa.

Yhtäkkiä vastatuuli yltyy (eli kulutus kasvaa)! Vauhtisi alkaa hidastua, ja polkimet pyörivät hitaammin (taajuus laskee), ellet sitten ala polkea kovemmin (eli lisää tuotantoa).