UŽITÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE

Transkript

1 STŘEDNÍ ŠKOLA ELEKTROTECHNCKÁ, OSTRAVA, NA JÍZDÁRNĚ 30, p. o. UŽTÍ ELEKTRCKÉ ENERGE ng. Petr VAVŘŇÁK vydání

2 OBSAH. VÝROBA ELEKTRCKÉ ENERGE Základní pojmy Elektrizační soustava Diagram denního zatížení Bilance výroby a spotřeby el. en Energetické zdroje Tepelné elektrárny Technologické části tepelných elektráren Turbíny a turboalternátory Kondenzační elektrárna Teplárna Plynová elektrárna Paroplynová elektrárna Jaderné elektrárny Jaderný reaktor Štěpení jádra a fúze Vodní elektrárny Rozdělení vodních elektráren Turbíny vodních elektráren Sluneční elektrárny Fotovoltaické elektrárny Sluneční elektrárna věžová Sluneční elektrárna parková Solární kolektor Palivový článek Větrné elektrárny Další alternativní elektrárny Mořské elektrárny Geotermální energie Elektrárny na biomasu Magnetohydrodynamické generátory (MHD) ELEKTRCKÉ ROZVODNÉ SÍTĚ Požadavky kladené na elektrické sítě Dělení elektrických sítí Elektrické parametry vedení Přirozený výkon vedení, vlnová impedance Výpočet elektrických sítí nn a vn Dimenzování vodičů Výpočet ss sítí... 5

3 .5.3. Výpočet st sítí nn a vn Výpočet st sítí vvn Problémy přenosu el. en Poruchové stavy na vedení Zkraty Zemní spojení Přepětí Rozvodny a transformovny Rozdělení, typy elektrických stanic Stavební provedení elektrických stanic Transformovny Proximita transormoven Pomocná zařízení rozvoden Připojení objektu k síti dodavatele elektrické energie Podmínky pro připojení k sítím Připojení objektu k síti dodavatele elektřiny ELEKTRCKÝ OHŘEV A CHLAZENÍ Základní veličiny a jednotky tepla Elektrické zdroje tepla Šíření tepla Elektrotepelná technika v domácnostech Tepelné spotřebiče na vaření Tepelné spotřebiče pro výhřev místností Tepelné spotřebiče na ohřev teplé užitkové vody Ostatní tepelné spotřebiče pro domácnosti Elektrotepelná technika v průmyslu Elektrické pece v průmyslu Elektrické svařování ndukční ohřev Dielektrický ohřev Elektrické chlazení a klimatizace Kompresorové chlazení Absorbční chlazení Peltierovo chlazení Klimatizace Tepelná čerpadla ELEKTRCKÉ SVĚTLO A OSVĚTLENÍ Rozdělení elektromagnetických vln, rozdělení světelného spektra Veličiny a jednotky světla Elektrické zdroje světla Označování světelných zdrojů energetickými štítky...

4 4.3.. Žárové zdroje světla Výbojové zdroje světla Polovodičové zdroje světla LED dioda Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů Osvětlovací technika Světelně technické parametry svítidel Výpočet osvětlení Tokové metody Bodové metody ELEKTRCKÉ POHONY Základní veličiny pohybu a vztahy mezi nimi Pohybové stavy Rozběh a zrychlování Chod ustálenou rychlostí Zpomalování a zastavení Definice elektrického pohonu Výhody a nevýhody elektrických pohonů Výhody elektropohonu Nevýhody elektropohonu Srovnání stejnosměrných a střídavých pohonů (výhody a nevýhody) Druhy poháněných (mechanismů) Mechanická (zatěžovací) charakteristika pracovních strojů Statická stabilita pohonů Druhy zatížení Volba velikosti motorů Volba motoru pro trvalé zatížení Volba motoru pro přerušované zatížení Volba motoru pro krátkodobé zatížení ELEKTRCKÁ VÝZBROJ MOTOROVÝCH VOZDEL Zdroje elektrické energie ve vozidle Alternátory Akumulátory Spotřebiče elektrické energie ve vozidle Spouštěče Zapalování... 55

5 . VÝROBA ELEKTRCKÉ ENERGE.. Základní pojmy... Elektrizační soustava Je složena z části výrobní, tedy elektráren všeho druhu, dále z přenosné a rozvodné soustavy a ze spotřebičů el. en. Přenosové soustavy slouží k přenosu velkých výkonů mezi hlavními uzly elektrizační soustavy. Rozvodné soustavy mají za úkol rozdělit el. en. z napájecích uzlů do jednotlivých skupin nebo oblastí spotřebičů (popř. k jednotlivým spotřebičům). Veřejné rozvodné soustavy slouží k napájení oblastí terciální sféry (byty) a jsou z nich napájeny i rozvodné sítě průmyslové, zemědělské a dopravní. El. soustava i každá její část musí nejvhodnějším způsobem plnit tyto požadavky: a) zajišťovat dostatečnou, spolehlivou a kvalitní dodávku el. en. spotřebitelům b) pracovat s velkou účinností c) výrazně snižovat pracnost prací v provozu a údržbě soustavy d) zajišťovat bezpečnost osob e) zabraňovat nepříznivým vlivům soustavy na okolí (na životní prostředí) f) využívat odpadního tepla g) umožňovat řízení odběru el. en. h) být materiálově nenáročná... Diagram denního zatížení Je to závislost okamžitého výkonu na čase Z diagramu denního zatížení lze zjistit tyto hodnoty: Maximální zatížení P max je to maximální zatížení za sledované období a je určeno nejvyšší okamžitou hodnotou. Minimální zatížení P min Základní zatížení P zákl Střední zatížení P stř je to minimální zatížení za sledované období a je určeno nejnižší okamžitou hodnotou. je to výkon, který dodávají základní elektrárny, leží pod minimálním zatížením. je to trvalé zatížení odpovídající zatížení, při kterém by zařízení dosáhlo za celé sledované období téže práce jako podle průběhu diagramu denního zatížení. P stř = W / T. 6

6 P zákl. Pmin. Pstř. Pmax. P [MW] t [hod] Pološpičkové zatížení je to část zatížení nacházející se mezi základním zatížením a zatížením středním. Špičkové zatížení je to zatížení nad středním zatížením. Čtvrthodinové maximum největší zatížení trvající 5 minut Doba využití maxima je to doba ve které se při maximálním zatížení vyrábí stejná el. en. jako při proměnlivém zatížením za zkoumané období T ( se zároveň dá určit jako strana obdélníka o ploše odpovídající vykonané práci W a jehož druhou stranou je maximální zatížení P max ) Zatěžovatel je to poměr středního a maximálního výkonu nebo poměr doby využití maxima a celkové doby zkoumaného období P stř P max T Energetický rok Základní elektrárny trvá hodin kryjí spotřebu elektrické energie danou základním zatížením, doba využití maxima je u nich víc jak 6000 hodin za rok. Patří sem jaderné, velké tepelné a průtočné elektrárny. 7

7 Pološpičkové elektrárny kryjí spotřebu danou střední částí diagramu zatížení, doba využití maxima je u nich až 4500 hodin za rok. Jedná se o tepelné elektrárny na dovážené palivo a vodní elektrárny s denní akumulací. Špičkové elektrárny pracují ve špičkové části diagramu denního zatížení, doba využití maxima je u nich až 500 hodin za rok. Jsou většinou plně automatizované, dálkově řízené, jsou schopny už během několika minut dodávat elektrickou energii. do sítě. Patří sem například vysokotlaké vodní elektrárny s akumulací, přečerpávací vodní elektrárny, plynové elektrárny či elektrárny s leteckými motory...3. Bilance výroby a spotřeby el. en. Převážná část elektráren dnes pracuje paralelně do el. soustavy. Ta se skládá ze tří částí výrobní, přenosové a spotřební, přičemž výroba a přenos závisí na spotřebě elektrické energie a to jak co do množství tak i časového rozložení výkonu. V zásadě tedy platí tzv. bilanční rovnice výroby a spotřeby elektrické energie: W V W E W Z = W S, kde W V je el. en. vyrobená v elektrárnách, W E je el. en. spotřebovaná na provoz elektrárny, W Z je el. en. ztracená v přenosové soustavě, W S je el. en. odebraná spotřebiteli. Podobně pro každý časový okamžik platí rovnice výkonová: P V P E P Z = P S, kde P V je el. výkon na výstupu z generátorů, P E jsou výkonové ztráty dané provozem elektrárny, P Z jsou ztráty výkonu v přenosové soustavě, P S je el. příkon všech spotřebitelů v elektrizační soustavě. V samotné elektrárně rozeznáváme několik druhů výkonů: nstalovaný výkon elek. je to součet jmenovitých činných výkonů všech alternátorů elektrárny. Dosažitelný výkon elek. je to nejvyšší činný výkon, kterého může elektrárna dosáhnout. U dnešních moderních elektráren se rovná 8

8 výkonu instalovanému. Pohotový výkon elek. je to nejvyšší činný výkon, kterého může elektrárna dosáhnout v určitém období s ohledem na všechny technické a provozní podmínky. Je to tedy dosažitelný výkon mínus výkon strojů odstavených z důvodu plánovaných oprav nebo poruchy (u vodních elek. závisí též na stavu vody)... Energetické zdroje Energetické zdroje nám poskytuje sama příroda (tzv. primární zdroje), tyto často upravujeme pro jejich efektivnější využití (tzv. sekundární zdroje). Primární zdroje elektrické energie jsou například: fosilní paliva, jaderná reakce, voda, sluneční záření, vzduch, rostlinstvo, geofyzikální teplo, mořský příliv a odliv, mořský příboj. Mezi zdroje sekundární patří například: koks, nafta, mazut, dřevní štěpka, peletky a další. Prvotní zdroje energie rozdělujeme též podle jejich množství v přírodě na vyčerpatelné zdroje (fosilní paliva, látky pro jadernou reakci) a zdroje nevyčerpatelné neboli obnovitelné (voda,sluneční záření, vzduch, rostlinstvo, ). Podle možnosti dopravy dělíme zdroje na zdroje schopné přepravy (fosilní paliva i upravená, látky pro jadernou reakci, dřevěná štěpka, peletky, ) a zdroje neschopné přepravy (voda, geotermální teplo, sluneční záření, vzduch, )..3. Tepelné elektrárny Všechny tepelné elektrárny využívají přeměny energie paliva na vytvoření ostré páry, která pohání turbínu (výjimku tvoří plynová turbíny poháněná přímo spalinami). Principiálně lze parní elektrárny rozdělit podle paliva (pevné, kapalné,plynné), podle druhu kotle (velkoprostorové, vodotrubné, průtočné), podle druhu turbíny (kondenzační, rovnotlaké, protitlakové, přetlakové, jednostupňové vícestupňové). Existuje tedy velká škála různých tepelných elektráren, které často bývají doplněny pro zvýšení celkové účinnosti o výrobu tepla. 9

9 V kondenzačních elektrárnách se pro výrobu elektrické energie využije asi 5-35% tepla obsaženého v palivu. Stejná je i tepelná účinnost elektrárny, neboť teplo z kondenzátoru jde do chladících věží a uniká do ovzduší (okolo 3% tepla se vrací do elektrárny pro jeho technologické využití např. pro předehřev napájecí vody, pro vyhřívání prostoru strojovny atd.). V teplárnách je situace značně příznivější i přesto, že pro výrobu elektrické energie se využije jen 5-0% energie obsažené v palivu. Ale protože část tepelné energie se dodává spotřebitelům k vytápění domácností a část se využívá k technologickým účelům (odebírá se z jednotlivých stupňů odběrových turbín) dosahuje tím celková účinnost až k 80%..3.. Technologické části tepelných elektráren Každá tepelná elektrárna má několik výrobních okruhů: - okruh paliva - okruh škváry a popela (u uhelných) - okruh vody a páry - okruh chladící vody (u kondenzačních) - okruh vzduchu a kouřových plynů - okruh elektrický 0

10 Podle těchto okruhů se dělí zařízení elektrárny do tří částí: - palivové hospodářství (okruh paliva a okruh škváry a popela) - kotelna (okruh vody a páry a okruh vzduchu a kouřových plynů) - strojovna (okruh elektrický a okruh chladící vody) Palivové hospodářství je různé podle druhu použitého paliva. Společné všem jsou například doprava a skladování paliva. Pro uhlí jsou specifické například rozmrazovače, sušiče nebo mlýny. Pro kapalná paliva jsou nutná odkalovací zařízení nebo ohřívače (mazut tuhne už při + 0 C). Plynná paliva musí být například vyčištěny od rozptýlených částeček apod. Hlavní částí kotelny je kotel vyrábějící páru pro pohon turbíny. V kotli dochází ke spalování paliva a tím se zahřívá voda, která se přeměňuje v sytou páru. Dříve se celý proces vypařování prováděl v tzv. bubnu (velkoprostorové kotle), dnes se používají buď kotle vodotrubné nebo kotle průtočné. V obou typech kotlů dochází k vypařování vody v trubkách, které zlepšují tepelnou výměnu a navíc i pro danou teplotu a tlak páry jim stačí tenčí stěny (vodotrubné kotle mají buben umístěný mimo prostor ohniště, průtočné nemají buben žádný). Další části kotelny je přehřívák páry, který bývá součástí kotle. V něm se sytá pára přehřívá na tzv. páru ostrou (až 8 MPa, až 560 C). V kotelně je dále umístěn ohřívák vody, který předehřívá vodu vstupující do kotle na teplotu vyšší než je tzv. rosný bod kotle (orosení kotle zapříčiňuje především nižší účinnost a nebezpečí koroze). V kotelně je též umístěn ohřívák vzduchu a ventilátor přivádějící tento vzduch do kotle. V neposlední řadě je zde též kouřový ventilátor odvádějící kouř ze spalovacího prostoru kotle do zařízení pro čištění kouřových plynů. Kouřově plyny se čistí v tzv. odlučovačích od popílku a v tzv. odsiřovačích od oxidu siřičitého. Odlučovače jsou buď mechanické nebo elektrostatické. Nejpoužívanější mechanické odlučovače jsou odlučovače cyklónové suché nebo mokré (zvyšují účinnost zvlhčením částic popílku vodou), které přivádějí spalinové plyny do rotace a pevné částice popílku jsou odstředivou silou vytlačovány k vnějšímu obvodu a zde klesají do sběračů. Elektrostatické odlučovače využívají zachycování částic popílku na elektrostaticky nabité mříži přes kterou spaliny prochází. Odsiřovače využívají buď chemické reakce oxidu siřičitého se čpavkem nebo tzv. vápenou metodu kdy oxid siřičitý se mísí s vodou na kyselinu sírovou a ta při reakci s vápnem tvoří směs zásady a kalu. Ve strojovně je umístěno vlastní turbosoustrojí složené z turbíny, turboalternátoru a budiče. V kondenzačních elektrárnách je pod turbínou umístěn kondenzátor s okruhem chladící vody. Úkolem turbíny je přeměna tepelné energie páry na mechanickou práci na hřídeli, tato přeměna má dvě fáze nejprve se potenciální energie páry mění na lopatkách rozváděcího kola

11 na energii kinetickou a ta se pak mění na lopatkách oběžného kola na energii mechanickou. Mechanická energie na hřídeli turbíny pak pohání turboalteránor a ten vyrábí elektrickou energii. Je-li použit rotační budič je na stejné hřídeli a je též poháněn turbínou..3.. Turbíny a turboalternátory Turbíny se rozdělují podle několika hledisek: - podle procházejícího média na turbíny parní, plynové a kombinované. - podle tlaku před lopatkami oběžného kola a za nimi na turbíny rovnotlaké neboli akční a přetlakové neboli reakční. - podle stupně expanze páry na oběžných kolech na turbíny protitlakové a kondenzační. - podle směru tlaku páry vzhledem k hřídeli na turbíny axiální a radiální. - podle rozdělení tlakového spádu na stupně jsou turbíny jednostupňové a vícestupňové. - podle tlaku páry se dělí turbíny na nízkotlaké (do,6 MPa), středotlaké (do 4,5 MPa), vysokotlaké (do 3 MPa) a s velmi vysokým tlakem (nad 3 MPa). Parní turbíny se užívají v elektrárnách spalujících uhlí nebo kapalné paliva a v elektrárnách jaderných. Pracují s vysokými teplotami a tlaky pracovního média. Každá turbína sestává z mnoha stacionárních a rotujících částí, jež jsou soustředěny do několika skupin či stupňů. Pára o vysokém tlaku nejprve vstoupí do stacionárních lopatek, je urychlena a nabude vyšší kinetickou energii tím, že se snižuje její tlak. Proud páry je pak veden do rotující části a dodává jí točivý moment. Proud páry je veden v osovém směru turbíny, snižuje se její tlak a zvyšuje se její objem. Délka lopatek se ve směru proudění musí zvyšovat, aby se turbína vyrovnala s rostoucím objemem páry. Výkonová turbína může sestávat ze tří a více stupňů na společné hřídeli. Jak se pára vede z jednoho stupně do následujícího, je možno ji přihřívat a tím zvyšovat její entalpii a tím i celkovou účinnost parního procesu. Tepelná účinnost moderních parních turbín se pohybuje kolem 45 %. Parní turbíny lze klasifikovat na turbíny bez přihřívání a s jednoduchým či dvojitým přihříváním. Turbíny bez přihřívání se používají u menších jednotek do výkonu 00 MW. Nejobvyklejší jsou turbíny s jednoduchým

12 přihříváním a třemi stupni: vysokotlakým, středotlakým a nízkotlakým. Pára proudí z kotle přes hlavní bezpečnostní ventil a regulační ventil do vysokotlakého stupně. Po částečné expanzi se pára vede zpět do kotle, kde se přihřeje a zvýší se její entalpie. Odtud proudí přes další bezpečnostní a regulační ventily do středotlakého stupně, kde dále expanduje a vykonává práci. Ze středotlakého stupně proudí dále do stupně nízkotlakého. Odtud se vede do kondenzátoru, čímž je cyklus ukončen. Dodávají-li uvedené 3 stupně turbíny moment o velikosti 00 %, dělí se příspěvek dílčích stupňů přibližně v poměru 30, 40 a 30 %. Pokud má turbína 4 stupně, je vysokotlakému stupni předřazen ještě stupeň o velmi vysokém tlaku. V takovém případě je rozložení příspěvků 0, 0, 30 a 30 %. Plynové turbíny pracují se vzduchem, přičemž palivem je zemní plyn či olej. Nejznámější uspořádání je systém s otevřeným regeneračním cyklem sestávajícím z kompresoru, spalovací komory a turbíny. Palivo je dodáváno regulačním ventilem do spalovací komory, kde se spaluje za přítomnosti ohřátého a stlačeného vzduchu dodaného kompresorem. Tento vzduch spolu se zplodinami spalování je veden do turbíny, kde expanduje a vzniklou kinetickou energii předává lopatkám turbíny podobně jako v turbíně parní. Médium vycházející z turbíny se používá k přihřívání vstupního vzduchu. Samozřejmě existují i sofistikovanější systémy využívající meziochlazování či přihřívání. Typická účinnost systému s plynovou turbínou se pohybuje na úrovni 35 %. U plynových turbín s kombinovaným cyklem se zplodiny vedou z turbíny do kotle, v němž ohřívají páru a ta je použita pro výrobu elektrické energie v běžné parní jednotce. Běžná teplota zplodin v plynové turbíně je 535 C, takže jejich následným zužitkováním lze významně zvýšit účinnost systému až na 55 %. Obvykle přitom dvě až tři plynové turbíny 3

13 dodávají zplodiny na ohřev páry pro jednu parní turbínu. Plynové i parní turbíny přitom mohou být na jedné hřídeli. Rozvoj těchto systémů je v poslední době dost intenzívní, protože kromě vysoké účinnosti mají mnoho dalších výhod a mezi hlavní patří nízké náklady a kratší doba potřebná k vybudování (obě položky jsou zhruba poloviční s ohledem na klasické systémy parní). Prakticky zde neexistují emise SO, vyžadují menší údržbu a je zde daleko snazší manipulace se vstupními médii. Turboalternátory jsou rychloběžné synchronní alternátory poháněné parní turbínou a skládají se ze statoru, rotoru a budiče. Jsou to většinou dlouhé stroje s malým průměrem a jejich s hřídel je uložena vodorovně. Stator: Do svařované nebo odlité kostry je vložen svazek statorových plechů, které jsou buď vcelku nebo u velkých strojů poskládány ze segmentů. Na vnitřním průměru těchto plechů jsou drážky v nichž je uloženo izolovaně třífázové vinutí. Začátky a konce vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Rotor: Mají rotor tvořený plným hladkým válcem vykovaným z jednoho kusu legované oceli (chromniklová ocel s příměsí molybdenu). Na asi dvou třetinách obvodu tohoto válce jsou podélně vyfrézovány drážky ve kterých je uloženo dvoupólové budící vinutí. Vinutí je uzavřeno v drážkách bronzovými klíny (ty jsou často spojeny kruhy nakrátko a tvoří amortizér) a čela vinutí jsou zajištěna bandážovacími kruhy z nemagnetické oceli. Magnetická indukce ve vzduchové mezeře má přibližně tvar lichoběžníku, avšak vzhledem k časovému posunu jednotlivých napětí a vzhledem k velkému počtu drážek na pól a fázi (3 až 4) má výsledné indukované napětí téměř přesně sinusový průběh. Budič Slouží k napájení budícího vinutí rotoru a tím k vytvoření potřebného magnetického pole 4

14 jedná se nejčastěji o cize buzené nebo derivační dynamo otáčející se přímo na stejné hřídeli jako turboalternátor. Princip synchronního alternátoru: Rotor je buzen stejnosměrným proudem, takže se vytvoří statické magnetické pole. Budemeli tímto rotorem otáčet synchronními otáčkami, vytvoří se ve vzduchové mezeře točivé magnetické pole. ndukce v každém bodě vzduchové mezery se bude měnit sinusově. Bude se tedy do každé cívky statorového třífázového vinutí indukovat napětí u i =..sin t, tedy maximální hodnota napětí pro N závitů bude U i =.. N =..f..n. Toto napětí pak odebíráme ze svorek statoru Kondenzační elektrárna Sytá pára vyrobená v kotli se přehřeje v přehřívači na vyšší teplotu a tlak čímž vzniká tzv. ostrá pára. Ostrá pára je přiváděna do kondenzační turbíny, kterou roztáčí. Turbína je spojena s hřídelí turbogenerátoru a ten vyrábí pomocí otáčejícího se rotoru elektrickou energii. Pára která v turbíně vykonala práci odchází do kondenzátoru (umístěného pod turbínou), kde je vývěvou držen nízký tlak. Pára omývá trubky s chladící vodou a na jejich stěnách kondenzuje. Z kondenzátoru je voda čerpadlem přiváděna přes nízkotlaký regenerační ohřívák vody do napájecí nádrže, odtud pak přes vysokotlaký regenerační ohřívák vody zpět do kolte. Palivo spalované v kotli odevzdává tepelnou energii vodě a páře a část nevyužitého tepla je ve formě spalin odváděna jako komínová ztráta do ovzduší (přes mechanické a elektrostatické odlučovače). Účinnost kondenzační elektrárny na uhlí je nejvýše asi 4%. 5

15 .3.4. Teplárna Jak již bylo řečeno teplárna má oproti kondenzační elektrárně větší celkovou účinnost, neboť část tepelné energie páry ještě využije pro ohřev domácností nebo pro technologické účely. Teplárny využívají pro výrobu elektrické energie například tzv. rovnotlaké turbíny, tedy turbíny u kterých je tlak páry na výstupu téměř stejný jako na vstupu a tato pára se dále využívá pro ohřev. Další možností je pak použití dvou turbín rovnotlaké a kondenzační, případně několika stupňové turbíny, kde z vysokotlakých stupňů se odebírá pára pro ohřev a nízkotlaký stupeň je zakončen kondenzátorem. Pára z kotle se vede do protitlakové turbíny a odtud po expanzi k vnějšímu spotřebiteli tepla. Kondenzát od spotřebičů se dopravuje zpět do kotle. Teplo v páře za protitlakovou turbínou se zcela využije u spotřebitele a neztrácí se. Okamžitý elektrický výkon turbosoustrojí je určen průtokem páry turbínou nastaveným podle odebíraného tepelného výkonu u spotřebitelů. Redukční stanice slouží pro zajištění požadovaného tepelného výkonu tehdy, když při čistém provozu přes protitlakovou turbínu tento nelze zajistit. Nevýhodou tohoto druhu teplárny je závislost výroby elektrické energie na dodávce tepla a tedy při nulovém odběru tepla nelze vyrábět ani elektrickou energii. Pokud chceme zajistit větší nezávislost výroby elektrické energie a tepla (s cílem zvýšit výrobu elektrické energie) pak teplárna musí být kromě protitlakové turbíny vybavena i kondenzační turbínou nebo musí být vybavena vícestupňovou kondenzační turbínou s regulovaným vysokotlakým odběrem. 6

16 .3.5. Plynová elektrárna Generátor pohání plynová turbína roztáčená spalinami vzniklými hořením paliva ve spalovací komoře (obvykle spalují plyn, lehký topný olej, petrolej, mazut, apod.). Celý agregát se musí nejdříve roztočit motorem, který se po rozběhu odpojí spojkou. Motor roztočí kompresor, který stlačuje přiváděný vzduch a vhání jej do spalovací komory, tam dojde k hoření a spaliny odchází do turbíny, která po odpojení motoru sama točí kompresorem. Výhodou plynové elektrárny je její pohotovost do dvou minut je přivedena do provozu a nafázována na síť. Nevýhodou pak malá účinnost Paroplynová elektrárna Jedná se o kombinaci plynové turbíny a klasického parního oběhu, čímž se podstatně zvyšuje účinnost výroby elektrické energie. Důvodem k sestrojení takové elektrárny na uhlí vedla konstruktéry vysoká cena plynu a ropy. Jednou z možností je tzv. tlakové fluidní spalování. Vzduch je stlačován v kompresoru s mezichladičem (zvyšuje účinnost) a je vháněn do tlakového kotle. Uhlí je do kotle dopravováno pomocí čerpadla v podobě pasty s vodou a vápencem (slouží k odsíření). Spaliny předávají teplo parnímu okruhu. V cyklónových odlučovačích se zbaví větší části popílku a poměrně čisté vstupují do plynové turbíny, kde konají práci. Před vstupem do komína ještě ohřívají napájecí vodu v parním okruhu a procházejí odlučovači popílku, kde se definitivně vyčistí. Parní oběh se principiálně neliší od klasické parní elektrárny. Účinnost takovéhoto paroplynového cyklu může dosahovat až 55%. 7

17 .4. Jaderné elektrárny Jedná se v podstatě opět o tepelnou elektrárnu, jejíž turbína je poháněna ostrou párou, ale tato pára je vyráběna v parogenerátoru teplem primárního média ohřátého v reaktoru. Jaderná elektrárna se skládá z hlavního výrobního bloku, chladicích věží a mnoha dalších pomocných provozů, jako je např. čisticí stanice chladící vody, dieselagregát, hospodářství s čerstvým a vyhořelým palivem atd. Vlastní výroba elektrické energie probíhá v tzv. hlavním výrobním bloku, který se v sobě ukrývá primární, sekundární a chladící okruh. Primární okruh je celý uložen v ochranné obálce kontejnmentu z předpjatého betonu. Skládá se z vlastního reaktoru, bazénu vyhořelého paliva, kompenzátoru objemu, parogenerátoru a hlavních cirkulačních čerpadel. V parogenerátoru se pomocí chladicí vody z reaktoru o teplotě asi 34 C ohřívá voda sekundárního okruhu a mění se na ostrou páru. Sekundární okruh vede z parogenerátoru páru do turbíny, kde roztáčí elektrický generátor. Pára odchází z turbíny do kondenzátoru ve kterém je chlazena prostřednictvím třetího chladicího okruhu. Chladicí voda se z kondenzátoru vede do chladicích věží, kde se z výšky asi 5 m rozstřikuje a chladí protitahem proudícího vzduchu..4.. Jaderný reaktor Existuje mnoho různých typů jaderných reaktorů. Nejrozšířenějším typem jsou tlakovodní reaktory (PWR - pressurized water reactors). U nás se jedná o reaktory označené VVER 440 (Dukovany) a VVER 000 (Temelín). Palivem je zde oxid uraničitý ve formě tabletek seřazených do palivových proutků. Proutky tvořené zavařenými trubkami ze zirkoniové slitiny tvoří palivovou kazetu. Paliva je v reaktoru přibližně 80 tun a jednou ročně se vymění asi jedna čtvrtina vyhořelého paliva za čerstvé. V palivu dochází ke štěpné reakci. Jádra atomu uranu se štěpí pomalým neutronem na dvě lehčí jádra a dva nebo tři další neutrony. Štěpné úlomky odlétají velkou rychlostí a díky jejich kinetické energii se ohřívá chladivo. Vylétající neutrony jsou rychlé, a proto aby mohly 8

18 rozštěpit další jádra uranu, musí být zpomaleny tzv. moderátorem, což je opět voda. Průběh štěpné reakce se řídí tzv. regulačními tyčemi. Tyče obsahují látku, která pohlcuje neutrony, tzv. absorbátor (bór, kadmium). Pomocí zasouvání a vysouvání tyčí se řídí počet volných neutronů, které se účastní dalších štěpných reakcí. Řetězová štěpná reakce se tak dá zpomalit, nebo úplně zastavit. Chladivem i moderátorem zároveň je u tlakovodních reaktorů obyčejná, neboli lehká voda. Ta je udržována pod tlakem asi 5 MPa a její teplota při výstupu z reaktoru se pohybuje kolem 34 C (u reaktorů jiných typů se jako moderátor používá například těžká voda D O či grafit, jako primární médium se kromě vody používá D O, CO, He). Reaktor je tvořen tlakovou nádobou se silnými stěnami (asi 0 cm) z nerez oceli. Má hmotnost 30 tun a rozměry: výška m, průměr 4,5 m. s nadstavbou, kterou tvoří regulační tyče a jejich pohony, je celý reaktor vysoký asi 0 m. Aktivní zóna, v níž jsou umístěny palivové kazety, má výšku 3 m a průměr 3,5 m. Ocelová tlaková nádoba je zároveň prvním krytem reaktoru, který chrání proti úniku radioaktivních látek při menších poruchách. Dále je tlustý betonový kryt proti biologickým účinkům záření. Mezi ocelovým a betonovým krytem bývá vodní izolace. Vedle toho mívá reaktor tepelnou izolaci, podobnou jako u obyčejných kotlů. Celý reaktor i s ochrannými kryty bývá někdy uzavřen do velké ocelové tlakové nádoby, aby se při nejvážnějších haváriích zabránilo pronikání intenzivního radioaktivního záření ven do okolí. Tento kryt mívá značné rozměry a může být zpřístupněn obsluhujícím pracovníkům. Pro bezpečnost provozních pracovníků jsou prostory jaderné elektrárny rozděleny na prostory se stálou obsluhou (např. strojovna, elektrická dozorna, rozvodna apod.), s občasnou obsluhou (reaktorový sál, prostory s měřícími přístroji, apod.) a na prostory bez obsluhy (prostory primárního okruhu). 9

19 .4.. Štěpení jádra a fúze V přírodě dochází u některých. těžkých jader k spontánnímu štěpení. Samovolné štěpení je jedním z druhů přírodní radioaktivity. Jádro se rozpadá na dvě lehčí jádra samo, bez toho, že by do něho musel narazit neutron. Tento typ radioaktivity se vyskytuje u uranu a transuranových prvků. Umělé štěpení jader uranu pomocí neutronů objevil německý profesor Otto Hahn v roce 939. Pomalý neutron narazí do jádra uranu, jádro se stane nestabilním a rozpadne se na dva přibližně stejné štěpné produkty, přičemž vylétne několik neutronů. Proces štěpení probíhá přibližně 0 až 4s. Odlétající nová jádra mají velkou kinetickou energii, čehož se využívá v jaderném reaktoru, kde se pomocí této energie ohřívá chladicí médium. Vzniklé neutrony po zpomalení mohou rozštěpit další jádra uranu. Rozvíjí se tak řetězová štěpná reakce. Erniko Thermi stanovil podmínky samovolného štěpení jader - neutrony musí mýt určitou rychlost a musí být pohromadě určité tzv. kritické množství štěpného prvku. Příklad: U n Ba Kr n, E r = 00 MeV Opakem štěpení je slučování jader, tzv. fúze. Probíhá samovolně v nitru Slunce a dalších hvězd. Lehká jádra se slučují při vysokých tlacích a teplotách 40 až 350 milionů C podle typu reakce, vzniká těžší jádro a uvolňuje se energie. Této reakci se také říká termojaderná syntéza. Příklady: D D He 3 0 n, E r = 3,6 MeV D T He n, E r = 7,6 MeV.5. Vodní elektrárny Budování vodních děl má mimořádný význam pro regulaci vodních toků, pro hospodaření s vodou, zajištění zavlažování, plavbu i pro vytváření rekreačních oblastí. Stavba a provozování elektráren znamená využití nevyčerpatelných vodních zdrojů pro výrobu Q elektrické energie. V naší zemi, kde není dostatek velkých L H vodních zdrojů pracují především jako doplňkové elektrárny k 0

20 velkým energetickým kolosům, kterými jsou tepelné elektrárny na fosilní paliva nebo uran. Doplňují a vyrovnávají tedy okamžitou energetickou bilanci v elektrizační síti. Jejich velkou předností je možnost náběhu ve velmi krátké době, s velkým výkonem (i odstavování). Výhodou vodních elektráren je kromě toho možnost akumulace elektrické energie ve větším měřítku vytvářením akumulačních vodních nádrží a jejich využitím pro pohon vodních turbín ve vhodných obdobích podle potřeby diagramu elektrického zatížení. Mechanická práce vodního. toku v určitém úseku L za libovolný čas t je úměrná jak množství vody, protékající průřezem koryta za jednotku času, tak i sklonu řečiště neboli spádu v uvedeném úseku: W = Q.. H. t. 000 [Nm], kde Q je množství vody [m 3 s - ], je měrná tíha vody 980 Nm -3 a H je spád [m] (H = L. sin ). Výkon vodního toku ve kterém se přemístí množství vody Q je P = Q. H [Nms - ], nebo-li P = 9,8. Q. H [kw]..5.. Rozdělení vodních elektráren Paleta vodních elektráren je velmi široká, jsou elektrárny ledovcové, elektrárny přečerpávací, elektrárny velké i elektrárny malé. Nelze zcela vyčerpat všechna hlediska, podle kterých jsou vodní elektrárny tříděny a rozlišovány. Všechny bez rozdílu však využívají přeměnu polohové a pohybové energie vody v mechanickou energii turbíny a tu pak v energii elektrickou pokud možno s co nejmenšími ztrátami. K tomu je potřeba soustředit spád vody na turbínu v některém místě využívaného úseku. Při daném průtočném množství Q lze zvětšit výkon elektrárny a tím i výrobu elektrické energie zvýšením spádu. Podle spádu se vodní elektrárny rozdělují na: Nízkotlaké, u nichž voda přitéká do budovy elektrárny přiváděčem s volnou hladinou se spádem do 0 m. Přičemž tyto elektrárny mají minimální akumulaci vody a hltnost jejich turbín je menší než průtok vody. Pracují v základním režimu zatěžovacího diagramu, tedy asi 6000 h ročně. Středotlaké, u nichž je přívod vody před budovou elektrárny proveden nejčastěji potrubím se spádem do 00 m. Hltnost jejich turbín je menší než maximální průtok vody a pracují okolo 4500 h za rok. Vysokotlaké, u nichž je přívod vody před budovou elektrárny proveden tlakovým potrubím se spádem nad 00 m. Budují se v oblastech s možností velké akumulace vody, hltnost turbín je větší než maximální průtok a jsou využívány ročně asi 000 h. Podle způsobu provozu se dělí vodní elektrárny na:

21 Průtočné (bez akumulace), které využívají řečištěm protékající množství vody až do úplné hltnosti turbín, na něž je elektrárna dimenzována a zbytek průtoku nad využitelnou mez danou hltností vodních turbín přepadá jalově přes jez. Takové elektrárny pracují vždy v základní části diagramu denního elektrického zatížení. Akumulační s přirozenou akumulací (regulační), jež jsou schopny udržovat a regulovat vodní průtoky. Voda pro turbíny se odebírá z nádrží, v nichž lze s vodou hospodařit. Voda k turbínám se přivádí potrubím. Při nadbytku vody se tato přepouští přes přepad hráze. Regulační elektrárny tedy pracují v pološpičkové popřípadě ve špičkové části diagramu denního zatížení. Akumulační s umělou akumulací (přečerpávací) v těchto elektrárnách se voda přečerpává v dobách mimo elektrickou špičku (v noci, v poledne) do výše položené nádrže, z níž se pak ve špičkách odebírá pro pohon vodních turbín vyrábějících elektrickou energii..5.. Turbíny vodních elektráren Pro provoz vodních elektráren se používají čtyři základní typy turbín, a to Francisova turbína, Kaplanova turbína, Peltonova turbína (Peltonovo kolo) a Bánkiho turbína. Francisova turbína je přetlaková turbína (tlak vody před turbínou je větší než za ní), která je schopná zajišťovat současnou přeměnu kinetické a tlakové energie vody na mechanickou energii rotujícího hřídele. U Francisovy turbíny přitéká voda do spirály ve tvaru ulity, v níž je rovnoměrně po celém obvodu rozdělována do prostoru natáčivých rozváděcích lopatek (natáčením lopatek se reguluje výkon turbíny), dále vchází na vstupní hrany 5 pevných oběžných lopatek 3 rotujícího oběžného kola turbíny, kterému předává části své kinetické i tlakové energie. Po předání této energie vytéká voda z výstupních hran oběžných lopatek turbíny 6 a vstupuje do savky (sací trouby) turbíny 4, v níž předává ještě další malou část energie.

22 Kaplanova turbína je rovněž přetlaková turbína a má vedle natáčivých rozváděcích lopatek též natáčivé lopatky oběžného kola, čímž je umožněno dodržení stále dobré účinnosti (přes 90%) při velikém provozním kolísání spádu a průtoku. Kaplanova turbína s rozváděcími lopatkami a oběžnými se používá pro malé a střední spády od do 80 m. U Peltonovy turbíny přitéká voda tlakovým potrubím k regulační trysce (dýze) 3 v níž se zvyšuje rychlost vody a tím i její kinetická energie. Množství protékající vody se reguluje pomocí jehlového uzávěru 4. Po opuštění trysky vykonává vodní proud krátkou cestu vzduchem a přichází na střechovitě upravenou vstupní hranu 5 oběžné lopatky, kterou je rozdělován na dvě části. Dále jsou obě části proudu vedeny vnitřními, lžícovitě tvarovanými stěnami lopatky, přičemž dochází k plynulé změně směru proudění, a tím i k předáváni kinetické energie vody oběžnému kolu turbíny. Obě části proudu pak opouštějí oběžnou lopatku na jejich dvou výstupních hranách 6. Peltonova turbína je tedy akční rovnotlaká turbína (tlak vody před a za turbínou je stejný), schopná využívat v oběžném kole pouze kinetickou energii vody a proto se používá pro vysoké spády 300 až 500 m. Bánkiho turbína je taktéž rovnotlaká vodní turbína s dvojnásobným průtokem vody (voda protéká oběžné kolo). Je výrobně nenáročná a proto je vhodná pro malé vodní elektrárny se spádem až 50 m, při průtoku 50 až 5000 l.s Sluneční elektrárny Slunce je v podstatě obrovský termojaderný reaktor, ve kterém dochází k syntéze (slučování) jader vodíku na jádra helia v tzv. "vodíkovém cyklu". Vodíkový cyklus probíhá při teplotě 0 milionů K, což odpovídá poměrům ve středu slunce (a). Kolem c b a km 3

23 středu je vrstva horké sluneční hmoty, která tvoří izolaci aktivní oblasti (b) a kolem ní je pak sluneční atmosféra (c). Termojaderné procesy na Slunci probíhají již 5 miliard let. Zásoba vodíku vystačí ještě na dalších 5 miliard let. Povrchová teplota Slunce: K Měrný zářivý výkon Slunce: 64 MW/m Celkový zářivý tok emitovaný Sluncem: 3,8.0 6 W Sluneční energii je obsažena téměř ve všech druzích energie. Ať už se jedná o fosilní paliva (především uhlí) tedy dávnou sluneční energii zachycenou fotosyntézou nebo o vodní a větrné elektrárny jejichž zdrojem je sluneční energie skrytá v síle vodních toků a větrů (jaderná energie nepochází ze slunce). Elektřinu lze získat ze sluneční energie různými způsoby a to buď přímo nebo nepřímo. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu. Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento důležitý jev může nastat v některých polovodičích (např. křemíku. germaniu. sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou nařezanou z monokrystalu křemíku, který i přes pracnou a nákladnou výrobu má stále nejvyšší dosahovanou účinnost (cca 35%). Lze použít i materiál polykrystalický, jehož účinnost je okolo 5%, ale je levnější na výrobu nebo ještě levnější materiál amorfní s účinností sice jen kolem 8%, ale s velkou absorbční schopností (postačí tenká vrstva na levném nosném materiálu). Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru) a z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu) a mezi nimi vznikne přechod P-N. Když na destičku dopadnou fotony slunečního záření vytvářejí z neutrálního atomu páry elektron-díra. Vnitřní elektrické pole náboje opačných znamének rozdělí a vyvolá po uzavření elektrického obvodu stejnosměrný elektrický proud. Jeden cm dává proud o výkonu kolem mw. Jeden m slunečních článků tak může v letní poledne vyrobit stejnosměrný proud o výkonu až 50 W. Sluneční články se zapojují buď za sebou (sériově), abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V) nebo vedle sebe (paralelně), abychom získali větší proud. Spojení mnoha článků vedle sebe a za sebou se nazývá sluneční panel. Nepřímá přeměna je založena na získání tepelné nebo chemické energie. Teplo získáváme snadno pomocí slunečních sběračů, a to dvojím způsobem: - V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu pomocí termoelektrické přeměny tedy na základě tzv. Seebeckova jevu. V obvodu složeném ze dvou 4

24 různých kovů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu, takové jednoduché zařízení se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor. Teplé spoje generátoru se umístí v ohnisku fokusačního sběrače, studené spoje bývají ve vodě či v půdě. - Do ohniska umístíme buď přímo kotel s vodou, která se vypařuje a pára pohání turbínu nebo trubky obsahující teplonosnou látku, která absorbuje teplo a předává jej vodě, která se opět vypaří a pára pohání turbínu. Chemické získávání sluneční energie se provádí pomocí palivových článků. Sluneční záření rozloží vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Poté při slučováni obou plynů tj. při okysličování vodíku vzniká opět voda a zároveň se uvolní nahromaděná energie jako elektrický proud..6.. Fotovoltaické elektrárny Na plochu velikou m a vodorovně položenou dopadá u nás přibližně 00 kwh sluneční energie za rok Na stejně velkou plochu nad zemskou atmosférou a postavenou kolmo ke slunečním paprskům dopadá ročně 000 kwh. tedy 0x více než k nám. V kosmickém prostoru se navíc nestřídá den a noc, nejsou tam žádná oblaka, tedy sluneční záření není ničím zeslabováno. Proto využití fotovoltaických článků u nás má význam jen tam, kde je problematická doprava elektrické energie a navíc její dodávka není potřeba v noci (například v parkovacích automatech), nebo jako doplňkový zdroj elektrické energie k jinému zdroji. Ve světě pak existují i několika mega wattové fotovoltaické elektrárny (USA, Japonsko, Saúdská Arábie). Další velké využití přímé přeměny sluneční energie je v družicích nebo kosmických lodích, kde fotovoltaické články poskládané do fotovoltaických panelů dodávají potřebnou energii pro všechny přístroje na palubě. Existují i studie, podle kterých by se na geostacionární oběžné dráze ( km nad zemí) umístilo několik fotovoltaických elektráren o rozloze panelů 5 x km, tedy 60 km. Ny tyto panely by dopadalo neustále sluneční záření o energii 84 GW. Toto záření vyrobí při třiceti procentní účinnosti 5, GW stejnosměrného proudu, který se přemění na decimetrové radiové vlny (snadno procházejí atmosférou i oblaky), které budou vysílány směrem k Zemi. Na Zemi bude energie decimetrových vln zachycena přijímací anténou a přeměněna ve střídavý proud rozváděný normální sítí. Při dalších ztrátách při vysílání, příjmu a přeměně energie vln na střídavou elektrickou energii bychom mohli využít okolo 0 GW elektrické 5

25 energie (tj. asi /8 celkové spotřeby ČR)..6.. Sluneční elektrárna věžová Sluneční elektrárna věžová je zařízení, ve kterém se mění sluneční záření na elektrickou energii ve velkém měřítku. Sluneční elektrárna je vlastně tepelná elektrárna, která potřebné teplo získává přímo ze slunečního záření a soustavou rovinných zrcadel tzv. heliostatů, automaticky sledujících pohyb slunce, se zářivá sluneční energie koncentruje na kotel 3 umístěný na vrcholu vysoké věže 4. Pro zvýšení množství předané energie slunečního záření se heliostaty otáčejí automaticky tak, že přijímané záření odrážejí směrem k jihu, kde je umístěno velké parabolické zrcadlo a teprve to odráží veškerou energii na sluneční kotel, umístěný v jeho ohnisku. Slunečný kotel zachytává sluneční záření a odevzdává absorbované teplo látce nejčastěji vodě cirkulující v uzavřeném okruhu. Typickým slunečním kotlem (kolektorem) používaným v našich zeměpisných šířkách je černá kovová nebo plastová deska. V kotli se absorbovaným teplem generuje pára, která pohání turbínu 5 spojenou s elektrickým generátorem 6 a zároveň ohřívá vodu v tepelném akumulátoru 9, odkud odchází do kondenzátoru 7. Pára se po průchodu turbínou, tedy po vykonání mechanické práce taktéž sráží na trubkách kondenzátoru 7, Trubky kondenzátoru jsou stejně jako u tepelných elektráren ochlazovány chladícím okruhem pomocí chladících věží 8. Zkondenzovaná voda je zpět do slunečního kotle dopravována pomocí čerpadla 0 přes ventil. V případě zamračeného počasí, tedy v době, kdy nedopadá sluneční záření na soustavu zrcadel se uzavře ventil a zkondenzovaná voda je přes ventil přiváděna do tepelného akumulátoru 9, kde se mění v páru. Ta je vháněna do turbíny, kterou roztáčí. 6

26 .6.3. Sluneční elektrárna parková Zářivá sluneční energie se koncentruje pomocí dlouhých žlabů parabolického průřezu na trubky procházející ohnisky těchto zrcadel. Parabolické žlaby se buď automaticky natáčejí za sluncem, nebo jsou umístěny staticky severo-jižním směrem. Trubkami protéká teplonosná látka (olej), ohřívá se a přenáší teplo do parního generátoru. Zde v trubkách vzniká pára, která pohání turbínu s elektrickým generátorem. Voda se za turbínou opět sráží v kondenzátoru a odtud je oběhovým čerpadlem vrácena do parního generátoru Solární kolektor Sluneční záření dopadá na sluneční kolektor, který jej zachycuje a předává absorbované teplo látce cirkulující v uzavřeném okruhu. Typickým slunečním kolektorem používaným v našich zeměpisných šířkách je černá kovová nebo plastová deska. Teplo se soustavou trubek odvádí do solárního zásobníku 3, kde je předáváno vodě. Teplá voda je rozváděna rozvodem teplé užitkové vody do teplovodních spotřebičů 5 (koupelny, radiátory apod.). V době nepříznivého počasí nebo v noci je zdrojem tepla elektrický nebo plynový kotel 4, protože tepelná energie naakumulovaná v solárním zásobníku je velice malá. 7

27 .6.5. Palivový článek Klasický palivový článek je kyslíko-vodíkový článek, který má dvě pórovité platinové elektrody, mezi nimiž je elektrolyt. Napětí článku je asi, až,3 V.Aby mohl pracovat dostává na rozdíl od jiných článků látky a katalyzátor, během provozu lze však u palivových článků palivo doplňovat, takže mohou pracovat trvale. Z jedné strany se do článku přivádí vodík, z druhé kyslík, přičemž vniká voda, která je odváděna z článku pryč. Elektrony odevzdané vodíkem katodě, se pohybují vnějším obvodem ke kyslíkové anodě a zde jsou přebírány kyslíkem. Obvodem tedy protéká elektrický proud získaný z chemické energie. Palivové články budou pravděpodobně důležitým zdrojem elektrické energie v budoucnosti. Představuji uskladněnou sluneční energii a lze je získávat v neomezeném množství. Výhodou palivových článků je jejich vysoká účinnost (až 90 %), bezhlučný a čistý provoz (jejich produktem je voda). Palivové článkové baterie pracující v domácnostech dodávají výkon kolem kw. Vyrábějí se však už baterie mnoha palivových článků s výkonem až MW (užívají se zejména v astronautice)..7. Větrné elektrárny Vítr je pohyb vzduchu vůči zemskému povrchu. Na pravidelnost tohoto proudění silně působí nerovnoměrné zahřívání vzduchu slunečním zářením, střídání teplot a tepelné rozdíly mezi mořem a pevninou, horami a údolími, zalesněnými a holými plochami a podobně. V proudění vzduchu pak nastávají časté výkyvy, které se v krajním případě projevují větrnými bouřemi. V pohybu větru výrazně převládá vodorovná složka. Je charakterizován jednak směrem, odkud vane (ve stupních nebo sektorech - sever 360 nebo 0, východ 90, jih 80, západ 70 ), jednak rychlostí (měřenou v ms - nebo kms - ). Převládající větry nad velkými územími určují všeobecnou cirkulaci atmosféry. zatímco místní větry určitého směru a charakteru se vyskytují nad menšími územími. V tropických a subtropických pásmech je proudění větru pravidelné, směrem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách opačným směrem antipasáty, v oblasti jihovýchodní Asie je typické půlroční střídání monzunů vanoucích na pevninu z moře s antimonzuny směřujícími opačně. Výkon větru je dán rovnicí P=l/ q v3 S, kde P je výkon [W], q hustota vzduchu [kg.m -3 ] (souvisí mimo jiné s tlakem, výškou a teplotou) a S je plocha, kterou vítr proudí [m]. Z rovnice pro výkon větru je patrné, že zvýší-li se rychlost dvakrát podává vítr 8

28 osminásobný výkon (roste s třetí mocninou rychlosti. Větrné kolo snižuje rychlost vzdušného proudu, čímž se část pohybové energie přeměňuje na energii mechanickou. Nejvyššího výkonu se dosahuje při zpomalení vzdušného proudu na jednu třetinu z čehož pak plyne i teoretický limit větrných kol tedy ideální větrná elektrárna může přeměnit 6/7 energie vzdušného proudu v energii mechanickou a její teoretická účinnost dosahuje 59 %. Skutečné účinnosti jsou nižší, protože otáčky kola jsou zpomalovány třením v jeho vlastním mechanismu, třením větru a vznikem vírů. Současné větrné elektrárny mívají jednu až tři lopatky a v nejlepším případě dosahují účinnosti 45%. Za využitelné se považují větry dující rychlostí mezi 3 až 6 ms- ve výškách do 00 metrů. Tak široké rozmezí rychlostí nemůže jedno zařízení efektivně pokrýt, protože by se musely výrazně měnit otáčky rotoru, a tím i připojeného generátoru. Samotné generátory s proměnnou rychlostí otáček vykazují vysokou účinnost, ale vyžadují elektroniku, která udržuje konstantní kmitočet nezbytný pro připojení k veřejné distribuční síti. Obrovská vrtule moderní větrné turbíny je upevněna na zpravidla vodorovně uložené hřídeli na vrcholu štíhlé věže. Rovina, v níž se několik desítek metrů dlouhý jednolistý až třílistý rotor otáčí, se nastavuje pohybem celé aerodynamicky krytované gondoly, ve které je uložen také generátor s převodovkou. Konce lopatek dosahují obrovských obvodových rychlostí, což způsobuje krajní namáhání materiálu. Náhlé nápory větru, stejně jako jistá asymetrie vrtule mohou způsobit nebezpečné rozkmitání celé konstrukce. Dosáhnou-li nápory větru kritické rychlosti, hrozí havárie a turbínu je třeba odstavit, zapojí se brzdění rotoru a vrtulové listy se nastaví proti větru svým nejužším profilem. Tato opatřeni odpadají u turbín se svisle uloženým rotorem. Systém Dariieus má navíc tu přednost, že celé velmi hmotné technické zařízení spočívá nízko pod rotorem, což zvyšuje stabilitu konstrukce. Porovnání několika možných velikostí a typů větrných elektráren: ) malý typ o výkonu kolem 90 kw, ) dánská větrná elektrárna TVND s třílistou vrtulí o výkonu MW, 3) dvoulistá větrná elektrárna ze Severní Karoliny, 4) německá větrná elektrárna GROWAN o výkonu až 3 MW, 5) německy projekt jednolisté větrné elektrárny o výkonu až 0 MW. 9

29 Jednu z možností. jak zabránit nežádoucímu rozkmitání velkých větrných generátorů, představuje atypická jednolistá vrtule. Rozdíly rychlosti větru v horní a spodní části kruhu, který opisuje dvoulistá vrtule, mohou totiž dosahovat až,8 ms -. Na každou polovinu tak působí rozdílné sily, které rozkmitají listy. Takový stav nemůže u jednolisté vrtule nastat a lze ji navíc dokonale vyvážit protizávažím (v Německu vznikl dokonce projekt jednolisté turbíny o výkonu 0 MW). Větrná mapa orientačně ukazuje mnohaleté celoroční průměrné rychlosti větru přes 4 ms - (ve výšce 0 m) a přes 5,3 ms- (ve výšce 30 m). Vznikla podle podkladů Českého hydrometeorologického ústavu. Větrný atlas ČR vytvořený Ustaveni fyziky atmosféry Akademie věd ČR podrobně mapuje dlouhodobě rozložení energie větru nad naším územím a umožňuje vybrat nejpříhodnější lokality pro stavbu větrných farem. Počítá se s plochami 3 x 3 nebo 4 x 6 km v nadmořských výškách zpravidla nad 700 m nad mořem. Až na řídké výjimky se energeticky příhodné lokality nacházejí v horských pohraničních pásmech a v oblasti Českomoravské vrchoviny. Větrná mapa Čísla přibližně označují místa osmi větrných turbín o instalovaném výkonu větším než 50 kw (v závorkách výrobce nebo dodavatel): ) Boží Dar v Krušných horách - 75 kw (Vítkovice) ) Dlouhá Louka nad Osekem v Krušných horách - 35 kw (Energovars z Dobré) 3) Hory u Karlových Var - 75 kw (Vítkovice) 4) Hrubá Vrbka u Kuželova v podhůří Bílých Karpat - 75 kw (Winpower. Dánsko) 5) Strabenice v podhůří Chřibů - 35 kw (Vítkovice) 6) Staříč u Frýdku-Místku - různé výkony (zkušební polygon finiiy Energovars) 7) Bílý Kříž v Beskydech - 60 kw (Tacke. SRN) 30

30 8) Mravenečník u Loučné nad Desnou v podhůří Jeseníků - 50 kw (Worldwind. Dánsko) Mezi hlavní výhody těchto zařízení patří především minimální provozní náklady a nevytváření žádného škodlivého odpadu ani jinak neohrožují životní prostředí. Jejich nevýhody jsou například vysoké pořizovací ceny nosné konstrukce, větrného motoru s generátorem a zařízení na regulaci kmitočtu střídavého proudu (při dodávce do veřejně elektrizační soustavy), značná změna rázu krajiny (určité nebezpečí pro tažné ptáky, kteří zase naopak mohou ohrozit jejich bezporuchový chod) a poměrně nesnadná akumulace získané elektrické energie..8. Další alternativní elektrárny Mezi další alternativní elektrárny patří především, různé typy elektráren mořských, geotermálních nebo elektráren využívajících biomasu a dalších..8.. Mořské elektrárny Přílivové elektrárny Dmutí moře, které se projevuje pravidelným stoupáním a klesáním mořské hladiny, je důsledkem působení slapových sil Měsíce a Slunce a vzniká tak tzv. příliv a odliv. Na výšku přílivu a odlivu má zásadní vliv také tvar pobřeží, nejvyšší přílivy se tvoří tam, kde se dmoucí voda tlačí do úzkých a dlouhých zálivů (nejvyšší známý příliv je u Nového Skotska v USA, kde voda tam stoupá o plných 0 m). Pro využití přílivu a odlivu k výrobě elektrické energie je tedy nutné využít zálivu s úzkým hrdlem, ve kterém dochází alespoň k šesti metrovému rozdílu hladin mezi přílivem a odlivem. Takovýto záliv se přehradí hrází s propustmi a turbínami. Přehrada umožní získat rozdíl hladin mezi volným mořem a přehrazenou zátokou a tém ještě zvyšuje účinnost pohybu vodní masy. Turbína je konstruována jako reverzní a využívá tedy pohybu vodné masy v obou směrech (při přílivu i odlivu). Nevýhodou přílivových elektráren je ale, že jejich pracovní doba mnohdy nesouhlasí s energetickou špičkou elektrizačních soustav a další nevýhodou je i to, že místa vhodná pro výstavbu těchto elektráren jsou mnohdy značně vzdálena od míst spotřeby a ztráty na 3

31 dálkových vedeních jsou pak natolik značné, že se jejich výstavba nevyplatí. Energie přílivů a odlivů je přesto nadějným energetickým zdrojem pro využití v budoucnosti. Ročně by se tak mohlo získat 7, až,8 biliónů MJ elektrické energie. Slapová energie by tedy mohla mít v budoucnosti významnou úlohu. Vlnové elektrárny Vlnění hladin moří a oceánů má různý původ, jsou způsobené větrem, slapovým působením Měsíce a Slunce, vlněním před ústími velkých řek a v neposlední řadě i katastrofickým vlněním tzv. tsunami, které je následkem podmořských zemětřesení. Jedním z mnoha řešení pro využití energie mořských vln je používání trojdílných pontonů, ty jsou zakotveny na dně a leží na povrchu mořské hladiny. Pohyb vln se přenáší na vodní motor umístěný ve střední části. Tento motor je vpodstatě vodní turbína, která je roztáčena pohybem vody vlivem mořských vln. Další zajímavý princip je znám pod jménem Ploeg, což je řada plováků, které působením vln kmitají kolem osy a tento pohyb je soustavou hydraulických nebo mechanických zařízení převáděn na generátor. Jiný způsob využití vln byl navržen v Japonsku, je to tzv. Elektrárna Kalimai, která je podobná cisternové lodi dlouhé 80 m a široké m, mořské vlny stlačují v jejích komorách vzduch a pohánějí 3 turbíny s generátory o výkonu 00 kw. Tato elektrárna navíc plní funkci vlnolamu před přístavem. Elektrárny pro využití mořského příboje Charakter mořských vln se výrazně mění při jejich příchodu do mělkých vod. Narazí-li vlny na mořské dno, mění se jak jejich délka, tak i výška. Ta se zvyšuje a hřebeny vln se lámou. Nejčastěji se používá systém se vzduchovou turbínou, která je poháněna vzduchem střídavě stlačovaným a nasávaným pístem tvořeným vlnami působícími v kompresním prostoru betonové konstrukce elektrárny. Absorbční elektrárny 3

32 Využívají teplotního rozdílu mezi teplou vodou při hladině a chladnou vodou v hloubce 600 až 000 metrů, který činí až 0 C. Zařízení využívající tzv. teplotní gradient se nyzává Ocean Thermal Energy Convertion(OTEC). OTEC pracuje v uzavřeném termodynamickém cyklus vhodnou pracovní látkou (čpavek). Pracovní látka se v teplé vrstvě moře vypaří a pohání turbínu. poté jde do větší hloubky, kde se ochlazuje a kondenzuje. Odtud jej pak oběhové čerpadlo vytláčí zpět do teplejší vody a celý cyklus se opakuje..8.. Geotermální energie. V praxi jsou využitelné tři typy geotermálních elektráren. První využívá tepelnou energii vodních par nebo plynů unikajících přímo ze Země. Za turbínou se péra nebo plyn o nízkém tlaku vypouští, anebo se dále zužitkuje k vytápění nebo v 33

33 průmyslu. Provoz i výstavba elektrárny jsou levné - na kwh elektrické energie se spotřebuje 5 až 0 kg páry. Výkon jedné turbíny v těchto elektrárnách nepřekročil 3 MW. Druhý typ geotermálních elektráren je poněkud složitější a uplatňuje se tehdy, obsahuje-li pára větší množství agresivních a korozívních příměsí, které je nutné před jejich vstupem do turbíny odstranit. Pára se čistí v separátoru, a teprve potom se vede k turbíně znovu přes výměník tepla, kterým prochází dvakrát. Moderní geotermální elektrárny mohou být vybaveny i sekundárním oběhem s nízkovroucí kapalinou, např. etylchloridem. Tyto elektrárny jsou vhodné i pro ložiska méně teplých termálních vod. Spotřeba páry je 5 kg na kwh elektrické energie. Třetí typ geotermálních elektráren je kombinací obou předchozích typů. Dá se použít tam, kde geotermální pára nepůsobí ještě korozi, avšak obsahuje kyselinu boritou nebo amonné soli. Pára vycházející z turbíny se kondenzuje na vodu, z níž se vylučují chemikálie k dalšímu použití. Spotřeba páry v těchto elektrárnách se snižuje na 0 kg na kwh elektrické energie Elektrárny na biomasu Jako biomasa se využívá například odpadu z lesního hospodářství nebo dřevozpracujícího průmyslu jako jsou dřevěné odřezky, kůra piliny hobliny, dále se zpracovává rychle rostoucí plevelné dřevo, nebo různé polní plodiny a v neposlední řadě též různé organické odpady včetně výkalů hospodářských zvířat. 34

34 Existuje několik systémů pro výrobu elektrické (popř. tepelné) energie z biomasy. Nejstarší a nejjednodušší systém využívá spalování biomasy, která se předem vysuší. Spalovaná biomasa vytváří tepelnou energii ohřívající vodu a vyrábějící páru. Ta se poté přehřeje na páru ostrou a ta pohání turbínu stejně jako je tomu u tepelných elektráren. Další systém využívá přeměny biomasy na plyn pomocí hoření tuhého zbytku biomasy čímž vzniká tzv. dřevoplyn složený z oxidu uhelnatého, vodíku a dalších příměsí. Tento plyn pak pohání plynovou turbínu. Třetí systém využívá tzv. metanového kvašení neboli anaerobní fermentace jako výsledek činnosti bakterií na organické látky bez přístupu vzduchu. Základem výroby bioplynu je vyhnívací nádrž (fermentor) do které se 35

35 přivádí tekuté a tuhé výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou. Z fermentoru odebíráme bioplyn a zbytek použijeme jako výborné hnojivo. Bioplyn spalujeme spolu se vzduchem ve spalovací komoře a vzniklé spaliny pak pohánějí spalinovou turbínu. Posledním zde uvedený systém využívá alkoholového kvašení vhodných produktů jako jsou cukrová řepa, cukrová třtina, brambory, obilí, ovoce aj. Suroviny se rozdrtí a smíchají s vodou a vzniklá kaše se nechá kvasit. Poté se zkvasená hmota destiluje, tedy ohřeje na takovou teplotu, při které se odpaří etanol. Páry etanolu se pak ochladí v chladiči a zkondenzuje. Etanol se pak používá jako palivo k ohřevu vody v parních elektrárnách nebo ke spalování a vzniklé spaliny poté pohání spalinovou turbínu Magnetohydrodynamické generátory (MHD) MHD generátory jsou tepelné stroje, ve kterých se vnitřní energie elektricky vodivého plynu převádí na energii elektrickou. Fyzikální princip činnosti spočívá v pohybujícím se vodiči - plynu v magnetickém poli vybuzeném elektromagnetem. Podle Faradayova zákona indukuje se v přiloženém elektrickém obvodě elektrické napětí. Kanálem MHD generátoru protéká plyn velkou rychlostí (0 3 m.s - ) vlivem tlaku. Elektromagnet budí uvnitř kanálu magnetické poe o indukci B = 3 až 6 T. Elektrický proud zatíženého obvodu je odebírán ze sběrných elektrod. Velkou předností MHD generátoru je, že neobsahuje pohyblivé mechanické části jako je tomu u turbíny. Proto lze použít v kanálu MHD generátoru vysoké teploty až 3000 K. Za spalovací komory mohou sloužit používané spalovací komory raket. MHD generátory jsou určeny pro velké energetické jednotky, řádově 00 MW. Mohou pracovat jako samostatné, nezávislé jednotky, pak ovšem jejich účinnost je 36

36 malá 5 až 5 %. Takto mohou poskytovat špičkovou rezervu pro elektrizační soustavu. Mnohem účinější je spojení MHD generátorů s konvenční parní elektrárnou. Plyny, které vycházejí z kanálu MHD generátoru mají teplotu asi 000 K, tedy dostatečně nízkou pro další využití v parním okruhu elektrárny. Takto by MHD generátor pracoval jako vysokoteplotní nadstavba v okruhu konvenční parní elektrárny. Celková účinnost takového spojení by mohla dosáhnout až 50 %. Tepelné okruhy MHD generátorů dělíme na tři druhy: - otevřený oběh s plynnými spalinami jako pracovním médiem - uzavřený oběh se vzácnými plyny jako pracovním médiem - uzavřený oběh s kapalným kovem jako pracovním médiem 37

37 . ELEKTRCKÉ ROZVODNÉ SÍTĚ Velkou výhodou el. en. je její schopnost přenosu na velké vzdálenosti. Úkolem rozvodů je pak přenést tuto en. s co nejmenšími ztrátami od výroben až po koncové spotřebitele. Pro snížení ztrát se využívají vyšší napěťové soustavy, zlepšuje se účiník a hledají se nové druhy vodičů... Požadavky kladené na elektrické sítě Mezi hlavní požadavky kladené na elektrické sítě patří: - bezpečný provoz - provozní spolehlivost - přehlednost - možnost rychlého odstranění poruch - hospodárnost provozu - možnost rozšiřování elektrických rozvodů a jejich modernizace - unifikace jednotlivých částí rozvodu Při některých konkrétních odběrech se při návrhu sítě musí přihlížet i k dalším specifickým požadavkům (např. důlní rozvody)... Dělení elektrických sítí El. rozvodné soustavy se dělí podle několika hledisek: Podle druhu proudu na: - přenosové soustavy střídavého proudu v současné době se používají prakticky výhradně střídavé třífázové rozvody - přenosové soustavy stejnosměrného proudu používají se jen pro přenos velkých výkonů na velké vzdálenosti nebo pro propojení sítí s různým kmitočtem Podle velikosti jmenovitého napětí na: - nízké napětí nn 30 / 400 V - vysoké napětí vn 3, 6, 0,, 35 kv - velmi vysoké napětí vvn (0), 0 kv - zvlášť vysoké napětí zvn 400, (750) kv Podle účelu použití na: 38

38 - nadřazené sítě kv slouží k přenosu el. en. mezi centry výroby a spotřeby v celostátním měřítku - přenosové sítě - (0), 0 kv přenášejí velké výkony z výroben do nadřazené soustavy - distribuční sítě -, 35 kv přenášejí el. en z elektráren nebo rozvoden do míst spotřeby - průmyslové sítě - 3, 6, 0 kv přenášejí el. en. ve velkých továrnách - sekundární sítě - 3 x 30 / 400 V slouží k dodávce el. en. do domácností Podle spojení uzlu se zemí na: - soustavy s přímo uzemněným uzlem je dimenzovaná na fázové napětí, při zemním spojení se musí soustava ihned vypnout. Používá se v sítích nízkého napětí kvůli bezpečnosti a u vvn pro menší náklady spojené s kratšími izolátory L L L 3 - soustava s uzlem nepřímo spojeným se zemí spojení je realizováno přes reaktor (tlumivku). Výhodou je, že v případě zemního spojení jedné fáze prochází tlumivkou indukční proud a ten kompenzuje kapacitní proud v místě zemního spojení, oblouk uhasne a síť může zůstat v provozu. L L L (reaktor) C C C 3 L 3 L C3 C C - soustava s izolovaným uzlem izolace je dimenzován na sdružené napětí, neboť při zemním spojení jedné fáze má sice uzel proti zemi napětí fázové, ale ostatní dvě fáze mají proti zemi napětí sdružená. Výhodou opět je, že v případě zemního spojení jedné fáze se může soustava provozovat dál. L L L 3 39

39 Podle uspořádání sítí na: - vedení napájené z jedné strany nejednodušší, nejlevnější, nevýhodou je kolísání napětí na konci vedení. Používá se pouze tam, kde se nemusí být 00% jistota dodávky el. en. - paprskové sítě vznikají spojením několika vedení napájených z jedné strany. Nevýhodou je, že v případě zkratu se odpojí celá část sítě za zkratem, dále zde stoupají úbytky napětí na vedení a opět dochází ke kolísání napětí na koncích. Použití je stejné jako předchozí pro zvýšení bezpečnosti dodávky el. en. se paprskové sítě doplňují propojením jednotlivých větví. - průběžné sítě tento typ sítí je přehledný, ale vzhledem ke své konfiguraci musí mít větší průřezy vodičů z napájecí rozvodny, používají se například pro průmyslové rozvody při napájení spotřebičů s velkým příkonem a stálým provozem. - vedení napájené ze dvou stran jsou spolehlivější v dodávce el. en., napětí kolísá méně, jsou zapotřebí menší průřezy vodičů, ale jsou kladeny větší nároky na ochrany vedení. 40

40 - okružní sítě speciální druh vedení napájeného ze dvou stran, výhodou je, že při zkratu na libovolném úseku dojde k jeho odpojení a zbytek sítě zůstává v provozu. - mřížové sítě jsou napájeny paralelně spolupracujícími transformátory v uzlech sítě. Mají vysokou spolehlivost dodávky el. en., jsou na nich malé úbytky napětí a malé kolísání napětí. Dají se při zvýšení spotřeby snadno doplnit o další napájecí bod. Nevýhodou jsou vyšší náklady na výstavbu a složité ochrany proti zkratům a přetížení. Používají se v hustě zastavěných místech s velkým odběrem el. en. Podle parametrů vedení - sítě s prostorově soustředěnými parametry (sítě nn a vn) jedná se o tzv. krátká vedení u kterých respektujeme činný odpor R a indukčnost L (u střídavých sítí). - sítě s prostorově rozloženými parametry (sítě vvn a zvn) jedná se o tzv. dlouhá vedení u kterých respektujeme činný odpor R, indukčnost L a kapacitu C, u sítí s napětím 400 kv navíc musíme počítat i se svodovou vodivostí G Elektrické parametry vedení Při výpočtech stejnosměrných vedení je brán v úvahu pouze jeden parametr - činný odpor. Při výpočtech střídavých vedení nn a vn pak dva parametry - činný odpor a indukčnost vedení (v některých případech - kabelová vedení nn - lze i u střídavých obvodů indukčnost 4

41 zanedbat.) Při výpočtech střídavých vedení vvn a zvn budou brány v úvahu všechny čtyři parametry vedení (u vedení s menším jmenovitým napětím než 400 kv se může svodová vodivost zanedbat). R L U C G U Činný odpor vedení Činný odpor vedení je přímo úměrný rezistivitě vedení, délce vedení a nepřímo úměrný průřezu vedení R vodiče [m] a S je průřez vodiče [mm ]. l S [Ω], kde ρ je rezistivita materiálu vedení [Ω.mm.m - ], l je délka Jelikož rezistivita materiálu se udává při teplotě 0 C je i vypočtený odpor vedení dán pro teplotu 0 C. Odpor vodiče je ale teplotně závislý a platí pro něj, že s rostoucí teplotou jeho odpor roste a naopak. Tuto závislost zohledňuje teplotní součinitel odporu α a pro odpor při libovolné teplotě platí vztah: R υ = R 0.(+α.Δυ), kde R 0 je činný odpor při teplotě 0 C [Ω], α je teplotní součinitel odporu [K - ] a Δυ je teplotní rozdíl od 0 C [K]. Činný odpor je také frekvenčně závislý (skeenefekt), lze tedy říci, že střídavý odpor je vyšší než odpor stejnosměrný R = k.r ss. Pro průmyslové kmitočty je ovšem zvýšení odporu nepatrné (k = ) a není s ním obvykle uvažováno. Protože se v elektrických sítích používají jako vodiče především lana (nikoli dráty), je použití základního vztahu pro činný odpor problematické a proto je výrobcem vodiče stanovena hodnota činného odporu vtažená na jednotku délky (obvykle na kilometr) R K. Pro výsledný odpor lana pak platí jednoduchý vztah: R = R K. l Činný odpor kabelového vedení je u kabelů s kovovým pláštěm mírně zvýšen vlivem ztrát hysterezních a vířivými proudy v kovovém plášti (u ostatních typů kabelů je činný odpor stejný). ndukčnost vedení Kolem vodiče se vytváří elektromagnetické pole, které působí na okolní vodiče i na vodič samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také indukčnost. Odvození indukčnosti vedení vychází ze znalostí řešení elektromagnetického pole. Rozlišujeme vlastní indukčnost vodiče a vzájemnou indukčnost mezi jednotlivými vodiči. 4

42 V praxi se nejčastěji používá vztah : L C a s 0,46.log r 0,05 [mh.km - ], kde a s 3 a a 3 a 3 je střední vzdálenost vodičů a r je poloměr vodiče(popř r e je ekvivalentní poloměr pro svazkové vodiče). Tento vztah platí pro venkovní trojfázové vedení, pro jiní typy venkovních vedení je jiný výpočet střední vzdálenosti vodičů. Jelikož by vlivem rozdílné indukčnosti jednotlivých vodičů mohlo dojít k nesymetrii napětí na konci vedení provádí se na vedeních vvn a zvn tzv. zákrut, tedy vystřídání pozice vodičů v hlavě stožáru a tím se zajistí téměř shodná indukčnost všech vodičů. ndukčnost vedení, a tím i jeho induktivní reaktanci, můžeme zmenšit použitím tzv. svazkových vodičů. Rozumí se tím dva, tři nebo čtyři paralelní vodiče v jedné fázi. Jednotlivé vodiče jsou ve svazku udržovány kovovými rozpěrkami ve vzdálenosti 30 až 50 cm od sebe. Dosáhne se tím zvětšení fiktivního ekvivalentního poloměru r e, takže se indukčnost oproti vedení s jedním lanem na fázi zmenší o 6 až 3 %. Výhody svazkových vodičů jsou menší indukčnost a tím i menší induktivní reaktance vedení, větší proudové zatížení (lepší ochlazování vodičů), menší ztráty korónou, menší vliv na telekomunikační zařízení a menší nebezpečí kmitání vodičů. Nevýhody svazkových vodičů pak jsou větší zatížení námrazou a větrem, dražší stožáry, jejich výstroj a montáž, náročnější montážní práce a zvětšení kapacity vedení Nejčastěji se používá dvousvazek pro napětí 0 kv, dvousvazek nebo trojsvazek pro napětí 400 kv a pro napětí vyšší se používá čtyřsvazek (pro napětí nad 000 kv byly navrženy šesti a osmisvazkové vodiče). Podle druhu svazku dosadíme za ekvivalentní poloměr vodiče r e : - svazek dvou vodičůna fázi: r e r a - svazek tří vodičů na fázi: r e 3 r a - svazekčtyřvodičůnafázi: 4 3 e r a r 43

43 Ve vztazích je a vzdálenost vodičů ve svazku a r skutečný poloměr vodiče. ndukčnost kabelů se dá počítat stejným vztahem jen u trojfázových plastových kabelů. U ostatních typů kabelů (stíněných, pancířových, ) je tento výpočet mnohem složitější a bývá udáván výrobcem na jeden kilometr délky kabelu. Kapacita vedení Kolem vodiče se vytváří elektrické pole, které působí na okolní vodiče i na vodič samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také kapacitu a to kapacitu vúdči zemi a vúdči ostatním vodičům. Odvození kapacity vedení vychází ze znalostí řešení elektrostatického pole. Obdobně jako u indukčnosti má každý vodič jinou kapacitu. Střední kapacita vodiče je pak dána aritmetickým průměrem kapacit jednotlivých vodičů: C stř 3 C C C 3 d 8 ln r s, kde d s 3 d d 3 d 3 je střední vzdálenost vodičů. Budeme-li uvažovat s vlivem země musíme do vztahu zahrnout i vzdálenosti jednotlivých vodičů od zěmě (a, b, c) a vzdálenost jednotlivých vodičů od svých zrcadlových odrazů (D, D, D 3 ): C stř C C C3, kde D 3 s D 3 d s m 8 ln r D je střední vzdálenost vodičů od svých zrcadlových obrazů s D D 3 a m a b 3 c je střední vzdálenost od země. Kapacita kabelů je vždy větší než kapacita venkovního vedení a její výpočet je dosti složitý a bývá opět udáván výrobcem na kilometr délky. Pokud výrobce kapacitu kabelu neuvádí je možné ji určit výpočtem nebo měřením tzv. nabíjecího proudu, tedy proudu naprázdno. U kabelů celoplastových (tedy kabelů bez kovového pláště) se kapacita kabelu mění podle způsobu uložení a okolí a počítá pomocí měření nabíjecího NAB proudu ze vztahu: C 6 f l U 0 [μf]. U jednožilových kabelů s kovovým pláštěm nebo vícežilových kabelů s pláštěm pro každý vodič se počítá jen kapacita vodiče f 44

44 proti plášti tzv. kapacita provozní. Ta je dána pro souosý válec vztahem: ε r je relativní permitivita izolace, r je poloměr vodiče a r je střední poloměr pláště. Kabely se společným kovovým pláštěm se projevují třemi kapacitami: kapacitou jednotlivých vodičů vúdči kovovému plášti (C 0 ), vzájemnou kapacitou jednotlivých vodičů vúdči sobě (C ) a provozní kapacitou (C). 0,04 C r log r r, kde C 0 [μf/km], C [μf/km], C [μf/km], kde R a log a 0,04 R r r 0,04 r log R a 3 a R Svodová vodivost Svod (svodová vodivost) je způsobena vodivosti izolátorů. Svod tedy závisí na kvalitě izolátorů, ale také na provozních a atmosférických podmínkách. Svod způsobuje činné ztráty na vedení. Svod se také obvykle vyjadřuje v hodnotách svodových ztrát na kilometr vedení: P s 3 U f G s U s G s, kde ΔP s jsou svodové ztráty, U f fázové napětí, U s sdružené napětí a G s je svodová vodivost ( G s P U s s ). Svodová vodivost kabelů je dána dielektrickými ztrátami kabelu G Q tg c s, kde Q c je nabíjecí výkon a δ je úhel mezi j a. Us Všechny tyto parametry nazýváme také parametry primární. Složením primárních parametrů vznikají parametry sekundární, tedy podélná impedance Z a příčná admitance Y (opět se častěji počítají na jeden kilometr délky vedení Z K, Y K ) Podélnou impedanci vedení tvoří činný odpor R a induktivní reaktance vedení X L, je vyjádřena vztahem: Z = R + jx L, kde činný odpor R tvoří reálnou část podélné impedance a induktivní reaktance X L = L tvoří imaginární část podélné impedance. Příčnou admitanci vedení pak tvoří svodová vodivost G a kapacitní susceptance vedení B C a je vyjádřena vztahem: Y= G + jb C, kde svodová vodivost G tvoří reálnou část příčné 45

45 admitance a kapacitní reaktance B C = C tvoří imaginární část příčné admitance..4. Přirozený výkon vedení, vlnová impedance Vycházíme-li z Ferrantiho jevu (vysvětlení viz dále) a budeme-li na konci vedení z nulové hodnoty postupně zvyšovat odběr, nastane při určitém odběru stav, kdy se napětí na konci a na začátku vedení rovnají (U f = U f ). V tomto okamžiku se vedením přenáší tzv. přirozený výkon P p a na konci vedení je připojena zátěž, jejíž impedance se rovná tzv. vlnové impedanci vedení Z v. Při přenosu přirozeného výkonu nastává na vedení nejpříznivější provozní stav. Při tomto přenosu jsou minimální ztráty, které jsou způsobeny pouze činným odporem vedení, protože energie elektrostatického a magnetického pole jsou stejně velké a působí proti sobě, vzájemně se vyruší. Při přenosu výkonu P, který je menší, než přirozený výkon vedení P p, je napětí na konci vedení vyšší, než na jeho začátku. Při přenosu výkonu P, který je větší, než přirozený výkon vedení P p, je napětí na konci vedení nižší, než na jeho začátku. Vlnová impedance vedení se vypočte z rovností elektrické a magnetické energie CU L U L Z C V L Z C V L C, vlnová impedance vedení nezávisí na délce tohoto vedení, ale je závislá na konstrukci a uložení vodičů. Vlnová impedance venkovního vedení bývá cca 70 až 400 Ω a u kabelového vedení cca 35 až 40 Ω. Na základě znalosti vlnové impedance můžeme stanovit velikost přirozeného výkonu vedení ze vztahu: P p U 3 Z f v U Z s v. Přirozený výkon kabelového vedení je tedy přibližně desetkrát větší než přirozený výkon venkovního vedení. Vlnová impedance charakterizuje přenosovou schopnost vedení. Je-li vedení provozováno pod přirozeným výkonem, má kapacitní charakter (zdroj jalové energie Q). Je-li provozováno nad přirozeným výkonem, má charakter induktivní (spotřebič jalové energie Q). 46

46 .5. Výpočet elektrických sítí nn a vn.5.. Dimenzování vodičů Nároky na elektrická vedení jsou velmi obsáhlá a často i protichůdná. Požadují se nízké pořizovací náklady, nízké provozní náklady a na druhé straně vysoká přenosová schopnost. spolehlivost, odolnost vůči vlivům okolí, bezpečnost provozu, hospodárnost atd. Průřez vodičů elektrického vedení musí být takový, aby vyhovoval celé řadě hledisek: proudové zatížení vodiče s ohledem na oteplení, dovolený úbytek napětí, odolnost vůči zkratovým proudům, mechanická odolnost, hospodárnost a bezpečnost provozu (správná funkce elektrických ochran). Proudové zatížení vodičů Výpočtové proudy jednotlivých spotřebičů jsou určeny vztahy, které vychází z výpočtového zatížení jednotlivých spotřebičů. Toto zatížení P p [kw] vychází z instalovaného výkonu daného spotřebiče a z předpokládaného součinitele náročnosti P p = P i. β Pro výpočtové proudy pak platí vztahy: Trojfázové spotřebiče p Pro jednofázové spotřebiče Pro stejnosměrné spotřebiče 000 P 3 U p p s p cos 000 Pp U cos f 000 P U p Dimenzování průřezu vodiče na dovolený proud vychází z dovoleného otepleni vodiče. Průchodem elektrického proudu vodiči dochází ke ztrátám a tím k vývinu tepla. Teplo, které se vyvine ve vodiči je přímo úměrné odporu vodiče a druhé mocnině protékajícího proudu. V ustáleném stavu se musí toto teplo převést povrchem vodiče do okolí. Teplo přenášené do okolí je přímo úměrné teplotnímu rozdílu mezi povrchem vodiče (izolace) a okolím Δυ a nepřímo úměrné tepelnému odporu T mezi vodičem (vodivým jádrem kabelu) a vzdálenějším okolím (již vodičem neovlivňovaným). Pro tepelné ztráty tedy platí: P R T Teplota vodiče nebo jádra kabelu nesmí překročit určitou maximální hodnotu, která závisí na materiálu izolace, na spojovacím materiálu vodiče atd. Oteplení vodiče tedy nesmí přesáhnout hodnotu dovoleného oteplení Δυ max = υ max υ okolí. Pro 47

47 maximální hodnotu proudu kterým může být vodič zatěžován pak platí vztah: max R T kde R je elektrický odpor vodiče na jednotku délky a T je tepelný odpor vodiče na jednotku Dovolený úbytek napětí Vodiče a kabely musí být dimenzovány tak, aby při předpokládaném zatížen í nezpůsobily nedovolený pokles napětí. Konkrétní požadavky jsou uvedeny v různých technických normách (běžně se počítá s úbytkem napětí do 5% jmenovitého napětí). Hodnota úbytku napětí je rovna rozdílu hodnot napětí na začátku vedení a hodnoty napětí na konci vedení U = U U. Výpočet úbytku napětí je možno provést při znalosti výpočtového proudu daných spotřebičů a příslušné konfigurace sítě. Pro tento výpočet je také nutno provést úvahu o respektování jednotlivých parametrů vedení. Ve většině výpočtů se totiž některé parametry vodičů Základní výpočtové schéma, S U U Z sp l Stejnosměrné sítě Při řešení úbytku napětí stejnosměrných vedení je nutno považovat zátěžnou impedanci Z sp pouze za činný odpor R sp rovněž vedení má pouze činný odpor R. Stejnosměrné vedení je dvouvodičové, úbytek napětí se vytváří v obou napájecích vodičích. Pro úbytek napětí stejnosměrného vedení za předpokladu konstantního průřezu a materiálu vodiče platí vztah: U R k l p l S p, kde ΔU je úbytek napětí ve voltech, R k odpor vedení na jeden kilometr, l je délka jedné větve napájecího vedení, p je výpočtový proud, ρ je rezistivita vedení a S je průřez vedení. Z hodnoty dovoleného úbytku napětí je pak možno vypočítat průřez (pro dráty) nebo l dovolenou hodnotu odporu na jednotku délky pro lana: S U p DOV, resp. R U DOV k. l p 48

48 Střídavé sítě U střídavých sítí je možno také vycházet z náhradního schématu, zátěžná impedance vedení má však v tomto případě komplexní charakter. Reálnou část impedance tvoří činný odpor R sp, imaginární část pak induktivní reaktance X Lsp. Charakter této zátěžné impedance určuje posuv proudu vůči napětí na konci vedení. Rovněž vedení má svou impedanci, musíme respektovat činný odpor vedení R i indukčnost vedení L. Pro impedanci vedení pak platí vztah Z = R + jωl = R + jx L. Ve většině případů se impedance vedení uvádí na kilometr délky vedení. Střídavé sítě jsou jednofázové nebo třífázové. V případě jednofázových sítí se počítá s fázovým napětím a podobně jako u sítí stejnosměrných se jedná o dvouvodičové sítě. Úbytek napětí vzniká v každé větvi vedení. U trojfázových síti se rovněž vychází z jednofázového modelu, ve kterém jsou znázorněná fázová napětí. U symetrických trojfázového sítí je ovšem součet okamžitých hodnot proudu všech tří fází roven nule a středním vodičem teoreticky neprotéká proud. Úbytek napětí proto vzniká pouze v jedné větvi (fázový vodič). U střídavých obvodů je ovšem nutno vycházet ze skutečnosti, že průběhy proudu a napětí jsou časově proměnné (sinusové) a je tedy nutno brát v úvahu, jednotlivé časové posunutí. Tato posunutí vyjadřují tzv. fázorové diagramy. Pro výpočtové schéma platí fázorový diagram dle obrázku. Z uvedeného fázorového diagramu vyplývá, že úbytek napětí má jak reálnou tak i jalovou složku. Při řešení úbytku napětí na vedeních nn a vn, kde zátěžný úhel β je velmi malý je většinou brána v úvahu pouze reálná složka úbytku napětí. Pro fázovou hodnotu úbytku napětí trojfázového střídavého vedení pak platí vztah ΔU f = R.. cosφ + X.. sinφ = R k. l.. cosφ + X k. l.. sinφ (pro jednofázové vedení je nutné délku vedení násobit dvěma) Úhel α ve fázorovém diagramu představuje tzv. úhel vedení a je dán poměrem induktivní reaktance a činného odporu vedení Odolnost vůči zkratovým proudům X L arctg. R Vedeni musí odolat jak dynamickým, tak i tepelným účinkům zkratových proudů, které v daném místě připadají v úvahu. Dynamické síly vznikají elektromagnetickým působením proudů v sousedních vodičích. Největší silový ráz způsobuje tzv. nárazový zkratový proud ( KM ). Je to v podstatě první U f X. U R. U f 49

49 amplituda zkratového proudu po vzniku zkratu za předpokladu maximální stejnosměrné složky. Síla mezi vodiči vztažená na jeden metr vodiče je dána vztahem: KM FK k k 0 a kde k je koeficient tvaru vodiče (respektuje rozloženi proudů), k je koeficient respektující uspořádání vodičů a fázový posuv proudů, a je vzdálenost vodičů a KM je nárazový zkratový proud. Tepelné účinky zkratového proudu mohou působit nepříznivě hlavně na izolaci vodičů. Zkratový proud způsobí velké oteplení, během krátké doby trvání zkratu nemůže být toto teplo odvedeno do okolí a proto se zvyšuje teplota vodičů. Tepelné účinky zkratového proudu se posuzují podle tzv. ekvivalentního oteplovacího proudu ( KE ), což je fiktivní hodnota střídavého proudu stálé velikosti, která za dobu působení zkratu má stejné tepelné účinky jako skutečný zkratový proud. Pro minimální průřez kabelu platí s ohledem na tepelné účinky zkratového proudu vztah S MN KE t K K, kde KE je ekvivalentní oteplovací proud, t K je doba trvání zkratu a K je koeficient. který respektuje teplotu jádra kabelu před a po zkratu. Velikost zkratového proudu v elektrických rozvodech může být významně ovlivněna jištěním. Správně dimenzované jištění přeruší zkratový proud dříve než dosáhne své maximální možné hodnoty. Mechanická odolnost Některé druhy vedení jsou mechanicky namáhány při montáži nebo i při samotném provozu, zejména venkovní vedení. Výpočet mechaniky vedení je většinou prováděn u venkovních vedení vn a vvn. Tam se počítá minimální průřez vodiče s ohledem na jeho hmotnost a povětrnostní vlivy (vítr, námraza). Dále jsou zde prováděny mechanické výpočty stožárů a jejich základů. V oblasti průmyslových sítí je mechanická odolnost zohledňována stanovením minimálních průřezů pro jednotlivé druhy vodičů a jejich uložení. Hodnoty těchto minimálních průřezů jsou stanoveny v příslušných normách. Hospodárnost průřezu Vodiče mají být dimenzovány tak, aby byly zatěžovány hospodárným proudem. Pořizovací náklady i náklady na provoz a údržbu by měly být optimální. Definování jednotlivých činitelů této optimalizace je dosti složité. Činitele můžeme rozdělit na technické a ekonomické. 7, 50

50 Technické činitele můžeme určit měřením a výpočtem. ekonomické činitele mají návaznost na ceny materiálů, energie atd. Výpočet hospodárného průřezu je možno např. vypočítat ze vztahu: S k p T, kde k je součinitel popisující druh a materiál vedení (viz tabulka), p je výpočtový proud a T je doby plných ztrát, která se vypočte ze vztahu: A A T t 0, 0,8 P p t Pp t [hod. rok - ], kde A je energie přenesená vedením za rok [kwh], t je počet provozních hodin připojeného zařízení za rok a P p je přenášený výpočtový výkon [kw]. Tabulka součinitele druhu a materiálu vedení k Druh vedení Materiál jádra vodiče Cu Al Holé přípojnice 0,006 0,04 Kabely od 5 mm výše do 0kV 0,007 0,068 Chráněné vodiče a kabely o průřezu 6 mm 0,006 0,09 Chráněné vodiče, kabely do 0 mm, kv nebo vodiče v instalačních trubkách 0,0053 0,009 Bezpečnost provozu Kritérium bezpečnosti provozu je hlavním kritériem pro dimenzováni vodičů (i když je v tomto výčtu uvedeno na posledním místě). Jedná se o správné působení ochrany před nebezpečným dotykem (ČSN ). mpedance poruchové smyčky musí splňovat vztah: Z s A U 0, kde Z s je impedance poruchové smyčky zahrnující zdroj, fázový vodič až k místu poruchy a ochranný vodič mezi místem poruchy a zdrojem, A je proud zajišťující samočinné působení odpojovacího ochranného prvku v době stanovené normou a U 0 je jmenovité napětí proti zemi. Při ochraně nulováním (rychlým odpojením od zdroje) je nutno průřez vedení dimenzovat tak, aby impedance poruchové smyčky nepřesáhla hodnotu dle předešlého vztahu..5.. Výpočet ss sítí Základní podmínky výpočtu Při výpočtech elektrických stejnosměrných sítí bude uvažován pouze jeden parametr vedení a to činný odpor R. Jedná se o případ dvouvodičového vedení (úbytek napětí se vytváří v obou vodičích). Při výpočtu budou respektovány následující zjednodušující předpoklady: - materiály i průřezy jednotlivých vodičů jsou stejné, - odebíraný výkon nezávisí na úbytku napětí, 5

51 - určení odběrových proudů spotřebičů z příkonu se provádí za předpokladu jmenovitých napětí. Pro počítanou síť jsou dány: - konfigurace sítě s odběrovými výkony nebo proudy - jmenovité napětí, - dovolený úbytek napětí. Výpočtem je pak nutno stanovit: - průřez vedení, - maximální úbytek napětí, - výkonové ztráty. Výpočet vedení napájeného z jedné strany Na základním schématu vedení napájeného z jedné strany s několika odběry si vysvětlíme metody výpočtu sítí. U tohoto typu vedení je jasné, že místo maximálního úbytku napětí je vždy na konci vedení. l l l 3 l n U max S S S 3 S n 3 n- n (l x jsou délky jednotlivých úseků vedení, S x jsou průřezy jednotlivých úseků vedení a x jsou jednotlivé proudové odběry) Pro maximální hodnotu úbytku napětí platí vztahy: U max R R R 3 3 R n n l S l S l S l S n n n U max n k l S k k k Což jsou základní rovnice pro výpočet úbytku napětí u stejnosměrných sítí. Metoda konstantního průřezu Tato metoda, je pro výpočet sítí (nejen stejnosměrných) používána nejčastěji. Základní pravidlo této metody je obsaženo v jejím názvu, tedy S = konstanta. Pro maximální hodnotu úbytku napětí lze předchozí vztahy upravit na tvar: 5

52 53 n k k k max l S U, kde výraz k n k k k M l se označuje jako tzv. proudový moment a dá se jak vyplývá ze základního schéma vedení vypočítat dvojím způsobem: n n n 3 3 n 3 n 3 n k k k k l l l l l M n n n k k k k l l l l l l l l l l l M První způsob vyjádření je jako součet součinů jednotlivých úseků a součtu proudů, které tečou těmito úseky. Druhý způsob vyjádření je jako součet součinu proudů jednotlivých odběrů a vzdáleností těchto odběrů od začátku vedení. Výpočet průřezu vedení pak vychází z hodnoty dovoleného úbytku napětí: k dov M U S, je-li dovolený úbytek napětí udán v procentech napětí zdroje pak se vztah upraví na tvar: k % M U u S. Z vypočtené hodnoty průřezu vodiče se zvolí nebližší vyšší průřez z řady průřezů daného výrobci vedení. Pro výkonové ztráty platí: n k l k k S P Metoda konstantního průřezu je velmi jednoduchá metoda výpočtu, ale její nevýhodou je, že na celé vedení je vypočítán jeden průřez vodiče, který není po celé délce (zvláště na konci vedení) proudově využit. Tuto nevýhodu lze kompenzovat několikerým použitím této metody, takže na koncích vedení a na odbočkách je vypočtena jiná hodnota průřezu vedení, odpovídající procházenému proudu. Metoda konstantní proudové hustoty Jak vyplývá z názvu této metody, je v každém úseku vedení stejná proudová hustota σ, tedy: n n 3 3 S S S S konstanta Pro maximální hodnotu úbytku napětí pak platí: L l S l U n k k n k k k k max, kde L je celková délka vedení.

53 Pro výslednou proudovou hustotu pak platí: U dov L Průřez každého úseku vedení je jiný podle hodnoty proudu, který daným úsekem vedení protéká: S k k Pro výkonové ztráty platí: P n k l S k k k n l k k k M k Vedení navržené podle této metody má ve všech úsecích ideální proudové využití průřezu a proto vznikají minimální výkonové ztráty, ale nevýhodou je technické řešení, neboť každý úsek vedení by měl jiný průřez. To vyžaduje jištění každého úseku vedení zvlášť a množství použitých druhů instalačního materiálu. Aby byl v praxi využit efekt minima výkonových ztrát, musely by být jednotlivé proudové odběry konstantní. Řešení vedení s odbočkami Při řešení tohoto typu vedení se obvykle několikrát aplikuje metoda konstantního průřezu. Základem této metody je stanovení tzv. kmenového vedení. V každém místě odbočení (postupuje se od konce vedení) se stanoví, která odbočka má větší hodnotu úbytku napětí. Protože se předpokládá metoda konstantního průřezu, stanoví se, která větev má větší hodnotu proudového momentu M k. Větev, která má větší hodnotu proudového momentu, se zachová, větev s menší hodnotou proudového momentu se nahradí odběrem v místě odbočení. Hodnota odběrného proudu (výkonu) je rovna součtu všech odběrných proudů (výkonů) větve, která se nahrazuje. (Výsledný proudový odběr řešené sítě se po redukci větví nesmí změnit) Tak se získá tzv. kmenové vedení, což je vedení napájené s jedné strany s několika odběry. Toto kmenové vedení se pak řeší stejným postupem jako vedení napájené z jedné strany bez odbočky. Vypočte se průřez kmenového vedení. Odbočky se mohou dimenzovat stejným průřezem, ale většinou se odbočky dimenzují zvlášť. Vypočte se skutečná hodnota úbytku napětí v místě odbočení ΔU k. Pro danou odbočku se pak vypočte hodnota dovoleného úbytku napětí ΔU dov odbočky = ΔU dov - ΔU k a na tuto hodnotu dovoleného úbytku napětí se pak dimenzuje daná odbočka. 54

54 A B D C 4 V případě sítě na obrázku se stanoví proudový moment mezi body BC a BD a určí se kmenové vedení. Například proudový moment úseku vedení BD je větší než proudový moment úseku vedení BC, pak je kmenové vedení tvořeno body ABD a v místě odbočení B se odbočka BC nahradí odběrem daným součtem všech proudů této větve ( ). A B D Vedení napájené ze dvou stran V případě takového typu vedení je nutno nejdříve určit místo maximálního úbytku napětí. Pro jeho určení je nutno vypočítat napájecí proudy. Předpokladem je opět hodnota konstantního průřezu a dále se předpokládá stejné napětí obou napáječů. Pro odvození vztahů pro výpočet napájecích proudů bude použito jednoduché schéma vedení napájeného ze dvou stran se třemi odběry. A l l X l 3 l 4 B A B 3 Pro úbytek napětí v bodě X (stejná hodnota musí být od napáječe A i B za předpokladu stejných napájecích napětí) platí následující vztah: l U x S l l A l S l A A 4 3 A l 4 B l S l 3 B B l S l 3 Zároveň platí, že součet všech odebíraných proudů je roven součtu proudů od jednotlivých 55 B 3 3

55 napáječů: A B 3 Po úpravě platí pro napájecí proud A a analogicky pro napájecí proud B následující vztahy: A 3 l 4 l l 3 l l 4 l 3 l 4 l l 3 l od napáječe B a L je celková délka vedení. B l l l l l l 3 3 l 4 l l l 3 4 n k n k k k L L l l kb ka, kde l kb je délka vedení k-tého odběru, kde l ka je délka vedení k-tého odběru od napáječe A. Po výpočtu napájecích proudů se určí rozložení proudů v síti. Odběr, do kterého se stékají proudy z obou stran je místem maximálního úbytku napětí. V tomto bodě se vedení rozdělí na dvě vedení a počítá se jako vedení napájené z jedné strany Výpočet st sítí nn a vn Základní podmínky výpočtu Při výpočtu střídavých vedení nn a vn budou respektovány parametry vedení R a L. Vedení bude tedy nahrazeno podélnou impedancí Z. V případě trojfázového vedení bude uvažován symetrický provoz. Poměry v každé fázi budou stejné, pouze elektricky pootočené o 0 resp. 40. Proto je možno použít jednofázový model vedení. Napětí U f a U f na modelu vedení jsou napětí fázová. Pro tato napětí platí vztah: R L U f U f U f = U f + ΔU f = U f + Z = U f + (R + jx).(.cosφ ±.sinφ), kde znaménko -je pro induktivní zátěž a znaménko + pro kapacitní zátěž. pro úbytek napětí pro induktivní (častější) zátěž platí: ΔU f = (R + jx).( č j ) = (R č + X j ) + j(x č R j ), z tohoto vztahu vyplívá, že úbytek napětí má svou reálnou i imaginární složku a je to patrné i z fázorového diagramu. Úhel α je tzv. úhel vedení a jeho tangenta je rovna X/R, což je poměr induktivní reaktance a odporu 56

56 vedení. Je-li α = φ je hodnota jalové složky úbytku napětí ΔU j rovna nule. Úhel β je tzv. zátěžný úhel a u běžných vedení nn a vn je jeho hodnota velmi malá (do 3 ), při praktických výpočtech se tedy jalová složka úbytku napětí zanedbává a vztah pro úbytek napětí se zjednoduší na tvar: ΔU f = (R. č + X. j ) = R..cosφ + X..sinφ = ΔU + ΔU, kde první část úbytku napětí ΔU je závislý na průřezu (obsahuje odpor R) a druhá část ΔU je v podstatě na průřezu nezávislá. Průřez se pak dá vypočíst úpravou vztahu pro dovolený úbytek napětí: ΔU = ΔU dov - ΔU = ΔU dov X. j = ΔU dov X..sinφ = R..cosφ = ρ. l S. cosφ S U l cos Výpočtové metody střídavých vedení Na střídavá vedení je možno aplikovat stejné výpočtové metody jako na vedení stejnosměrná. Jednofázová vedení jsou dvouvodičová (úbytek napětí vzniká v obou vodičích). V případě trojfázových vedení je uvažován symetrický provoz (nulovým vodičem neprotéká žádný proud) a úbytek napětí pak vzniká pouze na fázových vodičích. Výpočet vedení napájeného z jedné strany Většinou se aplikuje metoda konstantního průřezu. R + jx R + jx R + jx n n - j č j č - jj n-č- j n-j - j nč nj Pro první část fázového úbytku napětí ΔU platí: n U lk k cos S k vedení, cosφ k je účiník v k-tém úseku vedení. Pro průřez vedení pak platí: k, kde l k je délka k-tého úseku vedení, k je proud v k-tém úseku S U n l k k k cos čitatel je násoben dvěma). k (pro jednofázové -dvouvodičové vedení platí stejný vztah, pouze Metoda konstantní proudové hustoty Pro tuto metodu platí následující základní vztah pro první část fázového úbytku ΔU 57

57 U l cos n k k k Další výpočet je shodný s výpočtem stejnosměrných sítí. Výpočet vedení napájeného ze dvou stran Opět se předpokládá aplikace metody konstantního průřezu. A l l X l 3 l 4 B A B Pro napájecí proudy platí: 3 A n k k Z Z AB kb a B n k k Z Z AB ka, kde Z AB je impedance vedení mezi oběma napáječi. Za předpokladu, že napětí napájecích zdrojů jsou ve fázi zjednoduší se vztahy pro napájecí proudy na: A n k k L l kb a B n k k L l ka Další řešení je opět analogické s řešením stejnosměrné sítě. Výpočet střídavých vedení při nesymetrickém zatížení Nesymetrické zatížení má za následek proud v nulovém vodiči. Úbytek napětí tak vzniká ve vodiřích fázových, ale i ve vodiči středním. ΔU f = ΔU fáz ΔU stř, kde ΔU f je fázová hodnota úbytku napětí, ΔU fáz je úbytek napětí na fázovém vodiči a ΔU stř je úbytek napětí na středním vodiči. Je tedy nutno dimenzovat jak fázové vodiče tak i střední vodič a najít optimální poměr mezi nimi. Pro určení tohoto poměru se vychází z činitele nesymetrie η, který je dán poměrem proudu středního vodiče 0 a sousledné složky proudu v jednotlivých fázích (resp. střední 0 0 M0 hodnoty fázových proudů ): Hodnota činitele nesymetrie M η se v praxi odhaduje podle druhu sítě a charakteru zátěže a průřez středního vodiče se volí stejný jako průřez vodičů fázových (sítě TN-C), nebo o jeden stupeň nižší (TN-S). Teoreticky odvozené vztahy průřezů jednotlivých fázových vodičů S fáz a vodiče středního S stř : fáz 58

58 S f U f M fáz 0 3 a S stř U f M fáz Výpočet st sítí vvn Při řešení vedení vvn je nutno respektovat všechny čtyři parametry elektrických vedení - činný odpor, indukčnost, kapacitu a svodovou vodivost. Tyto parametry při řešení elektrických sítí NN a VN zjednodušeně považujeme za prostorově soustředěné tj. výsledné hodnoty těchto parametrů nahradíme jedním fyzikálním prvkem (viz obrázek vedení). Pro řešení vedení můžeme využít teorii čtyřpólů, kdy vedení představuje pasivní, lineární, souměrný čtyřpól. Jeho základní rovnice jsou: U = A. U + B. = C. U + D. kde A, B, C a D jsou tzv. Blondelovy konstanty. Pro přesná řešení vedení nelze ovšem zjednodušovat vedení na náhradní schéma s prostorově soustředěnými parametry, ale je nutno respektovat prostorově rozložené parametry vedení a výpočet vedení vvn se tak stává velice složitým. Pro výpočet vedení vvn proto využíváme přibližné metody výpočtu pracující s tzv. náhradními články. Při tomto řešení uvažujeme soustředěné parametry vedení do několika náhradních impedancí a admitancí. Parametry vedení se pak vhodným způsobem zapojují. Rozlišujeme dva základní náhradní články T článek a Π článek. Každý náhradní článek má jiné hodnoty Blondelových konstant, odvozených z podélné impedance vedení Z K a příčné admitance Y K, pro které platí: Z K = (R K + j L K ) [Ω.km - ]; Y K = (G K + j C K ) [S.km - ], kde. R K, L K, C K a G K parametry vedení vztažené na km délky Náhrada pomocí T článku Příčná admitance je umístěna do středu vedení. Podélná impedance je rozdělena na dvě poloviny a umístěna na začátek a konec vedení. Odvozením z rovnic pro součet napětí a proudů dle Kirchhoffových zákonůa jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro T článek: 59

59 Z A D K Y K l [-]; B Z K Z l K Y 4 K l [Ω]; C Y K l [S] Náhrada pomocí Π článku Příčná admitance je rozdělena na dvě poloviny a umístěna na začátek a konec vedení. Podélná impedance je umístěna do středu vedení. Odvozením z rovnic pro součet napětí a proudů dle Kirchhofových zákonů a jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro Π článek: Z A D K Y K l [-]; B Z K l [Ω]; C Y K Z l K Y 4 K l [S].6. Problémy přenosu el. en. Problémy přenosu el. en. jsou způsobeny především koronou, Ferantiovým jevem, ztrátami dielektrickou hysterezí, či stabilitou soustav. Korona je to neúplně samostatný doutnavý výboj bledě fialové až narůžovělé barvy doprovázený někdy zvukovými efekty. Vzniká v okolí vodiče překročí-li intenzita elektrického pole dostatečnou hodnotu pro její vznik. Napětí, při kterém koróna vzniká, se nazývá kritické napětí koróny. Jeho velikost závisí na počasí, vlhkosti vzduchu, drsnosti povrchu vodiče, poloměru vodičů a na jejich vzájemné vzdálenosti. Kromě činných ztrát způsobuje koróna rušení telekomunikačních zařízení. Velikost ztrát korónou lze zmenšit použitím svazkových vodičů. Ferantiho jev jedná se o jev, kdy napětí na konci vedení je větší než na jeho začátku. Nastává u dlouhých nezatížených vedení (stav naprázdno) nebo jen málo zatížených vedení vvn a zvn. Jedná se o formu provoznho přepětí. Pro odvození velikosti přepětí vycházíme vzhledem k délce vedení z T článku. 60

60 Protože při chodu vedení naprázdno není na konci připojen odběr, je U = 0. Proto můžeme zanedbat pravou část podélné impedance na které je nulový úbytek napětí (ΔU F = 0). Na příčné admitanci Y je tedy přímo napětí U F. Vzhledem k tomu. že zanedbáváme činnou složku příčné admitance (G = 0), protéká při chodu vedení naprázdno příčnou větví čistě kapacitní proud c, který současně protéká levou částí podélné impedance. Platí tedy, že = c a vedením protéká pouze tzv. nabíjecí proud vedení c. Protože pravou část T článku nemusíme uvažovat, lze náhradní schéma vedení upravit a nakreslit z něj fázorový diagram. Z fázorového diagramu je vidět, že napětí na konci vedení je větší než na jeho začátku. Na vedení tedy vznikne místo úbytku přírůstek napětí (záporný úbytek napětí). Ztráty dielektrickou hysterezí jsou to ztráty které se vyskytují u kabelů při střídavém proudu, jsou důsledkem polarizace izolantu. Velikost těchto ztát závisí na složení izolace, teplotě. Stabilita sítě elektrizační soustava musí mít schopnost být v rovnovážném stavu a vrátit se do něj i po poruše, která by tento stav změnila. Za rovnovážný stav se považuje za zachování synchronního tedy paralelního chodu všech synchronních strojů, které jsou připojeny k elektrizační soustavě. Schopnost elektrizační soustavy udržet se v synchronním chodu s jinou soustavou i při pomalu rostoucím činném výkonu až do meze statické stability nazýváme statická stabilita. Dynamická stabilita je pak schopnost soustavy přejít znovu do synchronního chodu s jinou soustavou i po přechodném ději (vypnutí vedení, zkratu atd.). Stabilita tedy limituje délku vedení a přenášený výkon mezi dvěmi soustavami..7. Poruchové stavy na vedení Při každém poruchovém stavu dochází ke změnám provozních parametrů a tím k přechodovému jevu. Mezi poruchové jevy na vedení se řadí zkraty, zemní spojení a přepětí. 6

61 .7.. Zkraty Zkrat náhodné nebo úmyslné spojení přes zanedbatelný odpor nebo impedanci dvou nebo více bodů obvodu, které mají při normálním provozu různá napětí. Zkratem tedy rozumíme vodivé spojení fází mezi sebou nebo spojení jedné fáze se zemí (pouze v soustavě s uzemněným uzlem). V místě poruchy dojde tedy k mimořádnému zmenšení napětí, případně k jeho poklesu na nulu a zároveň do místa poruchy tečou zkratové proudy ze všech zdrojů soustavy. Podle jejich výkonu a vzdáleností tak vzrůstají úbytky napětí směrem do zdrojů k místu zkratu, pokles napětí se projeví v celé soustavě. Nejvíce je ohroženo místo zkratu, protože jím protéká výsledný zkratový proud. Rozdělení zkratů podle působení zkratu v jednotlivých fázích rozdělujeme zkraty na souměrné (všechny tři vodiče jsou shodně postiženy a vedou stejný zkratový proud) a nesouměrné. Souměrné - třífázový zkrat nebo třífázový zemní zkrat - nastává při kovovém dotyku všech tří fází navzájem resp. všech tří fází navzájem a zemně. Tento druh zkratu se nejčastěji vyskytuje v kabelových sítích (oblouk vzniklý při jakémkoliv zkratu snadno poruší izolaci mezi všemi fázemi) a vede často k nejvyšším hodnotám předpokládaného zkratového proudu. Nesouměrné - dvoufázový zkrat izolovaný - vzniká při prostém spojení dvou různých fází - dvoufázový zkrat zemní - vzniká při spojení dvou různých fází a země - jednofázový zkrat - vzniká při spojení jedné fáze se zemí u soustavy s uzemněným uzlem (způsobuje největší rušení sdělovacích vedení). Příčiny zkratu hlavními příčinami zkratů jsou nedokonalá izolace, stárnutí izolace, stárnutí a přetěžování vodičů, popraskané izolátory, poddimenzování zařízení, vadné elektrické zařízení, přepětí, úder blesku. Účinky zkratu tepelné a dynamické namáhaní vedení, zhoršení možnosti přerušení proudu výkonovými vypínači, ohrožení stability soustavy, přepětí a indukovaná napětí na vedení 6