Elektrienergia ülekanne

Elektrienergia ülekanne on elektrienergia edastamine elektrijaamadest kõrgepingeliinide kaudu tarbimiskohtade lähedale ning edasine jaotamine keskpinge- ja madalpingejaotusvõrkude kaudu tarbijateni Elektrienergia salvestamise võimalused on piiratud, seetõttu tuleb toodetud energia kohe anda käiku, kandes seda vajaduse korral üle väga kaugele. Elektrienergia ülekandmisega kaasnevad aga energiakaod. Et need on kõrgema pinge puhul väiksemad, kasutataksegi kaugülekandevõrkudes kõrget pinget; tarbijale lähenemisel võrgupinget järjest alandatakse. Elektrienergia ülekandmist demonstreeriti esimest korda 1873. aastal Viini maailmanäitusel, kui 0,75 kW edastati alalisvooluliini kaudu 1 km kaugusele. Esimene seadmestik kõrgepingelise (15 kV) kolmefaasilise vahelduvvoolu edastamiseks 175 km pikkuse liini kaudu ehitati Saksamaal 1891. Tallinnas hakkas 3 kV elektrivõrk tööle 1913.  Pikemalt artiklis Elektrivõrk Elektrienergiat toodetakse, edastatakse ja tarbitakse suurtes ühtse tervikuna toimivates ühendelektrisüsteemides. Elektrisüsteem kuulub energiasüsteemi, mis on elektrijaamade, elektrivõrkude ja elektritarbijate ühendus, kuhu lisanduvad elektrijaamadega seotud soojusvõrgud ja -tarbijad. Elektrijaamad on ühendatud süsteemi põhivõrku, mis tavaliselt talitleb pingel 220–500 kV (Eestis 110–330 kV). Põhivõrgust saavad toite suuremad ja võimsamad elektritarbijad ning keskpinge 6–35 kV jaotusvõrgud, mis alajaamade kaudu varustavad elektritarbijaid enamasti 400 V madalpingel. Jaotusvõrguga võivad olla ühendatud ka kohalikud elektrijaamad. Ennekõike liigitatakse elektrivõrke nimipinge alusel. Elektrivõrgu nimipinge on pinge, millele võrk on ette nähtud ja millele viidates iseloomustatakse teatud talitluskarakteristikud. Kõige üldisemalt võib elektrivõrke jaotada madal- ja kõrgepingevõrkudeks. Üle 1 kV võrgud jaotatakse omakorda keskpingevõrkudeks, kõrgepingevõrkudeks ja ülipingevõrkudeks. Eestis on ülipingevõrgud pingega 330 kV, kõrgepingevõrgud 110 kV, keskpingevõrgud 6–35 kV ja madalpingevõrgud nimipingega 0,4 kV. Otstarbe järgi saab elektrivõrke liigitada süsteemi-, ülekande- ja jaotusvõrkudeks. Süsteemivõrk on tavaliselt ülikõrgepingevõrk, mis ühendab suuri elektrijaamu ja elektrisüsteeme. Ülekandevõrkude vahendusel kantakse elektrienergia üle suurematesse alajaamadesse ning tarbimiskeskustesse. Elektrienergiat jaotavad laiali jaotusvõrgud, mis edastavad elektrienergiat suurtest toitealajaamadest tarbijateni. Eesti elektrisüsteem on kolme 330 kV liiniga ühendatud Venemaa elektrisüsteemiga (kaks liini Narvast Peterburi ja Kingisseppa ning üks Tartust Pihkvasse) ja kahe Valmierasse viiva 330 kV liiniga Läti elektrisüsteemiga. Soomega on Eesti elektrisüsteem ühendatud Harku–Espoo ± 150 kV alalisvooluliini kaudu Estlink, mille ülekandevõimsus on 350 MW, ja Püssi–Anttila 450 kV alalisvooluliini Estlink 2 kaudu, mille ülekandevõimsus on 650 MW. Väga oluline osa elektrienergia ülekandel ja jaotamisel on alajaamadel, mis on ette nähtud elektrienergia muundamiseks ja jaotamiseks. Alajaam sisaldab sisenevate ja väljuvate liinide ühendusi, lülitusseadmeid, trafosid, juhtimisahelaid ning hooneid, seal paikneb ka kaitse- ja juhtimisaparatuur. Elektrienergiat kantakse üle enamasti kolmefaasilise vahelduvvooluna. Alalisvooluliine võidakse kasutada, kui on vaja edastada suuri võimsusi (mõni GW) suurele kaugusele (1000 km ja enam). Alalisvoolu kasutamisel on nii õhu- kui ka kaabelliinid lihtsamad ja odavamad kui vahelduvvooluliinid, kuid nad nõuavad mõlemas otsas kalleid muundusalajaamu. Alalisvoolu on vaja kasutada liinides, et ühendada mittesünkroonselt talitlevaid elektrisüsteeme, ning samuti merealustes kaabelliinidesl, kus vahelduvvoolu pole kaablite suure mahutavuse tõttu võimalik kasutada. Elektrienergia ülekandel on põhiküsimuseks juhtmetes kaduma mineva energiahulga vähendamine. Vastavalt Joule'i-Lenzi seadusele muutub ülekandeliinide juhtmetes osa ülekantavast elektrienergiast soojuseks võrdeliselt liini juhtmete elektritakistusega ja juhet läbiva voolutugevuse ruuduga: Q = I 2 R t , {\displaystyle Q=I^{2}Rt,} kus Q {\displaystyle Q} on elektrivoolu toimel eralduv soojushulk, I {\displaystyle I} on voolutugevus, R {\displaystyle R} on juhi takistus ja t {\displaystyle t} on aeg. Siit tuleneb kaks võimalust selle kaduma mineva energiakoguse vähendamiseks: vähendada juhtmete takistust, vähendada juhet läbiva voolu tugevust. Juhtme takistuse vähendamiseks kasutatakse juhtme materjalina võimalikult väikese eritakistusega metalle – vaske või alumiiniumi. Teiseks teeks juhtme takistuse vähendamiseks on juhtme ristlõikepinna suurendamine ehk jämedama juhtme kasutamine. Märksa tõhusam võimalus ülekandekadude kokkuhoiuks on vähenda voolutugevust. Kuna ülekantav võimsus on võrdeline nii pinge kui ka voolutugevusega, siis sama võimsuse ülekandmiseks mingi arv korda kõrgemal pingel saab seda teha sama arv korda väiksema voolutugevusega. Kuna aga energiakadu liinis on võrdeline voolutugevuse ruuduga, siis näiteks voolutugevuse vähenedes 2 korda väheneb soojuskadu 4 korda. Seepärast kasutatakse elektrienergia ülekandmisel tarbijapingest tunduvalt kõrgemaid pingeid. Tänapäeva energeetika arengu taseme juures jääb energiakadu põhivõrgus 2–3% tasemele.  Pikemalt artiklis Kolmefaasiline süsteem Kolmefaasilist vahelduvvoolusüsteemi kasutatakse elektrimasinates ning ülekande- ja jaotusvõrkudes. Sellise süsteemi eelis on elektriliinide ja trafode väiksem materjalikulu. Veelgi olulisem on, et kolmefaasilise voolu pöörlev magnetväli võimaldab ehitada töökindlaid ning lihtsaid elektrimasinaid. Kolmefaasiline süsteem tekib elektrigeneraatoris, mille staatoril on kolm üksteise suhtes 120° võrra nihutatud mähist. Kui generaatori rootor (elektromagnet) panna pöörlema sagedusega 50 pööret sekundis, tagamaks 50 Hz sagedust, indutseerib pöörlev magnet staatori faasimähistes kolm elektromotoorjõudu, mis on ajas nihutatud 2π/3=120° võrra: e A = E m sin ω t {\displaystyle e_{A}=E_{m}{\text{sin}}\,\omega t} e B = E m sin ( ω t − 120 ∘ ) {\displaystyle e_{B}=E_{m}{\text{sin}}\,(\omega t-120^{\circ })} e C = E m sin ( ω t − 240 ∘ ) {\displaystyle e_{C}=E_{m}{\text{sin}}\,(\omega t-240^{\circ })} Kolmefaasilises süsteemis on elektromotoorjõudude summa igal hetkel null: e A ( t ) + e B ( t ) + e C ( t ) = 0 {\displaystyle e_{A}(t)+e_{B}(t)+e_{C}(t)=0} , sest trigonomeetriliselt sin ω t + sin ( ω t − 120 ∘ ) + sin ( ω t − 240 ∘ ) = 0 {\displaystyle {\text{sin}}\,\omega t+{\text{sin}}\,(\omega t-120^{\circ })+{\text{sin}}\,(\omega t-240^{\circ })=0} . See asjaolu võimaldab kolme faasi voolu üle kanda vaid kolme juhtme kaudu, kusjuures vool võimalikus neutraaljuhtmes puudub ( i N = 0 {\displaystyle i_{N}=0} ). Tõepoolest, kuna i A = u A R , i B = u B R , i C = u C R {\displaystyle i_{A}={u_{A} \over R},i_{B}={u_{B} \over R},i_{C}={u_{C} \over R}} , siis i N ( t ) = − [ i A ( t ) + i B ( t ) + i C ( t ) ] = [ e A ( t ) + e B ( t ) + e C ( t ) ] R = 0 {\displaystyle i_{N}(t)=-[i_{A}(t)+i_{B}(t)+i_{C}(t)]={[e_{A}(t)+e_{B}(t)+e_{C}(t)] \over R}=0} Kolmefaasilises süsteemis võib vaadelda faasipingeid U A {\displaystyle U_{A}} , U B {\displaystyle U_{B}} ja U C {\displaystyle U_{C}} neutraali suhtes ja liinipinged U A B = U A − U B {\displaystyle U_{AB}=U_{A}-U_{B}} , U B C = U B − U C {\displaystyle U_{BC}=U_{B}-U_{C}} ja U C A = U C − U A {\displaystyle U_{CA}=U_{C}-U_{A}} kahe juhtme vahel. Ka liinipinged moodustavad 120° võrra nihutatud kolmefaasilise süsteemi. Elektrivõrk Elektriliin Juhistikusüsteem] Alalisvooluühendus Jaotusvõrgud. (2007). / J. Kilter, M. Meldorf, H. Tammoja, Ü. Treufeldt. Tallinn: TTÜ Kirjastus. [alaline kõdulink] Fossiilsete kütuste energeetika. Energia tootmine ja ülekanne[alaline kõdulink], loengukonspekt ENE 2. köide, 1987 Elektrisüsteem Elering Elektrienergia ülekanne (22.11.2011) Mati Meldorf, Heiki Tammoja, Ülo Treufeldt, Jako Kilter. "Jaotusvõrgud". Tallinn: TTÜ Kirjastus, 2007. ISBN 978-9985-59-750-7