Sähköverkot ja voimajohdot synnyttävät sähkö- ja magneettikenttiä
Sähkö siirretään voimalaitoksilta kuluttajille sähköverkossa. Se koostuu erilaisista sähköjohdoista ja kaapeleista, sähköasemista, muuntamoista ja sähköpääkeskuksista. Sähkö siirretään pitkiä matkoja suurilla jännitteillä ja virroilla ja jaetaan paikallisesti pienemmillä jännitteillä ja virroilla. Siirrossa ja jakelussa syntyy sähkö- ja magneettikenttiä. Sähkökentän voimakkuus riippuu jännitteestä ja magneettikentän voimakkuus ja vuontiheys virrasta.
Suomen sähköverkko on osa pohjoismaista sähköverkkoa. Ruotsiin on kaksi tasa- ja vaihtosähköyhteyttä, Norjaan vaihtosähköyhteys ja Viroon kaksi tasasähköyhteyttä. Naapurimaista tuotava ja voimalaitoksilla tuotettava sähkö siirretään Fingrid Oyj:n hallinnoimassa kantaverkossa ja paikallisten sähköverkkoyhtiöiden hallinnoimissa alueverkoissa kaikkialle Suomeen. Sähkö siirretään yli 100 kilovoltin (1 kilovoltti (kV) = 1000 volttia (V)) jännitteisillä ilmajohdoilla eli voimajohdoilla, sillä suurilla jännitteillä energiaa häviää siirrossa vähemmän kuin pienillä jännitteillä. Sähkönsiirtoverkoissa on voimajohtojen lisäksi sähköasemia, joilla muunnetaan jännitettä sähköverkon osien välillä.
Voimajohtojen suurjännite muunnetaan paikallisilla sähköasemilla 20 kV:n keskijännitteeksi, jota tyypillisesti käytetään paikallisissa jakeluverkoissa. Keskijännite muunnetaan edelleen kuluttajien lähellä sijaitsevissa jakelumuuntamoissa sähkölaitteille sopivaksi pienjännitteeksi (400 V). Pienjännite jaetaan sähköpääkeskusten kautta rakennusten sähköverkkoon.
Kanta- ja alueverkoissa käytetään enimmäkseen ilmajohtoja, ja suurina rakenteina nämä voimajohdot ovat näkyvin osa sähköverkosta ympäristössä. Vuoden 2021 lopulla 400 kV:n ilmajohtoja oli noin 5200 km, 220 kV:n ilmajohtoja noin 1400 km ja 110 kV:n ilmajohtoja noin 14 750 km. Lisäksi oli noin 330 km maahan asennettuja 110 kV:n maakaapeleita, joita käytetään taajamissa ilmajohtojen sijasta. Lähitulevaisuudessa taajamiin asennetaan myös 400 kV:n maakaapeleita.
Jakeluverkossa käytetään ilmajohtoja harvaan asutuilla alueilla ja maakaapeleita taajamissa. Vuoden 2021 lopulla keskijännitteisiä ilmajohtoja oli noin 89 000 km ja maakaapeleita noin 66 000 km. Pienjännitteisiä ilmajohtoja oli 112 000 km ja maakaapeleita 144 000 km. Maakaapeloinnin osuus oli siten 42 % keskijänniteverkossa ja 56 % pienjänniteverkossa. Myrskyjen aiheuttamien sähkökatkojen vähentämiseksi maakaapeleita käytetään jakeluverkoissa entistä enemmän myös taajamien ulkopuolella.
llmajohto aiheuttaa läheisyyteensä sähkö- ja magneettikentän mutta maakaapeli vain magneettikentän. Sähkökentän voimakkuus riippuu johtimien jännitteistä ja magneettikentän voimakkuus johtimien virroista. Siten suurimmat sähkökentät, noin 10000 volttia metriä kohti (V/m), ovat suurjännitteisimpien 400 kV:n voimajohtojen alla ja suurimmat, noin 10 mikroteslan magneettikentät voimajohtojen alla. Vielä suurempia, kymmenien mikroteslojen magneettikenttiä voi olla jakelumuuntamoista lähtevien pienjännitejohtimien läheisyydessä. Sähkö- ja magneettikenttä pienenevät nopeasti virtajohtimista kauemmaksi mentäessä. Sähkökenttä vaimenee puissa ja pensaissa sekä talojen rakenteissa eikä tunkeudu rakennusten sisään kuten magneettikenttä. Jakelumuuntamoa lukuun ottamatta sähkön jakeluverkko altistaa väestöä hyvin vähän sähkö- ja magneettikentille.
Voimajohdot ovat ilmajohtoja, joiden vaihtojännite on 110, 220 tai 400 kilovolttia. Nykyisin 220 kilovoltin johtoja on vain Pohjois-Suomessa. Voimajohtojen lisäksi on suurjännitteisiä (400, 450 ja 500 kilovolttia) tasasähköilmajohtoja Porvoossa ja Raumalla. Nämä johto-osuudet ovat lyhyitä. Tasasähköjohto erottuu voimajohdosta siten, että siinä on vain kaksi virtajohdinta, kun voimajohdossa niitä on ainakin kolme. Tasasähköjohtojen sähkö- ja magneettikentistä ei ole haittaa johtojen läheisyydessä oleskeleville tai asuville. Voimajohdot näkyvät maisemassa kookkaina rakennelmina ja vaativat ympärilleen leveän käytävän, jossa ei ole puita eikä rakennuksia.
Voimajohdot erottuvat pienjännitteisemmistä johdoista parhaiten pylväiden ja eristimien perusteella. Voimajohdon pylväät ovat sitä korkeampia, eristimet sitä pitempiä ja johtimet sitä korkeammalla, mitä suurempi on jännite. Pylväät ovat aina terästä 400 kilovoltin (kV) johdoissa. Muissa voimajohdoissa ne ovat yleensä puisia mutta terästä silloin, kun puupylväät eivät ole riittävän kestäviä, esimerkiksi kulmapylväinä ja vapaasti seisovina korkeina pylväinä. Helpoimmin voimajohdon vaihtojännitteen tunnistaa pylväästä riippuvan eristeketjun pituudesta ja ketjun eristelautasten määrästä. Lautasia on alle 10 kappaletta 110 kV:n, noin 10 kappaletta 220 kV:n ja noin 20 kappaletta 400 kV:n johdossa. Jakeluverkkojen keskijännitejohtojen eristimet ovat kannun kokoisia ja pienjännitejohdon eristimet kahvimukin kokoisia. Ne eivät riipu pylväästä vaan ovat kiinni pylväässä tai orressa.
Voimajohdoilla käytetään erilaisia pylväs- ja johdinrakenteita. Yleisin pylvästyyppi on niin sanottu portaalipylväs, jossa on vaakaorsi ja joka on tuettu teräsvaijereilla. Virtajohtimet ovat samalla korkeudella maasta. Pelloilla käytetään myös vapaasti seisovia portaalipylväitä ilman tukivaijereita, mikä helpottaa peltotöitä pylväiden läheisyydessä. Vapaasti seisovia teräspylväitä käytetään tilan säästämiseksi taajamissa. Usein nämä ovat kaksoisjohtopylväitä, joissa on kaksi virtapiiriä eli kuusi virtajohdinta. Saman virtapiirin kolme virtajohdinta ovat eri korkeuksilla maasta. Kun siirretään suurta tehoa, kussakin virtajohtimessa käytetään kahta tai kolmea osajohdinta. Pylväiden huipulla on kaksi virratonta johdinta, niin sanottua ukkosköyttä, suojaamassa voimajohtoa salaman iskuilta.
Valokuvia 110, 220 ja 400 kV:n voimajohdoista pylväsrakenteineen. Kuvat Laurilta?
Voimajohdon johtoalue sisältää johtoaukean ja sen kummallakin puolella sijaitsevat reunavyöhykkeet. Voimajohdon haltijalla on johtoalueeseen käyttöoikeus, jonka perusteella se voi raivata johtoaukean, rajoittaa rakentamista johtoalueelle ja rajoittaa puiden kasvua reunavyöhykkeellä. Johtoaukealle ei saa rakentaa lämmitettäviä rakennuksia. Tyypilliset johtoaukean ja reunavyöhykkeen leveydet esitetään alla olevassa kuvassa.
Johtoalue koostuu johtoaukeasta ja sen kummallakin puolella sijaitsevasta reunavyöhykkeestä, jonka leveys on yleensä 10 m. Johtoaukean leveys on 110 kV:n voimajohdolla 26–30 m, 220 kV:n voimajohdolla 32–38 m ja 400 kV:n voimajohdolla 36–42 m.
Sähköasemalla muunnetaan sinne tulevien sähköjohtojen jännitettä sieltä lähteville sähköjohdoille sopivaksi. Suurten jännitteiden vuoksi sähköasemalla voi saada tappavan sähköiskun usean metrin etäisyydellä sijaitsevasta jännitteisestä osasta. Siksi sähköasema on ympäröity aidalla, jotta vain hyvin perehdytetyt ja asianmukaisesti varustetut sähkötyöntekijät pääsevät sinne. Sähköaseman sähkö- ja magneettikentät eivät ulotu asemaa ympäröivän aidan ulkopuolelle. Käytännössä aidan ulkopuoliset kentät aiheutuvat asemalle tulevista ja lähtevistä voimajohdoista.
Johtoalue: https://www.fingrid.fi/kantaverkko/kunnossapito/voimajohdot/johtoalue/
Voimajohdot aiheuttavat ilmajohtojen suurimmat sähkö- ja magneettikentät. Sähkökentän voimakkuus voi enimmillään olla 400 kilovoltin (kV) voimajohdon alla noin 10 000 V/m ja 110 kV:n voimajohdon alla noin 3000 V/m. Magneettivuon tiheys voi enimmillään olla voimajohdon alla noin 10 mikroteslaa (µT). Magneettikenttä, toisin kuin sähkökenttä, tunkeutuu rakennusten sisään. Sähkökentän voimakkuus ja magneettivuon tiheys voimajohdon alla ja sen pieneneminen etäisyyden kasvaessa riippuu virtajohtimien sijainnista ja vaiheistuksesta. Magneettivuon tiheys voi vielä noin 100 metrin etäisyydellä 400 kV:n voimajohdosta olla suurempi kuin rakennusten sähköjohtojen ja laitteiden aiheuttama vuontiheys, noin 0,1 µT.
Sähkökentällä voi 400 kV:n voimajohdon alla olla välittömiä vaikutuksia, mikä tuntuu pintasähkövarauksen aiheuttamana ihokarvojen värinänä. Epäsuorana vaikutuksena on kipinäpurkaus, kun voimajohdon alla kosketaan maasta eristettyä metallikappaletta, esimerkiksi auton koria. Lisäksi voi tuntua värinää, kun johdon alla kosketaan esimerkiksi sateenvarjon tai polkupyörän metalliosia. Nämä vaikutukset voivat olla kiusallisia mutta eivät vaarallisia. Sydämentahdistimet ja muut aktiiviset lääkinnälliset istutteet voivat häiriintyä, minkä välttämiseksi olisi hyvä alittaa voimajohdot pylväiden lähellä. Voimajohtojen sähkökentällä ei ole todettu olevan pitkäaikaisvaikutuksia.
Magneettikentällä ei ole välittömiä vaikutuksia voimajohdon allakaan. Sitä vastoin sillä epäillään olevan pitkäaikaisvaikutuksia. Voimajohtojen lähellä asuville on muutaman vuosikymmenen aikana tehty kymmeniä väestötutkimuksia. Osassa näistä tutkimuksista on havaittu, että lasten leukemiariski on lievästi suurentunut, kun lapset ovat pitkäaikaisesti altistuneet magneettikentälle, joka on voimakkaampi kuin 0,4 µT. Näissäkään tutkimuksissa ei ole voitu osoittaa, että leukemia olisi ollut seurausta altistuksesta magneettikentälle. Solu- ja eläinkokeista ei ole saatu tätä havaintoa tukevia tuloksia, eikä tunneta mekanismia, jolla näin heikko magneettikenttä aiheuttaisi leukemiaa tai muita syöpiä ja sairauksia. Viimeaikaiset väestötutkimukset eivät ole tuottaneet merkittävää uutta tietoa havaitusta riskistä, joten varmuutta magneettikentän pitkäaikaisvaikutuksista ei edelleenkään ole.
Tieteellisen epävarmuuden vuoksi Säteilyturvakeskus suosittelee, että vältettäisiin uusien voimajohtojen tai asuinrakennusten rakentamista siten, että voimajohtojen aiheuttama keskimääräinen magneettivuon tiheys ylittää 0,4 µT tiloissa, joissa lapset oleskelevat pysyvästi. Tällaisia tiloja ovat lähinnä asuinrakennukset. Epätietoisuudesta johtuvan huolestumisen vuoksi olisi hyvä välttää myös koulujen ja päiväkotien sijoittamista voimajohtojen lähelle.
Sähkön kulutus lisääntyy, ja siksi joudutaan vahvistamaan siirtoverkkoa rakentamalla uusia voimajohtoja. Ne pyritään sijoittamaan luonnon säästämiseksi vanhoihin maastokäytäviin. Uusia voimajohtoreittejä suunniteltaessa asutustaajamat huomioidaan ja koetetaan kiertää, jotta johtoaukealle osuvien ja siten lunastettavien asuinrakennusten määrä olisi mahdollisimman pieni.
Suurimpienkaan voimajohtojen alla ja läheisyydessä ei ole sellaisia sähkö- ja magneettikenttiä, joille altistusta lainsäädäntö rajoittaa. Kenttien osalta lainsäädäntö ei siten estä uusien voimajohtojen rakentamista asuinrakennusten lähelle. Lainsäädäntö suojaa kenttien välittömiltä vaikutuksilta. Joissakin väestötutkimuksissa on saatu viitteitä magneettikentän mahdollisista pitkäaikaisvaikutuksista paljon pienemmillä tasoilla kuin mille lainsäädäntö väestön altistuksen rajoittaa. Lasten leukemiariski näyttäisi näiden tutkimusten mukaan hieman kasvavan, kun keskimääräinen magneettivuon tiheys on enemmän kuin 0,4 mikroteslaa (µT). Tämän tieteellisen epävarmuuden vuoksi Säteilyturvakeskus (STUK) suosittelee välttämään uusien voimajohtojen rakentamista siten, että 0,4 µT ylittyy voimajohdon lähellä sijaitsevissa asuinrakennuksissa.
Kun rakennetaan uusia voimajohtoja maastokäytäviin, käytävät levenevät ja uudet johdot tulevat lähemmäksi asuinrakennuksia kuin nykyiset johdot. Kun sähkön kulutuksen lisääntymisen seurauksena myös johtimien virrat kasvavat, asuinrakennuksiin kohdistuu entistä voimakkaampia magneettikenttiä. Käytännössä STUKin suositusta voi olla joskus hyvin vaikeaa tai jopa mahdotonta noudattaa kohtuullisin toimenpitein. Koska magneettikentän pitkäaikaisvaikutuksista ei ole tieteellisesti vahvistettua näyttöä, uudet voimajohdot voidaan rakentaa STUKin suositusta noudattamatta.
Suurjännitteisiä maakaapeleita voidaan asentaa lähimmillään muutaman metrin etäisyydelle asuinrakennuksista STUKin suositusten mukaisesti. Maakaapelin maan pinnalle aiheuttama magneettikenttä on suurimmillaan suoraan kaapelin yläpuolella ja pienenee paljon nopeammin kuin vastaavan ilmajohdon magneettikenttä sivulle mentäessä. Lisäksi se pienenee nopeasti myös maan pinnalta ylöspäin mentäessä. Magneettivuon tiheys riippuu kaapelin vaihejohtimien virrasta ja vaiheistuksesta, asennustavasta ja -syvyydestä.
Voimajohtojen magneettikentät on hyvä arvioida, kun kaavoitetaan uusia asuinrakennuksia, kouluja tai päiväkoteja voimajohtojen läheisyyteen. Vaikka voimajohtojen magneettikenttien pitkäaikaisvaikutuksista ei ole kiistatonta tieteellistä näyttöä, voi voimajohdon läheisyys huolestuttaa. Siksi asuinrakennukset olisi syytä sijoittaa siten, että Säteilyturvakeskuksen (STUK) suosittelema 0,4 mikroteslaa ei ylittyisi pitkäaikaisesti asuintiloissa.
Magneettivuon tiheys ja sen pieneneminen etäisyyden kasvaessa riippuu voimajohdon virtajohtimien sijainnista pylväissä sekä johtimien virroista ja niiden vaiheista. Voimajohdon ulkonäön perusteella ei voi päätellä, miten kauas voimakas magneettikenttä ulottuu. Voidaan kuitenkin päätellä, että voimajohdon virrat voivat olla suuria, jos virtajohtimet koostuvat kahdesta tai kolmesta osajohtimesta. Joskus on tarpeellista arvioida voimajohdon lähelleen aiheuttama magneettikenttä laskemalla em. tietojen perusteella. Siksi suunnitteluvaiheessa kunnan olisi hyvä pyytää STUKilta lausunto, jossa arvioidaan, millaisen magneettikentän läheinen voimajohto aiheuttaa suunniteltuihin asuinrakennuksiin.
Sähkön jakeluverkko koostuu keskijännitteisistä, tyypillisesti 20 000 voltin (V) ilmajohdoista ja maakaapeleista, jakelumuuntamoista sekä pienjännitteisistä 400 V:n ilmajohdoista ja maakaapeleista. Keskijännitejohtojen alla sähkökentän voimakkuus on pienempi kuin 100 volttia metriä kohti (V/m) ja pienjännitejohtojen alla vielä pienempi. Keskijännitejohtojen alla magneettivuon tiheys on enimmäkseen pienempi kuin 0,1 mikroteslaa (µT) ja hyvin harvoin lähellä 1 µT:aa. Pienjännitejohtojen alla magneettivuon tiheys on alle 0,1 µT.
Jakeluverkon maakaapelien aiheuttamat magneettikentät ovat pieniä. Maahan runsaan puolen metrin syvyyteen asennetun jakeluverkon maakaapelin aiheuttama magneettivuon tiheys on maan pinnalla pienempi kuin 0,5 µT. Maakaapelien magneettikentästä ei ole siten haittaa väestölle.
Jakelumuuntamossa jakeluverkon keskijännite muunnetaan 400 V:n pienjännitteeksi tavallisia sähkönkäyttäjiä varten. Jakelumuuntamoita on Suomessa noin 130 000. Niistä suurin osa on pylväsmuuntamoita, joita käytetään maaseudulla ja haja-asutusalueilla. Taajamissa on puistomuuntamoita, jotka ovat puistoihin tai katujen varsille sijoitettuja betoni-, tiili- tai metallirakenteisia ikkunattomia koppeja. Kun tiiviisti rakennetussa taajamassa ei ole tilaa puistomuuntamolle, jakelumuuntamo sijoitetaan rakennuksen kellariin tai ensimmäiseen kerrokseen. Tällaisia niin sanottuja kiinteistömuuntamoita on Suomessa noin 9000, joista noin 2800:n arvioidaan sijaitsevan asuinhuoneiston läheisyydessä, joko sen alapuolella tai vieressä.
Jakelumuuntamoista lähtevien pienjännitejohtimien virrat voivat olla suuria, joten niiden läheisyyteen syntyy voimakas magneettikenttä. Se pienenee kuitenkin jo viiden metrin etäisyydellä noin 0,1 µT:n tasolle. Muutaman metrin korkeudella maasta sijaitseva pylväsmuuntamo aiheuttaa maan pinnalle siten noin 0,1 µT:n vuontiheyden. Puistomuuntamon magneettikenttäkin pienenee tälle tasolle noin viiden metrin etäisyydellä muuntamokopin seinästä. Käytännössä väestö voi merkittävästi altistua vain asuinhuoneen alapuolella tai vieressä sijaitsevan vanhan kiinteistömuuntamon magneettikentälle. Tällöin merkittävä magneettikenttä voi olla vain osassa lähimpänä muuntamoa sijaitsevaa huonetta, kun taas läheinen voimajohto voi aiheuttaa koko asuinhuoneistoon kohdistuvan magneettikentän.
Suurimmat magneettikentät, muutamia kymmeniä µT:ja, on mitattu asuinhuoneissa, joiden alapuolella on vanha kiinteistömuuntamo, jonka virtakiskot tai -kaapelit kulkevat muuntamotilan katon lähellä. Ei tiedetä yhtään tapausta, jossa lainsäädännön mukainen raja 200 µT olisi ylittynyt. Vanhat kiinteistömuuntamot ovat tulleet elinkaarensa loppuun, ja uudet muuntamot aiheuttavat yläpuoliseen tai viereiseen tilaan paljon pienemmän magneettikentän. Lainsäädännössä on kiinteistömuuntamoille määritetty siirtymäaika marraskuuhun 2033 asti. Viimeistään silloin niiden asuinhuoneisiin aiheuttama magneettikenttä saa olla korkeintaan 200 µT.
Rakennuksen sähköverkko koostuu sähköpääkeskuksesta, sulaketauluista ja sähköjohdoista. Niiden jännitteet ja virrat ovat pieniä, ja siten ne aiheuttavat vain heikon sähkö- ja magneettikentän. Joissain rakennuksissa taajamien keskustoissa voi alimmassa tai kellarikerroksessa olla jakelumuuntamo, niin sanottu kiinteistömuuntamo. Sen pienjännitejohtimien läheisyydessä voi olla kohtuullisen suuri magneettikenttä.
Yleisesti sähköverkon kentät ovat suomalaisissa kodeissa hyvin pieniä. Sähkökentän taustataso on noin 10 volttia metriä kohti (V/m) ja magneettikentän vähän alle 0,1 mikroteslaa (µT). Kiinteistömuuntamon yläpuolella sijaitsevassa asunnossa voi olla tyypillisesti enintään muutaman µT:n, hyvin harvoin kymmenien mikroteslojen, magneettikenttä. Se on voimakas vain osassa huonetta ja pienenee nopeasti lattialta ylöspäin ja maksimikohdasta sivulle päin mentäessä. Suuri sähköpääkeskus, esimerkiksi kerrostalon sähköpääkeskus, saattaa aiheuttaa lähelleen muutaman µT:n magneettikentän. Se heikkenee kuitenkin tyypilliseen taustatasoon jo parin metrin etäisyydellä keskuksesta. Yksittäisen asunnon sähköpääkeskuksen tai sulaketaulun magneettikenttä pienenee jo alle metrin etäisyydellä taustatasoon.
Magneettikentät voivat olla suurempia kuin 0,1 µT:n taustataso myös metallirakenteiden läheisyydessä, jos rakennuksessa on vanhanaikainen sähköasennus. Siinä on käytetty vain neljää johdinta eli nollajohdinta ja kolmea vaihejohdinta, jolloin kaikki rakennukseen tuleva sähkövirta palaa nollajohtimien ja niihin liitettyjen metallirakenteiden kautta syöttökohteeseen harhavirtoina. Nämä virrat aiheuttavat magneettikentän. Nykyaikaisessa sähköasennuksessa viides johdin toimii paluujohtimena ja poistaa harhavirrat ja niiden aiheuttamat magneettikentät.