duimnael|400px|Wêreldkaart wat die persentasie van die bevolking in elke land met toegang tot 'n hoofnetwerk toon (soos op 2017), 'n maatstaf van die omvang van elektrifisering. duimnael|400px|Wêreldkaart van netspanning en frekwensies, vereenvoudig duimnael|400px|Wêreldkaart van kragproppe en -aansluitings, vereenvoudig
Elektrisiteitsvoorsiening is die verskaffing van elektrisiteit aan gebruikers op plaaslike, streek- en nasionale vlakke. Dit bestaan uit die opwekking van elektrisiteit, die transmissie van elektrisiteit (meestal bogronds) via hoëspanningsnetwerke en die verspreiding vanaf substasies via transformators met ondergrondse laespanningskabels na die verdeelkaste, waarvandaan dit na die verbruiker gaan. Die distribusiekoste is die grootste van die totale koste, deels omdat dit moeilik is om die verwagte verbruik te beraam, wat meebring dat die distribusienet dikwels tussentyds aangepas moet word.
Naas die transmissienetwerk is daar ook 'n koppelnet waardeur die uitwisseling van energie tussen die kragsentrales of kragstasies onderling geskied. Ongeveer 93% van die elektrisiteit wat in Suid-Afrika verbruik word, word regstreeks of onregstreeks deur Eskom (voorheen die Elektrisiteitsvoorsieningskommissie) gelewer. In die meeste lande maak die verbruik van elektrisiteit net ’n klein deel van die totale energieverbruik uit. Tog is die invloed van elektrisiteitsvoorsiening baie groter as wat sy beskeie aandeel aandui. Dit word enersyds veroorsaak deur die groot beleggings in kragsentrales en transmissienette en andersyds deur die groot gerief vir die verbruiker. Die verbruik van elektrisiteit styg dan ook veel vinniger as die van ander energievorme, ondanks die hoër koste daarvan.
Elektrisiteitsvoorsiening het ook newe-invloede op die omgewing. Tydens die ontwikkeling van elektrisiteit word verbrandingsprodukte vrygestel, waarvan 'n groot deel in die atmosfeer beland. Verder kom daar via die koelwater groot hoeveelhede hitte vry, waardeur rivierwater of damwater, afhangende van waar die koeltorings opgerig is, ’n paar grade warmer kan word. Kernkragstasies skep probleme wat die veilige opslag van radioaktiewe afval betref. Daarbenewens word die ontsaglike hoëspanningsmaste en -netwerke deur baie mense as 'n hinderlike en ontsierende element in die landskap beskou. Indien die energieverbruik in die komende jare teen dieselfde tempo bly toeneem, sal die mens ook van ander energiebronne gebruik moet maak. Hier word gedink aan energie wat regstreeks benutbaar is (son- en windenergie ) en aan prosesse waardeur elektrisiteit direk ontwikkel kan word.
Historiese ontwikkeling Elektrisiteitsvoorsiening is aanvanklik as verbetering van straatverligting toegepas, wat toe nog met gas gewerk het. Elektrisiteit is eers net in die omgewing van die kragsentrale aan kafees, winkels en gegoede woonbuurte gelewer. Die eerste kragsentrale is onder leiding van Thomas Edison in 1882 in New York opgerig en het 'n klein wyk van die stad van elektrisiteit voorsien. Die ontwikkelde stroom was 'n gelykstroom met lae spanning, wat die transmissie-afstand beperk het. Nywerhede was dan ook genoodsaak om hulle eie stroom te ontwikkel. Omdat hulle meestal petroleum- of gasmotore of stoommasjiene gehad het, was die aansluiting van 'n generator aan die ratwerk baie eenvoudig. Met die koms van elektrisiteit is daartoe oorgegaan om masjiene met behulp van een groot elektriese motor en 'n omvangryke ratstelsel aan te dryf.
Deur die massaproduksie van klein elektriese motore kon die ontsaglike ratstelsels weggedoen word en kon elke masjien afsonderlik deur 'n elektromotor aangedryf word. Hierdeur het 'n mate van desentralisasie ontstaan en het kleiner nywerhede ook ’n kans gekry. Omstreeks 1910 het die ontwikkeling van die stoomturbine en die wisselstroomtegniek die ontwikkeling en transmissie van elektrisiteit op groot skaal moontlik gemaak, en ook die vervaardiging van elektrisiteitskabels het aan die gang gekom. Tot en met die Eerste Wêreldoorlog was elektrisiteitsvoorsiening net tot stede beperk. In talle gevalle is die ontwikkeling en verspreiding van elektrisiteit en gas deur die plaaslike owerhede behartig.
Transmissie Die elektriese stroom wat in die kragsentrale opgewek word, is wisselstroom met 'n frekwensie van 50 hertz (in Noord-Amerika 60), wat uit driefases bestaan. Die spanning is gewoonlik 3 000 tot 25 000 volt. Die spanning word deur middel van die sogenaamde verhogingstransformator tot by die vereiste transmissiespanning verhoog. Aanvanklik was dit nie hoër as 50 kV (50 000 volt) nie, maar later het 70, 110, 150, 220 en 380 kV (vir kernkragstasies) ook bygekom.
Transmissienet Die transmissie van elektrisiteit (oor die algemeen praat 'n mens van 'n transmissienet wanneer dit om die oorbring van relatief groot vermoëns gaan) geskied hoofsaaklik bogronds deur middel van oop of kaal drade wat aan hoëspanningsmaste gehang word. Omdat die spanning steeds hoër word, word hoër maste, langer kabelafstande en groter isolators vereis. Die oorspronklike kopergeleiers word nou deur hol aluminiumgeleiers met 'n staalkern vervang. Die maste is termies gegalvaniseer en het feitlik geen onderhoud nodig nie. Die langste afstand wat deur twee maste oorbrug word, is die 4,8 km breë Sogne-fjord in Noorweë. Die trekkrag wat by sulke afstande betrokke is, is geweldig hoog – ongeveer 50 000 kg per geleier. Die geleiers word deur sesvoudige isolatorkettings gedra.
By die kragstasie en by distribusiestasies, waar transformators opgestel is, word beskerming aangebring teen oorstroomgolwe wat deur atmosferiese (elektriese) ontladings en deur skakelmanipulasies veroorsaak kan word. Die beskerming bestaan uit oorslaghorings en oorstroomafleiers wat die inkomende oorstroomgolwe aflei of afvlak. 'n Probleem wat by bogrondse drade ondervind word en wat nog nie heeltemal uitgeskakel kon word nie, is die sogenaamde galoppering of meetrilling. Dit is 'n meganiese trilling wat deur resonansie versterk word en die kabel kan laat breek (resonansiebreuk).
By die transmissie van elektriese energie neem die energieverlies eweredig toe met die lengte van die geleier en met die kwadraat van die stroomsterkte. Vir transmissie oor groot afstande word daarom die hoogs moontlike spanning gebruik sodat die laags moontlike stroomsterkte by 'n konstante vermoë verkry kan word. In formulevorm:
Vermoë (P) =stroomsterkte (I) x spanning (V). By lae stroomsterktes is dus hoë spanning nodig.
Hoewel die transmissievermoë met die spanning toeneem, neem die koste en tegniese vereistes by hoë wisselspannings ook toe. Sommige deskundiges meen dat 1 500 kV die hoogste is wat bereik kan word. In Europa word spannings van 50, 70, 110, 150, 220 en 380 kV gebruik, en in Amerika 115, 138, 161. 230, 345, 500 en 765 kV. In Kanada en Brittanje is die hoogste spannings onderskeidelik 735 en 400 kV. Suid-Afrika gebruik tans spannings van 22 kV, 88 kV, 132 kV, 220 kV, 175 kV, 400 kV en 765 kV. Vir hoër spannings sou die gebruik van gelykstroom beter wees omdat die verlies minder is en minder geleiers nodig is. Die omskakeling van 'n wisselstroom wat in die kragsentrale ontwikkel word na ’n gelykstroom, en omgekeerd, bring egter geweldige koste mee.
Tussen die Columbiarivier in Oregon en Los Angeles is so 'n verbinding met ’n spanning van ± 400 kV en 'n transmissiekapasiteit van 1 440 MW. Die verbinding is 1362 km lank en is in 1969 opgerig. Ook in 1969 het die regering van Portugal en die Suid-Afrikaanse regering ooreengekom om 'n hidroëlektriese kragsentrale in die Zambezirivier in Mosambiek te ontwikkel. Die uiteinde was die Cabora Bassa-skema (ook bekend as Cahora Bassa) met 'n geïnstalleerde kapasiteit van 1 920 MW en ’n transmissielyn van 1400 km wat elektrisiteit na Suid-Afrika lei.
Verder is daar gelykstroomkabelverbindings tussen Denemarke en Swede, tussen Nieu-Brunswyk en Quebec (deur die Eelrivier in Kanada), tussen die Kettle Rapids-waterkragsentrale en Winnipeg (deur die Nelsonrivier) en tussen Vancouver en Vancouver-eiland (deur die Straat van Georgia). In Kasakstan in Rusland word 'n verbinding van ongeveer 750 kV met 'n lengte van 2400 km beplan. Die ingebruikneming van die halfgeleier mag die toevoer van gelykstroom in die toekoms meer uitvoerbaar maak.
Koppelnet Die koppelnet word gebruik vir die uitwisseling van energie tussen kragsentrales onderling. Voordat die koppelnet voltooi kan word, is daar egter soms al soveel distribusiestasies by die net aangesluit dat dit 'n transmissienet in plaas van 'n koppelnet geword het. Die vraag wat dan ontstaan, is of die koste van 'n afsonderlike koppelnet naas die van 'n transmissienet aangegaan moet word.
Afgesien van die planologiese besware ten opsigte van ruimtelike indeling en aanwending van die bodem, is die beswaar ook dat so 'n koppelnet 'n lae gebruiksgraad het omdat dit net vir uitwisseling en as 'n reserwe gebruik kan word. Wanneer aftakkings vanaf die koppelnet na die distribusiestasies gemaak word, kan die energie-uitwisseling tussen die sentrales as gevolg van die wisselende belading van die distribusiestasies nie behoorlik plaasvind nie. Dit bly dus 'n vraag of die voordele van die steeds groter kragstasies goed opweeg teen die stygende koste van koppel- en transmissienette.
Die koste van hierdie nette bedra reeds ongeveer 25 % van die totale koste van elektrisiteitsvoorsiening. Omdat transmissie- en koppellyne lewensbelangrik is, mag die lyn in geval van onderbrekings nie heeltemal afgeskakel word nie. Slegs die deel waar die onderbreking plaasgevind het, moet van die res geskei word. Dit vind plaas deur die sogenaamde distansiebeveiliging, wat uit 'n reeks stroombrekers bestaan wat vinniger uitskakel hoe nader die onderbreking aan die skakelaar is. Die stroomvoorsiening bly onaangeraak hierdeur, hoewel daar dikwels 'n kortstondige spanningsdaling ontstaan wat êrens 'n probleem kan veroorsaak.
Ondergrondse kabels Ondergrondse kabels met 'n spanning van 50 kV is reeds drie maal so duur soos bogrondse kabels met dieselfde spanning. By hoër spannings word die koste ongeveer 15 keer so hoog. Hoewel goeie ondervinding reeds met ondergrondse kabels van 50 kV opgedoen is, is die verdere gebruik daarvan nou gestaak omdat die transmissiespanning veel hoër geword het en dit die koste laat styg het. Dit het tot gevolg dat hoëspanningslyne van 110 of 150 kV ook vir kort afstande met lae spannings aangelê moes word, terwyl ondergrondse kabels van 50 kV juis in die gevalle teen 'n redelike koste gebruik kon word.
Afgesien van oliegevulde kabels word ook geëksperimenteer met gasgevulde kabels, diepverkoelde kabels en supergeleidende kabels. Daar word gebruik gemaak van die feit dat die weerstand van geleiers by lae temperature laag is. Omdat dit by gewone kabels al baie moeilik is om deur die kostegrens te breek, is dit moeilik om in te sien hoe dit by hierdie tegnies meer ingewikkelde tipe kabel moontlik kan wees. Daarom word die gedagte in die laaste tyd al hoe meer uitgespreek dat daar met die stelsel van die sentrale opwekking van groot elektriese vermoëns of hoë spannings op die verkeerde pad beweeg word.
Die oplossing sou miskien daarin lê om die brandstof na kleiner kragstasies of kragsentrales te vervoer wat by die verbruikersentra geleë is en wat deur die kombinasie van stadsverwarming, nywerhede, drinkwatervoorsiening en dies meer 'n hoër rendement kan hê. Die koste van die vervoer van gas is baie laag in vergelyking met dié van elektriese energie; daarenteen sal die koste vir die bediening van 'n groot aantal gekompliseerde kragsentrales baie hoog wees. In Suid-Afrika word die meeste kragsentrales egter op, of digby, steenkoolvelde opgerig. Die steenkool word dan direk met 'n vervoerband uit die myn na die kragsentrale vervoer, waardeur die vervoerkoste laag gehou word.
Distribusie