Sähköverkot synnyttävät sähkö- ja magneettikenttiä
Sähkö siirretään voimalaitoksilta kuluttajille sähköverkoissa. Ne koostuvat erilaisista sähköjohdoista ja kaapeleista, sähköasemista, jakelumuuntamoista ja sähköpääkeskuksista. Sähkö siirretään pitkiä matkoja suurilla jännitteillä ja virroilla kantaverkossa ja alueverkoissa. Jakelu toteutetaan pienemmillä jännitteillä ja virroilla paikallisissa jakeluverkoissa. Siirrossa ja jakelussa syntyy sähkö- ja magneettikenttiä. Koska sähkökenttä riippuu jännitteestä ja magneettikenttä virrasta, kantaverkko ja alueverkot aiheuttavat suurempia kenttiä kuin jakeluverkot.
Suomen sähköverkot ovat osa pohjoismaista sähköjärjestelmää. 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, jotka jakavat siirron eri johdoille ja joilla voidaan muuntaa 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.
Kantaverkossa 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 110 kV:n maakaapeleita, joita käytetään taajamissa ilmajohtojen sijasta. Lähitulevaisuudessa taajamiin asennetaan myös 400 kV:n maakaapeleita. Tasasähköyhteydet Ruotsista ja Virosta on toteutettu merikaapeleilla ja yhteensä noin 60 km pituisilla 400, 450 ja 500 kV:n tasasähkölinjoilla Porvoossa ja Raumalla.
Jakeluverkoissa käytetään ilmajohtoja harvaan asutuilla alueilla ja maakaapeleita taajamissa. Vuoden 2021 lopulla keskijännitteisiä ilmajohtoja ja maakaapeleita oli noin 89 000 km ja 66 000 km. Pienjännitteisiä ilmajohtoja ja maakaapeleita oli 112 000 km ja 144 000 km. Maakaapeloinnin osuus oli siten 42 % keskijänniteverkoissa ja 56 % pienjänniteverkoissa. Myrskyjen aiheuttamien sähkökatkojen vähentämiseksi maakaapeleita käytetään jakeluverkoissa entistä enemmän myös taajamien ulkopuolella.
llmajohto aiheuttaa läheisyyteensä sähkö- ja magneettikentän mutta maakaapeli vain magneettikentän. Ilmajohtojen suurimmat sähkö- ja magneettikentät ovat 400 kV:n voimajohtojen alla, noin 10000 volttia metriä kohti (V/m) ja 10 mikroteslaa (µT). Kentät pienenevät nopeasti, kun etäisyys virtajohtimista kasvaa. Sähkökenttä vaimenee puissa ja pensaissa sekä talojen rakenteissa eikä tunkeudu rakennusten sisään kuten magneettikenttä. Maakaapeli aiheuttaa yläpuolelleen maan pinnalle suuremman magneettikentän kuin vastaava ilmajohto, mutta se pienenee paljon nopeammin kuin ilmajohdon magneettikenttä etäisyyden kasvaessa. Maakaapelin magneettikenttä pienenee, mutta ilmajohdon magneettikenttä suurenee, kun korkeus maan pinnasta kasvaa.
Voimajohdot ovat ilmajohtoja, joiden vaihtojännite on 110, 220 tai 400 kilovolttia. Voimajohdot näkyvät maisemassa kookkaina rakennelmina ja vaativat leveän käytävän, jossa ei ole puita eikä rakennuksia.
Voimajohdot erottuvat pienjännitteisemmistä johdoista parhaiten pylväiden ja eristimien perusteella. Mitä suurempi on jännite, sitä korkeampia ovat pylväät ja sitä pitempiä eristimet. 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 jännitteen tunnistaa pylvään vaakaorresta 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 vaakaorresta vaan ovat kiinni siinä tai pylväässä.
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 vapaasti seisovia portaalipylväitä ilman tukivaijereita, mikä helpottaa peltotöitä pylväiden läheisyydessä. Vapaasti seisovia teräspylväitä käytetään tilan säästämiseksi myös 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.
220 kV:n voimajohdon haruksilla tuetun puisen portaalipylvään yläosa. Alhaalla on kolme virtajohdinta, joista jokainen koostuu kahdesta osajohtimesta. Johtimet on kiinnitetty eristinketjuihin, jotka riippuvat teräksisestä vaakaorresta. Kussakin eristeketjussa on kymmenen lautasta. Ylimpänä pylväässä ovat virrattomat ukkosköydet. 220 kV:n voimajohtoja on vain Lapissa.
Voimajohdon johtoalue sisältää johtoaukean ja sen kummallakin puolella sijaitsevat reunavyöhykkeet. Voimajohdon haltijalla on johtoalueeseen rajoitettu käyttöoikeus. Haltija saa 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 sijaitsevista reunavyöhykkeistä. Reunavyöhykkeen 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.
Sähköasema jakaa sähkön siirron eri johdoille ja voi myös muuntaa jännitettä sähköverkon osien välillä. 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. Sähköasemaa ympäröivän aidan ulkopuolelle sähkö- ja magneettikenttiä eivät aiheuta sähköaseman laitteet vaan sähköasemalle tulevat voimajohdot.
Johtoalue: https://www.fingrid.fi/kantaverkko/kunnossapito/voimajohdot/johtoalue/
Voimajohdot aiheuttavat ilmajohtojen suurimmat sähkö- ja magneettikentät. Enimmillään sähkökenttä voi olla noin 10 000 V/m ja magneettikenttä noin 10 mikroteslaa (µT) 400 kV:n voimajohdon alla. Kentät pienenevät nopeasti, kun etäisyys voimajohdosta kasvaa. Puut, pensaat ja talojen rakenteet vaimentavat sähkökenttää mutta eivät magneettikenttää. Siten sähkökenttä ei tunkeudu taloihin kuten magneettikenttä. Noin 100 metrin etäisyydellä voimajohdosta magneettikenttä on jo pienempi kuin talon sähköjohtojen ja laitteiden aiheuttama noin 0,1 µT:n magneettikenttä. Voimajohdon jännitteen ja virran lisäksi virtajohtimien sijainti ja vaiheistus vaikuttavat siihen, miten voimakkaita sähkö- ja magneettikenttä ovat voimajohdon alla ja miten nopeasti ne pienenevät, kun etäisyys voimajohdosta kasvaa.
Sähkökenttä voi 400 kV:n voimajohdon alla vaikuttaa suoraan ihmisen kehoon, 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 voimajohdon alla kosketaan esimerkiksi sateenvarjon tai polkupyörän metalliosia. Nämä vaikutukset voivat olla kiusallisia mutta eivät vaarallisia. Sydämentahdistimet ja muut aktiiviset lääkinnälliset istutteet voivat häiriintyä voimajohdon alla. Siten olisi hyvä alittaa voimajohdot pylväiden lähellä, missä kentät ovat pienimmillään. Pitkäaikaisesta altistuksesta voimajohtojen sähkökentälle ei ole todettu aiheutuneen terveyshaittoja.
Magneettikentällä ei ole suoria vaikutuksia ihmisen kehoon voimajohdon alla tai läheisyydessä. Sitä vastoin pitkäaikaisella altistuksella magneettikentälle epäillään mahdollisesti olevan terveydellisiä haittavaikutuksia. 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, jonka keskiarvo on suurempi 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 aiemmin havaitusta riskistä, joten varmuutta magneettikentän pitkäaikaisvaikutuksista ei edelleenkään ole.
Tieteellisen epävarmuuden vuoksi Säteilyturvakeskus suosittelee, että uudet voimajohdot ja asuinrakennukset rakennettaisiin siten, että voimajohtojen aiheuttaman magneettikentän pitkäaikainen keskiarvo olisi korkeintaan 0,4 µT tiloissa, joissa lapset oleskelevat pysyvästi. Epätietoisuudesta johtuvan huolestumisen vuoksi olisi hyvä välttää myös koulujen ja päiväkotien sijoittamista voimajohtojen lähelle.
Sähkön kulutus lisääntyy, ja siksi joudutaan vahvistamaan kantaverkkoa ja alueverkkoja rakentamalla uusia voimajohtoja. Ne pyritään sijoittamaan luonnon säästämiseksi vanhoihin johtokäytäviin. Uusia voimajohtoreittejä suunniteltaessa taajamat 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 suorilta vaikutuksilta. Joissakin väestötutkimuksissa on saatu viitteitä, että pitkäaikaisesta altistuksesta magneettikentälle aiheutuisi mahdollista terveyshaittaa paljon pienemmillä tasoilla kuin mille lainsäädäntö väestön altistuksen rajoittaa. Koska magneettikentän mahdollisista pitkäaikaisvaikutuksista ei ole varmuutta, Säteilyturvakeskus (STUK) suosittelee rakentamaan uudet voimajohdot siten, että niiden asuinrakennuksiin aiheuttaman magneettikentän pitkäaikainen keskiarvo olisi korkeintaan 0,4 µT, jos se kohtuullisin toimenpitein on mahdollista.
Kun uusia voimajohtoja rakennetaan vanhoihin johtokäytäviin, käytävät levenevät ja uudet johdot tulevat lähemmäksi asuinrakennuksia kuin nykyiset johdot. Kun sähkön kulutuksen lisääntymisen seurauksena myös johtimien virrat kasvavat, läheisiin asuinrakennuksiin kohdistuu entistä voimakkaampia magneettikenttiä. Käytännössä STUKin suositusta voi olla joskus hyvin vaikeaa tai jopa mahdotonta noudattaa kohtuullisin toimenpitein. Koska pitkäaikaisen magneettikenttäaltistuksen aiheuttamasta terveyshaitasta ei ole tieteellisesti vahvistettua näyttöä, uudet voimajohdot voidaan rakentaa STUKin suositusta noudattamatta.
Toisin kuin voimajohtoja, suurjännitteisiä maakaapeleita voidaan asentaa lähimmillään muutaman metrin etäisyydelle asuinrakennuksista STUKin suosituksen mukaisesti. Maakaapelin maan pinnalle aiheuttama magneettikenttä on suurimmillaan suoraan kaapelin yläpuolella ja pienenee paljon nopeammin kuin vastaavan ilmajohdon magneettikenttä sivulle päin. Lisäksi se pienenee, mutta voimajohdon magneettikenttä suurenee maan pinnalta ylöspäin.
Voimajohtojen magneettikentät on hyvä arvioida, kun kaavoitetaan uusia asuinrakennuksia, kouluja tai päiväkoteja voimajohtojen läheisyyteen. Vaikka voimajohtojen magneettikenttien terveysvaikutuksista ei ole kiistatonta tieteellistä näyttöä, voi voimajohdon läheisyys huolestuttaa. Siksi asuinrakennukset olisi Säteilyturvakeskuksen (STUK) suosituksen mukaisesti syytä sijoittaa siten, että voimajohtojen niihin aiheuttaman magneettikentän pitkäaikainen keskiarvo ei olisi suurempi kuin 0,4 mikroteslaa.
Voimajohdon ulkonäöstä ei voi päätellä, miten nopeasti magneettikenttä pienenee etäisyyden kasvaessa. Se riippuu virtajohtimien virroista ja niiden vaiheista sekä johtimien sijainnista pylväissä. Suunnitteluvaiheessa voi olla tarpeellista laskemalla arvioida voimajohdon lähelleen aiheuttama magneettikenttä. Laskelmassa käytetään voimajohtojen teknisiä tietoja, jotka on saatu niiden haltijoilta. Jos magneettikentän arviointi on epävarmaa, kunnan on hyvä pyytää STUKilta lausunto. Siinä esitetään laskelma läheisten voimajohtojen suunniteltaviin asuinrakennuksiin aiheuttamasta magneettikentästä.
Sähkön jakeluverkko koostuu keskijännitteisistä, tyypillisesti 20 000 voltin (V) ilmajohdoista ja maakaapeleista, jakelumuuntamoista sekä pienjännitteisistä 400 V:n ilma- ja maakaapeleista. Sähkökenttä on pienempi kuin 100 volttia metriä kohti (V/m) keskijännitejohtojen alla ja vielä pienempi pienjänniteilmakaapelien alla. Magneettikenttä on yleensä pienempi kuin 0,1 mikroteslaa (µT) ja hyvin harvoin lähes 1 µT keskijännitejohtojen alla. Pienjänniteilmakaapelien alla magneettikenttä on pienempi kuin 0,1 µT.
Jakeluverkon maakaapelien aiheuttamat magneettikentät ovat pieniä. Maahan runsaan puolen metrin syvyyteen asennetun jakeluverkon maakaapelin aiheuttama magneettikenttä on maan pinnalla pienempi kuin 0,5 µT. Se pienenee nopeasti, kun etäisyys kaapelista kasvaa.
Jakelumuuntamo muuntaa jakeluverkon keskijännitteen 400 V:n pienjännitteeksi tavallisia sähkönkäyttäjiä varten. Jakelumuuntamoita on Suomessa noin 130 000. Maaseudulla ja haja-asutusalueilla muuntaja on asennettu pylvääseen ja taajamissa puistoihin tai katujen varsille sijoitettuihin ikkunattomiin koppeihin, jotka on rakennettu betonista, tiilistä tai metallista. Kun tiiviisti rakennetussa taajamassa ei ole tilaa muuntamokopille, 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 johtimien läheisyyteen syntyy suhteellisen voimakas magneettikenttä. Se pienenee kuitenkin jo viiden metrin etäisyydellä johtimista noin 0,1 µT:n tasolle. Muutaman metrin korkeudella maasta sijaitseva pylväsmuuntamon muuntaja aiheuttaa maan pinnalle siten noin 0,1 µT:n magneettikentän. 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.
Muutamien kymmenien mikroteslojen magneettikenttiä on mitattu asuinhuoneissa, joiden alapuolella on ollut vanha kiinteistömuuntamo, jonka pienjännitteiset virtakiskot kulkevat muuntamotilan katon lähellä. Ei tiedetä yhtään tapausta, jossa lainsäädännön mukainen raja 200 µT olisi ylittynyt. Vanhat kiinteistömuuntamot ovat tulossa elinkaarensa loppuun, ja ne korvataan uusilla muuntamoilla, jotka aiheuttavat niiden 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.
STUK-TR35 Väestön altistus sähkön jakeluverkon sähkö- ja magneettikentille (2023)
-raportti: https://www.julkari.fi/handle/10024/145907
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 mikroteslan, hyvin harvoin kymmenien mikroteslojen, magneettikenttä. Se kohdistuu vain osaan huonetta ja pienenee nopeasti lattialta ylöspäin ja maksimikohdasta sivulle päin mentäessä. Suuri sähköpääkeskus, esimerkiksi kerrostalon sähköpääkeskus, saattaa aiheuttaa lähelleen muutaman mikroteslan magneettikentän. Se pienenee 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 kulkevina harhavirtoina syöttöpisteeseen. Nämä virrat aiheuttavat siten magneettikenttiä metallirakenteiden läheisyyteen. Nykyaikaisessa sähköasennuksessa viides johdin toimii paluujohtimena ja poistaa harhavirrat ja niiden aiheuttamat magneettikentät.