- Honzíkovy vláčky - http://www.honzikovyvlacky.cz -

K přenosu elektrické energie

[1]Nedávno jsem se zamýšlel nad stavbou „pravé venkovské trafostanice“ v modelovém měřítku. Inspirací mi byl obrázek, který jsem náhodně shlédl. Jak jsem tak hledal na internetu to, co už jsem dávno z dob studia průmyslovky zapomněl, narážel jsem na další souvislosti. Nejvíce mne přitom zajímala konstrukce sloupů a stožárů vysokého napětí (vn) a velmi vysokého napětí (vvn). Nakonec jsem si dal práci a z veřejných zdrojů sestavil seriál příspěvků vztahujících se zejm. k přenosu elektrické energie, které se mohou hodit dalším modelářům – ne-elektrikářům. Elektrikáře bych poprosil o event. doplnění či upozornění na nepřesnosti.

Úvod

  Myslím si totiž, že kdo na svém kolejišti používá elektrické lokomotivy, měl by přemýšlet o trafostanicích a měnírnách. Každý, kdo tam má vesničku, továrnu, pilu atd., by měl přemýšlet o trafostanici na sloupu nebo o věžových budovách trafostanic. Tedy jinými slovy, měl by uvažovat o modelovém provedení distribuční soustavy el. energie. Jak bude vysvětleno, jsou to rozvody menší jak 110 kV. Mimochodem, tyhle venkovské trafostanice jsou obvykle i hezké stavbičky, stejně jako kostelíčky, kapličky, hasičské zbrojnice, hospody atd. Naopak si myslím, že zabývat se myšlenkou stavět na kolejišti modely stožárů pro 220 nebo 400 kV je nadbytečné. I v měřítcích vychází tyto stožáry hodně vysoké.
  Přenos elektrické energie zajišťuje elektrická přenosová soustava (EPS). Je to systém různých zařízení. Nejedná se ale o všechny rozvody, nýbrž jen o rozvody v tzv. velkých měřítcích, tj. od elektráren k velkým rozvodnám, což se děje téměř výhradně nadzemním vedením velmi vysokého napětí (vvn). EPS zajišťuje přenosy na velké vzdálenosti a ve velkých objemech. Lze ji přirovnat k jakési „dálniční síti“.
  Distribuce elektrické energie od rozvoden k jednotlivým uživatelům (továrnám, domácnostem apod.) zajišťuje distribuční soustava (DS).
  V distribuční síti (vn) se běžně používají dřevěné a betonové sloupy, pro všechny ostatní rozvody se používají ocelové stožáry (k těm se vrátím v dalším pokračování). Jejich modelové ztvárnění je podle mne možné jen pomocí leptů. Lepty jsou však ideální i pro konstrukci konzol na vrcholu dřevěných a betonových sloupů.
  Jistým problém mohou být izolátory. V malých měřítcích (N, Z) jistě postačí kapička bílé barvy, ale i tak… Právě experimentuji se skleněnými kuličkami…

Výroba elektrické energie

  Elektrická energie se vyrábí v elektrárnách. K pohonu generátorů (alternátorů) se používá různých technických zařízení založených na přeměně energie z vody, atomu, fosilních paliv, ale i energie ze slunce či větru.
  Generátory v elektrárnách obvykle pracují se jmenovitým napětím pouze několika tisíc voltů. Při požadovaných výkonech v řádu stovek MW pak z alternátoru teče proud v řádu desítek tisíc ampérů. Vedení pro takové proudy by muselo mít extrémně velké průřezy vodičů, aby bylo schopno mechanicky odolávat působení značných magnetických sil. Vlivem činného odporu by na takovém vedení vznikaly velké úbytky napětí, přímo úměrné protékajícímu elektrickému proudu, které by při delších vedeních představovaly podstatné ztráty přenášeného výkonu.
  Pro přenos na velké vzdálenosti je proto výhodnější použít vyšší napětí, kdy je pro přenesení stejného výkonu možné používat menší proud. Kromě omezení ztrát je pak i realizace dálkových vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější.
  Napětí alternátorů se zvyšuje pomocí transformátorů, umístěných zpravidla přímo v elektrárně. Za přenosová napětí se obvykle považují hodnoty nad 110 kV, tedy 220, 400 kV; ve světě jsou provozována i vedení s napětím 750 kV i nad 1 MV.
  Přenosovou soustavu tvoří především soustava dlouhých nadzemních vedení velmi vysokého napětí (vvn). Dále pak kabely, transformátory, odpojovače, vypínače, bleskojistky, kompenzační prvky a systémy řízení a regulace sítě.
  Na konci přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční (rozvodné) sítě, o napěťové úrovni 110, 35, 22, 6 a 0,4 kV . Jednotlivé soustavy se liší.

Rozdělení a části přenosové soustavy

A. Podle funkce jednotlivých částí:

– elektrické výrobny (elektrárny ) – slouží k přeměně jakékoli energie na elektrickou;
– elektrické stanice – je to souhrn staveb a zařízení v uzlech elektrizační soustavy. Umožňují transformaci, rozvod se stejným napětím do několika směrů (spínací stanice), přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný nebo naopak, případně na proud o jiné frekvenci (měnírny), anebo kompenzaci jalových proudů;
– elektrické sítě – (přenosové a distribuční – viz výše); dále sem patří sítě průmyslové o napětí 22 kV, 10 kV, 6 kV a 0,4 kV. Sítím, které přivádí el. energii přímo do místa odběru se říká místní sítě a jejich napěťová úroveň je 0,4 kV;
– elektrická vedení – jsou základním prvkem sítě, spojují dva její body a tvoří je soubor vodičů, izolace a konstrukčních částí pro mechanické upevnění. Základní dělení je na venkovní – holá (na stožárech s izolátory) a kabelová (v zemi, na lávkách, na stožárech ).

B. Podle proudové soustavy se rozlišují:

– střídavá – v současné době nejrozšířenější;
– trakční soustavy – stejnosměrné a střídavé;
– stejnosměrná přenosová – slouží pro přenosy na dlouhé vzdálenosti (v ČR se nevyskytují).

Poznámka ke stejnosměrnému přenosu
Výhody: Vlastní vedení je levnější – pro stejnou velikost napětí je menší izolace a jsou jen dva vodiče. Nevyskytuje se kapacitní proud (vyjma přechodných dějů). Lze propojit soustavy o různém kmitočtu a kvalitě.
Nevýhody: Nákladné střídačové a usměrňovací stanice, obtížné zapojení odbočky na vedení, rušení slaboproudých zařízení, nutnost výroby jalového výkonu v místě spotřeby.

C. Podle spojení uzlu se zemí:

Izolovaná síť
Síť s izolovaným uzlem se používá v dolech a hutích, pro vyšší spolehlivost dodávky. Uzel vinutí travéru není spojen se zemí. Dojde-li ke spojení jedné fáze s potenciálem země napětí uzlu vzroste vůči zemi na fázovou hodnotu a napětí „zdravých“ fází bude mít hodnotu sdruženého. Síť lze v tomto stavu provozovat bez problémů, ale jen dočasně, protože v případě spojení fáze druhé se zemí, jde už o dvoupólový zkrat a ten musí být vypnut. Místem spojení u rozsáhlejších sítí teče kapacitní proud dochází k jiskření, vzniku přepětí, a rušení sdělovacích zařízení.

Účinně uzemněná síť
Síť takto uzemněná se používá u napěťových úrovní 110, 220, 400 kV a u sítí nn 0,4kV. V případě spojení fáze se zemí musí dojít k vypnutí – ochrana před nebezpečným dotykovým napětím v sítích nn.

Neúčinně uzemněná síť (Petersonova cívka)
Mezi uzel a zem se vloží tlumivka – Petersonova cívka nebo činný odpor nebo transformátor (Bauchův). Reaktanční prvky se nastaví tak, aby v případě spojení fáze se zemí kompenzovaly kapacitní proudy v místě zkratu. Místem zemního spojení teče jen zbytkový proud, přepětí nevzniká a rušení je minimální. Jinak zapojení zachovává vlastnosti sítě izolované. Takto jsou provedeny distribuční sítě vn (22, 35 kV).

Přenosová soustava v Česku

  Přenosovou soustavu v České republice provozuje státní společnost ČEPS, a. s. Páteřní síť tvoří vedení vvn 400 kV, 220 kV, vybraná vedení 110 kV a třicet transformačních stanic. Mezinárodně je naše síť šestnácti vedeními propojena se sítěmi dalších členů UCTE (Evropské sdružení provozovatelů přenosových soustav).
  EPP musí být cílevědomě řízena. Cílem řízení sítě je udržení konstantních standardních parametrů dodávané energie (především dodržení jmenovité frekvence, která je v Evropě 50 Hz, a jmenovitého napětí) a samozřejmě nepřerušená dodávka energie ke spotřebiteli.
  Elektrická energie je výjimečná tím, že je v celé síti nutné zajistit rovnováhu mezi její okamžitou výrobou a spotřebou. Elektrickou energii totiž nelze nijak skladovat (náhradou skladů jsou záložní nebo přečerpávací elektrárny).
  V blízké budoucnosti se očekává výraznější rozvoj využití stejnosměrných soustav, které eliminují kapacitní ztráty, a pro stejný přenášený výkon zabírají vedení menší prostor. Ve vzdálenější budoucnosti by se při přenosu elektrické energie mohla uplatnit supravodivá vedení, jejichž vývoj již intenzivně probíhá.

Zdroj:
Wikipedia.org, otevřená encyklopedie [2]
dále http://www.picha.wz.cz/skripta/Elektroenergetika%20I.pdf [3]

(Omlouvám se autorům, z jejichž statí jsem čerpal, ale v internetových odkazech jsem nedohledal jejich jména. Pokud se mi ozvou, rád jejich jména zveřejním. I tak jim děkuji za jimi zpracované texty.)

Sestavil hlav, 6. 6. 2010