ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY

V prvních letech našeho století nebyla rozvodná síť zdaleka tak hustá, jako je nyní. První elektrárny spolu s několika málo kilometry rozvodů tvořily spíš jen nevelké ostrůvky elektrizace. Postupně se ale stavěly stále výkonnější elektrárny, které se začaly propojovat elektrickými vedeními do spolupracujících soustav. S tím, jak rostla výroba elektrické energie a postupovala elektrifikace, začaly se po druhé světové válce vzájemně propojovat i sítě jednotlivých států.

Dělo se tak po celém světě, na všech kontinentech. V Evropě naneštěstí díky "železné oponě" vznikly soustavy dvě. Západoevropské země spolu se Skandinávií měly svou soustavu, země tzv. "socialistického bloku" druhou. Naše uhelné velkoelektrárny pod Krušnými horami byly propojeny s rozvodnami bývalé NDR a dodávaly tak energii do mamutích továren u Karl-MarxStadtu, dnešního Chemnitz. Velké uhelné elektrárny u polských hranic zase zásobovaly energií pohraniční oblasti Polska a Poláci nám vraceli elektřinu z elektráren v oblasti Katovic pro Ostravu a západní Slovensko. Tento systém umožnil zkrátit přenosy elektrické energie a tím výrazně snížit ztráty ve vedení. Soustava byla založena v roce 1963 a dostala název MIR. Později se tato soustava řízená z pražského dispečinku napojila v Mukačevu ještě na ukrajinskou elektroenergetickou síť Sovětského svazu a na Maďarsko, které bylo ještě připojeno na Rumunsko a dále Bulharsko.

     Přenosová síť 400 a 220 kV České republiky (k 1.1. 1995).

Propojení soustav

Západoevropská síť Svazu pro koordinaci výroby a rozvodu elektrické energie UCPTE propojuje nejrůznější velké elektrárny nejen na kontinentu, ale podmořskými výkonovými kabely po dnu kanálu La Manche je spojena i s Velkou Británii. Samozřejmě, že by bylo ideální spojit obě soustavy a tak využívat levného nočního proudu na územích, kde právě začíná ranní nebo večerní špička. Problém je v tom, že se obě soustavy liší rozdílnými metodikami a technickými prostředky regulace kmitočtu, a tudíž každá pulzuje jiným tepem. Od konce padesátých let se v malém začalo s výměnou energie s Rakouskem tzv. vyděleným provozem.

Transformátory.

Rakousko nám dodávalo přebytečnou energii z vodních elektráren v letních měsících, kdy tají ledovce v Alpách, my ji zase vraceli z uhelných elektráren v Opatovicích, Dětmarovicích či Hodoníně. Později byly obě soustavy propojeny přes tzv. stejnosměrnou spojku. V Rakousku se střídavý proud s naším kmitočtem usměrňuje pomocí polovodičů, po několika metrech se opět pomocí polovodičů mění na střídavý, ale již o rakouském pilotním kmitočtu. Obě soustavy tak mohou působit nezávisle na sobě. Porucha jedné neohrožuje druhou a převáděný výkon lze okamžitě libovolně měnit. Po sjednocení Německa a pádu komunismu se urychlily práce na vybudování dalšího propojení naší soustavy se soustavou UCPTE. Byla postavena nová měnírna v bavorském Etzenrichtu a vedení o napětí 400 kV (400 tisíc voltů) propojující obě soustavy mezi bavorským Weidenem a naším Rozvadovem. Dříve jsme se mohli k západoevropskému systému rozvodu elektrické energie připojit pouze přes stejnosměrné spojky. K přímému propojení došlo dne 18. 10. 1995 po splnění mnoha technických podmínek provozu elektrizační soustavy a změny principu regulace turbín v elektrárnách.
Zajímavé je, že principu propojení dvou elektrizačních soustav přes stejnosměrnou spojku využil i jeden stát. V Japonsku pracuje totiž východní část s frekvencí 50 Hz, zbývající část s frekvencí 60 Hz. I zde se oba systémy propojily ve stanici, v níž se proud usměrní a ve střídači opět převede na střídavý proud požadované frekvence, takže obě soustavy jsou vlastně propojeny stejnosměrným vedením "nulové délky".

Elektrická vedení

Síť elektrického vedení má u nás dvojí úkol. Za prvé je to propojení všech velkých vodních, tepelných a jaderných elektráren a přeprava velkých energetických výkonů přenosovou soustavou o napětí 400 kV a 220 kV do napájecích uzlů, a za druhé přeprava elektrické energie po ztransformování na nižší napětí 110 kV nebo 22 kV distribuční soustavou k odběratelům, tedy do továren a měst. Tam pak distribuční transformační stanice sníží napětí na 3 x 380/220 V - to je již napětí, které běžně používáme.
Naše republika je doslova sešněrována sítí elektrického vedení, vždyť délka linky o napětí 400 kV dosahuje přes 3 000 kilometrů a síť vedení 220 kV měří kolem 2 000 kilometrů. Zmínili jsme se již, že pod lamanšským průlivem je energie vedena podmořským kabelem. Každý z vás se jistě už také setkal s vedením elektrické energie pomocí vodičů umístěných na vysokých stožárech. Povězme si tedy o elektrickém vedení něco bližšího.
Elektrická vedení mohou být konstruována v různém provedení. Tato vedení se liší především způsobem izolace: venkovní vedení, kabelové, zapouzdřené s plynovou izolací či kryogenní, využívající supravodivosti některých látek. Tak lze transportovat elektrickou energii s napětím i přes 1000 kV. Volbu správného typu vedení ovlivňuje řada faktorů. Jsou to jednak elektrické veličiny, jako je velikost napětí, přenášený proud (výkon), úbytek napětí (výkonu), zkratové proudy apod. Dále se musí přihlédnout k otázkám konstrukčním a v neposlední řadě k ekonomickým a ekologickým podmínkám. Často musí ustoupit ekonomie požadavkům urbanistů, tedy odborníků zabývajících se architekturou měst, a místo lacinějších venkovních vedení projektovat podstatně dražší způsoby přenosu, například kabelové.

Venkovní vedení

Venkovní vedení musí čelit nepřízni počasí - větru, námrazám či bouřkám. Jako vodiče se proto užívají jednoduché kulaté bronzové vodiče do průřezu 25 mm2 nebo lana. Soustředná lana mají v ose duši, drát a určitý počet drátů stejného průřezu, které duši obklopují. Kombinovaná lana se skládají z různých drátů. Běžná jsou ocelohliníková lana Al-Fe. Za vlhka se na povrchu lan, která mají relativně malý průměr k provozovanému napětí, objevuje tzv. korona. Projevuje se sršícími drobnými výboji, které ruší příjem rozhlasu a televize a zvyšují ztráty ve vedení. Proto se pro vedení o napětí 4000 kV a vyšším používají tzv. svazkové vodiče. Pro každou fázi se vedou dvě, tři nebo čtyři lana, jejichž souběžnost zajišťují pevné rozpěrky. Svazkové vodiče mohou být použity i pro zvětšení přenášeného proudu. Průhyby lan a tahy na stožáry se dají přesně vypočítat. Křivka, kterou vytváří vodič napnutý mezi dva závěsné body, se nazývá řetězovka. Z jejího matematického modelu se vychází při projektování vzdálenosti stožárů.

Izolátory

Vodiče jsou na stožárech upevněny pomocí izolátorů. Ty mohou být jednak podpěrné, jednak závěsné, tvořené buď řetězci čapkových (talířových) izolátorů, nebo dříkovými tyčovými izolátory. Konce izolátorů jsou vybaveny speciálními svorkami vytvořenými tak, aby se vodiče ani izolátory při poryvech větru nepoškodily. Izolátory musí odolávat rovněž velkému mechanickému zatížení, způsobenému těžkými svazky a v zimě námrazou, ale také přepětím ve vedení, které nastává při jeho spínání či rozpojování nebo při úderu blesku. Jako materiál se používá porcelán, v poslední době často i sklo. Při volbě izolátorů se musí brát v úvahu místo a vlastnosti okolí a podle potřeby zvětšit izolační schopnosti zvýšeným počtem talířů nebo dříků, v obzvláště exponovaných místech i zajistit jejich čistění.

Delta izolátory a řetězec izolátorů

 

 

 

Stožáry

V krajině nejviditelnějším zařízením rozvodné sítě jsou vysoké stožáry. Jejich vývoj stále pokračuje. Starší typy jsou jednodušší - nazývají se podle toho, co připomínají: Jedle, Soudek, Portál (tomu se vyčítá, že zabírá příliš mnoho místa). Novější typy jsou složitější: Delta, Kočka, Donau.

Vršek stožárů nese slabší zemnící vodiče, představující velmi účinnou ochranu proti bleskům, které svedou do země. Uspořádání stožárů a jejich konstrukce zaručují, že se ani při nejsilnější vichřici nepřiblíží svazky k sobě, k zemi či ke stožáru. Čím jsou stožáry vyšší, tím mohou být od sebe více vzdáleny. Rozestup stožárů typu Donau může být při vhodném terénu až půl kilometru. Vedle nosných stožárů tvoří síť i stožáry výztužné, které se nesmí zhroutit, ani kdyby se lana na jedné straně přetrhla a na jejich ramena působila obrovská síla prověšeného vedení z druhé strany. Stožáry jsou vyráběny z oceli Corten nebo Atmofix, na jejímž povrchu se působením atmosférické vlhkosti vytvoří tenká vrstvička koroze, která pak chrání materiál stožáru lépe než nějaký nátěr.

Transformátory mění střídavý proud o určitém napětí na střídavý proud o jiném napětí.
Mohou jej zvyšovat, stejně tak i snižovat.

Transformátory

Z velmi vysokého napětí je třeba elektrickou energii transformovat na napětí nižší. Tento proces se odehrává v transformačních stanicích, které tvoří spojovací článek mezi přenosovou a distribuční soustavou. Hlavní distribuční sítě mají převážně napětí 110 kV, další úroveň tvoří sítě 22 kV. V některých lokalitách dožívají sítě 35 kV a 10 kV. Kromě elektrické energie přenáší venkovní vedení a ve městech i kabely současně signály hromadného dálkového ovládání. Díky polovodičům lze vysílat do distribuční sítě kódované impulzové signály, kterými je možno ovládat zapínání a vypínání nejrůznějších spotřebičů, například akumulačních kamen či bojlerů.


Kabely

Kabelová vedení se používají v obytných aglomeracích, v areálech průmyslových závodů a v budovách. Podle počtu žil jsou kabely jednožilové, trojžilové, čtyřžilové a vícežilové. Jednožilové se používají zejména v silových obvodech vysokého a velmi vysokého napětí, kde lze ze tří kabelů vytvořit trojfázovou skupinu s oddělenými fázemi. Trojžilové kabely se používají převážně u vysokého napětí, podobně jako čtyřžilové, u nichž je navíc vyveden nulový vodič. Podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, se kabely dělí na měděné, používané pro řídící obvody nízkého napětí a u silových kabelů velmi vysokého napětí, a kabely hliníkové, používané v silových obvodech vysokého a nízkého napětí.

Stanice

Elektrický rozvod tvoří elektrické sítě různého napětí, jejichž součástí jsou vedle vedení, tedy vodičů a stožárů, i stanice. Ty se dělí na transformovny, ve kterých se napětí mění na jiné a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, dále na spínací stanice, z nichž se rozvádí elektrická energie při tomtéž napětí, a konečně měnírny pro usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, nejčastěji pro potřeby napájení stejnosměrných trakčních vozidel, tedy lokomotiv a tramvají. Podle velikosti a způsobu provozu mohou být stanice velké, střední a malé, s obsluhou nebo bezobslužné. Podstatnou částí velkých transformačních, spínacích a usměrňovacích stanic jsou rozvodny, u menších stanic jsou to rozváděče, zatímco malé rozvodnice jsou pro rozvod elektrického proudu obvykle u odběratelů.

Zapouzdřená rozvodna - Chodov.

Rozvodny jsou, jak název napovídá, rozvodná zařízení pro přivádění a odvádění elektrické energie téhož napětí a jsou technickými celky se samostatnou budovou nebo prostorem. Jejich elektrickou část tvoří hlavně vodiče, izolátory, přístroje spínací, ochranné, řídicí a návěštní. Kryté rozvodny v budovách se používají zpravidla pro napětí do 35 kV venkovní jsou obvyklé pro velmi vysoké napětí.
Velikost rozvodných stanic je určena především napětím rozvodných zařízení, počtem odboček v rozvodných zařízeních, rozváděným výkonem, počtem a výkonem transformátorů apod. Transformovny pro velké závody i ty, které slouží veřejnému rozvodu elektrické energie, se od sebe příliš neliší. Jejich součástí je ale vždy zařízení pro měření odebrané energie, ve velkých transformovnách na straně vysokého napětí, v malých a středních transformovnách z vysokého na nízké napětí do 1000 kVA se může odebraná energie měřit na straně nízkého napětí.

Ochrana sítí

Všechny uvedené části elektrizační soustavy jsou silovými články, které vyrábějí, přeměňují a rozdělují požadovanou elektrickou energii. Tato soustava však musí obsahovat i články řídicí, které ji regulují. Všechny články jsou vzájemně svázány jak v ustáleném chodu (množství a parametry vyrobené a rozváděné elektrické energie musí odpovídat její okamžité spotřebě), tak i při vznikajících přechodových jevech. Vedle normálního bezporuchového chodu se může vyskytnout i havarijní provoz, který vznikne náhlým odepnutím jednoho nebo více článků soustavy, přičemž soustava může dále pracovat s některými technickými a ekonomickými omezeními. Přechodné jevy jsou pak ty, při nichž soustava přechází z jednoho ustáleného stavu do druhého ustáleného stavu. Normální přechodové jevy vznikají při obvyklém provozu jako následek běžných změn při vypnutí nebo zapnutí transformátorů, manipulace při vypínání a zapínání vedení, alternátorů a změnách zatížení ze strany spotřeby.

Přechodové jevy mohou vzniknout i při úderech blesku s následným vypnutím části soustavy, nebo při poruše izolace vodičů, kdy vznikají nejčastější poruchy - zkraty.
Samozřejmě, že zařízení musí dokázat odolat všem druhům zkratů a poruch. Bezporuchový chod celé soustavy mají na starosti velice nákladné a složité ochranné systémy. Jednotlivé části těchto systémů jsou u starších zařízení složeny z elektromechanických relé, u nových se již plně uplatňují polovodiče a počítače. Jejich úkolem je omezit (např. při zkratech) následky vzniklých poruch, nebo jim předcházet (např. při přetížení).
Ochrana musí provést vypnutí postiženého úseku a současně poruchu signalizovat obsluze.