Elektrienergia ülekanne

Elektrienergia ülekanne on elektri viimine elektrijaamadest kõrgepingeülekandevõrkude kaudu tarbijate lähedale ning edasine jaotamine keskpingejaotusvõrkude ja madalpingejaotusvõrkude kaudu.

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 kõrgepinget; tarbijale lähenemisel pinget järjest alandatakse.

Elektri ülekanne ja jaotamine

Elektrienergiat toodetakse, edastatakse ja tarbitakse tänapäeval suurtes ühtse tervikuna toimivates ühendelektrisüsteemides. Süsteemi osade ja elementide vahel on tihe side. Energiasüsteem on elektrijaamade, elektrivõrkude ja elektritarbijate ühendus, kuhu lisanduvad elektrijaamadega seotud soojusvõrgud ja -tarbijad. Energiasüsteemi elektriline osa on elektrisüsteem ning väga olulise osa sellest moodustab elektrivõrk.

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 talituskarakteristikud. Kõige üldisemalt võib elektrivõrke jaotada madal- ja kõrgepingevõrkudeks. Kõrgepingevõrgud jaotatakse omakorda keskpingevõrkudeks, kõrgepingevõrkudeks ja ülipingevõrkudeks. Eestis on ülipingevõrgud pingega 330 kV, keskpingevõrgud 3–35 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 (joonis 1).

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 kaudu Estlink 2, 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.

Võimusust saab üle kanda ilma lisaseadmeteta kuni 500 km kaugusele. Tänapäeval on lisaseadmetena kasutusel staatilised türistorjuhitavad kompenseerimisseadmed. Need seadmed koosnevad türistorjuhitavatest kondensaatorpatareidest ja reaktoritest. Türistorjuhitavad kompenseerimisseadmed toimivad nii püsi- kui ka siirdetalituses, kindlustades süsteemi stabiilsuse.

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 vahelduvvooluliinidel, kuid nad nõuavad mõlemas otsas kalleid alajaamu. Alalisvooluliine või vahelülisid on vaja, et ühendamaks mittesünkroonselt talitlevaid elektrisüsteeme ning samuti on alalisvool vajalik pikkade (nt merealuste) kaabelliinide korral, kus vahelduvvoolu pole kaablite suurte mahutavuse tõttu võimalik kasutada. Võrreldes vahelduvvooluga, on kõrge alalispinge süsteemi (pikkadel vahemaadel) kaod väiksemad, olenevalt pingest ja ehitusest, võivad kaod olla 3% 1000 km kohta.

Energiakaod
Elektrienergia ülekandel kasutatakse nende kohta enamasti energiakao mõistet. Täiesti olematuks energiakadusid vähendada ei saa.

Elektrienergia ülekandel juhtmete (elektrienergia ülekandeliinide) kaudu elektrivoolu näol on põhiküsimuseks juhtmetes kaduma mineva energiahulga vähendamine. Vastavalt Joule'i-Lenzi seadusele muutub elektrienergia ülekandeliinide juhtmetes osa ülekantavast elektrienergiast soojuseks võrdeliselt liini juhtmete elektrilise takistusega ja juhet läbiva voolu ruuduga. Seega voolutugevuse vähenedes 2 korda, väheneb soojuskadu voolu ülekandel 4 korda. Eelnevast lähtub, et elektrivoolu on efektiivsem üle kanda kõrgel pingel.

Joule'i-Lenzi seaduse kohaselt eraldub juhis elektrivoolu toimel soojushulk
,
kus I on voolutugevus, R on juhi takistus ja t on aeg.

Siit tuleneb kaks võimalust selle kaduma mineva energiakoguse vähendamiseks: 
1) vähendada juhtmete elektrilist takistust
2) vähendada juhet läbiva voolu tugevust.

Juhtme takistuse vähendamiseks kasutatakse juhtme materjalidena võimalikult väikese eritakistusega metalle – vaske või alumiiniumi. Teiseks teeks juhtme takistuse vähendamiseks on juhtme ristlõikepinna suurendamine ehk jämedama juhtme kasutamine.

Märksa efektiivsem elektrienergia ülekandeliinides kaduma mineva energia koguse vähendamiseks on voolutugevuse vähendamine. 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 on selline viis energiakadude vähendamiseks eriti tõhus. Seepärast kasutatakse elektrienergia ülekandmisel tarbijapingest tunduvalt kõrgemaid pingeid.

Tänapäeva energeetika arengu taseme juures jääb energiakadu põhivõrgus 2–3% tasemele.

Kolmefaasiline süsteem

Kolmefaasilist vahelduvvoolusüsteemi kasutatakse elektrijõumasinates 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 väga lihtsaid elektrimasinaid.

Kolmefaasiline süsteem tekib, kui generaatori staatorile paigutada kolm üksteise suhtes 120° võrra nihutatud mähist. Generaatoris pöörlev rootor (elektromagnet) kiirusega w=ω/2π=50 pööret sekundis, tagamaks 50 Hz sagedust. Pöörlev rootor indutseerib faasimähistes elektromotoorjõud, mis on ajas nihutatud 2π/3=120° võrra.

Võrrandid

defineerivad sümmeetrilise kolmefaasilise süsteemi faasijärgnevusega A-B-C. 

Kolmefaasilises süsteemis on elektromotoorjõudude summa igal hetkel null 
,
sest trigonomeetriliselt 
.
See asjaolu võimaldab kolme faasi voolu üle kanda vaid kolme juhtme kaudu, kusjuures vool võimalikus neutraaljuhtmes puudub . Tõepoolest, kuna
,
siis

Kolmefaasilises süsteemis võib vaadelda faasipingeid , ja  neutraali suhtes ja liinipinged , ja  kahe juhtme vahel.

Geomeetria põhjal on selge, et liini- ja faasipinge moodulite  ja  suhe on 
. Ka liinipinged moodustavad 120° võrra nihutatud kolmefaasilise süsteemi.

Viited

Kirjandus
 Jaotusvõrgud. (2007). / J. Kilter, M. Meldorf, H. Tammoja, Ü. Treufeldt. Tallinn: TTÜ Kirjastus. ISBN 978-9985-59-750-7

Elektrotehnika