Den kraftoverføring er den massive bevegelse av elektrisk energi fra et produksjonssted, såsom et kraftverk , en transformator elektrisk . De sammenkoblede linjene som letter denne bevegelsen kalles overføringsnettverket. Dette er atskilt fra den lokale ledningen mellom høyspenningsstasjoner og kunder, som vanligvis kalles elektrisk kraftfordeling . Overføringsnettet og kombinert distribusjon er kjent som "kraftnettet" kraftsystem i Nord-Amerika, eller bare "nettet" nettverk. I Storbritannia, India, Malaysia og New Zealand er nettet kjent som "National Grid".
Et stort synkront område av nettet (DC voltage mesh network), også kjent som en sammenkobling i Nord-Amerika, kobler direkte et stort antall generatorer som leverer vekselstrøm (AC) med den samme frekvensen til et stort antall forbrukere. For eksempel er det fire store sammenkoblinger i Nord-Amerika ( Western Interconnection (in) , Eastern Interconnection , Québec Interconnection and Electric Reliability Council of Texas (en) (ERCOT)). I Europa kobles et stort nett til de fleste land på det kontinentale Europa (i) .
Historisk hører overføringslinjer og distribusjon til det samme selskapet, men fra 1990-tallet har mange land liberalisert (i) reguleringen av elektrisitetsmarkedet på en måte som førte til å skille aktivitetene for overføring av elektrisitet fra distribusjonsaktiviteter.
De fleste overføringslinjer er høyspent trefaset vekselstrøm (AC), selv om enfaset AC noen ganger brukes i jernbaneelektrifiseringssystemer . Teknologien for høyspennings likestrøm (engelsk High-voltage Direct-current - HVDC) brukes til større effektivitet over lange avstander (vanligvis hundrevis av kilometer). HVDC-teknologi brukes også i strømkabler under vann (in) (vanligvis lenger enn 50 km) og i utveksling av kraft mellom nettverk som ikke er synkronisert med hverandre. HVDC-koblinger brukes til å stabilisere distribusjonsnettene med høyt strømforbruk når nye plutselige belastninger eller strømbrudd i deler av nettverket kan resultere i synkroniseringsproblemer og feil i kaskade (in) .
Elektrisitet overføres ved høyspenning (115 kV eller mer) for å redusere tapet av energi som oppstår i langdistanseoverføring. Kraft overføres vanligvis over luftledninger . Den overføring av underjordiske energi har en betydelig høyere installasjonskostnader og større operasjonelle begrensninger, men reduserer vedlikeholdskostnadene. Underjordisk overføring brukes noen ganger i urbane områder eller miljøfølsomme steder.
Mangelen på elektrisk energilagring i overføringssystemer fører til en viss begrensning. Elektrisk energi må genereres i samme hastighet som den forbrukes. Det er behov for et sofistikert styringssystem for å sikre at kraftproduksjonen samsvarer veldig med etterspørselen. Hvis etterspørselen etter kraft overstiger forsyningen, kan ubalansen føre til at produksjonsanlegget og overføringsutstyr kobles ut automatisk eller stenges for å forhindre skade. I verste fall kan dette føre til en serie kaskadeavstengninger og en stor regionavbrudd (blackout). Eksempler inkluderer strømbrudd i det nordøstlige USA i 1965 , 1977 og 2003 , og store strømavbrudd i andre deler av USA i 1996 og 2011 . Kraftoverføringsnett er koblet sammen til regionale, nasjonale og til og med kontinentale nett for å redusere risikoen for en slik svikt ved å tilby flere overflødige og alternative veier som tillater strøm å strømme hvis slike stansinger skjer. Overføringsselskaper bestemmer maksimal pålitelig kapasitet for hver linje (vanligvis mindre enn dens fysiske eller termiske grense) for å sikre at tilgjengelig kapasitet er tilgjengelig i tilfelle feil i en annen del av nettverket.
Høyspenningsledere er ikke dekket av isolasjon. Det ledende materialet er nesten alltid en aluminiumslegering , laget i flere tråder og muligens forsterket med ståltråder. Kobber ble noen ganger brukt til overføring, men aluminium er lettere, gir litt redusert ytelse og koster mye mindre. Luftledere er en vare som leveres av flere selskaper over hele verden. Det er ledertverrsnitt som spenner fra 12 mm 2 (# 6 amerikansk trådmåler ) til 750 mm 2 (1 590 000 sirkulært milsareal), med variasjoner i motstand og kapasitans . På grunn av den nåværende begrensningen brukes flere parallelle kabler (kalt buntledere ) når mer kapasitans er nødvendig. Medfølgende ledere brukes også ved høy spenning for å redusere energitap forårsaket av koronautladning .
I dag er spenningene på nivået med elektriske overføringsnett generelt 110 kV og mer. Lavere spenninger, for eksempel 66 kV og 33 kV, anses generelt å være underoverføringsspenninger, men brukes noen ganger på lange linjer med lette belastninger. Spenninger under 33 kV brukes vanligvis til distribusjon. Spenninger over 765 kV regnes som ekstra høy spenning og krever forskjellige design sammenlignet med utstyr som brukes ved lavere spenninger.
Siden overføringstrådene er avhengig av luft for isolasjon, krever utformingen av disse linjene minimumsavstander for å opprettholde sikkerheten. Alvorlige værforhold, som sterk vind og lave temperaturer, kan føre til strømbrudd. Vindhastigheter på 23 knop (43 km / t) kan forårsake at ledere å foregripe på klaringer i drift, bevirker overslag brann og tap av tilførsel. Den fysiske linjens oscillerende bevegelse kan refereres til som galopp eller flagring avhengig av frekvensen og amplituden til oscillasjonen.
Elektrisk energi kan også overføres gjennom underjordiske kraftkabler i stedet for luftledninger. Underjordiske kabler opptar færre rettigheter enn luftledninger, har redusert sikt og er mindre påvirket av dårlig vær. Imidlertid er kostnadene ved isolert kabel og utgravning mye høyere enn kostnadene ved overliggende konstruksjoner. Det tar lengre tid å finne og reparere feil i nedgravde overføringslinjer. Underjordiske linjer er strengt begrenset av deres termiske kapasitet, noe som gir mulighet for mindre overbelastning eller omvurdering enn luftledninger. Lange underjordiske vekselstrømskabler har stor kapasitet , noe som kan redusere deres evne til å levere nyttig kraft til belastninger utover 80 kilometer. DC-kabler er ikke begrenset i lengde etter kapasitet.
I de tidlige dagene med kommersiell elektrisk kraft begrenset overføring av elektrisk energi med samme spenning som ble brukt av belysning og mekaniske belastninger avstanden mellom anlegget og forbrukerne. I 1882 var generasjonen med likestrøm (DC), som ikke lett kunne økes i spenning for langdistanseoverføring. Ulike lastekategorier (f.eks. Belysning, stasjonære motorer og trekk- / jernbanesystemer) krevde forskjellige spenninger og brukte derfor forskjellige generatorer og kretser.
På grunn av denne spesialiseringen av linjer og fordi overføringen var ineffektiv for høyspennings- til lavspenningskretser, måtte generatorer være nær belastningene. På den tiden så det ut som industrien kom til å bli det som nå kalles et distribuert generasjonssystem med et stort antall små generatorer i nærheten av lastene.
Overføring av elektrisk kraft til vekselstrøm (AC) ble mulig etter at Lucien Gaulard og John Dixon Gibbs bygde det som kalles den andre generatoren, en av de første transformatorene som ble levert med 1: 1 rotasjonsforhold og åpen magnetisk krets, i 1881.
Den første langdistansestrømlinjen var 34 kilometer lang, bygget for den internasjonale utstillingen 1884 i Torino , Italia. Den ble drevet av en Siemens & Halske 2000 V, 130 Hz generator og inneholdt flere Gaulard sekundære generatorer med primære viklinger seriekoblet, og drev glødelampene. Systemet har bevist muligheten for å overføre vekselstrøm over lange avstander.
En aller første AC-linje ble bestilt i 1885 på Via dei Cerchi, Roma, Italia, for gatebelysning. Den ble drevet av to Siemens & Halske 30 HK (22 kW), 2000 V ved 120 Hz generatorer og brukte 19 km kabler og 200 2000 V til 20 V trinntransformatorer koblet parallelt med en lukket magnetisk krets. for hver lampe. Noen måneder senere ble det fulgt av det første britiske vekselstrømssystemet, som ble bestilt ved Grosvenor Gallery, London. Den inneholdt også Siemens-generatorer og nedtrappede transformatorer fra 2400 V til 100 V - en per bruker - med shuntede primære tilkoblinger.
Arbeidet ut fra det han betraktet som en upraktisk Gaulard-Gibbs-design, elektroingeniør William Stanley Junior . utviklet det som regnes som den første praktiske serien AC-transformator i 1885. Arbeidet med støtte fra George Westinghouse , i 1886, installerte han et AC-belysningssystem i Great Barrington , Massachusetts . Drevet av en Siemens 500V dampmotorgenerator, ble spenningen senket til 100 volt ved hjelp av den nye Stanley-transformatoren for å drive glødelampene ved 23 selskaper langs Main Street med svært lite tap av strøm over 4000 fot. Denne praktiske demonstrasjonen av en vekselstrømstransformator og et belysningssystem ville gjøre at Westinghouse begynte å installere vekselstrømssystemer senere på året.
1888 så design for en fungerende vekselstrømsmotor , noe disse systemene hadde manglet til da. Dette var induksjonsmotorer som kjørte på flerfasestrøm , uavhengig oppfunnet av Galileo Ferraris og Nikola Tesla (med Teslas design lisensiert av Westinghouse i USA). Dette designet ble videreutviklet til den moderne praktiske trefaseformen av Mikhail Dolivo-Dobrovolski og Charles Eugene Lancelot Brown . Den praktiske bruken av disse typer motorer vil bli forsinket i mange år på grunn av utviklingsproblemer og mangel på flerfasekraftsystemene som kreves for å drive dem.
På slutten av 1880-tallet og tidlig på 1890-tallet ville mange små elektriske selskaper bli sammenslått i noen få store selskaper som Ganz og Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) i Europa og General Electric og Westinghouse Electric i USA. Disse selskapene fortsatte å utvikle vekselstrømssystemer, men den tekniske forskjellen mellom likestrøms- og vekselstrømssystemer ville følge en mye lengre teknisk sammenslåing. På grunn av innovasjon i USA og Europa, kombinerte stordriftsfordelen med vekselstrøm med veldig store kraftverk knyttet til belastninger via langdistanseoverføring sakte med muligheten til å koble sammen alle eksisterende systemer som måtte leveres. Disse inkluderte enfasede vekselstrømssystemer, flerfasede vekselstrømsystemer, glødebelysning med lav spenning, lysbelysning med høy spenning og eksisterende likestrømsmotorer i fabrikker og gatebiler. I det som var i ferd med å bli et universelt system ble disse teknologiske forskjellene foreløpig fylt av utviklingen av brytere og omformergrupper som gjorde det mulig å koble det store antallet eksisterende systemer til AC-nettet. Disse fyllstoffene vil sakte byttes ut når eldre systemer ble fjernet eller oppgradert.
Den første overføringen av enfaset vekselstrøm ved bruk av høyspenning fant sted i Oregon i 1890 da strøm ble levert fra et vannkraftverk ved Willamette Falls til byen Portland, 14 miles nedstrøms. Den første trefasede vekselstrøm ved bruk av høyspenning fant sted i 1891 på den internasjonale elektrisitetsmessen 1891 i Frankfurt. En 15.000 V overføringslinje, omtrent 175 km lang, går fra Lauffen til Frankfurt.
Spenninger som benyttes for elektrisk kraftoverføring økte gjennom XX th århundre. I 1914 var femtifem overføringssystemer som hver opererte på over 70.000 V i drift. Den høyeste spenningen som da ble brukt var 150.000 V. Ved å tillate sammenkobling av flere kraftverk over et stort område, ble produksjonskostnadene redusert. De mest effektive anleggene som er tilgjengelige, kan brukes til å drive de variable belastningene på dagtid. Påliteligheten ble forbedret og investeringskostnadene ble redusert, da standby-produksjonskapasitet kunne deles av et mye større antall kunder og et større geografisk område. Eksterne og lave energikilder, som vannkraft eller gruvekull, kan utnyttes for å redusere energiproduksjonskostnadene.
Den raske industrialiseringen av det 20. århundre gjorde kraftledninger og nett til en kritisk del av infrastrukturen i de fleste industrialiserte land. Sammenkoblingen av lokale produksjonsanlegg og små distribusjonsnettverk ble sterkt stimulert av kravene fra første verdenskrig , med store kraftverk bygget av regjeringer for å drive ammunisjonsfabrikker. Senere ble disse anleggene koblet til for å levere sivile laster via langdistanseoverføring.