Doplňující materiál k předmětu Elektroenergetika

Transkript

1 Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická České Budějovice Doplňující materiál k předmětu Elektroenergetika Rozvodné energetické sítě Vypracoval: Ing. Antonín Švec České Budějovice září

2 Předmluva Tyto doplňující materiály k předmětu Elektroenergetika byly vytvořeny v rámci realizace grantového projektu. Tento projekt je součástí operačního programu CZ.1.07 Vzdělávání pro konkurenceschopnost, oblasti podpory Zvyšování kvality ve vzdělávání. Projektu bylo přiděleno registrační číslo CZ.1.07/1.1.14/ ve smlouvě o realizaci grantového projektu ze září 2013, uzavřené mezi Jihočeským krajem, jako zprostředkujícím subjektem, a střední průmyslovou školou strojní a elektrotechnickou České Budějovice, Dukelská 13. Projekt je financován z Evropského sociálního fondu a je spolufinancován ze státního rozpočtu ČR. Stručná anotace Materiál obsahuje shrnujícím způsobem výběr a rozsah témat, které se vyučují v předmětu Elektroenergetika v části dotýkající se problematiky rozvodných energetických sítí. Účelem je podnítit přitažlivou formou zájem studentů o uvedenou problematiku a následně precizovat a doplnit uvedené téma. V kapitole 1 a 2 je pohled na rozvodné sítě, proveden je popularizující formou. Studenti jsou seznámeni s problematikou rozvodu elektrické energie od zdrojů energie až po konečného spotřebitele, s energetickými sítěmi v ČR, s vysvětlením rozvodné soustavy vedení velmi vysokého napětí (VVN), vysokého napětí (VN) a nízkého napětí (NN). Objasnění základních energetických pojmů rozvodná síť, přenosová a distribuční soustava, mezinárodní spolupráce a z toho vyplývající možnosti a podmínky. Jsou uvedeni správci přenosových sítí, ČEZ, ČEPS a jejich vazby a spolupráce. Materiál je doplněn ukázkou schémat elektrických sítí spolu s mezinárodními vazbami (přenosy). Studenti jsou také seznámeni s jednotlivými typy stožárových konstrukcí použitých pro vedení - dle velikosti napětí vedení. V textu jsou odkazy na schémata, která jsou obsahem samostatných souborů přiložených k textové části dokumentu. Nejsou obsaženy zkraty v rozvodné soustavě, zkratový výkon, vznik přepětí, napěťové vlny a jejich šíření, možnosti a způsoby regulace toků energie v soustavě. V kapitole 3 je podrobněji rozvedena problematika hlavní části rozvodné soustavy elektrických vedení. Jsou popsány elektrické vlastnosti vedení, parametry vedení, mechanika zavěšeného vodiče. Není uvedeno technické vybavení vedení stožáry, izolátory, vodiče. Dále by bylo vhodné doplnit materiál o výpočty prováděné v rámci výuky výpočet stromečkové sítě, výpočet vedení pomocí T a článků (včetně vytvoření vektorového diagramu), výpočet zkratové impedance a zkratového proudu v soustavě, výpočet průhybu vodičů a kontrola křižovatky vedení, kontrola kabelu na zkrat a jištění. Za jednotlivými částmi článků (odstavců) je uveden odkaz na pramen odkud byly informace čerpány

3 ROZVODNÉ ENEGETICKÉ SÍTĚ Obsah Kapitola Rozvodné sítě všeobecně... 6 Úvod... 6 Druhy rozvodných sítí... 7 Distribuční síť... 7 Způsoby provozování distribučních sítí... 8 Přenosová soustava Způsob provozování přenosové soustavy Rozvodné sítě - shrnutí: Problematika vedení VVN Kapitola Správa a provozování rozvodných sítí Skupina ČEZ Společnost ČEPS Dispečink ČEPS Rozvodné sítě podrobněji Přenosová soustava Historie a popis Přeshraniční propojení Výpadky Rozvoj přenosové soustavy (PS) Výhled investic do vedení přenosové soustavy Stožáry vedení přenosové soustavy Využití přenosové soustavy pro přenos dat Distribuční soustava ČEZ Distribuce, a.s E.ON Distribuce, PRE Distribuce Distribuční sítě velmi vysokého napětí Distribuční sítě vysokého napětí Distribuční sítě nízkého napětí Hromadné dálkové ovládání (HDO) Současné a budoucí trendy v elektrizační soustavě (ES) Elektroenergetické systémy Kritéria přenosu elektrické energie Regulační opatření Současné problémy elektrizačních soustav Nová koncepce provozovatelů přenosových soustav v Evropě Výzvy do budoucna Vysokonapěťový stejnosměrný přenos (HVDC) Inteligentní sítě (Smart Grid) Diagnostika sítí, synchrofázorová měření

4 Kapitola Elektrická vedení Ochranné pásmo elektrického vedení Elektrické vlastnosti vedení Činný odpor vedení R (Ω) Indukční reaktance XL (Ω) Kapacitní susceptance BC (S) Konduktance venkovních vedení Rovnoměrně rozložené parametry vedení Výpočet vedení pomocí článků Ferrantiho jev Mechanika vodiče venkovního vedení Odvození rovnice řetězovky Zavěšený vodič, závěsy ve stejné výši Zavěšenývodič, závěsy v různé výši Namáhání vodiče Odvození stavové rovnice Nesymetrické stavy venkovních vedení

5 Použitá literatura, obrázky, normy V následujícím jsou uvedeny odkazy na internetové stránky, odkud byly čerpány údaje. Jednotlivé části textu jsou případně doplněny o vložené poznámky Jednotlivé části textu jsou na konci označeny: Převzato z internetu - s uvedením internetové adresy, seznam použitých internetových adres viz níže: Literatura Odborné učebnice pro energetiku, ČVUT Praha 2011 Provoz distribučních soustav Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí Schejbal Konstantin, Mertlová Jiřina. Elektroenergetika II. Vydavatelství Západočeské univerzity, Plzeň 1998, ISBN Haberle Heinz a kolektiv. Průmyslová elektronika a informační technologie. Vydalo nakladatelství Europa-Sobotáles cz. s. r. o. v roce 2003, ISBN Heřman J. a kolektiv. Příručka silnoproudé elektrotechniky. Vydalo SNTL Praha 1 v roce Pauza J, Ballák R. Elektroenergetika II. Vydalo SNTL Praha 1 v roce Foit Jaroslav. Elektroenergetika I.SNTL Praha 1 v roce Boháč O., Nocar J. Elektroenergetika. Vydalo SNTL Praha 1 v roce Mayer Daniel. Elektrodynamika v energetice. Vydalo nakladatelství BEN - technická literatura, Praha vydání. ISBN

6 Kapitola 1 Rozvodné sítě všeobecně Úvod Spolu s instalací prvních zdrojů elektřiny schopných komerční výroby elektřiny a prvních elektrických spotřebičů (především světelných zdrojů) se ukázala nutnost vyvinout systém zajištující přenos elektřiny od zdroje ke spotřebičům. S dalším rozvojem se ukázala i nutnost postupného sjednocování systému přenosu elektřiny - tzv. sítí. tepelné elektrárny jaderné elektrárny vodní elektrárny * Situování hlavních zdrojů - velkých elektráren Situování dalších výrobních zdrojů (elektráren) viz příloha č.1 Instalovaný výkon zdrojů 2013 viz příloha č.1a Elektrická energie rozvádíme pomocí elektrické sítě, kterou můžeme definovat následovně: Elektrická síť je soubor jednotlivých vzájemně propojených elektrických stanic, venkovních a kabelových vedení určených pro přenos a rozvod elektrické energie. V dalším se budeme zabývat hlavně elektrickými vedeními. Pozn.: obrázek označený * a text v uvozovkách - uveden z :

7 Druhy rozvodných sítí Rozvodnou síť elektrické energie podle účelu a použitého napětí rozvodu rozdělujeme na: Distribuční soustavu (distribuční síť) Přenosovou soustavu (přenosová síť) Distribuční síť Sítě VVN - (velmi vysokého napětí) -110 kv - jedná se o sítě napájející jednotlivé oblasti a podniky (podniky těžkého průmyslu, měnírny zajišťující napájení elektrifikovaných železničních tratí, propojení mezi rozvodnami a transformovnami,..) ; většinou jsou provedeny vzdušným vedením, vyjímečně kabely (v průmyslových kombinátech, městských aglomeracích) Sítě VN - (vysokého napětí) 6 kv; 10 kv; 22 kv; 35 kv jedná se o sítě ve městech, v průmyslových objektech a vedení mezi vesnicemi a městy; zajišťují napájení spotřebitelů lehkého průmyslu, měst a obcí, mohou být provedeny vzdušným vedením, kabelem Sítě NN - (nízkého napětí) - 0,23 kv; 0,4 kv; 0,5 kv jedná se o rozvody v obcích a městských čtvrtích, mohou být provedeny vzdušným vedením, kabelem Distribuční síť * * obrázek převzat z :

8 Způsoby provozování distribučních sítí Distribuční vedení VVN (110 kv) tvoří základní pilíř distribuční soustavy, zajišťují tranzit elektřiny z uzlových transformoven ZVN/VVN a VVN/VVN do transformoven 110/VN. Sítě 110 kv jsou provozovány zpravidla jako okružní a spolu s vedeními VVN přenosové soustavy se vyznačují vysokou spolehlivostí a díky způsobu provozu a zálohování většina poruch nezpůsobí přerušení dodávky odběratelům. Způsobu provozu odpovídá i použitý systém chránění distančními ochranami. Konfigurace sítě dovoluje řadu propojení dvoupaprskovým i okružním způsobem, takže toto řešení dovoluje i zálohování pro případ poruchy. Vedení jsou konstruována nejčastěji jako dvojitá (dvě vedení - dva potahy vodičů na jednom stožáru), u nás (v ČR) se vyskytují i vedení jednoduchá, ale také trojitá a čtyřnásobná. Výhodou této sítě je, že při zkratu na libovolném úseku dojde k jeho odpojení a zbytek sítě zůstává v provozu. Síť okružní je možno provozovat rozepnutou nebo sepnutou. Jednotlivé paprsky nebo polosmyčky jsou vedeny tak, aby se daly sepnout do uzavřených smyček. V obvyklých provozních stavech se tedy jedná o sítě paprskové. Při poruše vedení lze však snadno postižený obvod přepnout na vývod sousední a to buď ručně, nebo automaticky. Sítě okružní jsou dražší než paprskové, protože pro vzájemné spojení je třeba větších délek vedení Okružní síť Distribuční sítě VN jsou tvořeny venkovními a kabelovými vedeními provozovanými v převážné míře s napětím 22 kv, resp. 35 kv. Z minulosti jsou v provozu sítě s napětím 3, 6, a 10 kv, které ale nejsou dále rozvíjeny a jsou nahrazovány v rámci unifikace vedeními s napěťovou hladinou 22 kv, resp. 35 kv. Tyto sítě jsou provozovány převážně jako paprskové, případně formou průběžného rozvodu. V městských aglomeracích toto řešení většinou umožňuje řadu propojení do dvojpaprskového nebo okružního rozvodu. Paprsková síť Průběžný rozvod Paprskové sítě vznikají spojením několika vedení napájených z jedné strany. Nevýhodou je, že v případě zkratu se odpojí celá část sítě za zkratem, stoupají zde úbytky napětí ve vedení a dochází ke kolísání napětí na koncích vedení. Pro zvýšení bezpečnosti dodávky elektrické energie se paprskové sítě doplňují propojením jednotlivých větví

9 Průběžný rozvod je přehledný ale vzhledem ke konfiguraci musí mít větší průřezy vodičů z napájecí rozvodny. Používá se například pro průmyslové rozvody při napájení spotřebičů s velkým příkonem a stálým provozem Distribuční sítě NN jsou provozovány převážně paprskovým a průběžným rozvodem, husté městské sítě jsou provedeny jako mřížové. Paprskové sítě - vedení vycházejí z napájecího místa (transformovny nebo spínací stanice) a zásobují jednotlivé odběry. Každý vývod (paprsek) je samostatný a nelze je vzájemně spojovat. Tento způsob rozvodu je obvykle nejlevnější, avšak jistota zásobování je nejmenší. Přerušení dodávky může být několik hodin. Paprsková síť se obvykle používá v obcích, v malých městech i v průmyslu. Mřížové sítě jsou napájeny paralelně spolupracujícími transformátory v uzlech sítě. V těchto sítích vznikají malé úbytky napětí, jedná se o tvrdou síť (malé kolísání napětí). Při zvýšení spotřeby se dají snadno doplnit o další napájecí bod. Nevýhodou jsou vyšší náklady na výstavbu a složité ochrany proti zkratům a přetížení. Používají se jako distribuční sítě NN s velkým odběrem elektrické energie. Mřížová síť Zjednodušenou mřížovou síť NN lze vytvořit tehdy, pracují-li do společné sítě alespoň dva transformátory VN/NN. Mezi těmito transformátory je spojení hlavními vedeními obvykle s většími průřezy Další údaje o distribuční síti viz kapitola 2. část Distribuční soustava

10 Pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti je výhodnější použít vyšší napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí úměrně menší proud. Kromě omezení ztrát je pak i realizace dálkových vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější. Vedení pro dálkový přenos elektrické energie tvoří tzv. přenosovou soustavu. Přenosová soustava Sítě VVN - (velmi vysokého napětí) 220 kv, 400 kv, zajišťují přenos elektrické energie ve velkých měřítcích, od velkých zdrojů (elektráren) k rozvodnám. Vedení ZVN (zvlášť vysoké napětí) -700 kv, 1000 kv, u nás (v ČR) zatím nepoužito Přenosovou soustavu můžeme zhruba přirovnat k dálniční síti; soustava tvoří páteř přenosu elektrické energie a zajišťuje přenosy na velké vzdálenosti a ve velkých objemech. Pozn.: text v uvozovkách a schéma převzato z:: Podpurne_soubory_site\2c_schema_podrobne_scan935_otoc\2c_schema_podrobne_scan935_oto c.pdf Přenosová síť podrobnější situace viz přílohy č.: 2, 2a, 2b, 2c, 2013-schema

11 Nadřazená (přenosová) soustava 400 kv a 220 kv je řešena okružní sítí, do které jsou připojeny tuzemské zdroje a je dále propojena se zahraničními soustavami. Výhodou této sítě je, že při zkratu na libovolném úseku dojde k jeho odpojení a zbytek sítě zůstává v provozu. Způsob provozování přenosové soustavy Obdobně jako u distribuční sítě 110 kv - okružní síť je možno provozovat rozepnutou nebo sepnutou. Jednotlivé paprsky nebo polosmyčky jsou vedeny tak, aby se daly sepnout do uzavřených smyček. V obvyklých provozních stavech se tedy jedná o sítě paprskové. Při poruše vedení lze však snadno postižený obvod přepnout na vývod sousední a to buď ručně, nebo automaticky. Sítě okružní jsou dražší než paprskové, protože pro vzájemné spojení je třeba větších délek vedení. Okružní síť Rozvodné sítě - shrnutí: Pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti se elektrická energie vyrobená v elektrárně transformuje (výrobní napětí je několik tisíc voltů 6 25 kv) na velmi vysoké napětí 110 kv, 220 kv nebo 400 kv. Nadzemními vedeními o tomto napětí jsou jednotlivé elektrárny připojeny do rozvodné sítě. Rozvodná síť má velmi složitou strukturu, která jednak zajišťuje přenos na velké vzdálenosti při napětí 400 kv a 220 kv (přenosová soustava) jednak distribuci elektrické energie k jednotlivým spotřebitelům (distribuční sítě). Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě. Spojovacím prvkem mezi přenosovou a distribuční částí rozvodné sítě jsou transformační stanice. O Podrobněji o přenosové soustavě viz odstavec 2.3 v kapitole č.2. pp Stožár vedení VVN Transformátor Převzato z:

12 V Česku se nachází třicet transformačních stanic VVN, určených pro převod napětí mezi různými napětími VVN a VN a pro přenos energie do rozvodu nižšího řádu. Pro rozvod druhé úrovně je v České republice používána hustá síť vedení ("distribuční rozvodná síť") o napětí 22 kilovoltů. V severních částech republiky se využívá i napěťová hladina 35 kv. V městských sítích se ojediněle můžeme setkat s napěťovou hladinou 10 kv a 6 kv. Napěťová hladina 6 kv je používána i v průmyslových sítích. Problematika vedení VVN Nevýhodou vedení VVN jsou ztráty korónovým výbojem, které s napětím narůstají. Vedení VVN je proto nutné velmi pečlivě navrhovat, aby se tyto ztráty co nejvíce omezily - například na armaturách vedení nesmí být ostré hrany, hroty. U velmi vysokých napětí okolo 0,7 až 1 megavoltu vznikají i další problémy s elektromagnetickým rušením sdělovacích vedení a dopravních systémů. Z těchto důvodů musí být vedení s extrémně vysokými napětími vedeno oblastmi s velmi nízkou hustotou osídlení a nízkou infrastrukturní vybavenosti. Křížení takového vede-ní se silnicí, železniční tratí či s vodními toky vyžaduje zvláštní opatření - dodatečnou výstavbu rozměrných Faradayových klecí, které zajišťují elektromagnetické odstínění dané komunikace. Ve světě Ve světě se zejména pro přenos na velmi vysoké vzdálenosti řádově tisíců kilometrů používají i rozvody ZVN o napětí 750 kilovoltů - např. v Kanadě tento hlavní rozvod propojuje západní části země s východním pobřežím. V bývalém SSSR z důvodů přenosu energie ze Sibiře do evropské části Ruska byly prováděny pokusy i s vedeními o napětí 1 milion voltů. Poznámka: Velmi vysoké napětí umožňuje výrazně a významně snížit ztráty ve vedení tím, že je výrazně posílena elektrická složka elektromagnetického pole na úkor složky magnetické. Zjednodušeně řečeno: přenesená energie je rovna součinu elektrického napětí a proudu, ovšem přenosové ztráty závisí na druhé mocnině hodnoty proudu respektive na druhé mocnině intenzity magnetické složky pole - zvýšením napětí v přenosové soustavě na dvojnásobek tedy klesnou ztráty přibližně na jednu čtvrtinu. Obvykle jsou přenosové soustavy střídavé, ale u některých dálkových vedení se používá i stejnosměrného napětí. Převzato z: Odpověď na dotaz: Proč se k dálkovému přenosu energie běžně nepoužívá napětí vyšší než 400 kv? Důvodem je elektrické pole kolem vodičů, které je při vyšších napětích už tak silné, že zejména na hrotech armatur vzniká korona. Zvláště ve vlhkém počasí tato korona způsobuje sršení (slyšitelné jako praskot a viditelné jako světélkování v okolí vodičů) a to výrazně zvyšuje ztráty elektrické energie. Vyšší napětí by vyžadovalo také odolnější izolátory a další nákladné konstrukční úpravy Převzato z :

13 Kapitola 2 Správa a provozování rozvodných sítí Skupina ČEZ ČEZ, a. s. je dominantní výrobce elektřiny v Česku a mateřská společnost skupiny ČEZ, která sdružuje dalších 120 společností. V rámci této skupiny ČEZ vyrábí, distribuuje a prodává elektřinu také v zahraničí (Polsku, balkánských státech). V roce 2009 byl největší českou firmou podle tržeb a se zhruba 32 tisíci zaměstnanců je třetí největší českou firmou podle počtu zaměstnanců. Společnost ČEZ vznikla v roce 1992 přeměnou státního podniku České energetické závody. V průběhu devadesátých let došlo k částečné modernizaci elektráren ve vlastnictví ČEZ a jejich odsíření. Velmi důležitým momentem pro vznik akciové společnosti ČEZ bylo dokončení Jaderné elektrárny Temelín. V roce 2003 společnost ČEZ koupila od státu podíly v některých regionálních energetických společnostech (REAS) výměnou za přenosovou soustavu ČEPS. Tím byl položen základ Skupiny ČEZ. Vlastnická struktura ( ) Ministerstvo financí ČR - 70,29 % Ostatní právnické osoby - 12,28 % Fyzické osoby - 4,34 % Správci celkem - 13,09 % Státní regulační a dohledové úřady Kontrolu nad touto energetickou společností v Česku provádí Energetický regulační úřad. Na bezpečnost provozu jaderných elektráren dohlíží Státní úřad pro jadernou bezpečnost. ČEZ mimo jiné vlastní Ústav jaderného výzkumu Řež, který sídlí v obci Husinec - Řež Převzato z: Skupina ČEZ provozuje v České republice 35 vodních, 11 uhelných, 2 jaderné, 13 fotovoltaických, 2 větrné elektrárny a jednu bioplynovou stanici. Situování elektráren viz: příloha 1 situace zdrojů ČEZ rozvíjí i výrobu elektřiny z biomasy. Kromě toho se zabývá těžbou surovin a prodejem elektřina jak doma, tak v zahraničí. Skupina ČEZ se stala největším investorem do životního prostředí. V devadesátých letech minulého staletí investovala cca 46 miliard korun do snížení emisí z uhelných elektráren na desetinu původního stavu. Zvyšování účinnosti stávajících vodních elektráren ČEZ v ČR umožní do roku 2022 navýšení výroby o MWh ročně bez nutnosti výstavby nových zdrojů. Převzato z: propagační materiály ČEZ

14 Společnost ČEPS Přenosovou soustavu v České republice provozuje státní společnost ČEPS, a. s. Síť přenosové soustavy tvoří vedení vvn 400 kv, 220 kv, vybraná vedení 110 kv a třicet transformačních stanic. Poslání Posláním společnosti ČEPS je zajišťovat spolehlivé provozování a rozvoj přenosové soustavy, mezinárodní spolupráci v rámci propojených soustav a poskytovat uživatelům přenosové soustavy přenos elektřiny, systémové služby a nediskriminační přístup k přenosové soustavě za konkurenceschopné ceny. Historie Společnost ČEPS byla založena v roce 1998 rozhodnutím valné hromady společnosti ČEZ o vydělení tehdejší Divize přenosová soustava do samostatné dceřiné společnosti. Toto rozhodnutí bylo učiněno v souladu s evropskou legislativou ukládající členským zemím EU oddělení přenosu elektřiny jako přirozeného monopolu od výroby elektřiny jako konkurenčního odvětví. ČEPS je plně ve vlastnictví státu (prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu a Ministerstva práce a sociálních věcí. Činnost Činnosti ČEPS jsou přirozeným monopolem (na území státu existuje jediná přenosová soustava). ČEPS má výhradní licenci na dálkový přenos elektřiny vysokého napětí. Činnost ČEPS je upravena evropskou a českou legislativou, zejména zákonem č. 458/2000 Sb., ze dne 28. listopadu 2000, o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů. Výkon regulace zajišťuje Energetický regulační úřad. Nejdůležitější činností ČEPS je provádění dispečerského řízení přenosové soustavy na území Česka v reálném čase. ČEPS je konkrétně zodpovědná za stabilitu výkonu a frekvence, provádí regulace napětí a jalového výkonu. Pro zajišťování stability uvedených parametrů ČEPS nakupuje na trhu potřebné výkonové rezervy. ČEPS dále zpracovává a testuje plán obrany přenosové soustavy proti šíření poruch a plán obnovy elektrizační soustavy po rozsáhlých systémových poruchách. Dispečink ČEPS Operativní řízení přenosové soustavy se provádí z dispečinku vybaveného automatizovanými řídicími systémy, které splňují evropské standardy spolehlivosti a kvality dispečerského řízení zajišťující potřebnou podporu dispečerského řízení v reálném čase. Hlavní dispečerské pracoviště se nachází v Praze, záložní dispečerské pracoviště v Ostravě. Profesionální, dobře vyškolený personál má na kvalitu dispečerského řízení rozhodující vliv. Musí být schopen v každém okamžiku operativně řídit jak standardní provoz přenosové soustavy, tak řešit mimořádné situace a systémové poruchy. Pro účely výcviku dispečerů

15 společnost ČEPS realizuje tréninkový program, při němž využívá jak vlastní dispečerský tréninkový simulátor, tak tréninkové simulátory v zahraničí. Dispečerský řídicí systém Dispečerský řídicí systém poskytuje dispečerovi podporu jak ve standardních situacích, tak při řešení rozsáhlých systémových poruch. Umožňuje mu dálkově ovládat rozvodny přenosové soustavy. Automaticky vyrovnává odchylku mezi výrobou a spotřebou elektřiny při dodržení plánu jejího vývozu a dovozu směrem z i do České republiky. Pomáhá dispečerovi i při řízení toků elektřiny a napětí v přenosové soustavě. Dispečer může před rozhodnutím o potřebném zásahu - například před vypnutím vedení - provádět simulační výpočty, které mu poskytnou informace o dopadech zamýšleného zásahu na ostatní prvky sítě. Při přetěžování vedení doporučí jiné zapojení vedení (rekonfiguraci) či redispečink. ČEPS zajišťuje regulaci soustavy jednak vlastními prostředky, a také dálkovým ovládáním výkonu dobře regulovatelných zdrojů, jako jsou vodní a přečerpávací elektrárny (např. Dlouhé Stráně). Mezinárodní aktivity Přenosová soustava ČEPS sousedí s následujícími přenosovými soustavami: Slovenská elektrizačná prenosová sústava ( Slovensko) PSE Operator ( Polsko) Austrian Power Grid ( Rakousko) TenneT ( Německo) 50Hertz Transmission ( Německo) ČEPS zajišťuje realizaci exportů a importů elektřiny mezi českou přenosovou soustavou a sousedními přenosovými soustavami. Výrobci, spotřebitelé nebo obchodníci si u ČEPS dopředu zajišťují potřebnou přenosovou kapacitu formou účasti v aukcích. ČEPS je aktivním členem několika mezinárodních organizací, z nichž nejvýznamnější roli hraje sdružení evropských provozovatelů přenosových soustav ENTSO-E

16 Rozvodné sítě podrobněji Přenosová soustava Historie a popis Páteřní přenosová síť byla prakticky dokončena v 80. letech minulého století. V současné době ji tvoří hlavně vedení 400 kv. Trasy 220 kv, jejichž výstavba byla ukončena počátkem 70. let, dnes plní převážně úlohu záložních a doplňkových vedení. K přenosové soustavě patří 41 rozvoden s 71 transformátory pro obě základní napěťové hladiny. Historicky nejstarší soustavy 110 kv postupně v 70. letech převzaly úlohu uzlově napájených distribučních sítí. Elektroenergetická přenosová soustava 400 a 220 kv, často nazývaná páteřní, slouží k rozvedení výkonu z velkých elektráren do celého území České republiky a zároveň je součástí mezinárodního propojení Evropy. Napájí elektřinou distribuční soustavy, které ji dále rozvádějí až ke konečným spotřebitelům. Přeshraničními vedeními je přenosová soustava ČR napojena na soustavy všech sousedních států, a tím synchronně spolupracuje s celou elektroenergetickou soustavou kontinentální Evropy. Poznámka: Velmi důležitým aspektem přenosové soustavy je velikost napětí. K přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti se využívá velmi vysokého napětí z důvodu snížení přenosových ztrát, které vznikají průchodem elektrického proudu. Z Ohmova zákona lze odvodit, že zvyšováním napětí se snižuje protékající proud a tedy i tyto ztráty. V České republice je nejvyšší použitá napěťová hladina rovna 400 kv, v zahraničí se setkáme i s hladinou 1000 kv (Rusko, Čína). Údaje v uvozovkách čerpány z: Napěťové úrovně vedení přenosové soustavy a jejich celková délka v ČR Vedení 400 kv km (z toho dvojité a vícenásobné vedení km) Vedení 220 kv km (z toho dvojité a vícenásobné vedení km) Vedení 110 kv 83 km (z toho dvojité a vícenásobné vedení 77 km)

17 Přímo do PS je také připojena více než polovina instalovaného výkonu elektráren ČR, jehož celková hodnota je MW (brutto k ). Rozdělení této hodnoty mezi přenosovou a distribuční soustavu s dělením na jednotlivé druhy elektráren shrnuje následující graf. Pro zajištění kvality a spolehlivosti dodávky elektřiny na úrovni přenosové soustavy (a plnění mezinárodních závazků a podmínek propojení elektrizační soustavy ČR) je třeba systémového řízení této soustavy. Toto systémové řízení (řízení soustavy energetickým dispečinkem) a provozování soustavy, zajišťuje svými službami společnost ČEPS, a.s. (Společnost ČEPS, a. s. - Česká Energetická Přenosová Soustava; pod tímto pojmem se někdy rozumí i česká přenosová soustava samotná jako její identifikace vůči přenosovým soustavám jiných evropských zemí) Kvalitou se rozumí zejména parametry frekvence a napětí. Spolehlivostí dodávky se rozumí nepřerušenost dodávky v odběrných místech z přenosové soustavy definovaná průměrným počtem a trváním dílčích výpadků dodávky v jednotlivých předávacích místech Přeshraniční propojení Přenosová soustava České republiky je obklopena pěti sousedními soustavami. Přeshraniční propojení je využíváno pro mezinárodní obchod a přeshraniční přenos elektřiny mezi těmito soustavami. Provozovatelé přenosových soustav koordinovaně vypo-čítávají a přidělují přeshraniční přenosové kapacity pro mezinárodní obchod s elektřinou a jsou odpovědní za řízení přetížení v souladu s legislativou EU. Na přeshraničních přenosových propojeních vznikají úzká místa převisem poptávky nad reálnými přenosovými možnostmi. Proces přidělování práva využití volných obchodovatelných přenosových kapacit těchto úzkých míst je v případě ročních, měsíčních a denních aukcí prováděn prostřednictvím aukcí (výjimkou je profil ČEPS/SEPS) a v případě vnitrodenní kapacity formou First Come First Served. Přenosové kapacity jsou nabízeny jako zajištěné pro celé předmětné období s výjimkou případů předcházení stavu nouze, případů

18 uvedených v 24 zákona 458/2000 Sb. a s výjimkou případů stanovených aukčními/alokačními pravidly. Jak již bylo zmíněno na začátku této kapitoly, přenosová soustava je přeshraničními vedeními propojena s přenosovými soustavami sousedních států. Jejich prostřednictvím dochází nejen k výměnám elektrické energie v rámci sjednaných plánů pro trh s elektřinou, ale také k udržení stability celého propojeného evropského systému. Toky energií na hraničních profilech za uplynulý rok 2011 jsou podrobně rozděleny v následujícím obrázku. Graf níže pak ukazuje vývoj těchto toků energie v ročních souhrnných číslech Mezinárodně je síť šestnácti vedeními propojena se sítěmi dalších členů ENTSO-E (The European Network of Transmission System Operators for Electricity - Evropská síť provozovatelů přenosových soustav elektřiny). V roce 2006 se přenášený výkon pohyboval od 4,9 GW do 11,4 GW (rekordní hodnota v zimní špičce). Roční toky energie vývoj

19 Vliv zahraniční spolupráce a propojení s ostatními přenosovými soustavami EU PS ČR se vlivem své geografické polohy podílí na přenosech toku výkonu v rámci obchodu s elektrickou energií na evropském kontinentu. Zejména vysoké přetoky výkonu větrných elektráren při větrných dnech, směřující ze severních oblastí SRN na jih a jihovýchod Evropy, ovlivňují zatížení přenosových prvků PS ČR. Z důvodu opožďování některých investičních plánů při posilování stávajících a budování nových přenosových cest v SRN sítích dochází k vysokým zatížením některých přenosových prvku PS ČR. Řešení těchto stavů vyvolává další investiční opatření do zařízení PS. Schémata, grafy a text čerpány z: _final_ pdf Příloha č. 4 : Přenosové sítě střední Evropy Výpadky Potíže v přenosové soustavě bývají jednou z příčin rozsáhlých výpadků dodávky elektrické energie. Důvodem může být např. poškození důležitých venkovních vedení působením nepříznivých přírodních podmínek (námraza, silný vítr, prudká letní bouře apod.), ale i celkovým přetížením soustavy. Zařízení přenosové soustavy jsou proto vybavena pojistnými prvky, které zajistí odpojení vybraných odběratelů v případě, že by hrozilo

20 zničení nebo rozpad sítě vlivem jejího přetížení. Pokud by se tak nestalo, je zde reálná možnost tzv. kaskádového šíření poruchy po selhání přetíženého vedení vzroste přetížení zbytku sítě, jsou postupně odpojeny další a další prvky sítě, případně až po zcela nežádoucí kompletní rozpad celé přenosové soustavy. Z ekonomických důvodů je vhodné, pokud to je možné, odpojovat nejprve ty odběratele, kde výpadek napájení způsobí nejmenší hospodářské škody. Na správné funkci přenosové soustavy závisí i značná část primární výroby elektrické energie, většina elektráren potřebuje ke svému spuštění elektrickou energii dodávanou z elektrorozvodné sítě nebo elektřinu, kterou si elektrárna sama přímo vyrábí (tzv. energie vlastní spotřeby) Poznámka: V tepelných elektrárnách je elektrická energie bezpodmínečně nutná k provozu čerpadel chladicí a napájecí vody, palivových kulových mlýnů, dmychadel, pásových dopravníků a dalších pomocných technologických celků. V případě kompletního výpadku sítě je tak obnova jejího provozu náročný a postupný proces (jenž je i poměrně zdlouhavý), kdy se nejprve spustí část vnějších energetických zdrojů, která je schopna fungovat bez dodávky elektrické energie ze sítě, takto získaný výkon se pak použije ke spuštění základních tepelných elektráren a teprve poté se postupně k síti připojují jednotliví odběratelé. Blackout (výpadek dodávky elektřiny) Výrazem blackout označujeme rozsáhlý výpadek dodávky elektřiny na určitém území. Vzniká zejména v důsledku mimořádné události v přenosové soustavě a může postihnout i území několika států. Na rozdíl od jiných komodit musí být u dodávek elektřiny v každém okamžiku vzájemně vyrovnána bilance výroby a spotřeby elektrické energie. Vznik nerovnovážného stavu např. v důsledku poruchy části přenosové soustavy může vyvolat dominový efekt, kdy na jedné straně je automaticky omezována spotřeba elektřiny z důvodu přetížení soustavy a na druhé straně v důsledku jejího odlehčení jsou odpojovány od sítě nezatížené odlehčené výrobní zdroje. Blackoutu často předchází rozpad elektrizační soustavy a vznik ostrovních provozů. U dostatečně velkých ostrovních provozů s dostatečným regulačním výkonem a vyrovnanou bilancí výroby a spotřeby lze ostrovní provoz udržet až do doby opětovného připojení elektrizační soustavě. Spor o připojování solárních a větrných elektráren V únoru 2010 vyzvala ČEPS distribuční energetické společnosti (ČEZ distribuce. EON distribuce a PRE distribuce), aby zastavily připojování solárních a větrných elektráren do sítě. Distributoři na základě této žádosti vzápětí zastavili příjem žádosti pro nové solární a větrné elektrárny. Podle ekologických nevládních organizací Greenpeace, Hnutí DUHA, Ekologického právního servisu a Calla selhala ČEPS v přípravě na boom obnovitelných zdrojů energie. Někteří ekologové také vyzvali k odvolání představenstva společnosti. Upozorňují na to, že zatímco ČEPS nové solární elektrárny připojovat nechce, nemá výhrady k plánovanému připojení až 5300 MW v paroplynových elektrárnách a nových jaderných reaktorů s maximálním výkon až 3400 MW. ČEPS se hájí, že do rozvoje přenosové soustavy dlouhodobě investuje a že hlavním problémem fotovoltaických elektráren je jejich nepoužitelnost pro regulaci soustavy

21 Rozvoj přenosové soustavy (PS) Jednou z nezbytných a nepřetržitých činností, která zajišťuje podmínky pro spolehlivý chod celé elektrizační soustavy (ES) ve standardních podmínkách v dostatečném časovém výhledu je proces plánování rozvoje přenosové soustavy (PS). Tato činnost, kterou je ČEPS podle energetického zákona povinna zajišťovat, musí vycházet z požadavků výrobců elektrické energie a zajistit spolehlivé vyvedení výkonu z jejich zdrojů. Rozvoj PS rovněž musí uspokojovat nároky všech účastníků trhu s elektrickou energií na přenos energie v požadované velikosti, kvalitě, a to vše ve vazbě na geografické rozložení výroben a míst spotřeby elektrické energie v rámci PS. Rozvoj PS musí rovněž zohlednit požadavky plynoucí z faktu, že PS ČR je součástí mezinárodního propojení a respektovat závazky plynoucí z evropských právních předpisů a mezistátních smluv. V plánovacím procesu rozvoje PS se vychází ze skutečnosti, že PS je součástí transevropských sítí a zároveň je součástí ES ČR, tj. soustavy propojující tuzemské účastníky trhu s elektrickou energií. Rozvoj PS musí tedy probíhat koordinovaně s ostatními subjekty v rámci ES. Základním cílem rozvoje PS je udržení požadované úrovně spolehlivosti přenosových služeb Koncepce rozvoje PS spočívá v naplňování tří základních směrů, kterými jsou: o Rozvoj přenosové soustavy odpovídající predikovanému růstu spotřeby elektřiny v jednotlivých regionech ČR a s ním rostoucím požadavkům na přenosové kapacity včetně požadavků plynoucích z mezistátní spolupráce. V této oblasti rozvoje jsou řešeny i rozvojové akce ČEPS vyvolané rozvojovými záměry uživatelů PS, zejména investorů nových výrobních zařízení. Predikce výkonového zatížení v jednotlivých letech vychází z vývojové řady minulých let o Obnova zařízení podle vyhodnocení jeho stavu o Zajištění spolehlivosti přenosových služeb ČEPS je povinna zpracovat dle 24 odst. 10 písm. j), Zákona č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích ( energetický zákon ) desetiletý investiční plán rozvoje PS, který musí být veřejně dostupný na webových stránkách ČEPS. Desetiletý investiční plán rozvoje PS byl zpracován podle stavu a vstupních dat ČEPS aktuálních k V souladu s 17 odst. (7) písm. j) energetického zákona bylo k tomuto plánu rozvoje vydáno kladné stanovisko Ministerstva průmyslu a obchodu (MPO) a následně byl plán rozvoje schválen Energetickým regulačním úřadem (ERÚ)

22 Rozvojové schéma PS ČR - mapa rozvoje přenosové soustavy ČR v desetiletém výhledu ČEPS, a. s. jako provozovatel přenosové soustavy České republiky zpracoval podle energetického zákona tento desetiletý plán rozvoje do roku Převzato z: _final_ pdf

23 Výhled investic do vedení přenosové soustavy Čerpáno z: výhled investiclinkaři Hrotovice 2012.pptx ČEPS, a.s. vypracoval Strategický Investiční Plán ( SIP), který zahrnuje: SIP zahrnuje seznam plánovaných investičních akcí s jejich náklady v průběhu let, vycházející z: existujících a očekávaných žádostí o připojení, nezbytné obnovy rozvoden a vedení, vlastního rozvoje ČEPS, a.s. Řízení SIP je stálý proces, s pravidelnou aktualizací zajišťující: zařazování nových investic a revize stávajících v návaznosti na aktuální požadavky, aktualizaci harmonogramů zařazených akcí, Posouzení vývoje celkové potřeby investic SIP a jeho vstupy: Zdroje Modernizace zdrojů v severozápadních Čechách Výstavba nového jaderného zdroje ETE Připojení OZE (větrné parky do PS) Plánovaná výstavba nových PPC Čelákovice, Rálsko

24 Spotřeba Nárůst spotřeby na Ostravsku Nárůst transformačního výkonu PS/DS v západních Čechách Zásobování regionu Praha Zahraničí Řízení přetoků na profilu SRN ČR Podpora evropského energetického trhu s elektřinou

25 Z výše uvedených požadavků strategického plánu investic vyplývá následující rozvojové schéma posílení přenosové soustavy: SIP - posílení přenosové soustavy - zahrnuje výstavbu nových rozvoden, rozšíření některých rozvoden a hlavně posílení stávajících přenosových vedení 400 kv. U vedení 400 kv se jedná hlavně o zdvojení stávajících vedení, výstavbu nových vedení 400 kv (jednoduchých i dvojitých) a přestavbu vedení 220 kv na napěťovou úroveň 400 kv. Průběh obnovy vedení přenosové soustavy: Vedení 220 kv obnovena (rok 2012) Pro období je vypracován plán obnovy vedení 400 kv Opravy stávajících vedení provádět na maximální provozní teplotu vodičů +80 C

26 37 vedení (upravených na 80 C), která lze dynamicky zatěžovat (rok 2012): Čerpáno z: Dynamické zatěžování vedení_hrot13.ppt Obnova vedení 400kV Zdvojování 9 vedení pro vyvedení zdrojů SZ Čechy, ETE 3,4, RAL Obnova většiny stávajících jednoduchých vedení 400 kv zdvojením (2x2500A) Obnova části stávajících jednoduchých vedení 400 kv za jednoduchá (1x2500A) Shrnutí plánovaných investic Rozsah investic zahrnutých do plánu PS ČR v souhrnných číslech: 5 nových rozvoden 400 kv (Dětmarovice, Praha Sever, Ralsko, Vernéřov, Vítkov) 3 rozvodny s významným rozšířením (Kočín, Mírovka, Výškov) 940 km vedení 400 kv pro zdvojení 170 km nových dvojitých vedení 400 kv 180 km vedení 220 kv pro přestavbu na 400 kv 380 km vedení 400 kv nových jednoduchých Současný stav: 26 rozvoden 400 kv 20% nárůst 3508 km vedení 400 kv 45% nárůst

27 Závěrečné shrnutí - všeobecně Je třeba respektovat požadavky dle jednotlivých oblastí - Výroba, Spotřeba, Mezinárodní spolupráce, Obnova sítě 400 kv: Výroba požadavky zákazníků o připojení k PS ČR Spotřeba úbytek klasických zdrojů v DS Mezinárodní spolupráce vysoké přetoky výkonu z DE, připravovaná instalace PST posílení PS ČR Obnova sítě 400 kv, rozsáhlý program na cca 20 let Náročné jsou povolovací procedury a nejistoty ovlivňující realizaci investic Stožáry vedení přenosové soustavy Páteřní elektroenergetickou soustavu ČEPS tvoří vedení velmi vysokého napětí 220 kv a 400 kv. V celorepublikové elektrizační soustavě se síť odlišuje parametry svých stožárů, které jsou vyšší a mohutnější. Výběr určitého typu stožáru je převážně ovlivňován požadavky na pevnost, životnost, trasou vedení, klimatickými a povětrnostními podmínkami a zvolenou napěťovou hladinou. Stožáry jsou konstruovány tak, aby odolaly extrémním povětrnostním vlivům. Musejí odolávat námrazám a větru o síle vichřice, tedy o rychlosti minimálně 120 km/h. Nadzemní část základu stožáru tvoří zpravidla čtyři betonové válce o průměru zhruba 90 cm a výšce minimálně 40 cm nad terénem. Do každého z válců je ukotven jeden rohový úhelník tvořící nosnou část stožárové konstrukce. Celková plocha půdy, kterou základy stožárů průměrně zaberou včetně ochranného pásma o šířce 1 m je cca 60 m2. Údaje v uvozovkách čerpány z: Konfigurace (tvar) stožárů vedení přenosové soustavy:

28 Obr. 1 - Typy a tvary stožárů vedení 110 kv (220 kv) tvary stožárů vedení 400 kv Obr. 2 - Typy a Obrázky 1,2, převzaty z: Viz také příloha 3: 3 základní typy stožárových konstrukcí ČEPS, příloha 3 - převzata z :

29 Využití přenosové soustavy pro přenos dat Mapa optické sítě Přenosová soustava je vzájemně propojený soubor vedení a zařízení 400 kv, 220 kv a vybraných zařízení 110 kv, sloužící pro zajištění přenosu elektřiny pro celé území ČR a propojení s elektrizačními soustavami sousedních států. Tento soubor zahrnuje i systémy měřicí, ochranné, řídící, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Přenosová soustava pro přenos dat využívá kombinovaných zemnících lan s optickými vlákny. Příklad optické trasy a mapa optické sítě přenosové soustavy viz následující obrázky: Příklad optické trasy

30 Mapa optické sítě ČEPS

31 Rozvoj optické sítě ČEPS Rozšiřování optické sítě má za následek zvyšování bezpečnosti Telekomunikační sítě ČEPS. Dostatek záložních optických tras nebude komplikovat rekonstrukce a stavby nových silových linek. Výstavbu optických tras lze spojit s rekonstrukcí silových linek hladiny 400kV a 220kV. Některé trasy jsou pronajímány pro komerční přenos informací. Přenášené údaje Po tomto informačním systému jsou přenášeny údaje: systému měření (údaje o zatížení prvků soustavy-transformátorů, vedení, o směru toku energie) systému ochran (cesty pro hlášení stavu,požadavky na datovou výměnu mezi jednotlivými ochranami navzájem, možnost ochrany centrálně spravovat, vazba na nadřazený řídící systém, centrální dispečink či veřejnou síť a ukládání naměřených dat, alarmů a poruchových stavů. U současných moderních digitálních ochran je třeba i zajistit jejich komunikační možnosti pomocí komunikačních protokolů pro ochrany). Vzdálený přístup k ochranám, archivace dat i vzájemná rychlá horizontální komunikace mezi ochranami navzájem vyžadují sítě s dostatečnou přenosovou rychlostí. Datová struktura sítí musí být taková, aby umožňovala efektivní přenos měřených veličin, poruchových stavů a řídících veličin pro silovou (primární) část energetického systému. Pro časově kritické informace je možno použít specielního protokolu k přenosu krátkých zpráv na horizontální úrovni

32 Značný počet měřících a ovládacích funkcí ochran lze s výhodou použít i pro operátorské stanice v elektrárně nebo centrálním dispečinku. Je možná i komunikace podřízeného systému bez přímé účasti řídícího centra jedná se o typickou komunikaci ochran. Pro přenos informací mezi jednotlivými úrovněmi se požívá různých komunikačních standardů. Někdy je potřeba navíc rychlá komunikace mezi dvěma vzdálenými terminály ochran (typickým příkladem je srovnávací ochrana kabelu). V takovém případě se využívá spojení peer-to peer prostřednictvím metalického (do km) nebo optického (do 100km) kabelu v trase linky nebo silových kabelů. systému řídící techniky (stavy vypínačů, povelové příkazy, ) systému zabezpečovací techniky systému informační techniky systému telekomunikační techniky Vlastnosti průmyslové sítě: Hlavním a nejdůležitějším úkolem průmyslové sítě je zajistit komunikaci mezi řídícími prvky a jejich podřízenými subjekty jako jsou čidla, akční členy apod. Vývoj průmyslových sítí je z hlediska technologie mnohem rozmanitější než u jejich vzoru sítí informačních. Informační sítě jsou dnes velice homogenní a standardizačně na globální úrovni lépe ukotvené, než je tomu obecně u sítí průmyslových. U průmyslových sítí je situace díky specifickým požadavkům zákazníků a omezené standardizaci kompli-kovanější a méně přehledná. V dlouhodobém trendu veškeré komunikační technologie a protokoly konvergují k jednotné platformě založené na technologii Enthernet a rodině protokolů TCP/UIP. Z hlediska aplikací se průmyslové, řídící a monitorovací sítě diametrálně odlišují od sítí informačních. Zatímco aplikace v informačních sítích mnohdy souvisí s člověkem a jeho vlastním specifickým chápáním kvality dané aplikace, u průmyslových sítí je tomu zcela jinak. Určité části průmyslové sítě jsou nedílnou součástí procesů řízení v reálném čase. Z toho pohledu jsou v nejnižších rovinách vyžadovány přísné požadavky na včasné a jednoznačně určené doručení datových paketů mezi např. senzorem a řídícím prvkem daného subsystému. Komunikaci mezi jednotlivými zařízeními a systémy v oblasti energetiky zprostředkovává průmyslová telekomunikační síť. Komunikace v této síti může probíhat v několika rovinách. Komunikace mezi dispečerským řídícím centrem a podřízenými (ovládanými) systémy, komunikovat mohou i podřízené systémy navzájem bez přímé účasti řídícího centra (typicky komunikace ochran). Pro průmyslové sítě je tedy charakteristické sběr dat a řízení (povelové signály) v reálném čase. Stále větší a komplikovanější energetická síť vyžaduje v rámci zvýšení spolehlivosti a omezení provozních ztrát mnohem sofistikovanější způsob řízení a dohledu. Tyto požadavky lze velmi efektivně řešit použitím inteligentních řídících prvků. Tyto prvky umožňují nejen včasnou přednastavenou reakci na nastalou situaci (rozpínače apod.), ale jsou schopny svůj aktuální stav hlásit do dispečerského centra řízení a sběru dat. Kromě zasílání hlášení do řídícího centra lze z řídícího centra tyto prvky také vzdáleně ovládat nebo alespoň parametrizovat

33 Popis a požadavky na datové sítě energetiky: Přenos dat pro systémy měřicí, ochranné, řídící, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky v rámci energetického systému má s ohledem na přenášené údaje zvláštní požadavky oproti běžným informačním sítím. Pro běžné komunikační sítě je kladen důraz především na co největší přenosovou kapacitu a spolehlivost a je většinou řešen jako kompromis mezi cenou a dostupností dané služby. Na přenos dat v průmyslových sítích je kladena řada specifických požadavků, ty nejdůležitější jsou: Podpora komunikace v reálném čase a to deterministickým (určujícím) způsobem Nepřetržitá dostupnost 24 hodin x7 dní v týdnu x 365 dní v roce Vysoký stupeň bezpečnosti provozu Dostatečná rezerva přenosového pásma Jednoduchost implementace (provedení) Snadná správa Snadná detekce (zjištění) problémů a jejich rychlé odstranění Podpora standardizovaných řešení, kompatibilita zařízení více výrobců Snadná škálovatelnost (zatřídění) a rozšiřitelnost Jiná filozofie odpovědnosti ke správě sítě a řešení krizových opatření než mají klasické informační sítě; přesně nadefinovaný krizový plán postupu řešení problému, který není plošně zcela obvyklý u běžných informačních sítí Mezi základní parametry při posuzování parametrů (kvality služby) sítě patří: Zpoždění (v jednotkách ms) - představuje čas mezi odesláním požadavku na straně odesilatele a jeho přijetím na straně příjemce Propustnost - obecně je udáván počet datových jednotek za jednotku času (sekundu). V rámci datových sítí jde o bity či bajty za sekundu. Ztrátovost - parametr j e uváděn v procentech ztraceného nebo chybného objemu přenášené informace (typicky paketů nebo rámců) vzhledem k celkovému objemu přenesených dat Spolehlivost parametr představuje minimální hodnotu činitele spolehlivosti a je udáván v procentech. Zpoždění a propustnost jsou primárně technologicky závislé parametry, které lze za určitých podmínek velmi přesně predikovat. Spolehlivost je velmi komplexní parametr, který závisí na mnohem širším okruhu parametrů a společně se ztrátovostí ovlivňuje i propustnost a zpoždění. Kromě výše uvedených parametrů jsou pro chod sítě a bezpečnost přenášených dat další kritické parametry: informační bezpečnost, elektromagnetická kompatibilita

34 Kombinované zemnící lano Kombinované zemnicí lano označované jako OPGW (Optical Ground Wire) je vodič ve kterém jsou umístěny optická vlákna. Tento vodič se používá v přenosové soustavě, kde slouží jako ochrana proti atmosférickým vlivům a plní funkci uzemnění, ale také slouží jako prostředek pro možnou komunikaci po vedení. Vodič OPWG v sobě zahrnuje trubkovou konstrukci z hliníku obsahující jedno nebo více optických vláken obklopených vrstvami ocelových a hliníkových drátů, která tak není rušena elektromagnetickým polem. Vodič je natažen mezi vrcholy stožárů vysokého napětí. Vodivá část lana slouží jako ochrana stožárů a vedení před zásahem blesku. Optická část lana může být použita pro vysokorychlostní přenos dat jako nástroj pro vlastní účely elektrické ochrany a kontroly správného provozu vedení. Optická vlákna mohou sloužit dále pro vlastní hlasovou a datovou komunikaci, nebo mohou být pronajata třetím stranám, aby sloužila jako vysokorychlostní optické propojení mezi městy. Vnější vzhled OPGW lana je podobný AlFe lanu a má výhody oproti klasickým optickým kabelům. Instalační náklady na kilometr vedení jsou nižší na zemní optický kabel, dále je nižší pravděpodobnost náhodné škody způsobené výkopovými pracemi. Jistou výhodu může představovat i možnost pronajmu optických vláken telekomunikačním společnostem a získání tak velmi cenného zdroje příjmu např. na provoz a údržbu stávajícího vedení. Problém, který se vyskytuje u OPGW lan, je skutečnost možného zásahu blesku do vedení, který způsobí vznik Joulova tepla. Následně dojde k rychlému nárůstu teploty v hliníkové trubce a postupně začne přenos tepla z trubky do vnějších vrstev vodiče. Zvýšení teploty způsobené průchodem proudu může způsobit nejen vážné škody na hliníkové trubce a drátu vnějších vrstev, ale také na optických vláknech. Proto maximální teplota absorbována hliníkovou trubkou by měla být nižší než přípustná teplota v jádře s optickými vlákny Průřez vodičem OPGW Optická vlákna mohou být umístěna také ve fázových vodičích. Tyto vodiče označujeme jako OPPW (Optical Phase Wire) a jejich použití je zvláště výhodné pro stožáry, které nemají zemnicí lano. Kromě toho na venkovních vedeních tak existuje možnost instalace

35 více než jednoho optického vlákna. Největší předností umístění optických vláken do fázových vodičů spočívá v přímém monitorování teploty vodiče venkovního vedení; znalost teploty vodiče umožňuje bližší řízené proudové zatěžování směřované k jejich teplotním limitům a z tohoto důvodu umožňuje přenosové soustavě, aby se nedostala do omezeného provozu. Systémy přenosu dat po optických vláknech WDM (Wavelength Division Multiplexing) Vlnový multiplex představuje v optických sítích technologii, kterou se při přenosu sdružuje více optických signálů v jednom optickém vlákně s použitím rozdílných vlnových délek (barev) laserů. Je tak umožněno rozšířit kapacitu média nebo provést obousměrnou komunikaci na jednom optickém vlákně. Optické vydělovací muldexy OADM (Optical Add- Drop Multiplexor) umožňují realizovat sítě s kruhovou topologií s velmi rychlým ochranným přepínáním (zálohováním) na úrovni vlnových délek (na fyzické vrstvě). Svými parametry je vhodná pro přenos telemetrických dat a kritických řídicích povelů v průmyslových sítích. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Synchronní digitální hierarchie je technologií vycházející z klasických telekomunikačních sítí založených na časovém multiplexu. Přenos po optických vláknech je uskutečňován digitálními signály nazývanými synchronními transportními moduly STM-N, kde N vyjadřuje hierarchický stupeň. Pro různé příspěvkové signály jsou určeny různé typy tzv. virtuálních kontejnerů. Do nich lze ukládat a přenášet jimi různé signály, pakety, Ethernet rámce. Vysoká spolehlivost SDH je využívána i pro podporu energetické sítě, typicky pro ochrany silových vedení a datovou komunikaci mezi řídicími systémy. Pro Ethernet se využívá zapouzdření pomocí protokolu GFP (Generic Framing Procedure) a techniky zřetězení virtuálních kontejnerů, pomocí níž lze dosáhnout takřka libovolnou přenosovou kapacitu skrze síť SDH. Pomocí SDH lze tak realizovat rozsáhlé globální sítě s kombinací klasických okruhů i paketového provozu. Mezi hlavní výhody SDH patří: léty ověřená funkce a vysoká spolehlivost, vysoká kvalita poskytovaných služeb nízká chybovost, zpoždění a garantovaná propustnost, rychlé ochranné přepínání na zálohu (max. do 50 ms), precizní systém monitorování přenosu a sledování poruch a chybovosti, podpora rozvodu synchronizačního signálu s velice nízkou odchylkou taktu, standardizovaný systém managementu sítě. Přenos dat po optických vláknech je odolný vůči elektromagnetickému rušením, proto není problém provozovat tuto technologii uvnitř trafostanic či jiných energetických systémů. Optická vlákna rovněž umožňují přenos dat na mnohem větší vzdálenosti než u verze metalické. Běžný teoretický limit metalické varianty 100 m je u optické verze něko-likanásobně překonán a pohybuje se v řádech desítek km. Převzato (zestručněně) z : Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí, ČVUT Praha 2011 Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav, ČVUT Praha 2011 Optická síť ČEPS, Petr Kafka, Hrotovice

36 Kapitola 1 a 2 : Přílohy (samostatné soubory), na které je odkaz v textu 1_příloha _situace_zdroju.jpg 1a_příloha_výkon_zdrojů_2013.png 2_příloha_Mapa_siti_CZ.png 2013-Detaily mest a aglomeraci.png 2013Schema_Siti_E.ON.png 2013Schema_Siti_ES_CR.png 2013Schema_Siti_sk_CEZ.png 2a_priloha_prenos_sit_2004_zjedmodus.gif 2b_schema_distrib_prenos_siti_2012.jpg 2c_schema_podrobne_scan935_otoc.pdf 3_Zakladni typy stozarovych konstrukci CEPS.pdf 4_2012-PS site strední Evropy 2011.pdf Plan rozvoje PS CR _final_ pdf Rozvoj_PS.jpg

37 Distribuční soustava Distribuční soustava (DS) je vzájemně propojený soubor vedení a zařízení 110 kv (s výjimkou vybraných vedení a zařízení 110 kv, která jsou součástí přenosové soustavy) a vedení a zařízení o napětí 0,4/0,23 kv, 1,5 kv, 3 kv, 6 kv, 10 kv, 22 kv, 25 kv a 35 kv, sloužící k zajištění distribuce elektřiny na vymezeném území ČR (Obr. 2), včetně systémů měřicí, ochranné, řídicí, zabezpečovací informační a telekomunikační techniky; DS jsou zřizovány a provozovány ve veřejném zájmu Posláním DS je bezpečně a hospodárně zásobovat odběratele elektřinou v požadovaném množství a kvalitě v daném čase a poskytovat distribuční služby uvnitř i vně soustavy provozovatele DS. Kromě toho zajišťuje systémové a podpůrné služby na úrovni DS Obr. 2: Rozdělení distribučních sítí v ČR [3] Distribuční soustava vvn (110 kv) tvoří základní pilíř distribuční soustavy. Sítě zajišťují tranzit elektřiny z uzlových transformoven zvn/vvn a vvn/vvn do transformoven 110/vn kv. Do těchto sítí je vyveden výkon řady elektráren o výkonech desítek MW, jsou provozovány zpravidla jako okružní a zvolenému způsobu provozu odpovídá i použitý systém chránění distančními ochranami. Sítě se vyznačují spolu s vedeními zvn a vvn přenosové soustavy vysokou spolehlivostí, velice nízkou četností poruch a díky způsobu provozu a zálohování většina poruch při správném působení ochranných systémů nezpůsobí přerušení dodávky elektřiny odběratelům. Vedení jsou nejčastěji konstruována jako dvojitá (dvě vedení na jednom stožáru), nicméně v ČR se vyskytují i vedení jednoduchá, trojitá a čtyřnásobná. Distribuční sítě vn jsou tvořeny venkovními a kabelovými vedeními provozovanými v převážné míře s napětím 22 kv, resp. 35 kv. Z minulosti jsou v provozu sítě s napětím 3, 6 a

38 kv. Tyto sítě ale nejsou dále rozvíjeny a jsou v rámci unifikace nahrazovány napěťovou hladinou 22 kv, resp. 35 kv. V drtivé většině jsou tyto sítě provozovány paprskově případně formou průběžného rozvodu. V městských aglomeracích toto řešení většinou umožňuje řadu propojení do dvojpaprskového nebo okružního rozvodu Distribuční sítě nn jsou provozovány převážně paprskovým a průběžným rozvodem, husté městské sítě jsou provedeny jako mřížové Předávacím místem (spojovacím prvkem) mezi PS a DS, jsou transformátory 400(220)/110 kv. Volba výkonu a počtu těchto transformátorů na jednotlivých předacích místech výrazně ovlivňuje spolehlivost a bezpečnost dodávky elektrické energie Distribuční organizace Distribuční sítě provozují v ČR společnosti ČEZ Distribuce, a.s., E.ON Distribuce, a. s., a PRE Distribuce, a.s., územní působení viz Obrázek č.2. ČEZ Distribuce, a.s Základní informace Akciová společnost ČEZ Distribuce, a.s., byla založena projektem fúze splynutím schváleným jediným akcionářem v působnosti valné hromady dne 12. července Společnost byla zapsána do obchodního rejstříku 1. října 2010, se základním kapitálem ve výši 60 miliard Kč. Struktura akcionářů Jediným akcionářem Společnosti je nadále společnost ČEZ, a. s., IČ: se sídlem Praha 4, Duhová 2/1444, PSČ , zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka Výše základního kapitálu Společnosti činí šedesát miliard korun českých. Základní kapitál je zcela splacen a je rozvržen na šest set kusů kmenových akcií na jméno o jmenovité hodnotě sto milionů korun českých nahrazených formou jedné hromadné listiny akcií Program rovného zacházení V souladu s ustanovením 25a, odst. 3 energetického zákona vydala společnost ČEZ Distribuce, a.s. jako provozovatel distribuční soustavy Program rovného zacházení k vyloučení diskriminačního chování provozovatele distribuční soustavy. Zároveň byl dle 25a, odst. 4 energetického zákona jmenován Auditor Programu, který nezávisle dohlíží na jeho provádění v praxi. Profil společnosti ČEZ Distribuce, a. s., je držitelem licence na distribuci elektřiny a ve smyslu energetického zákona č. 458/2000 Sb. je provozovatelem distribuční soustavy. Společnost působí na území krajů Plzeňského, Karlovarského, Ústeckého, Středočeského, Libereckého, Královéhradeckého, Pardubického, Olomouckého, Moravskoslezského a částečně v kraji Zlínském a Vysočina. Hlavním posláním společnosti je distribuce elektrické energie fyzickým a právnickým osobám a stálé zvyšování kvality a spolehlivosti dodávky všem odběratelům. Společnost má bohatou tradici a know-how převzaté z dřívějších regionálních energetických společností podporované odpovídajícím technickým i personálním zázemím

39 Produkty a služby Kompetencemi společnosti ČEZ Distribuce, a.s., jsou správa svěřených aktiv (technologie a související zařízení distribuční soustavy) a výkon vlastnických práv nad těmito aktivy, včetně zajištění péče o zákazníky z pohledu distribuce na všech napěťových úrovních a řízení soustavy v reálném čase. Poskytované technické služby: Služby distribuční sítě: Plánované odstávky Stav distribuční sítě Přehled zatížení soustavy Oblast hromadného dálkového ovládání Časy spínání HDO Časová pásma pro spínání VT a NT Sdělení o existenci sítí Sdělení o existenci sítí Dokumentace sítě Data o poloze technické infrastruktury Přehled základních technických informací ČEZ Distribuce, a.s. Jednotka Rok 2013 Zásobovaná oblast km Počet odběrných míst počet z toho: velkoodběratelé vvn, vn počet maloodběratelé podnikatelé nn počet maloodběratelé domácnosti nn počet Maximální zatížení sítě MW Rozvinutá délka vedení km z toho: vvn km vn km nn km Počet transformačních stanic počet z toho: vlastní počet cizí počet Počet rozvoden počet

40 E.ON Distribuce, PRE Distribuce Skupina E.ON je tradičním partnerem české energetiky. Na českém trhu působí od roku Dodává elektřinu 1,2 milionu zákazníků a zemním plynem zásobuje více než zákazníků, a Moravě. Prostřednictvím dceřiné společnosti E.ON Distribuce, a. s., je regionálním provozovatelem distribuční soustavy, působícím to převážně v jižních Čechách a na jižní Moravě. Skupina PRE se soustřeďuje na prodej elektřiny, obchodování s elektřinou, její distribuci, výrobu a doplňkové energetické služby v Praze. Historie úzkého propojení PRE s jedenačtvrtmilionovou Prahou sahá až do roku 1897, kdy byly založeny Elektrické podniky Královského hlavního města Prahy, jejichž úkolem bylo tehdy kromě dodávek elektřiny také osvětlení ulic a provoz tramvají. Dne byla založena vlastní distribuční společnost PRE Distribuce,a.s., jež získala od ledna následujícího roku licenci Energetického regulačního úřadu na distribuci elektřiny. Úkolem tohoto subjektu je provoz, správa a obnova distribučních sítí na jeho zásobovacím území v Praze a v Roztokách u Prahy. Převzato z: Distribuční sítě velmi vysokého napětí Provozování sítí Distribuční sítě vvn jsou provozovány standardně v oddělených systémech příslušných jednotlivým transformátorům 400/110 kv, eventuelně 220/110 kv s maximálně možným zkruhováním jednotlivých síťových celků. Rozpojovací místa jsou volena tak, že z hlediska ztrát se způsob provozu sítě 110 kv blíží paralelnímu chodu. Poruchy Způsob provozování uzlu sítě 110 kv předurčuje, jaký typ poruch se může v této síti vyskytnout. Distribuční sítě 110 kv se provozují s přímým uzemněním uzlu transformátoru, tedy případné poruchy jsou zkraty. Při zkratu protékají obvodem zkratové proudy v blízkosti místa zkratu obvykle několikanásobně převyšující běžné provozní proudy, což má za následek odpojení zkratovaných částí od zdroje. Při zkratové poruše dochází většinou k porušení jedné nebo dvou fází, jedná se tedy o zkraty nesouměrné. V tomto případě se neúčastní všechny fáze stejnou mírou na výsledné hodnotě zkratového proudu. Trojfázový zkrat se na vedení vyskytuje jen zřídka, ale jelikož velikost zkratového proudu je při tomto zkratu často nejvyšší, je nutné se tímto druhem zkratu také zabývat, zejména při dimenzování zařízení. Na rozdíl od venkovních vedení se u kabelových vedení trojfázový zkrat vyskytuje mnohem častěji, jelikož oblouk vzniklý při zkratu většinou poruší postupně všechny tři fáze. Chránění Pro chránění vedení v distribučních sítích vvn se využívají zejména distanční ochrany, které bývají zpravidla vybaveny lokátorem poruchy. Po vzniku poruchy dojde k odpojení postiženého úseku vedení ve velmi krátkém čase (v prvním stupni ochrany cca 0,1s, ve druhém

41 stupni cca 0,3-0,5s). Lokátor v ochraně současně informuje dispečera o vzdálenosti poruchy od příslušné rozvodny. Výpočet vzdálenosti vychází ze zjištěné hodnoty impedance a jeho přesnost tedy velmi závisí na znalosti aktuálních parametrů vedení. Zde často nelze zanedbat vliv paralelních vedení, vliv prostřídání fází paralelního vedení, vliv počasí, apod. V případě potřeby se systém chránění doplňuje o rozdílovou (srovnávací) ochranu, případně záložní distanční ochranu. Systém chránění vedení 110kV je standardně vybaven automatikou opětného zapínání OZ (nejčastěji jednopólového). Rozdílová ochrana zajistí selektivitu při střídání krátkých a dlouhých linek, umožní zkrácení vypínacích časů při zkratech mimo 85% délky vedení a reaguje i na odporové (stromové) poruchy díky citlivějšímu rozběhu. V odůvodněných případech (uzlové rozvodny 110 kv s velkým počtem linek 110 kv a připojenými velkými elektrárnami) se používá automatické synchronizační zařízení, které umožní bezproblémové sepnutí vedení. Distribuční sítě vysokého napětí Vysokonapěťové soustavy v ČR je možné s ohledem na charakter provozu rozdělit na soustavy distribuční s napěťovými hladinami 10, 22 a 35 kv a dále na soustavy elektrárenských, průmyslových a důlních provozů s napěťovou hladinou převážně 6 a 10 kv. Základní parametry a možnosti provozu distribučních soustav vn jsou určeny zejména systémem uzemnění transformátoru vvn/vn, tedy způsobem spojení nulového bodu vn vinutí napájecího transformátoru se zemnící soustavou. Volba systému uzemnění nám definuje možnosti provozu soustavy z hlediska bezpečnosti, chránění, dimenzování či nepřetržitosti dodávky elektrické energie. V případě bezporuchového stavu symetrické sítě se způsob uzemnění nijak prakticky neprojeví na jejím provozu. Zásadní rozdíl je v případě poruchy, kdy dojde k vodivému spojení jedné fáze se zemí. Pokud tato porucha vznikne uvnitř sítě účinně uzemněné či uzemněné přes uzlový odporník, mluvíme o jednofázovém zkratu a poruchový proud dosahuje úrovní, které vylučují další provoz postižené soustavy. V tomto případě musí dojit v co nejkratším čase k odpojení a tedy i k přerušení dodávky elektrické energie. U sítí neúčinně uzemněných či izolovaných se jedná o zemní spojení, jehož poruchový proud nedosahuje tak vysoké úrovně a není tedy bezpodmínečně nutné okamžité vypnutí postiženého vývodu. Právě úroveň poruchového proudu je značně ovlivněna použitým systémem uzemnění a je tedy směrodatná pro určení rizika úrazu elektrickým proudem, dimenzování či pro zhodnocení mechanických následků způsobených poruchou. Díky velké rozloze a členitosti jsou distribuční soustavy vn, které hustě protínají převážnou část našeho území, vystaveny mnoha nepříznivým vlivům. Tyto vlivy, jako jsou například atmosférické podmínky, způsobují v případě venkovních vedení velké množství přechodných zemních spojení, která sama v krátkém čase odezní bez potřeby přerušení dodávka elektrické energie. Z tohoto důvodu jsou přednostně naše distribuční soustavy vysokého napětí provozovány jako neúčinně uzemněné. V současné době jsou výše zmíněné vysokonapětové soustavy provozovány s ohledem na způsob uzemnění jeho soustavy: izolované (Obr. 1 a), nepřímo uzemněné přes uzlový odporník (Obr. 1 c) a

42 nepřímo uzemněné přes zhášecí tlumivku (kompenzované soustavy) (Obr. 1 b) Přičemž pro poslední zmíněný typ soustavy se v ČR využívá několika modifikací a to: Klasická laděná zhášecí tlumivka s případným připínáním pomocného odporníku pro navýšení činné složky poruchového proudu na sekundární straně, příležitostně na straně primární maďarský odporník (Obr. 1 d) zhášecí tlumivka vybavená automatikou pro přizemnění postižené fáze v napájecí rozvodně systém Swedish Neutral a také 3-fázovou kompenzaci zemních proudů (více viz EGE [on-line] [cit ], Dostupné z Obr. 1: systémů uzemnění používaných v distribučních soustavách vn Příklad Každá varianta uzemnění uzlu transformátoru má svá specifika a je vhodná pro určitý provoz DS či LDS (lokálních distribučních soustav) jako je elektrárenský popř. průmyslový provoz. Převážná část distribučních soustav je v rámci ČR provozována jako kompenzovaná s nejčastější variantou připínání odporníku na sekundární straně zhášecí tlumivky. U elektrárenských a průmyslových provozů je možno nalézt různé varianty způsobu uzemnění, tak například blokové vlastní spotřeby jsou provozovány jako izolované, společné vlastní spotřeby jsou zpravidla nepřímo uzemněné přes indukčnost a v rozvodnách odsíření elektrárenských provozů je pak běžný způsob uzemnění soustavy přes odporník. Důlní sítě jsou vesměs provozovány jako izolované, přičemž s ohledem na novou legislativu a podmínky provozu se postupně u důlních sítí přechází na soustavy kompenzované. Rozhodnutí o vhodnosti použití způsobu uzemnění soustavy pro daný vysokonapěťový provoz, je možno provést na základě zohlednění důležitých kritérií (faktorů). Mezi nejdůležitější kritéria patří celkový kapacitní proud soustavy, úroveň poruchového proudu (kapacitní proud zemního spojení či zbytkový proud), ustálená poruchová napětí (stacionární rezonanční přepětí, přepětí při vzniku jednopólové poruchy, přeřepětí při přerušení 1pólové poruchy (vliv elektrického oblouku, rychlost zotavení vn systému), ferorezonanční přepětí, přenesená napětí, způsob likvidace poruchy, možnost dosažení maximální citlivosti ochran,

43 ovlivnění pomocných obvodů, porovnávací investiční náklady, provozní náklady, a v neposlední řadě bezpečnost s ohledem na hodnoty dotykových a krokových napětí, a pod. Pro určení základních napěťových a proudových poměrů ve vn soustavách, popř. pro srovnání poměrů při různých způsobech provozu soustav, je možno využít metodu souměrných složek. Příklad sítě s obecnou impedancí ZN v uzlu transformátoru je uveden na obr. 2. Obr. 2: Schematické znázornění vn soustavy s obecnou impedancí Při zemní poruše znázorněné na obr. 3 se poruší symetrie příčných impedancí vedení (impedance vedení proti zeni). Místem poruchy s odporem Rp začne protékat poruchový proud

44 Ip, ke změně dojde u velikostí amplitud a fázových posuvů kapacitních proudů v jednotlivých fázích a napětí uzlu proti zemi. Obr. 3 :Schematické znázornění vn soustavy s obecnou impedancí v okamžiku vzniku 1pólové poruchy Fázový proud postižené fáze je při respektování určitých zjednodušení roven proudu poruchovému, avšak při respektování Obr. 3 s opačným směrem toku. Platí: Ip = - IA = - 3 I1 ; I1 = 1/3 IA Napětí uzlu soustavy proti zemi v místě napájecí rozvodny (zdroje) při uvažování Rp = 0 (kovová porucha) a Z1 = 0 : U0 = - U Z1 je sousledná složka impedance a zahrnuje sousledné složky impedance vedení Z1V a transformátoru Z1T. Obecně platí : Pro jakýkoli systém provozu uzlu transformátoru jediné, čím se jednotlivé způsoby provozu liší je velikost a charakter impedance uzlu sítě, která ovlivňuje netočivou složku impedance Z1. Sítě s izolovaným uzlem V případě provozu sítí izolovaných není nulový bod transformátoru spojen se zemnící soustavou, je od ní izolován (Obr. 1 a). Tento systém uzemnění je nejčastěji provozován zejména u malých (průmyslových) distribučních sítí, kde hodnota celkového kapacitního proudu nepřesahuje hodnotu 20 A. Tento kapacitní zemní proud je dán fázorovým součtem kapacitních proudů převážně nepostižených fází celé sítě, uzavírajících se přes místo zemního spojení, a je úměrný velikosti takto provozované sítě. Pokud však díky velké rozloze sítě dojde k překročení hodnoty 20 A kapacitního proudu, je nezbytné provést jeho kompenzaci To znamená, že napěťové poměry a velikost proudu nezávisí na tom, ve kterém místě sítě k poruše dojde. Pro případ vzniku kovového zemního spojení a při zanedbání sousledné a

45 zpětné impedance, je možné určit velikost proudu místem zemního spojení, který představuje kapacitní proud zemního spojení. Protože poruchový proud má kapacitní charakter, je jeho zhášení obtížné a provázené znovu-zápaly. Takto vzniklé přechodné děje vyvolávají v síti přepětí. Z uvedených důvodů je používání izolovaného uzlu omezeno na malé sítě. Rovněž hledisko bezpečnosti spojené s výskytem velkých krokových napětí, která vznikají při průchodu proudů zemí, je nutné brát v úvahu. V normách pro provoz vn sítí se připouští mezní rozsah kapacitního proudu 20 A, přičemž od hodnoty 10 A se již doporučuje kompenzace zemních proudů Jelikož svodové (konduktanční) proudy dosahují u běžně provozovaných sítí hodnoty do 10 % proudu kapacitního, nemají zásadní vliv na provoz izolované soustavy Dominantní složkou proudu uzavírajícího se přes příčné admitance vedení jsou kapacitní proudy, jak vyplývá také z Obr. 3 Výskyt kovového zemního spojení je z hlediska četnosti ojedinělým případem. Převážná většina jednopólových poruch má charakter odporového zemního spojení s časovou změnou odporu poruchy; jedná se o oblouková zemní spojení. Velikost hodnoty odporu poruchy má výrazný vliv na charakter přechodných dějů, jde především o přepětí, strmost změny napětí a rázovou složku proudu (vybíjecí proud) místem zemního spojení. Výrazně však ovlivňuje také ustálenou hodnotu napětí a proud místem zemního spojení. Velkou výhodou izolovaných distribučních soustav (DS) je možnost jejich provozu i při vzniku jednopólové poruchy bez nutnosti přerušení dodávky elektrické energie. Důvodem je poměrně nízká hodnota poruchového proudu (do 20 A), která neumožňuje výskyt nebezpečného dotykového či krokového napětí v soustavě a také zachování symetrie sdružených napětí během zemního spojení. Právě symetrie trojúhelníku sdružených napětí je klíčová pro korektní provoz soustav nn, které jsou napájeny přes distribuční transformátory s primární stranou zapojenou do trojúhelníku. Pozn.: V dalším jsou uváděny údaje o kompenzované soustavě, s ohledem na veřejné sítě vn (22 kv, 35 kv) v ČR které jsou provozované jako kompenzované soustavy. Údaje o sítích s izolovaným uzlem lze najít v níže uvedené literatuře, odkud jsou i čerpány podklady o kompenzovaných sítích: Provoz distribučních soustav, ČVUT Praha 2011 (Odborná učebnice pro energetiku) Kompenzované sítě Sítě kompenzované mají spojený nulový bod transformátoru se zemnící soustavou přes zhášecí tlumivku (Obr. 1 b). Tato zhášecí tlumivka umožňuje kompenzovat kapacitní proud zemního spojení tak, aby místem poruchy procházel pouze zbytkový (reziduální) proud mnohem nižší úrovně. Tento zbytkový proud tvoří obvykle 3 % 10 % celkového kapacitního proudu a je převážně činného charakteru. Tímto způsobem lze provozovat sítě s kapacitním proudem až do 100 A v případě sítí venkovních (venkovní vedení tvoří nejméně 98 % celé sítě), do 300 A v případě sítí smíšených (nejméně 10 % venkovního a 2 % kabelového vedení) a do 450 A v případě sítí kabelových (kabelové vedení tvoří nejméně 90 % celkové sítě)

46 Obecně se v našich distribučních sítích používá centralizovaná kompenzace, kdy je využíváno jedné zhášecí tlumivky zapojené mezi uzel transformátoru a zemnící soustavu rozvodny. V ojedinělých případech (propojení dvou oblastí) lze provozovat více zhášecích tlumivek paralelně. Během provozu jsou tyto tlumivky laděny automatikou, která nastavuje zhášecí tlumivku do paralelní rezonance s celkovou kapacitou provozované sítě tak, aby místem poruchy procházel pouze malý zbytkový reziduální proud, proto se někdy těmto tlumivkám říká rezonanční případně Petersenovy, dle jejího vynálezce. Velkou výhodou sítí kompenzovaných je podobně jako u sítí izolovaných možnost provozu soustavy se zemním spojením po dobu potřebnou pro odstranění jeho příčiny bez přerušení dodávky elektrické energie. Tento provozní stav nemá zásadní vliv na konečné odběratele, avšak existuje reálné riziko rozšíření zemního spojení na závažnější poruchu (dvojité zemní spojení, mezifázový zkrat), která by vedla k okamžitému odpojení postiženého vývodu Výsledný poruchový proud má imaginární složku danou rozdílem kapacitního proudu sítě a induktivního proudu zhášecí tlumivkou a nekompenzovanou činnou složku celého systému (odpovídající ztrátám ve zhášecí tlumivce a svodovým odporům fázových vodičů proti zemi). Účelem kompenzovaných sítí je dosažení pomocí ladící automatiky zhášecí tlumivky stavu, kdy IP = min IC = IL a kdy je ohrožení krokovým či dotykovým napětím minimální a samozhášecí schopnost poruchy je maximální. Tento vztah vyjadřuje základní funkci zhášecí tlumivky, tj. snižování proudu místem zemního spojení kompenzací zemních kapacitních proudů. Minimální velikost má poruchový proud pro stav rezonance a je dán svodovými odpory sítě a ztrátami v tlumivce. V úvahu je ovšem třeba brát také proud nevykompenzovaných harmonických, jejichž velikost se v tomto případě stává nezanedbatelnou. že pro podmínku rezonance musí platit IC = IL a získáme vztah pro výpočet indukčnosti tlumivky ve stavu rezonance: Zhášecí tlumivka a rezonanční křivka L = 1 3.ω 2.C SOU Zhášecí tlumivka se instaluje v napájecích rozvodnách distribuční soustavy a připojuje se k uzlu napájecího transformátoru. V případě, že uzel transformátoru není vyveden, lze zhášecí tlumivku připojit k uměle vytvořenému uzlu třífázové nulové tlumivky nebo k uzlu nezatíženého pomocného transformátoru v zapojení YNd1, které jsou připojeny k přípojnicím hlavní napájecí rozvodny se samostatnou výstrojí jako odběrová odbočka. Počet zhášecích tlumivek v napájecí stanici se volí podle počtu napájecích transformátorů, samostatně provozovaných přípojnic a velikosti kapacitního proudu napájené sítě. Pro správné nastavení proudu zhášecí tlumivky a indikaci vývodu se zemním spojením je nutné pro každou tlumivku připojenou k transformátoru 110 kv/vn s kapacitním proudem venkovní nebo smíšené sítě větším než 50 A zajistit také samočinnou regulaci vyladění tlumivky s možností manuální regulace proudu tlumivkou. Dále zobrazení ukazatele proudového nastavení tlumivky i napětí na tlumivce pro sledování vyladěného stavu a

47 automatiku připínání odporu pro navýšení činné složky poruchového proudu (převážně stavebnicový odporník na výkonovém vinutí tlumivky). Schematické znázornění běžně používané zhášecí tlumivky je na Obr. 4. Tato zhášecí tlumivka je sestavena z primárního vinutí, dvou pomocných měřících vinutí a jednoho výkonového vinutí. Primární vinutí s nominální hodnotou napětí 13,3 kv je nastavováno automatikou ladění do požadovaného stavu kompenzace. Pomocné měřicí vinutí KL slouží pro připojení přístrojového transformátoru proudu uřčeného k měření kompenzačního proudu, druhé pomocné vinutí M1N1 je využíváno k měření uzlového napětí (netočivé složky napětí) U0 tedy napětí mezi nulovým bodem transformátoru a zemnící soustavou. Obr. 4: Zjednodušené schéma zhášecí tlumivky s automatikou připínání pomocného odporníku k výkonovému vinutí K výkonovému vinutí M2N2 s nominálním napětím 500 V je připojována sestava pomocných (stavebnicových) odporníků. Sestava umožňuje jejich konfiguraci odporníků dle přání provozovatele. Rozšířená sestava tří paralelních jednoohmových odporníků, které jsou připojovány do paralelní kombinace manuálně nebo pomocí stykačů je uvedena na (Obr. 4) Vzhledem k masivnímu nasazení zejména digitálních ochran je doporučeno nastavení stavebnicového odporníku na hodnotu 1 Ohm. Připínání pomocného odporníku je prováděno na základě kriteria U0 s doporučeným nastavením v oblasti přibližně 2 kv až 3 kv pro maximalizaci citlivosti zemních ochran. Nezbytným prostředkem pro správnou kompenzaci kapacitního proudu je znalost rezonanční křivky soustavy. Tato křivka vyjadřuje závislost uzlového napětí U0 na kompenzačním proudu procházejícím tlumivkou IL pro danou oblast distribuční soustavy. Zjišťování rezonanční křivky se provádí postupným laděním zhášecí tlumivky, která je připojena k soustavě bez zemního spojení při průběžném odečítání hodnot U0 a IL. Zjišťování

48 rezonanční křivky je však možné pouze u soustav nesymetrických, jako jsou soustavy s vysokým podílem venkovního vedení, které se projevují značnou nesymetrií fázových napětí vůči zemi. U kabelových sítí, které se naopak projevují dobrou symetrií fázových napětí (plochá rezonanční křivka) je nutné pro zajištění korektní funkce zhášecí tlumivky a pro zjištění charakteristických hodnot vytvořit umělou nesymetrii soustavy. Příklad rezonanční křivky je uveden na Obr. 5. Z této charakteristiky lze pak zjistit potřebné charakteristické hodnoty sítě, jako je: velikost kapacitního proudu provozované sítě IC, který je roven kompenzačnímu proudu v místě rezonančního napětí U0 rez, dále pak velikost svodového proudu IW, činitel útlumu sítě α, činitel nesymetrie sítě ε. Pro příklad jsou tyto charakteristické hodnoty sítě uvedeny pro příslušnou rezonanční křivku na Obr. 5. Obr. 5 Příklad rezonanční křivky Při provozu soustavy v kompenzovaném stavu se zhášecí tlumivka nastavuje na rezonanční napětí U0 rez, kdy během tohoto stavu zcela kompenzuje kapacitní proud sítě IC, jak také vyplývá z uvedené rezonanční křivky. Důležité je však říci, že 100% kompenzace základní harmonické kapacitního proudu soustavy není vzhledem k nesymetrii příčných admitancí možná. Úroveň kompenzace kapacitního proudu bude v případě nesymetrické soustavy závislá nejen na naladění zhášecí tlumivky, ale i na fázi postižené zemním spojením (ZS). V současné době je trendem provozovat distribuční sítě zcela vykompenzované, kdy místem poruchy prochází nejmenší zbytkový proud. V některých případech se lze se lze setkat i s provozem soustavy jako mírně podkompenzované (IL<IC) nebo překompenzované (IL>IC). Zejména v případě sítí značně nesymetrických a u sítí s malými činnými odpory dosahuje napětí mezi nulovým bodem transformátoru a zemnící soustavou U0 značně vysoké úrovně, čímž dochází k namáhání nulového bodu napájecího transformátoru a vypínačů. Proto se dříve pro snížení tohoto

49 namáhání tlumivka rozladila, čímž došlo vlivem strmosti rezonanční charakteristiky k poklesu napětí v uzlu transformátoru. I nyní se lze setkat s provozem v mírně podkompenzovaném, případně překompenzovaném stavu, dle místních podmínek a zvyklostí provozu. V některých evropských zemích jako je například Finsko, se využívá i kompenzace decentralizované. V tomto případě je na každém vývodu umístěna samostatná tlumivka, která je pevně nastavena tak, aby kompenzovala pouze kapacitní proudy tohoto vývodu. V případě, že dojde k odpojení vývodu, odpojí se společně i zhášecí tlumivka, čímž se bez jakékoli regulace udržuje požadovaný stupeň kompenzace. Díky tomuto decentralizovanému řešení je však lokalizace místa poruchy ještě složitější než v případě u nás používané centralizované kompenzace. Nevýhodou všech doposud používaných zhášecích tlumivek je možnost kompenzování kapacitního proudu pouze o frekvenci základní harmonické, zbylé frekvence proto nejsou kompenzovány. Výrazný podíl 3., 5. a 7. harmonické v kapacitním proudu je zejména v rozsáhlých, hustě obydlených či průmyslových oblastech, kde mnohdy tyto nekompenzované složky vyššího řádu převyšují hodnotu zbytkového proudu základní harmonické. V těchto případech pak může dosahovat celkový zbytkový proudu procházející místem poruchy nebezpečných úrovní. Této nedokonalosti se však s výhodou využívá při lokalizaci zemního spojení. Ladění zhášecích tlumivek Ladění zhášecích tlumivek v našich sítích je většinou automatické. Úkolem automatické řídící jednotky je určit a nastavit hodnotu L tak, aby proud IP byl minimální. Tento bod je také nazývaný rezonanční bod soustavy, protože napětí na uzemnění je maximální. V takovém stavu je soustava naladěna. Kritérium pro vyladěný stav je dosažení maxima napětí U0 na zhášecí tlumivce. K ladění dochází vždy po zapnutí automatiky, za provozu při změně konfigurace sítě (připnutí nebo odepnutí vedení). Aby se omezil vliv přechodných změn napětí U0 které nesouvisí s rozladěním sítě, vyhodnotí automatika jako popud pro rozběh pouze změny, které trvají déle, než nastavené časové zpoždění rozběhu. Napětí U0 lze určit z náhradního schématu kompenzované sítě. Kde jsou tentokrát uvažovány parametry skutečně neidealizované sítě. Každý kompenzovaný třífázový vn systém může být nahrazen s dostatečnou přesností schématem uvedeným na obr. 6 Obr. 6: Schéma 3- f systému uzemněného přes zhášecí tlumivku

50 Většina současných ladících automatik vyhledává maximální hodnotu u0max, tzn., že hledá maximum rezonanční křivky (obr. 7). Avšak tato metoda má značnou nevýhodu v tom, že k získání měřitelné hodnoty u0max je třeba výrazné nesymetrie, což je problémem zvlášť v sítích s výrazným podílem kabelů, jak vyplývá z rezonančních křivek zobrazených na obr.7. Novější systémy řeší tento problém měřením uvedené polohové křivky prostřednictvím změny rozladění (parametru ), kdy při malém napětí u0max je ještě dobře technicky měřitelná úhlová změna uo v blízkosti rezonančního bodu sítě. Změnu úhlu lze provést připojením kapacitní reaktance do nuly systému (paralelně k vinutí tlumivky). K přesnému určení rezonančního bodu sítě pak postačí tři body na polohové křivce. Tento způsob ladění však vyžaduje tlumivku s poměrně citlivou a přesnou regulací indukčnosti. Obr. 7: Rezonanční křivky a) pro venkovní vedení, b) pro kabelovou síť Poměry v síti při zemním spojení jsou znázorněny na Obr. 8, z kterého je patrné, že porucha je charakteristická změnou napětí uzlu sítě U0. Při kovovém zemním spojení (odpor poruchy Rp = 0) má napětí v uzlu velikost U0 = - U. Obr. 8 : Rozložení proudů při jednofázovém zemním spojení

51 Většina současných distribučních sítí 22 kv v ČR k indikaci zemního spojení užívá měření netočivé složky napětí U0 v uzlu transformátoru pomocí měřicích transformátorů napětí, jejichž sekundární vinutí jsou zapojena do otevřeného trojúhelníku. Charakteristika zemního spojení v kompenzovaných sítích Skutečné proudové a napěťové poměry během zemního spojení jsou velmi závislé na charakteru poruchy. Obecně lze zemní spojení charakterizovat dle doby jeho trvání, velikosti přechodového odporu, či jeho charakteru. Na základě velikosti odporu poruchy můžeme rozlišovat následující typy zemního spojení: Kovové zemní spojení - při tomto typu poruch je hodnota přechodového odporu v řádech jednotek ohmů. Současná praxe však ukazuje, že míst, kde může v síti vn dojít ke vzniku kovového zemního spojení je poměrně málo. Jediným skutečně reálným místem vzniku kovového zemního spojení jsou místa s dobrým uzemněním, tedy např. spínací stanice vn či distribuční trafostanice vn/nn, když dojde k přeskoku oblouku přímo na neživou část trafostanice vodivě spojenou s uzemněním. Výhodou kovových poruch je vysoká úroveň poruchového proudu, vlivem čehož dosahují špičky kapacitního vybíjecího proudu úrovně, která umožňuje bezproblémovou detekci poruchy. Odporové zemní spojení v tomto případě dosahuje přechodový odpor poruch hodnot od několika stovek až po tisíce ohmů. Zemní spojení s hodnotou odporu poruch přesahující 1 k lze pak považovat za vysokoodporová ZS. Odporová zemní spojení jsou nejčastějším typem poruchy ve venkovních distribučních sítích. Indikaci poruchy a její lokalizaci značně komplikuje tlumení vybíjecího proudu a omezení úrovně poruchového proudu spolu s netočivou složkou napětí. Obecně můžeme konstatovat, že poruchy s odporem nad 1000 Ohmů jsou jen obtížně lokalizovatelné, poruchy s odporem v řádech až několika tisíc ohmů jsou pak jen obtížně zaznamenatelné. Obloukové zemní spojení přechodový odpor v místě zemního spojení je tvořen převážně odporem oblouku. Obloukové poruchy jsou charakteristické zejména krátkodobým přerušovaným hořením oblouku, které má za následek krátkodobá přepětí a proudové vybíjecí špičky velkých úrovní během poruchy. Příkladem obloukového zemního spojení je poškození kabelu vn. V poslední době se značně projevuje další charakteristický rys obsah harmonických vyššího řádu v poruchovém proudu, a to zejména v případě zemních spojení uvnitř městských či průmyslových distribučních sítích. Jelikož nejsou tyto složky kompenzovány zhášecí tlumivkou (je naladěna do rezonance se základní harmonickou), dosahují často v poruchovém proudu vyšší úrovně než je reziduální (zbytkový) proud základní harmonické. Podle doby trvání můžeme rozdělit poruchy na: Velmi krátká (mžiková) zemní spojení doba trvání je do 5 sec Krátkodobá zemní spojení doba trváni je od 5 sec do 10 minut Trvalá zemní spojení doba trvání nad 10 minut Přerušovaná zemní spojení jedná se o mžiková zemní spojení v krátkodobém sledu za sebou (přerušované hoření oblouku)

52 Četnost výskytu zemního spojení dle typu a doby - z vyhodnocení reálné mimoměstské oblasti venkovní distribuční soustavy vyplývá, že nejčastějším typem poruchy je v uvedené oblasti mžikové odporové zemní spojení s dobou trvání poruchy do 1 sec. Další informací, kterou lze charakterizovat zemní spojení je okamžik jeho vzniku vzhledem k fázovému posunu postiženého napětí (fáze zapálení poruchy), který je určující pro úroveň vybíjecího proudu. Z vyhodnocení výskytu zemního spojení uvnitř mimoměstské venkovní distribuční sítě vyplývá, že přibližně 70% všech zemních spojení bylo zapáleno v okamžiku průchodu postiženého napětí svým maximem. Z vyhodnocení roční četnosti výskytu poruch lze vysledovat, že během sledovaného období většina poruch byla zapálena v rozmezí úhlů postiženého napětí a celková doba trvání poruchy byla v 70% případů nižší než 1sec a ve 12% delší než 7sec. Provoz kompenzovaných sítí s automatikou připínání odporníku Při ideální kompenzaci protéká místem poruchy pouze zbytkový proud, který je dán fázorovým součtem svodových proudů jednotlivých fází a činného proudu tlumivky. Díky jeho malé úrovni je pro ochrany obtížné detekovat poruchu na postiženém vývodu a proto se aktivuje automatika pro připnutí pomocného odporníku, která tak zvýší činnou složku poruchového proudu. Tato automatika reprezentovaná v obr. 9 vypínačem 2 je spouštěna v přednastaveném čase po indikaci vzniku zemního spojení, nejčastěji po překročení prahové hodnoty netočivé složky napětí a to pouze na nezbytný čas, potřebný k vyhodnocení poruchy zemními ochranami (obvykle kolem 1 sec). Pokud nedojde k samočinnému uhasnutí zemního spojení, dochází po úspěšné detekci postiženého vývodu k vyhledávání poruchy. Aby se eliminovalo riziko úrazu krokovým či dotykovým napětím a omezily se zejména tepelné účinky poruchového proudu na zasažené prvky sítě během doby do odstranění příčiny poruchy, využívá se v některých rozvodnách metody přizemnění postižené fáze v napájecí rozvodně (tzv. šentování). Při vzniku poruchy dojde po určité době k sepnutí spínače přizemnění postižené fáze, čímž vznikne paralelní cesta k poruchovému proudu. Proud se přerozdělí v poměru impedancí mezi místo poruchy a místo přizemnění postižené fáze. Jelikož je ve většině případů odpor vytvořeného vodivého spojení mnohem menší než odpor v místě poruchy, dojde k přenesení poruchového proudu z místa poruchy do místa přizemnění v napájecí rozvodně. Komentář k obr. 9 : V případě, že dojde ke vzniku trvalého zemního spojení (č.1), dojde k navýšení hodnoty netočivého napětí nad nastavenou mez a automatika zhášecí tlumivky připne na krátkou dobu (1 sec) v nastaveném čase (2,5s) k výkonovému vinutí pomocný odporník (č.2). Po detekci postiženého vývodu dojde v nastaveném čase (5s) k sepnutí vypínače (č.3) a přizemnění postižené fáze přes rezistenci RSH k zemnící soustavě rozvodny

53 Obr. 9: Provoz kompenzované sítě s připínáním odporníku při vzniku trvalého zemního spojení Na Obr. 10 je znázorněn průběh poruchového proudu a proudu místem přizemnění postižené fáze v napájecí rozvodně během obloukového ZS v reálné kompenzované soustavě s automatikou připínání pomocného odporníku. Z obrázku je patrný pozitivní efekt šentování, díky čemuž došlo k trvalému uhasnutí oblouku v místě poruchy a poruchový proud byl přenesen do napájecí rozvodny. Obr. 10 Průběh efektivní hodnoty poruchového proudu If a proudu místem přizemnění postižené fáze Ish během obloukového ZS v kompenzované síti Netočivé složky proudu a napětí během zemního spojení v kompenzované soustavě Poruchový stav v trojfázové soustavě (zemní spojení) se projeví zkreslením symetrického fázorového diagramu soustavy, vznikne hvězdice nesymetrických fázorů, v uzlu soustavy se objeví napětí U0 a uzlem prochází proud 3xI0. Řešení nesouměrných stavů soustavy se dá usnadnit rozkladem proudů a napětí na souměrné složky. Podstatou je rozklad nesouměrného děje na několik jednoduchých souměrných dějů, které podle zákona superpozice můžeme opět složit do celkového děje

54 nesouměrného. Nejznámější (nejpoužívanější) je metoda symetrických složek (C.L. Fortescue -1918). Každou hvězdici nesymetrických fázorů lze tedy v trojfázových soustavách nahradit složením symetrických fázorů sousledné, zpětné a netočivé soustavy (Obr. 11.). Obr. 11 : Náhrada nesymetrických fázorů symetrickým i fázory Na základě tohoto rozkladu můžeme posoudit nesymetrický stav soustavy dle velikosti napětí uzlu soustavy U0 a tím i velikost zkratové poruchy. Klíčové pro vyhodnocení postiženého vývodu či směru poruchy v soustavě v jednotlivých stacionárních stavech trvajícího zemního spojení je porozumět napěťovým poměrům v kompenzovaných sítích, a to zejména poměru netočivé složky proudu a napětí. V případě bezporuchového stavu a při uvažování ideální symetrie fázových napětí v této soustavě je fázorový součet všech proudů procházejících přes příčné admitance roven nule. Vznik zemního spojení v této soustavě projeví napěťovou nesymetrií a fázorový součet svodových i kapacitních proudů již není roven nule, ale proudu poruchovému. Celkový kapacitní proud vyvolaný nesymetrií, který prochází kapacitami jednotlivých fází systému a místem poruchy je kompenzován kompenzačním proudem IL, pro jehož velikost platí při ideálně kompenzovaném stavu IL = IfC. Při tomto předpokladu je poruchový proud protékající místem poruchy dán pouze činnou složkou, které je tvořena celkovým svodovým proudem soustavy. Tento proud je dán fázorovým součtem proudů procházejících přes svody (příčné konduktance) jednotlivých fází celého systému a přes konduktanci tlumivky. Pokud budeme měřit v napájecí rozvodně netočivou složku napětí (uzlové napětí) a součtovými transformátory proudu netočivou složku proudu (3xI0) na postiženém i nepostiženém vývodu, zaznamenají se hodnoty netočivých složek v korelaci dle Obr. 12. Proudové a napěťové poměry na postiženém a nepostiženém vývodu viz fázorové diagramy u vývodů na obrázku. Z výše uvedeného vyplývá, že úroveň jalové složky netočivého proudu je závislá na délce postiženého i nepostiženého vývodu a nelze ji proto spolehlivě využít pro indikaci postiženého vývodu. Kdežto činná složka je u postiženého vývodu závislá na svodovém proudu všech nepostižených vývodů a u nepostiženého vývodu na jeho svodovém proudu

55 Jelikož je z napájecí rozvodny vyvedeno více nepostižených vývodů, lze pro určení postiženého vývodu využít metody porovnání činných složek netočivého proudu (IWN, --IWN), viz Obr. 12. Obr. 12: Zjednodušené schéma kompenzované soustavy v případě vzniku 1 pólové poruchy (zemního spojení) Lokalizace poruchy v kompenzovaných soustavách Metody požívané pro lokalizaci poruch lze rozdělit do dvou základních skupin, na metody pasivní a aktivní. Aktivní metody využívají k lokalizaci zemních spojení pomocného signálu se specifickou frekvencí, který je injektován do soustavy v případě poruchy a následným stopováním tohoto signálu dojde k lokalizaci poruchy. Tyto metody nejsou díky své technické náročnosti příliš rozšířené. Pasivní (rozšířenější) metody využívají napěťových a proudových signálů generovaných přímo sledovanou poruchou (zemním spojením) a nepotřebují tedy ke své funkci žádné uměle injektované signály. Tyto metody vychází z monitorování napěťových a proudových poměrů v postižené soustavě. Parametry napětí a proudů mohou být vyhodnocovány během přechodného děje při zemním spojení nebo po jeho odeznění, proto lze tyto pasivní metody rozčlenit dále na metody statické, využívající ustáleného signálu (po odeznění přechodného děje), a na metody dynamické využívající signál během přechodného děje; dále metody vyhodnocující signál v ustáleném stavu, které jsou pro selektivní působení napojeny na řídící a pomocné obvody zhášecí tlumivky

56 Statické metody využívají pro vyhodnocení místa poruchy ustáleného signálu až po odeznění přechodného děje, v některých případech se pro zvýšení selektivity vyhodnocují i údaje před vznikem poruchy. a) metoda detekce činné složky netočivého proudu (Wattmetrická metoda) - pro kompenzované distribuční soustavy Jelikož nelze zcela vykompenzovat poruchový proud (vždy přetrvává zbytkový proud činného charakteru), lze pro lokalizaci poruchy v kompenzovaných sítích využít směru právě tohoto reziduálního (zbytkového) proudu. U postiženého vývodu je činná složka netočivého proudu popřípadě, činný výkon netočivé složky vyšší a má opačný směr než u ostatních nepostižených vývodů. Zásadní vliv na správnou funkci metody mají vhodně navržené měřicí proudové transformátory a velikost činné složky netočivého proudu. Právě rozdílné chyby fáze a úhlu použitých proudových transformátorů proudu vzhledem k nízké úrovni reziduálního proudu (3%-10% kapacitního proudu sítě) mohou zapříčinit neselektivní působení metody. Pro zvýšení úrovně činné složky netočivého proudu a tedy pro zvýšení citlivosti zemních ochran se využívá krátkodobého připnutí pomocného odporníku. Příklad charakteristiky detekující činnou složku netočivého proudu je na Obr. 13. Jelikož se distribuční soustava běžně nemusí provozovat zcela vykompenzovaná, ale může být mírně rozladěná, má netočivá složka proudu fázový posun dle charakteru provozu systému, jak je zobrazeno na obrázku. Obr. 13: Příklad charakteristiky wattmetrického článku

57 b) Admitanční metoda netočivé složky je založena na nepřetržitém monitoringu netočivé složky proudu I0 a napětí U0, kde se při překročení přednastavené hodnoty netočivé složky napětí provede výpočet dle vztahu : Y 0 = Aby se omezilo selhání metody vlivem nesymetrie systému, používá se častěji pro vyhodnocení admitance přírůstkové metody. V tomto případě je admitance vyčíslena z poměru přírůstku netočivého proudu a napětí mezi stavem před poruchou a při poruše. V případě nepostiženého vývodu je výsledná admitance rovna celkové admitanci chráněného vývodu a má v daném případě záporné znaménko. I 0 U 0 Y0 = - Yvyv = - (Gvyv + j Bvyv) V praxi díky malým úrovním složek I0 a U0 a tedy nepřesnosti při výpočtu výsledné admitance je pro korektní vyhodnocení velmi důležitá správná volba provozní charakteristiky. Vzorec vyjadřuje stav, který indikuje postižený vývod: Způsob funkce admitanční metody viz Obr. 14 Y0 = - (YcN + Y TL) Obr. 14: Způsob funkce admitanční metody Na základě experimentálních měření byla prokázána korektní funkce admitanční metody v kombinaci s automatikou připínání pomocného odporníku během zemního spojení s odporem poruchy až do 7,5 k. Pro zvýšení citlivosti admitanční metody lze při vyhodnocování netočivé složky proudu a napětí využívat násobků základní harmonické, a to zejména 5. harmonické, která je většinou nejvíce zastoupena v poruchovém (kapacitním) proudu a není kompenzována zhášecí tlumivkou. Díky nelineárním spotřebičům obsahuje kapacitní proud také násobky základní harmonické, které nejsou kompenzovány. Úroveň těchto harmonických zejména řádu 3., 5. a 7. Je převážně v městských distribučních sítích značně vysoká a v mnoha případech jejich součet převyšuje úroveň základní harmonické zbytkového proudu. Proto se využívá detekce

58 těchto řádů harmonické a vyhodnocují se signály dané jejich sumací, čímž se dosáhne maximální citlivosti. Postižený vývod má pak maximální úroveň této složky a opačnou fázi vůči ostatním (nepostiženým) vývodům. Přesnost této metody je závislá zejména na přesnosti měření, provedené frekvenční analýze a na úrovni těchto složek ve sledované soustavě. Další ze statických metod je konduktanční metoda, vyhodnocuje se pouze konduktance vypočtená z netočivé složky proudu a napětí. Citlivost výše uvedených metod vycházejících z vyhodnocení signálů až po ustálení přechodného děje není zpravidla tak velká, jako v případě metod využívajících přechodného děje. Může se stát, že v některých případech je změřená netočivá složka proudu u nepostiženého vývodu vyšší, než netočivá složka proudu postiženého vývodu, což vede k chybné lokalizaci a špatné účinnosti metody. Proto dochází v poslední době k velkému rozšíření dynamických metod. Dynamické metody - tyto metody využívají pro vyhodnocení a lokalizaci směru poruchy transientního (přechodového) jevu, který je iniciován vznikem zemního spojení. Metody jsou rozšířeny zejména v kompenzovaných sítích, kde nahrazují díky vyšší citlivosti metody statické. Jejich zásadní nevýhodou je oproti metodám statickým ve většině případů pouze jeden pokus pro korektní lokalizaci poruchy. Bezprostředně po vzniku zemního spojení dojde vlivem kapacit jednotlivých vývodů ke krátkému intenzivnímu přechodovému ději, během kterého dojde k vybití kapacity postižené fáze a nabití nepostižených fází v celé soustavě. Výsledkem těchto jevů je krátký vybíjecí proud, jehož trvání se pohybuje v řádech desítek milisekund (ve většině případů odeznívá během první půlperiody po vzniku poruchy). Právě dynamické metody vyhodnocují tento přechodový jev odrážející se v netočivých složkách napětí a proudu. Výhodou této metody je její využití v kompenzovaných neúčinně uzemněných sítích, kde dobře lokalizuje i oblouková zemní spojení. Nevýhodou metody je krátký časový interval pro korektní vyhodnocení či nemožnost lokalizace vysokoimpedanční poruchy, která potlačuje zmiňovaný transientní jev. Lokalizace poruchy Rozlišujeme prostředky pro indikaci postiženého vývodu z napájecí rozvodny a prostředky schopné dohledat přímo místo poruchy uvnitř celé distribuční soustavy. Na rozdíl od velmi problematické a technicky náročné lokalizace místa poruchy je indikace postiženého vývodu poměrně spolehlivá. Pro lokalizaci postiženého vývodu jsou používány zejména metody statické. U nich lze cyklus vyhodnocení opakovat do doby, než dojde k jednoznačnému určení postiženého vývodu. Nejstarší, stále používaný prostředek je postupné odpínání vývodů z rozvodny až do doby, kdy dojde k odpojení poruchy. Tento způsob je zcela spolehlivý, ale vyžaduje složité provozní manipulace či krátkodobé přerušení dodávky v postižené distribuční síti. Díky svým nevýhodám byl tento systém nahrazen zemními dnes již převážně digitálními ochranami, které vyhodnocují netočivé složky proudu a napětí a využívají pro identifikaci postiženého vývodu dříve uvedené statické metody (wattovou, admitanční, konduktanční). Vzhledem k možnosti nastavit téměř jakýkoliv tvar pracovní charakteristiky těchto digitálních

59 ochran se docílilo citlivého a spolehlivého působení oproti dříve používaným elektromechanickým ochranám. Pokročilé automatiky v sobě zahrnují jak prostředek pro detekci postiženého vývodu, tak pro kompenzaci poruchového proudu a následnou lokalizaci místa poruchy. Příkladem je systém RCC (Residual Current Compensation) vyvinutý firmou SWEDISH NEUTRAL. Tato automatika pracuje na principu admitanční metody, kdy během bezporuchového provozu spočítá celkové admitance všech vývodů a porovnává je s jejich admitancí po vzniku poruchy. Pomocí této metody je označen vývod se změněnou admitancí jako postižený a ostatní vývody, bez změny admitance jako nepostižené. V dalším kroku po označení postiženého vývodu automatika ihned provádí dokompenzování (neutralizaci) poruchového proudu. Zhášecí tlumivka je při tomto procesu automatikou laděna do doby, než se admitance postiženého vývodu dostane na úroveň admitance před poruchou, čímž dojde k minimalizaci reziduálního proudu a často díky jeho velmi nízké úrovni k uhasnutí oblouku poruchy. Jedním z nejdéle užívaných a nejefektivnějších prostředků, které se dodnes využívají pro lokalizaci poruchy, nebo spíše postiženého úseku vedení, je postupné odpínání jednotlivých úseků či odboček postiženého vývodu do doby, než dojde k vypnutí (odpojení) poruchy. Tímto postupem lze vymezit oblast s poruchou, kam je posléze povolána technická obsluha. Jelikož dosud neexistuje adekvátní náhrada za tuto metodu, která by dokázala jednoznačně vymezit poruchu uvnitř postižené soustavy, je tato metoda v našich podmínkách nejrozšířenější a nejužívanější. Tato metoda ale vyžaduje dispečersky velmi náročné operace a často nutnost přerušení dodávky elektrické energie, proto je snaha metodu postupně nahrazovat sofistikovanějšími metodami. Operativně jednodušším prostředkem pro lokalizaci poruch je spojení postiženého a nepostiženého vývodu do kruhu. Ke zjištění místa poruchy využívá systém přerozdělení netočivé složky proudu, vlivem zkruhování a z poměrů admitancí obou vývodů se vypočte místo poruchy. Může se použít tam, kde lze jednoduše (dálkově) provést zkruhování postiženého vývodu. Problémem, který zamezuje širšímu využití této metody je homogenita parametrů vedení, kde díky velké členitosti úseků vedení s rozdílnými parametry a konfigurací je jen velmi obtížné a někdy i nemožné vytvořit korektní model vedení nutný pro lokalizaci poruch. Nedokonalosti těchto metod pro lokalizaci zemního spojení v kompenzovaných sítích proto vedly k vývoji v oblasti zabývající se indikátory poruch. Indikátory poruch jsou zařízení, která umožňují na základě monitoringu napěťových a proudových poměrů indikovat směr poruchy. Pro tuto indikaci využívají charakteristických změn monitorovaného signálu, nejčastěji netočivé složky proudu a napětí či napěťových a proudových poměrů fázových vodičů. V indikátorech jsou implementovány algoritmy známých statických a dynamických zjišťovacích metod a jejich kombinací. Nejrozšířenější a také nejvíce užívané jsou indikátory monitorující elektrické a magnetické pole chráněného vedení. Díky své konstrukci umožňují snadnou instalaci do libovolného místa monitorované sítě bez přerušení dodávky elektrické energie. Indikátory poruch lze podle počtu senzorů rozčlenit na indikátory snímající celkové elektrické a magnetické pole a indikátory snímající elektrické a magnetické pole jednotlivých fází

60 Indikátory měřící výsledné elektrické a magnetické pole jsou vybaveny pouze jedním senzorem a měří sumaci elektrických a magnetických polí všech tří fázových vodičů (příklad viz Obr. 15). Výhodou jsou malé rozměry, snadná instalace, nižší cena a menší spotřeba elektrické energie, mají ale nízkou citlivost. Poruchové stavy jsou indikovány dle typu za pomoci rozpínacích kontaktů relé, optickou signalizací (blikáním signalizačního světla), dálkovou komunikací s dispečinkem, nebo indikačními terčíky s magnetickou pamětí. Napájení je zabezpečeno akumulátorovou baterií, fotovoltaickým panelem, nebo přímo z chráněného vedení. Pro dálkovou komunikaci a pro možnost napájení se s výhodou dá použít i prostředků dálkově ovládaných úsečníků. Obr. 15: Indikátor poruchy snímající výsledné elektrické a magnetické pole (ukotvení k fázovému vodiči) Indikátor je na základě popsaných metod schopen indikovat směr poruchy, místo poruchy se dohledá stopováním indikátorů, které indikují poruchové vedení (červené terčíky). Pokud je indikátor vybavený dálkovou signalizací, lze vytipovat postižený úsek sítě předem a vyslat techniky přímo k tomuto místu, jinak je třeba aby, obsluha stopovala indikátory podél vedení až do místa poruchy (viz Obr. 15). Obr. 15: Lokalizace místa zemního spojení pomocí indikátorů poruch a signalizace

61 Distribuční sítě nízkého napětí Sítě nízkého napětí jsou navrhovány s ohledem na charakter napájeného objektu nebo oblasti, které se vyznačují odlišnou velikostí požadovaných výkonů a stupněm důležitosti zajištění dodávky elektrické energie. Uvedená kritéria pak rozhodují nejen o dimenzování jednotlivých částí sítě, ale také o jejich konfiguraci a způsobu připojení odběrů. Typy sítí nn Sítě paprskové V paprskových sítích - vedení vycházejí z napájecího místa (transformovny nebo spínací stanice) a zásobují jednotlivé odběry. Každý vývod (paprsek) je samostatný a nelze je vzájemně spojovat. Tento způsob rozvodu je obvykle nejlevnější, avšak jistota zásobování je nejmenší. Přerušení dodávky může být několik hodin. Paprsková síť se obvykle používá v obcích, v malých městech i v průmyslu. Paprsková síť Sítě okružní Síť okružní je možno provozovat rozepnutou nebo sepnutou. Jednotlivé paprsky nebo polosmyčky jsou vedeny tak, aby se daly sepnout do uzavřených smyček (Obr. 1). V obvyklých provozních stavech se tedy jedná o sítě paprskové. Při poruše vedení lze však snadno postižený obvod přepnout na vývod sousední a to buď ručně, nebo automaticky. Sítě okružní jsou dražší než paprskové, protože pro vzájemné spojení je třeba větších délek vedení. Obr. 1: Okružní síť nn

62 Zjednodušená mřížová síť Zjednodušenou mřížovou síť nn (Obr. 2) lze vytvořit tehdy, pracují - li do společné sítě alespoň dva transformátory vn/nn. Mezi těmito transformátory je spojení hlavními vedeními obvykle s většími průřezy, jištěnými výkonovými (hlavními) pojistkami na vývodech z DTS. Ve vhodných místech těchto hlavních vedení jsou slabší pojistky zvané pojistky slabé vazby (SV). Podle zkušeností i zkoušek v provozu má být poměr jmenovitých proudů pojistek hlavních ku pojistkám slabé vazby 2 : 1. Vyskytne-li se zkrat např. v naznačeném místě sítě, reaguje nejprve pojistka slabé vazby SV 4 a teprve v dalším zlomku vteřiny hlavní pojistka v DTS 2. Ostatní síť zůstává v provozu. Zjednodušená mřížová síť reaguje na poruchy na straně nn, nikoliv na straně vn. Distribuční transformovny DTS 1, DTS 2 a DTS 3 jsou většinou napájeny jedním vedením vn, obvykle venkovním. Klasická mřížová síť Obr. 2: Zjednodušená mřížová síť nn Klasické mřížové sítě nn (Obr. 3) se zpravidla používají ve větších městech s měrnou hustotou 1 MW/km a více, kde je několik transformoven napájených nejméně dvěma, lépe třemi až pěti napáječi vn. Kabelové vedení nn se spojí na křižovatkách ulic do uzlu. Jsou to skříně s pojistkami zazděné na vhodných místech v domovních zdech nebo umístěné do samostatných pilířů. Pojistky nn mají mít pomalou charakteristiku a ve všech skříních stejnou jmenovitou hodnotu. Nastane-li porucha v úseku sítě nn mezi dvěma skříněmi, rozdělí se proud, jak je naznačeno v obrázku (Obr. 4). Z charakteristiky pojistek je zřejmé, že se pojistky na porušeném vývodu přetaví za kratší čas, a to tak rychle, že ostatní pojistky zůstanou neporušeny. Vyřadí se tak z provozu pouze porušený úsek A-B. V klasické mřížové síti je vyšší spolehlivost zásobování odběratelů při poruše některého napáječe VN než v ostatních typech sítí. Nastane-li porucha na napáječi VN, teče zkratový proud do místa zkratu nejen z místa napájení VT, ale i ze strany sítě NN. Pro tento případ jsou na straně NN každého transformátoru spínače ovládané směrovými relé, která dají popud k vypnutí vadného napáječe v případě toku výkonu z NN do VN. Téměř současně vypne spínač

63 ve stanici VT, takže napáječ zůstane bez napětí, ale zásobování mřížové sítě zůstane neporušeno. Obr. 3: Klasická mřížová síť nn Obr. 4: Klasická mřížová síť - rozložení proudů v mřížové síti při zkratu Klasické mřížové sítě dělíme podle počtu transformátoru 110 kv/vn, na které jsou připojeny distribuční transformátory vn/nn napájející mřížovou síť na jednosystémové (Obr.5), dvousystémové (Obr. 6), případně vícesystémové. Schéma napájení jednosystémové mřížové sítě s prostřídanými napáječi je na obr.5b). Při poruše jednoho napáječe se tak zatížení rozloží na ostatní napáječe rovnoměrněji

64 Obr..5 :Jednosystémová mřížová síť Obr. 6: Dvousystémová mřížová síť Výpočtové zatížení sítí nn Výpočtové zatížení je fiktivní elektrický výkon, který zohledňuje poměrné zatížení současně připojených spotřebičů. Výpočtový výkon a z něho určený výpočtový proud nejlépe odpovídají reálnému zatížení části soustavy a jsou základními veličinami potřebnými pro dimenzování prvků rozvodného zařízení v normálních provozních stavech. Výpočtové zatížení se stanoví pro jednotlivé skupiny odběrů a určuje se následovně: Výpočtové zatížení pro výrobní provoz, objekt nebo závod jako celek (pro dimenzování napájecího zdroje, přívodu, počtu a velikosti napájecích transformátorů) Výpočtové zatížení pro jednu skupinu spotřebičů (pro dimenzování rozvaděče, z něhož je skupina spotřebičů napájena a přívodu k rozvaděči) Výpočtové zatížení pro několik skupin spotřebičů (při napájení několika samostatných skupin spotřebičů z jednoho rozvaděče) Výpočtové zatížení pro jeden spotřebič (pro dimenzování přívodu ke spotřebiči dle druhu provozu spotřebiče - trvalý provoz nebo provoz s cykly, takto stanovené

65 výpočtové zatížení lze užít jen pro dimenzování z hlediska dovolené provozní teploty, nikoliv například pro úbytek napětí) Výpočtový proud se stanoví z výpočtového zatížení a je určen požadavkem na kompenzaci účiníku (účiník volíme dle odvětví a skupin spotřebičů viz například tabulka) a vlastnostmi samotných spotřebičů Výpočtové zatížení pro bydlení a občanskou vybavenost (záleží na charakteru napájené oblasti, které odpovídá příslušná hodnota zatížení v MW/km 2, postupy zpracovává obvykle přímo distributor ve formě podnikových norem a předpisů, které vycházejí z místních zkušeností), lze je dále rozdělit do dvou skupin: výpočtové zatížení pro bytovou zástavbu výpočtové zatížení pro nebytové odběry Porovnání některých vlastností tří typů sítí nn viz tabulka: Porovnání sítí nn Podrobněji viz literatura: Provoz distribučních soustav, ČVUT Praha 2011 (Odborná učebnice pro energetiku) Elektrické sítě městské a průmyslové, Štroblová, Hejtmánková, Plzeň 1994, ZČU Výpočet elektrických sítí, Horák, Praha 1980, SNTL

66 Hromadné dálkové ovládání (HDO) Systém HDO (hromadné dálkové ovládání) se u nás využívá již několik desítek let. Slouží pro regulaci spotřeby elektrické energie. Zodpovědnost za odchylku se přenáší na zákazníka, neboť ten si může velké spotřebiče energie (elektrotopení, ohřev vody, apod.) sepnout až ve chvíli, kdy mu to distributor povolí (tedy v čase mimo špičku odběru el. energie). Regulace spotřeby elektrické energie je nutná, protože spotřeba se v průběhu dne mění. Aby nebylo nutné posilovat výrobní kapacity elektráren a zvyšovat přenosovou schopnost vedení kvůli několika hodinám poptávky po elektřině v době špičky, vznikla myšlenka přesunout provoz elektrotepelných spotřebičů do doby nízkého zatížení elektrizační soustavy s pomocí zařízení HDO. Signálu HDO se využívá nejen v domácnostech, ale i v průmyslových podnicích. V rozvodu průmyslového objektu se takto dají spínat nevýrobní zařízení např. klimatizační jednotky, vodní hospodářství, aj. Jiné využití systému je pro sepnutí veřejného osvětlení, dopravních značek, osvětlení výloh nebo pouličních reklam. Systém HDO využívá ke komunikaci a pro přenos informací silové vedení. principem je umístění vysílače signálu do každé fáze v rozvodnách distribuční sítě (110/22 kv) do sítě 22 kv. Vysílač signálu vysílá impulsní tvar kódu nasuperponovaný na základní frekvenci 50 Hz. Signál je v ČR nejčastěji modulován na frekvencích 183,33; 216,66; 283,33; 760 a 1060 Hz. Takovýto signál prochází přes transformátory až k zákazníkovi, který má vedle elektroměru (v tomto případě vícetarifového) umístěn přijímač. Přijímač podle došlého pokynu vypne nebo sepne všechny spotřebiče, které jsou k tomuto přijímači přes stykač připojeny (nejčastěji elektrotopení, ohřev teplé vody) a zároveň přepne měření spotřeby na elektroměrů v nižší sazbě. Současné přijímače HDO dokáží pracovat samostatně, aniž by musely obdržet pokyn k sepnutí či vypnutí. Řídí se vlastním nastaveným programem, který jim distributor dokáže na dálku změnit (stejným principem, jako když vysílá signál sepnout vypnout). Systém se začal rozvíjet z důvodu přesunu spotřeby do pásma levnější výroby elektřiny mimo špičku. To je dnes i jeden z cílů inteligentních sítí smart grids. V blízkém období plánují distributoři nasadit vícetarifový systém HDO tím se myslí systém, který bude mít několik pásem podle aktuálního zatížení energetické soustavy. Zákazník si bude moci navolit jednotlivé spotřebiče do daných pásem. Lze to ukázat na příkladu myčky nádobí. Zákazník si tento spotřebič umístí do pásma s nejlevnější elektřinou (tedy tam, kdy je síť nejméně zatížena). Poté, co zákazník spotřebič zapne, čeká, na pokyn distributora, že je cena elektrické energie nejnižší. Zákazník bude mít samozřejmě možnost spustit spotřebič i v době, kdy on to potřebuje (znevýhodněn bude vyšší cenou za elektrickou energii). Tento stav by měl ještě více motivovat zákazníky přesouvat energeticky náročnější spotřebu do oblastí s převisem nabídky elektrické energie (ještě se více přenese zodpovědnost za odchylku na zákazníka). Výhoda systému HDO je také v reakční době. Po vydání pokynu může sepnout relativně velká oblast. Namísto současně plánovaných inteligentních elektroměrů, které by v sobě měly integrovaný systém HDO a jejich jednotlivé spuštění (díky jedinečnému identifikátoru) by v současné době trvalo o mnoho déle. S vývojem nových algoritmů a řízení ovšem tato překážka

67 může být překonána. Omezením HDO bylo také to, že ho mohl ovládat pouze distributor, nově by tuto pravomoc mohl mít i operátor přenosové soustavy k vyrovnání bilance poptávky a nabídky v rámci ČR. HDO využívá provozovatel distribuční soustavy (PDS) k řízení určitých segmentů spotřeby, zejména akumulační a přímotopné, tak, aby zajistil optimální využití sítí a uspokojení co největšího počtu odběratelů za normálního provozu, realizoval potřebné omezení spotřeby při stavech nouze a při zásazích bránících jejich vzniku nebo odstraňování jejich následků a zajišťoval nezbytné systémové a podpůrné služby. HDO může být užíváno i při stavech nouze a pro dispečerské řízení výroby, obnovitelných zdrojů energie (OZE), tj. vyráběného činného a jalového výkonu. Podmínkou připojení odběrných míst těchto zákazníků je instalace přijímače HDO podle požadavku distributora a souhlas zákazníka s řízením specifikovaných spotřebičů ze strany distributora, vyjádřený ve smlouvě o připojení k distribuční soustavě. Přidělení povelů HDO jednotlivým odběrným místům je v kompetenci distributora a jednotliví zákazníci a jejich obchodníci jsou povinni je respektovat. Informace o režimu spínání HDO poskytuje distributor s minimálně týdenním předstihem dálkově (internet) nebo na vyžádání. Časy vysílání povelů HDO platí pro základní stav distribuční soustavy za normálních provozních podmínek. V případě nutnosti provedení provozních změn v distribuční soustavě, vyvolaných nepředvídanými okolnostmi, může dojít k lokálním a časově omezeným úpravám časů vysílání s dodržením pravidel pro vysílání a v souladu s cenovým rozhodnutím Energetického regulačního úřadu (ERÚ). Systémy HDO - principy a technické řešení Na následujících obrázcích je znázorněno srovnání hromadného dálkového ovládání (HDO) s ovládáním dálkovým (DO). U systému dálkového ovládání je potřeba obousměrné komunikace mezi ovládacím místem a objektem, který se ovládá, u systému hromadného dálkového ovládání stačí pouze jednosměrná komunikace z ovládacího místa k ovládaným objektům. Pro systémy HDO je možno vyspecifikovat několik typických znaků:

68 přenos úzkopásmového signálu z centrálního ovládacího bodu (vysílače HDO) po společné přenosové cestě (síti) ke všem ovládaným či signalizovaným bodům (přijímačům HDO) určených pro různé funkce určitý povel je určen celé skupině přijímačů, která vykonává stejnou funkci jednosměrný přenos bez možnosti zpětné signalizace o provedení povelu použití přenosových cest s nepříznivými přenosovými parametry a možným rušením provoz s poměrně nízkým stupněm zabezpečení přenosu a použitím metody opakování zprávy v důsledku potenciálního rušení či provozní změny přenosových parametrů není striktním systémovým požadavkem správné vyhodnocení vysílaného povelu (signálu) všemi přijímači při každém vysílání, nýbrž jen vyvolání hromadného efektu ve většině ovládaných míst a možnost korekce při dalším vysílání HDO signálu Umístění vysílačů a přijímačů signálu HDO v energetické síti: Základní charakteristika systému HDO Používané frekvence: Nízké a střední frekvence v pásmu ( Hz) jsou vhodné pro centralizovanou výstavbu s napájením do napěťových úrovní 220 kv, 110 kv resp. 35 kv či 22 kv s několikanásobnou transformací napětí a pro relativně rozlehlé sítě. Je však třeba počítat se značnými ztrátami signálu na induktivních zátěžích

69 Vyšší frekvence používaného pásma ( Hz) jsou vhodné pro decentralizovanou výstavbu HDO až na nejnižší napěťové úrovně 10 kv či 0,4 kv a malou rozlehlost ovládané oblasti s jednou nebo žádnou transformací. Přitom potřebné vazební členy i kompenzační doplňky jsou relativně levné. V poslední době jsou v ČR nejčastěji užívány ovládací kmitočty 216,6 Hz a 316,6 Hz injektované do napěťové úrovně 110 kv. Typy vazeb v systému HDO Paralelní vazba vazba není zapojená v toku energie Je vhodná tam, kde výsledná impedance transformátoru a nadřazené sítě je rovna nebo je vyšší než impedance sítě, do níž se signál vysílá Sériová vazba tato vazba je výhodná jen v případech, kdy je výsledná impedance transformátoru a napájecí sítě nižší než impedance sítě, do níž se signál vysílá. Tato podmínka je splněna u kmitočtů nižších než cca 200 Hz Paralelní vazba Sériová vazba Vysílače signálu HDO Rotační měnič kmitočtu (RMK) signál je generován pomocí elektromechanického točivého stroje Statický měnič kmitočtu (SMK) signál je generován výkonovým tyristorovým střídačem Přijímač signálu HDO

70 Přijímač na vstupu tedy nejprve oddělí ovládací kmitočet HDO od síťového kmitočtu 50 Hz / 230 V. Pak je signál HDO dekódován a vyhodnocen jako výkonný stav výstupního spínacího zařízení. Konkrétní přijímač HDO může obvykle vyhodnotit 1 3 dvojpovely vyvolávající různé výstupní funkce (např. spínání spotřebiče, přepínání tarifní sazby, vyvolání poplachu). Povelový kód Povelový kód se sériovým vyjádřením dvojpovelu Startovací impuls (SI) Zabezpečovací mezera (ZM) Adresová část (skupiny A a B) Povelová část (Z, V) Obecně komunikační systémy po vedení Systémy PLC (Power Line Communication) můžeme rozčlenit následovně systémy úzkopásmové - NPL (Narrowband Power Line) systémy širokopásmové - BPL (Broadband Power Line) vnější systémy PLC Mohou být použity pro přenos dat od trafostanice vn/nn do budovy nebo po síti vysokého napětí (vn). Typicky slouží ke sběru dat provozovatelům distribuční soustavy. vnitřní systémy PLC Využívají rozvody v budově, typicky v bytě, rodinném domě a slouží k realizaci lokální datové sítě. V současnosti jsou výkonové polovodičové součástky již na takové úrovni, že lze jejich prostřednictvím provádět řízení elektrizační soustavy (sítí VN a VVN). Jedná se o aktivní filtry. Jedna ze skupin zařízení, která toto řízení umožňuje, je známá pod zkratkou FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) a druhá pod zkratkou CP (Custom Power). Zařízení FACTS jsou zaměřena na užití v přenosových systémech a mají za úkol zlepšit řízení a využití přenosových vedení. Tyto systémy řeší zejména:

71 regulaci napětí a jalového výkonu regulaci toku výkonů stabilitu a vyšší využití přenosových schopností sítě Zařízení CP (na straně spotřebitele) mají zvýšit spolehlivost a kvalitu dodávek elektrické energie pro spotřebitele. Řeší zejména: bezkontaktní spínání velkých zkratových proudů nebo opětovné zapínání do zkratu ochranu citlivých zátěží úpravou křivky napájecího napětí na požadovanou kvalitu regulaci jalové energie, symetrizaci odběrů a aktivní filtraci harmonických nelineárních zátěží (řešení zpětných vlivů zátěží na napájecí rozvodnou síť) Prameny: Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav, ČVUT Praha (Odborná učebnice pro energetiku) Přednáška ČVUT pro PŠ Komunikační sítě pro energetiku, Ing. Kocur, 03/

72 Současné a budoucí trendy v elektrizační soustavě (ES) Elektroenergetické systémy Rostoucí poptávka po elektrické energii, otevření trhu s elektrickou energií, integrace nových zdrojů do elektrizačních soustav a nutnost respektovat životní prostředí mají často za následek, že stávající linky přenosových soustav jsou provozovány a zatěžovány blízko svých tepelných, elektrických či mechanických limitů a občas i za hranicemi svých přenosových schopností. Obchod s elektrickou energií na otevřeném trhu a požadavky dodavatelů a zákazníků často nerespektují fyzikální zákony pro toky elektřiny. Jedním z typických příkladů jsou tzv. kruhové toky výkonů mezi jednotlivými částmi rozsáhlých soustav nebo dokonce mezi soustavami několika států, které vznikají rozdílnou přenosovou schopností očekávaných tras. Tato skutečnost může vyvolat nadměrné zatížení mezinárodních propojení či klíčových vnitrostátních profilů, a omezit tak jejich disponibilní přenosovou kapacitu určenou pro jiné využití. Situaci rovněž komplikuje okolnost, že se mnoho výrobních kapacit nalézá poměrně daleko od míst největší spotřeby elektrické energie. Rostoucí požadavky na přenosy výkonů by měl doprovázet proces výstavby nových přenosových tras, případně zvýšení přenosových schopností tras stávajících na základě obnovy či náhrady prvků jednotlivých soustav, což by přispělo k zachování přijatelné úrovně spolehlivosti dodávky elektrické energie i zajištění přenosové kapacity potřebné při nárůstu zatížení. Mezi soustavami i uvnitř nich existuje řada tzv. úzkých míst, kde za nejrůznějších podmínek bývá dosahováno limitů přenosové schopnosti. Vlivem postupného nárůstu zatížení a nedostatečných investic do zmíněných soustav se počet úzkých míst může postupně zvyšovat. V Evropě je řada úzkých míst trvalých (Francie - Španělsko, Itálie - sousední země, střední Evropa jihovýchod Evropy). Některá však mají pouze sezónní charakter, daný např. nevyrovnanou produkcí energie z vodních nebo větrných elektráren v určitých zemích (Norsko - Švédsko, Dánsko - Německo, severo-východ - jihovýchod Německa, sever - jih Rakouska). Spolehlivým řešením řady problémů v přenosových a distribučních soustavách by byla výstavba nových vedení, která je však velmi obtížná, někde téměř nemožná, a to z důvodů ekologických, vlastnických či politických. Výstavba nových linek obvykle nedokáže držet krok s rostoucím výkonem elektráren i poptávkou po elektrické energii. Pro ekonomický, spolehlivý a bezpečný provoz stávajících sítí je nezbytné zavádět nové technologie a principy řízení do elektrizačních soustav. Řešením mohou být nejrůznější metody, postupy, strategie a technologie pro řízení výkonových toků v soustavách. Tyto strategie musí zachovat nezbytnou úroveň spolehlivosti dodávek i při výpadku velkých zdrojů, přenosových linek, či při velkých změnách v systémovém zatížení. Se spolehlivou dodávkou elektrické energie konečným spotřebitelům souvisí i problematika kvality elektrické energie. Pro zajištění kvality dodávek elektrické energie je v prvé řadě nezbytné zajistit spolehlivý a pokud možno bezchybný chod přenosových a distribučních soustav. Vzhledem k trvalým trendům zvyšování spotřeby elektrické energie, k ochraně životního prostředí, k volnému trhu s elektřinou a při omezených možnostech investic do přenosových a distribučních systémů nabývá na důležitosti zajištění pohotového a flexibilního řízení toků činného výkonu a napětí v soustavách

73 Kritéria přenosu elektrické energie Pro chování přenosového systému, jeho součástí a při hodnocení provozních stavů je třeba respektovat základní kritéria, která mohou omezit přenos výkonových toků: Teplotní kritéria, která hlídají dlouhodobou či momentální teplotu vodičů a jsou svázána s teplotními limity pro dané provozní stavy. Obvykle souvisejí s dlouhodobým nadměrným zatížením linek. Teplotní hlediska bývají omezující u kabelů, krátkých vedení nebo obecně při nepříznivých tepelných poměrech okolního prostředí. U dlouhých vedení se naopak spíše uplatňují hlediska stability a úbytků napětí. Kritéria řízení napětí a jalového výkonu, jež souvisejí s požadavkem udržovat napětí v úzkých předepsaných mezích. Podpětí může zhoršit funkci některých spotřebičů, přepětí pak může být nebezpečné z důvodu přeskoků, průrazu izolačních systémů nebo saturace transformátorů. V ustáleném chodu nízké napětí při velkém zatížení je možné korigovat zejména kompenzací jalového výkonu a tedy změnou účiníku spotřeby. Naopak vysoké napětí u málo zatížených vedení (či naprázdno) lze kromě regulace odbočkami transformátoru omezit připínám paralelních tlumivek. Úroveň napětí je velmi citlivá na toky jalového výkony, proto je jeho kompenzace jedním z klíčových procesů v soustavách. Kritéria toků výkonu se týkají zejména řízení činného výkonu v soustavách za účelem vyššího a rovnoměrnějšího využití prvků přenosových soustav, minimalizace ztrát či tvorby dostatečných rezerv přenosových cest. Překračování limitů výkonových toků lze odstranit vybudováním nových přenosových kapacit či výrobních jednotek. Kritéria stability a dynamických jevů, která souvisejí s dynamickým chováním systému. Dynamická stabilita popisuje schopnost systému úspěšně přecházet mezi rozdíl-nými stabilními pracovními body a může být zlepšena změnou konfigurace nebo uzlo-vých výkonů v klíčových bodech systému. Všechna kritéria lze teoreticky sjednotit pod jediný požadavek zachování kvality dodávky elektrické energie. Toto široké kritérium nelze jednoznačně kvantifikovat, protože v sobě obsahuje řadu veličin (od kvality napěťové sinusovky v uzlech přes přípustná pásma frekvence, výkonů či teploty až po spolehlivostní veličiny, které určují schopnost soustavy přenést elektrickou energii až ke konečnému spotřebiteli). Regulační opatření Existuje mnoho případů a situací, kdy musejí být některé prvky a části elektrizační soustavy řízeny, aby zůstal zachován bezpečný a spolehlivý chod soustavy jako celku. Důvodem k regulačnímu zásahu může být dosažení či překročení limitů podle některého z výše uvedených kritérií, náhlá nerovnováha bilanci výkonů nebo též plánovaná změna v konfiguraci systému. Realizovaná opatření se v zásadě mohou dotýkat strany výroby, strany spotřeby či změn v přenosových linkách. a) Řízení na straně výroby Jestliže v soustavě dojde k náhlé výkonové nerovnováze mezi výrobou a spotřebou, je nutné, aby dodávaný činný výkon z elektráren byl změněn v příslušném rozsahu za účelem

74 návratu frekvence na svoji jmenovitou hodnotu - buď automaticky, nebo na popud operátora soustavy. K realizaci řízení činného výkonu a frekvence slouží systém primárních, sekundárních, terciárních a dalších regulací v elektrárnách. Ty jsou provozovány v systému podpůrných služeb, jež většinou poskytují výrobci a využívá je provozovatel přenosové soustavy. Stav nouze Při mimořádných stavech, živelných pohromách či jiných nouzových podmínkách může být v soustavě vyhlášen tzv. stav nouze. Dochází při něm k určité změně pravomocí, kdy provozovatelé přenosové a distribučních soustav mohou dát pokyn k omezení či odstavení výroby i části spotřeby v dané části soustavy. Tyto postupy jsou dány tzv. regulačním a vypínacím plánem. Všechny subjekty musí uposlechnout příslušných pokynů operátora. Nouzové zásahy mohou zabránit nepřiměřené změně frekvence v soustavě (jež by mohla vést až rozsáhlým výpadkům dodávek blackoutům) a zastavit nadměrné nebo dlouhodobé proudové přetěžování klíčových linek soustavy ( což by vedlo k jejich vypnutí a přenesení problému na další prvky soustavy). Jde o vyhlášení tzv. regulačních stupňů, které začínají striktním dodržováním sjednaných odběrových diagramů a končí snížením spotřeby až o stovky MW do několika hodin a po dobu, kdy příslušný regulační stupeň trvá. b) Řízení v přenosové soustavě Také přímo v přenosové soustavě jsou zařízení, která umožňují řízení na linkách a v rozvodnách. Jsou to buď zařízení již dlouhodobě instalovaná za účelem zlepšit provozní parametry, nebo jde o zařízení moderní, jejichž přímý cíl je umožnit plynulé a rychlé řízení napětí a výkonů v soustavě. Nejrozšířenějšími jsou pasivní prvky s konstantními nebo skokově měnitelnými parametry, např. sériové kondenzátory pro kompenzaci reaktance vedení u dlouhých linek, sériové reaktory pro omezení zkratových proudů, paralelní tlumivky pro řízení napětí nebo paralelní kondenzátory pro kompenzaci jalového výkonu a řízení napětí. Další možností jsou transformátory s regulací fáze, které umožňují měnit fázi výstupního napětí a tím řídit toky výkonů v soustavě. Současným trendem je rozšiřování prvků a měničů využívajících výkonovou elektroniku, jejichž pomocí lze dosáhnout velkou variabilitu, rychlost i plynulost řízení. K jejich rozmachu přispěl vývoj elektronických součástek schopných pracovat s napětím v řádu kv a s výkony v řádu MVA. c) Řízení strany spotřeby Pomineme-li možnosti řízení odběru činného výkonu u spotřebitelů při stavu nouze, je hlavním prostředkem realizovaným na této straně regulace jalového výkonu. Jeho změna, resp. instalace a řízení reaktančních prvků, slouží ke kompenzaci zátěže ve třech základních kritériích. 1.kompenzace účiníku 2.regulace napětí 3.symetrizace Kompenzace účiníku souvisí zejména s lokální potřebou jalového výkonu u specifických typů zátěží, který je efektivnější produkovat na místě, než přenášet po síti, kde omezuje přenosovou kapacitu a vyvolává přídavné činné ztráty. Napětí je obvykle řízeno v klíčových uzlech

75 soustavy. Nesymetrickým zatížením vznikají v soustavě zpětná a netočivá složka proudu, které způsobují přídavné ztráty ve strojích, mechanické oscilace, nesprávné funkce zařízení apod. d) Řízení propustnosti sítě Klasické řízení propustnosti sítě (Congestion Management) zahrnuje činnosti, které provádí provozovatel přenosové soustavy v souladu s energetickým zákonem ve vymezených případech, kdy hrozí přetížení nebo je vyčerpána přenosová schopnost vedení či přenosového profilu a je nutné změnit nasazení výrobních jednotek, aby nastalo odlehčení profilu a soustava se vrátila do normálního stavu. Kromě těchto zásahů jsou prováděny rovněž zásahy preventivní, které mají za cíl předejít vzniku nebezpečných situací a výpadků, nazývají se redispečink a protiobchod. Při interním redispečinku jsou využívány pouze zdroje uvnitř soustavy a je nutné dodržet saldo regulační oblasti. Dojde-li tedy ke zvýšení výkonu v jednom uzlu, musí se v jiném uzlu stejný výkon snížit. Při mezinárodním redispečinku jsou využívány zdroje v obou sousedních soustavách dotčeného přeshraničního přenosového profilu, také zde je nutno dodržet celkové saldo obou oblastí. Při protiobchodu jsou rovněž využity zdroje na obou stranách dotčeného profilu, ale není nutné dodržet plánované saldo obou oblastí. Efektivnost těchto zásahů je však závislá na hustotě sítí a na paralelních cestách, přes které výkon může protékat díky hustému zasmyčkování. Dojde-li k výpadku nějakého zařízení a ke vzniku hrozby přetížení jiných prvků sítě, provádí dispečer PS tzv. korekční opatření, kterými kromě výše uvedených může být i tzv. rekonfigurace, tedy změna zapojení sítě. Jedná se např. o změnu stavu spínače přípojnic, což může vést k efektivní změně impedance na dotčeném profilu, a tím i změně toku výkonu. Je však třeba respektovat skutečnost, že rekonfigurací dojde k přerozdělení výkonových toků, tj. k jejich přesunu do částí sítě,které byly doposud méně zatížené. Proto je nutné znát vliv opatření na jiná vedení, aby nedošlo k jejich přetížení. Současné problémy elektrizačních soustav Současné celosvětové trendy v elektroenergetickém odvětví neustále směřují k postupnému nárůstu výroby a spotřeby elektrické energie, což vzhledem k velké setrvačnosti výrobní základny, založené stále zejména na menším množství výrobních jednotek velkých výkonů, vede k postupnému zvyšování přenosů elektrické energie z míst výroby do oblastí spotřeby. Naopak standardní způsoby posilování elektrizačních sítí výstavbou nových vedení a rozvoden naráží často na legislativní překážky týkající se územních rozhodnutí či ekologických aspektů. Kombinací těchto vlivů dochází k vysokému zatěžování prvků zejména přenosových soustav a relativně často i k přetěžování vedení, které může vyvolat problémy různé závažnosti, od dočasného nadměrného průhybu vodičů až po kaskádovité vypínání linek vedoucí k velkým výpadkům v soustavách. Historicky vzniklé propojování a spolupráce elektrizačních soustav (např. Union for the Coordination of Transmission of Elektricity - UCTE, ETSO, ATSOI, UKTSOA, NORDEL, BALTSO (vsoučasné doběthe European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E) obecně vedou k technickým výhodám a umožnily i rozvoj mezinárodního volného trhu s elektrickou energií. Nicméně právě podmínky volného trhu způsobují v

76 některých regionech stavy ne vždy příznivé pro provozovatele soustav. Jedním z důsledků jsou rozdíly mezi fyzikálními a obchodními toky elektrické energie, které mohou vyvolat neočekávaná lokální přetížení prvků soustav, neboť obchod s elektrickou energií bývá omezen pouze výrobními a spotřebními kapacitami a často nerespektuje přenosové možnosti sítí. V této souvislosti se v mezinárodním měřítku vyskytují tranzitní toky výkonů, které zabírají část přenosové kapacity vnitrostátních vedení, aniž by daná soustava tyto toky vyvolala ze strany své výroby nebo spotřeby. Specifickou problematikou jsou pak úzká místa v sítích, kde díky těmto tranzitům dochází k překračování přenosových schopností a je třeba toto řešit technicky či legislativně. Často diskutované jsou přeshraniční profily, které propojují národní přenosové soustavy, jejichž původní dimenzování předpokládalo spíše vzájemnou technickou výpomoc soustav, nikoliv mezinárodním volný trh (tento stav se mění jen velmi pomalu). Velmi aktuální a stále více diskutované téma je velký rozmach obnovitelných zdrojů elektrické energie (OZE) a jejich připojování do distribučních a přenosových soustav. Hlavním diskutovaným zdrojem jsou v této oblasti větrné elektrárny (VTE), které vykazují značnou proměnlivost vyráběného výkonu (proměnlivá velikost změn i časová nestálost), jejichž celkový instalovaný výkon se dramaticky zvyšuje. V samotné soustavě ENTSO-E je v současnosti instalováno cca MW VTE a v několika následujících letech by tato hodnota měla dosáhnout až cca MW, čímž jsou VTE nejrychleji se rozvíjejícím zdrojem elektrické energie. O něco příznivější je situace u fotovoltaických elektráren, jejichž proměnlivost je o něco nižší a vázána na denní cyklus. Souběžně s nárůstem celkového výkonu těchto typů OZE roste také instalovaný výkon jednotlivých farem VTE připojených do elektrizačních soustav v jednom bodě, čímž tyto zdroje přestávají v soustavách hrát roli tzv. rozptýlených zdrojů a naopak vznikají zdroje velkých výkonů, ovšem s nestabilní a hůře predikovatelnou výrobou. Tím dochází ke značné proměnlivosti velikostí a často i směrů výkonových toků v soustavách, což ještě dále ztěžuje možnost řízení nejen prvků soustav s ohledem na jejich možné přetížení, ale také řízení soustav jako celků. Všechny zmíněné vlivy mohou vést ke vzniku problematických situací v provozu elektrizačních soustav, zvláště když se přidají klimaticky extrémní stavy. Těmi mohou být zejména horké letní dny, kdy bývá složité udržet rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektrické energie (nižší výroba v kondenzačních elektrárnách z důvodů omezeného chlazení), objevují se velké průhyby vodičů a hrozí jejich kontakt s vegetací, plánované opravy a revize vedou k provozu sítí v neúplných konfiguracích, často se objevuje malá výroba z obnovitelných zdrojů energie (větrných a vodních). Významný vliv mohou mít také bouře, vichřice, sníh nebo námraza. Celkový dopad je takový, že v současné době dochází k výskytu řady velmi rozsáhlých poruch elektrizačních soustav vyvolaných přírodními vlivy či napjatými poměry v soustavách, které ve svém důsledku vedou až k dlouhotrvajícím výpadkům zásobování velkých územních celků elektrickou energií. Problematické situace v provozu elektrizačních soustav mohou být zesíleny ústupem některých zemí od jaderné energetiky. Jaderné elektrárny obvykle pracují v základním zatížení a tvoří jeden ze základních opěrných pilířů pro stabilitu provozu elektrizačních soustav. Má-li být výroba elektřiny z těchto zdrojů nahrazena výrobou ze zdrojů obnovitelných, je nezbytné

77 podstatně změnit strukturu elektrizačních soustav. Kromě obvyklých tepelných zdrojů, dnes především rozvíjejících se paroplynových cyklů, musí nastoupit nové technologie: skladování elektrické energie ve velkém měřítku, vodíkové hospodářství, palivové články, elektromobilita apod. Dále je potřeba změnit legislativní rámec pro rezervní výkon, vybudovat evropskou supersíť, pravdě-podobně stejnosměrnou (HVDC), změnit systém řízení a aplikovat do systému moderní prvky na bázi FACTS. Nová koncepce provozovatelů přenosových soustav v Evropě Přímý obchod se západem, bez nutnosti vydělovat bloky do ostrovního režimu, byl podmíněn výstavbou tzv. stejnosměrných spojek ( Back to back station ). Tato zařízení umožňují propojit soustavy s odlišným systémem regulace frekvence tím, že se elektrický proud nejprve usměrní na stejnosměrný a ve stejném místě rozvlní na střídavý. První stejnosměrná spojka byla vybudována začátkem osmdesátých let v rakouské rozvodně Dürnrohr a byla propojena vedením 400 kv na dvojitých stožárech ze Slavětic. Tím byl umožněn export 400 MW z Československa do Rakouska. Druhá stejnosměrná spojka byla vybudována v bavorské rozvodně Etzenricht a napojena vedením 400 kv z rozvodny Hradec. Po připojení soustav ČR, Slovenska, Polska a Maďarska k systému UCPTE v polovině devadesátých let pozbyla tato zařízení smysl. Připojení soustavy ČR k UCPTE v devadesátých letech zcela změnilo orientaci obchodu a provozu. Vznikly nové obchodní vazby, objevily se paralelní a kruhové toky výkonu a zcela se změnil systém regulace frekvence a předávaných výkonů. Elektrizační a tedy i přenosová soustava musela vyhovět novým pravidlům provozu, která byla obsažena v tzv. Massnahmenkatalog (katalogu opatření). Další velkou změnou byl rozvoj obnovitelných zdrojů v Evropské unii, zejména větrných elektráren v severním a východním Německu, což zásadním způsobem ovlivňuje fungování přenosových sítí ve středoevropském regionu a velkými kruhovými toky ohrožuje i bezpečnost provozu ES

78 Velkou výzvou pro řízení a stabilitu ES je i boom instalace fotovoltaických elektráren (FVe) v Česku a Německu, jak dokládá následující obrázek: Obr. : Vývoj instalovaného výkonu FvE v ČR a v Německu Česko se tak dostalo v r na páté místo v Evropě v instalaci FvE (po Německu, Itálii, Španělsku a Francii). Organizace evropských provozovatelů přenosových soustav Nová organizace provozovatelů přenosových soustav ENTSO-E vznikla na základě požadavků stanovených tzv. třetím energetickým balíčkem sloučením předchozích organizací provozovatelů přenosových soustav UCTE (státy kontinentální Evropy), NORDEL (Norsko, Švédsko a Finsko), UKTSOA (Velká Británie), BALTSO (pobaltské státy) a ATSOI (obě Irska), jak ukazuje následující obrázek. Obr. : Schéma propojení elektrizačních soustav v Evropě

79 Světle modrá barva ukazuje tzv. kontinentální synchronní propojen (označované také zkratkou RGCE Regional Group Continental Europe ), které přes dva střídavé podmořské kabely sahá i do severní Afriky (Maroko, Alžírsko a Tunisko další rozšiřování o Libyi bylo zastaveno po neúspěšných testech propojení). Turecko (v obrázku zelená barva) je nyní propojeno synchronně ve zkušebním provozu. Kontinentální propojení tak vlastně stalo interkontinentálním a zasahuje přes tři kontinenty. Ve své misi si ENTSO-E stanovila tyto cíle: bezpečnost provozu - usilovat o spolehlivý a bezpečný provoz přenosových sítí, adekvátnost podporovat rozvoj evropských sítí a investice do ES, trh poskytovat rámec pro fungování konkurenčního a integrovaného trhu s elektřinou, udržitelnost usnadňovat integraci nových, zvláště obnovitelných zdrojů pro omezení skleníkových plynů. Aktivity ENTSO-E řídí (kromě obvyklých administrativních orgánů) čtyři stálé komise: pro rozvoj soustavy, řízení provozu, trh a výzkum a vývoj. V jejich rámci fungují jednotlivé pracovní a regionální skupiny. Například rozvojová komise zahrnuje následující pracovní skupiny: Plánovací standardy, Modelování sítí a data, Desetiletý rozvojový plán, Výzkum a vývoj, Adekvátnost a modely trhu, Správa majetku. Do kompetence výboru spadala i studie EWIS ( ) a koncept Supergrid 2050 ( ). Tento koncept se v rámci ENTSO-E transformoval do projektu e- Highways ( ). K významným počinům ENTSO-E patří vydání tří dokumentů: 1. Předpověď adekvátnosti soustavy ( System Adequacy Forecast ) 2. Desetiletý rozvojový plán ( Ten-Year Network Development Plan ) 3. Plán výzkumu a vývoje ( Research and Development Roadmap ). Adekvátnost elektrizační soustavy (ES) tvoří vedle bezpečnosti provozu důležitý aspekt spolehlivosti ES. Je to vlastnost ES pokrývat v každém okamžiku výkonovou rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektřiny. V tomto ohledu je velkou výzvou rostoucí podíl elektřiny z obnovitelných zdrojů energie (RES Renewable Energy Source ) patrný z Obr Větrné a fotovoltaické elektrárny se vyznačují proměnlivostí výroby v závislosti na změnách rychlosti větru a intenzitě slunečního svitu. To bude klást zvýšené požadavky na regulovatelnost ES a zřejmě vyžadovat nové koncepce řízení frekvence a předávaných výkonů

80 Obr. : Predikce instalovaných výkonů [GW] v Evropě (zdroj ENTSO-E) Převzato z knihy: Řízení a stabilita elektrizační soustavy, vydává IEEE PES ( Výzvy do budoucna Všechny uvedené problémy je třeba řešit, lokálně i mezinárodně, technicky, ekonomicky i legislativně. Především z analýzy velkých poruch jasně vyplývá nutnost výzkumu a návrhů komplexních řešení v této oblasti, neboť jejich dopady jsou velmi závažné ekonomicky i sociálně. V současných podmínkách liberalizovaného trhu s elektrickou energií však neexistuje jednotná a obecně přijímaná strategie, jak takto závažným stavům předcházet. Nedořešen zůstává rovněž okruh problémů, které se pojí s rozvojem, spolehlivostí a bezpečností elektroenergetického systému. Oblast neplánovaných tranzitů a výroby z obnovitelných zdrojů energie i přetěžování prvků elektrizačních soustav lze celkem úspěšně řešit v rámci národní elektrizační soustavy, ovšem na mezinárodní úrovni je vhodné se v budoucnu zaměřit na nové definování podmínek mezinárodní spolupráce, které by výrazně omezily možnosti vzniku dalších proble-matických stavů v elektrizačních soustavách. Z technického hlediska se jako perspektivní jeví slučování několika národních soustav do jednotně řízených celků se společnou výkonovou bilancí a vnitřně kontrolovatelnými toky výkonů. Toto je vhodné tam, kde fyzikální a technické podmínky propojení soustav takový přístup umožňují. Dále lze očekávat, že do obchodních pravidel bude začleněno více technických kritérií, že dojde k výraznějšímu napojení obnovitelných a rozptýlených zdrojů elektrické energie na řídicí centra včetně možnosti omezovat jejich výrobu a že bude možno řídit jejich nasazení podle požadavků diagramů zatížení i možnosti zařazení do mechanismů podpůrných a systémových služeb

81 V budoucnu bude stále více kladen důraz na zvyšování bezpečnosti a spolehlivosti celého elektroenergetického systému, což bude mít dopad i na technické aspekty elektrizačních soustav. Lze očekávat snahy optimalizovat rozvoj elektrizačních soustav tak, aby byla posílena úzká místa v soustavách, vyvinuty metody přípravy provozu elektrizačních soustav a řízení v reálném čase, které bude schopné reagovat na vnitrodenní trhy s elektrickou energií i momentální výrobu z obnovitelných zdrojů energie, či co nejlépe využívat přenosové cesty a zvyšovat jejich kapacity. Současné trendy naznačují možnosti budoucího vývoje. Jednou z perspektivních možností navýšení přenosových schopností zejména venkovních vedení a efektivnějšího využití stávajících prvků elektrizačních soustav, aniž by byl nutný rychlý rozvoj a posilování, je využití klimaticky závislého řízení zatížitelnosti na základě okolních podmínek. V závislosti na okolním prostředí (teplotě okolí, větru, slunečního záření) je pak možné ve specifických časových intervalech měnit horní mez zatížení každého individuálního prvku elektrizačních soustav a získat tak možnost překonat běžné i mimo-řádné stavy v elektrizačních soustavách bez potřeby jiných regulačních zásahů či nutnosti vypínání prvků, které může v kritických případech vést až ke kaskádovitému rozpadu sítě. Nejambicióznějším cílem je dosáhnout online řízení a kontroly zatížitelnosti všech prvků soustavy, což umožní mít aktuální přehled nad možnostmi prvků elektrizačních soustav v každém okamžiku (inteligentní sítě, tzv. Smart Grid). S tímto systémem pak bude možné dosáhnout mezních schopností soustavy zejména v mimořádných stavech, a to bez ohledu na aktuální okolní podmínky, čímž se oproti dnešním neměnným mezím zvýší flexibilita systému a v kritických situacích, které by dnešní přístupy plně nezvládly, dojde ke zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti dodávek elektrické energie. Dalším vysoce aktuálním trendem je stále vyšší zapojování prvků výkonové elektroniky do všech úrovní elektrizačních soustav. Tyto prvky provozované buď ve standardních střídavých sítích (zařízení FACTS), nebo pracující se stejnosměrným napětím (HVDC) jsou v soustavách instalovány již řadu let a přinášejí řadu výhod zejména do oblasti kvality elektrické energie, řízení napětí či přenosu na velké vzdálenosti. Výzkum se rovněž zaměřuje na nová zařízení FACTS a nové aplikace reagující na potřeby soustav. Tato zařízení se prosazují i v přenosových soustavách zejména v aplikacích připojování velkého množství obnovitelných zdrojů energie v elektroenergetických systémech, propojování soustav podmořskými kabely, přenos výkonů na větší vzdálenosti, řízení výkonových toků na mezistátních profilech, řízení výkonů v zatížených oblastech národních soustav atd. Moderní technické prostředky usnadní flexibilní provoz soustav při respektování podmínek volného trhu s elektrickou energií, a to především ve stavech nuceného zvládnutí mimořádných a silných výkonových toků, které vytváří přenos elektrické energie od zdrojů ke spotřebě. Převzato (zestručněno) z : Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav, ČVUT Praha (Odborná učebnice pro energetiku)

82 Vysokonapěťový stejnosměrný přenos (HVDC) Vysokonapěťový stejnosměrný přenos (High voltage direct current = HVDC) je technologie alternativní ke klasickým střídavým přenosům a systémům FACTS, která může díky svým vlastnostem běžné přenosy nahrazovat nebo jen doplňovat tak, aby byla zvýšena přenosová schopnost, spolehlivost i variabilita přenosového systému. Ačkoliv není přímo součástí distribuční sítě dodávající elektrickou energii zákazníkům, své uplatnění nalézá zejména v případech elektrického přenosu na velké vzdálenosti, propojování nesynchronně pracujících soustav nebo tam, kde by standardní střídavé spojení bylo velmi ekonomicky a technicky náročné. V současné době jsou ve světě realizovány desítky HVDC projektů a mnoho dalších je ve fázi projektových příprav. Jedná se podmořské kabely, dlouhá venkovní vedení, podzemní přenosy nebo propojení soustav s rozdílnou frekvencí. Stejnosměrný přenos se skládá ze dvou VSC měničů, z nichž jeden pracuje jako usměrňovač a druhý jako střídač. Oba měniče jsou propojeny buď přímo v rozvodně (tzv. backto-back spojení), nebo pomocí stejnosměrného vedení překonávající dlouhé vzdálenosti. Jeden VSC řídí stejnosměrné napětí a druhý přenos činného výkonu přes stejnosměrný obvod. Při normálním provozu mají oba měniče nezávislé řízení jalového výkonu. Základní konfigurace je na následujícím obrázku. Obr.: Vysokonapěťový stejnosměrný přenos Podle funkce a rozmístění rozvoden s měniči lze rozlišovat různé varianty a konfigurace HVDC systémů V systému back-to-back jsou oba měniče umístěny v téže rozvodně a neexistuje žádné stejnosměrné přenosové vedení. Dvě propojované střídavé soustavy mohou mít stejnou frekvenci nebo rozdílnou (50 Hz vs. 60 Hz), zařízení jsou instalována např. v jižní Americe, Japonsku, Indii. Oproti dalším typům vyžadují nižší náklady na realizaci rozvoden V jednopólovém systému jsou oba měniče v různých rozvodnách spojeny jedním vodičem o kladném či záporném napětí. Často jsou takto realizována přenosová spojení využívající podmořské kabely, zpětný proud je veden přes zem Dvojpólový systém je nejčastěji používanou variantou HVDC a v podstatě se skládá ze dvou jednopólových systémů, rozvodny jsou spojeny dvěma nadzemními vodiči. Výhodou tohoto systému je možnost přenosu výkonu (i když nižšího) i v případě, že jeden vodič (pól) je vyřazen

83 z provozu z jakéhokoliv důvodu. Každý systém tedy může pracovat samostatně za použití země jako zpětného vodiče. Protože oba póly pracují teoreticky na identickém napětí jen s opačnou polaritou a jejich proudy mají stejnou velikost, zemní proud je ideálně nulový (v praxi zemí teče cca 1 % jmenovitého proudu). Systém s více rozvodnami zvyšuje variabilitu provozu celého HVDC systému, kdy různé skupiny měničů mohou pracovat jako střídače či usměrňovače a naopak a tím ovlivňovat toky výkonů i v navazujících střídavých soustavách. Toto může být výhodné při vzájemném propojování více oblastí, kde sezónně dochází k významnějším změnám k výrobě či spotřebě elektrické energie Z hlediska výhodnosti a konkurenceschopnosti lze stanovit, že HVDC lze využít pro spojení delší než přibližně 800 km u venkovních vedení a 50 km u kabelových spojení. Pomocí něj lze nejen usnadňovat obchody mezi dvěma soustavami, ale také využívat zdroje elektrické energie v odlehlých oblastech bez odpovídající spotřeby. Další výhodou je možnost zvýšení přenosové kapacity ve stávajících koridorech či propojení soustav s různou frekvencí nebo jen nesynchronně propojených. Díky rychlým reakcím a principu měničů lze velmi operativně měnit velikost i směr výkonových toků a eliminovat přenos poruchových proudů z jednoho systému do druhého. Převzato z : Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav, ČVUT Praha 2011 (Odborná učebnice ČVUT pro energetiku) Inteligentní sítě (Smart Grid) Inteligentní sítě - anglicky Smart (chytrý) grid (rozvodná síť) jsou silové elektrické a komunikační sítě, které umožňují regulovat výrobu a spotřebu elektrické energie v reálném čase, jak v místním, tak v globálním měřítku.* Jejím principem je interaktivní obousměrná komunikace mezi výrobními zdroji a spotřebiči nebo spotřebiteli o aktuálních možnostech výroby a spotřeby energie. Ochránci soukromí a bezpečnostní odborníci však varují před sledovacím potenciálem a náchylností této technologie, kterou mohou využít i zloději.* Charakteristiky inteligentních sítí * Plná automatizace Zahrnuje digitální kontrolní a řídicí systém, integrované senzory monitorující chování sítě a automatické obnovování provozu po poruše. Součástí je dostupnost informací v reálném čase o zatížení sítě, kvalitě dodávky, přerušení apod. Plná integrace zákazníků Její podstatou je vybavení zákazníků digitálními měřidly s obousměrným tokem informací v reálném čase, která umožňuje tvorbu cenových tarifů podle aktuální situace v síti (tzv. "chytré/inteligentní elektroměry"). Umožňuje zákazníkům efektivně řídit spotřebu, např. ohřev vody, praní prádla či dobíjení baterií v době s volnou výrobní kapacitou

84 Adaptace na různé způsoby výroby elektřiny Rozvoj inteligentních sítí začal především v období, kdy se do rozvodové soustavy začaly zapojovat menší zdroje elektřiny, které jsou těžce predikovatelné (předvídatelné). Např.solární elektrárny a větrné elektrárny, plynové mikroturbíny a další decentralizované výrobní technologie (paroplynové bloky), což dává příležitost zákazníkům vyrábět elektřinu z vlastních zdrojů a její přebytky prodávat do sítě. Sluneční svit nebo síla větru se dá velice složitě predikovat na všech místech, kde jsou tyto decentralizované zdroje umístěné. Díky tomu, že smart gridy zasílají v pravidelných intervalech informace o spotřebě z jednotlivých odběrných míst, lze regulovat výkon například v uhelných elektrárnách. Chytré sítě v České republice* V České republice začíná s rozvojem chytrých sítí energetická společnost ČEZ. V rámci svého programu budoucího rozvoje FutureMotion vyčlenila tzv. "Smart Region" ve kterém začne s implementací chytrých elektroměrů a postupným zaváděním inteligentních sítí. Za tento region bylo zvoleno Vrchlabí. Ten poslouží k prokázání úspor, které díky rozsáhlému využívání nízkého tarifu k topení a ohřevu v ČR nemusí být průkazné a chytré sítě mohou být naopak velmi nákladné jako v Boulderu (SmatGridCity 2008) v USA. Inteligentní trafostanice" ČEZ ve Vrchlabí, ulice Komenského. * Převzato z: Právní rámec Smart Grids sítí v ČR a EU** Je stanoven v dokumentu Státní energetická koncepce (SEK), což je dokument, který stanovuje strategické cíle a priority státu v energetickém hospodářství s výhledem na 30 let. Tento dokument odráží zodpovědnost státu za stabilní energetickou politiku, efektivní užití energie, které nebude ohrožovat životní prostředí. Koncepce byla schválena vládou a ukotvena je v 3 zákona 406/2000Sb. O hospodaření energií. Nové přístupy k řízení sítě dle SEK Zahrnuje implementaci inteligentních měřicích systémů v distribučních soustavách a tak přispět k efektivnímu chování odběratelů a prostřednictvím cenových stimulů optimalizovat užití spotřebičů. Jde především o zajištění možných ostrovních provozů jak legislativními kroky, tak technickými prostředky, které budou schopny tento provoz zajistit a řídit. Účelem je zvýšení energetické bezpečnosti a odolnosti ČR a posílení schopnosti zajistit nezbytné dodávky energií v případech kumulace poruch, vícenásobných útoků proti kritické infrastruktuře a v případech déletrvajících krizí v zásobování palivy

85 V článku 8 SEK se píše: Vybudovat řídicí systémy a propojení zajišťující ostrovní napájení elektřinou všech aglomerací nad 50 tisíc obyvatel. V článku 9 se píše: Zajistit implementaci systému inteligentních sítí a decen-tralizovaného řízení umožňující dálkové řízení všech zdrojů s výkonem nad 1 MW a významné části (až 80 %) spotřeby do roku 2020 na základě dříve provedené analýzy. Pro distribuční sítě je zde výslovně uvedeno: Zabezpečit schopnost distribučních sítí v případě rozpadu přenosové sítě pracovat střednědobě v ostrovních provozech a zajistit minimální úroveň dodávek elektřiny nezbytných pro obyvatelstvo a kritickou infrastrukturu. V této souvislosti zajistit aktualizaci územních energetických koncepcí krajů tak, aby směřovaly k zabezpečení schopností ostrovních provozů v havarijních situacích. Implementovat soubor nástrojů umožňujících zapojení spotřeby i distribuované výroby elektřiny do decentralizovaného řízení a regulace soustavy (řízení malých domácích a lokálních zdrojů, selektivní řízení skupin spotřebičů, řízení akumulačních možností elektromobilů, atd.). V této souvislosti připravit vhodný systém technického řízení, regulace a cenotvorných a tarifních mechanismů stimulující účast decentralizovaných zdrojů výroby a lokální spotřeby na řízení rovnováhy elektrizační soustavy Pojem smart grids lze tedy definovat jako inteligentní, samočinně se regulující elektrické sítě, schopné přenášet vyrobenou energii z jakéhokoli zdroje centralizované i decentralizované výrobny elektrické energie až ke koncovému zákazníkovi. Cílem nové struktury je přejít k řízení sítě podobné jako je struktura dnešního internetu. Na obrázku 1 je zobrazen model sítě smart grid. Obr. 1: Model inteligentní sítě (Smart grid) Rozdíl mezi sítí smart grids a klasickým modelem sítě, jak ho známe dnes, je vidět na obr. 2 a 3. Klasické schéma (obr. 2) začíná u výrobny elektrické energie, dále pokračuje přes

86 přenosovou soustavu (v ČR 400, 220 a 110 kv) a distribuční soustavu (nejčastěji 22, 6 a 0,4 kv) do míst spotřeby energie, jako jsou průmyslové objekty, administrativní a nákupní centra a rodinné sídla. Obr. 2: Stávající elektrická soustava Naopak, stavba budoucích sítí se nebude držet klasického schématu, ale využije se principu počítačové sítě. Tedy, bude jedno, jak se co a kam zapojí a vše se bude řídit automaticky. Tím se zajistí větší spolehlivost dodávky elektřiny, protože při výpadku jedné části se bude moci dodávka přepojit a bude se dodávat z jiné strany (jako u počítačových sítí, dojde-li k výpadku jednoho routeru, nedojde k odpojení spojení, ale signál se pošle přes jiné routery). Smart grids umožní maximální využití elektrické energie z jakéhokoli výrobního zdroje. Jsou schopny sofistikovaně reagovat na možné nesouměrné parametry, které se při provozu distribuční soustavy mohou vyskytnout. Jedná se zejména o špatné napěťové poměry, přetížení sítě, nesouměrné zatížení třífázové soustavy nebo případný deficit výkonu Obr. 3: Energetická soustava založená na principech Smart Grids Na obr. 4 je vidět, jak docházelo a dochází k vývoji smart grid sítě. Na svislé ose je vynesena funkčnost jednotlivých prvků a na ose horizontální jejich cena.na začátku se pracovalos elektromechanickými elektroměry, které jsou z dnešního pohledu levné, ale

87 neperspektivní. Pracovník distribuční společnosti musí obcházet každý elektroměr a odečítat hodnotu. Na dalším stupni je jednosměrný automatizovaný sběr dat (AMR), který je v současné době předstupněm obousměrného sběru dat (AMI), na kterém se pracuje a již se zavádí do praxe. Náklady jsou zde vyšší, neboť je třeba zaplatit vývoj takového elektroměru, ale budoucím ziskem je úspora lidské činnosti na odečet. Obr. 4: Stupně vedoucí k smart grids Posledním stupněm by poté měla být síť smart grid, která v sobě spojí sběr dat a zároveň řízení sítě a spotřeby. V této části je uvažováno právě o zapojení zákazníků do systému hromadného dálkového ovládání tím, že si nakoupí chytré elektrospotřebiče a jejich řízení bude ponecháno na smart elektroměru, který v případech, kdy to půjde (myčka nádobí, pračka či sušička) dohlédne na jejich spuštění v nízkém tarifu (menším odběru). Tím dojde k rozložení spotřeby i do míst, kde je přebytek energie a tento přebytek se sníží a sníží, a sníží se i špička odběru Koncepce smart grids má mnoho pozitivních efektů. Jedním z mnoha je úspora emisí CO2 (díky efektivnější výrobě, ať již klasických nebo obnovitelných zdrojů a také plánovanému optimalizovanějšímu provozu), dále úspora primárních vstupů (uhlí, ropa, plyn). Nejvýraznější efekt má úspora finanční, která je hnacím motivem pro zavádění tohoto konceptu. Konečný zákazník je motivován právě finančním bonusem a na pozadí těchto motivací je poté ekologický aspekt a přístup k trvale udržitelnému rozvoji. Díky výborným vlastnostem elektřiny jako energetického média (oproti plynu, ropě - problém s dopravou, ekologií) získává navrch v jiných oblastech, než bylo doposud zvykem. Začíná se prosazovat i na úkor petrochemických firem - především v rozvoji elektromobility. Inteligentní elektroměry Pro budoucí zavedení sítí smart grids spolu s jejich koncepcí řízení bude třeba zajistit čtení všech energetických dat v reálném čase. Prvním a základním krokem je nasazení inteligentních elektroměrů. Veškeré rozhodování o aktuální bilanci elektřiny se děje na základě aktuálně shromážděných údajů o spotřebě a výrobě. V současné době se nasazují inteligentní elektroměry do systému AMI (z anglické zkratky Automated Meter Infrastructure). Tento systém pomocí AMM (z anglické zkratky - Automated Meter Management) na vyžádání nebo v rámci pevného naprogramování sbírá a potom dále

88 posílá naměřená data z elektroměrů, které mají u sebe nainstalované zákazníci. Odečítají se jak aktuální hodnoty, tak i čtvrthodinové hodnoty. Přínos pro zákazníka Ke každému takovému odečtenému údaji je v systému distributora zaveden uživatelský účet, který se plánuje zpřístupnit v blízké době přes internet a zákazník tak bude moci sledovat svou spotřebu on-line, stejně jako dnes může sledovat např. své internetové bankovnictví. Zákazník tak bude mít přehled o své spotřebě. Na základě těchto znalostí bude moci změnit své chování, co se spotřeby elektřiny týče. Např. přesune spouštění energeticky náročných procesů (myčka, pračka, apod.) do oblasti mimo největší špičku odběru energie, tedy mimo nejdražší pásmo platby za elektřinu V blízké budoucnosti budou mít zákazníci v domácnosti informační smart displej, na kterém také uvidí aktuální spotřebu, případně statistická vyhodnocení svého energetického chování. Pokud by se v budoucnu přešlo na nákup elektřiny přes předplatný systém, zákazník na tomto displeji uvidí výši zbývajícího kreditu (jednalo by se o podobný systém, jako předplatné u mobilních operátorů). Přínos pro distributora Pro distributora má zavedení inteligentních elektroměrů přínos v úspoře nákladů za odečet z elektromechanických elektroměrů. Dříve bylo nutné obejít každé odběrové místo a manuálně zjistit stav. Díky infrastruktuře AMI již toto není nutné. Díky integrovanému odpojovacímu relé bude mít distributor možnost dálkově odpojit zákazníka, který například po určité období neplatí za odběr elektrické energie. Dalším účinným nástrojem distributora je možnost kontroly, zda někdo neodebírá elektrickou energii tzv. na černo. To lze díky odečtu v jednom daném okamžiku u všech zákazníků připojených na jednu distribuční stanici a zároveň odečtu dodávaného výkonu v distribuční stanici napájecí dané zákazníky. Prvky zajišťující novou strukturu Aby byla zajištěna správná funkce konceptu AMI, je nutné současnou infrastrukturu modernizovat. Inteligentní měření pro správnou funkci potřebuje obousměrnou komunikaci mezi měřidlem a centrálou distributora. V energetických aplikacích je třeba zajistit správnou komunikaci mezi miliony uzlů. Nejprve se musí zajistit správná komunikační cesta mezi inteligentním elektroměrem a datovou centrálou distributora. Vybrat optimální cestu a způsob komunikace je základem. Taková optimalizace několika odběrných míst může trvat i několik dnů. Velkou výhodou inteligentní infrastruktury je, že každý prvek v síti má jednoznačnou identifikaci, tedy lze přesně identifikovat každé koncové zařízení. Tím se otevírají možnosti zmíněné výše, např. možnost odpojení odběrného místa na dálku. Na obr. 5 je znázorněna základní topologie inteligentní sítě. Data z elektroměrů jsou shromažďována v datových koncentrátorech. Přenos těchto dat je možný několika způsoby. Data se přenáší buď po silovém vedení (komunikace PLC power line communication), po síti LAN, wi-fi, nebo přes GPRS. Již v této fázi přenosu informací se musí zajistit bezpečnost a šifrování dat, aby nedošlo k nežádoucímu odposlechu a zneužití. Tento problém je také předmětem mnoha

89 diskuzí především bezpečnost přenosu a nakládání s daty také legálnost jejich ukládání (zde se místy objevuje střet se zákonem na ochranu osobních údajů). Obr. 5: Topologie inteligentní datové sítě Datový koncentrátor je zařízení sloužící ke sběru dat v předem definovaných časových okamžicích, v reálné době a nebo na vyžádání. Takovéto zařízení slouží zároveň také jako místo, kde se ukládají a zálohují data. V systému inteligentního měření je takovýchto datových koncentrátorů několik. Ty základní jsou na úrovni panelového domu, nebo na úrovni několika odběrných míst v ulici. Sdružují několik desítek elektroměrů. Nad těmito koncentrátory v první řadě jsou další koncentrátory sdružující data z předchozích úrovní tak, aby nedošlo k zahlcení sítě, případně ke ztrátě nějakých dat při přenosu a zpracování. Další funkcí datového koncentrátoru je přijímání zpráv od nadřazeného pracoviště a předání těchto zpráv podřízeným elektroměrům. Jedná se zejména o pokyny k odpojení elektroměru a vyžádání si aktuálních hodnot. Na konci celého řetězce přenosu informací je řídicí systém distributora elektrické energie. Ten zajišťuje dohled a správu nad celou sítí, dále zpracování dat a fakturaci za spotřebovanou elektrickou energii. Distributor zde má server, který zajišťuje a řídí odečty spotřeby. Zajišťuje ověření správnosti měření (porovná odečtený údaj s předchozím). Zpracovává automaticky statistiky výkaz spotřeby za den, týden, měsíc nebo rok. Další systém je předávání dat zainteresovaným stranám na trhu s elektrickou energií. Předávají se zákonná data operátorovi trhu elektřinou (OTE, a.s.), obchodníkům s elektrickou energií, zákazníkům a dalším. SCADA systém umožňuje zobrazovat provozní informace o soustavě. Distributor zde může sledovat zatížení v dané lokalitě nebo v daném čase. Případně při poruše systém zobrazí hlášení, kde k poruše došlo a informacemi nutnými pro brzkou opravu. Tento systém také umožňuje dálkové odpojení zákazníka. Řízení umožní upozorňovat na nutnou regulaci odběru (přetížení sítě, špičkový výkon, apod.). Další informace může být upozornění na překročení limitů sjednaných pro účiník, což je penalizováno. Tento systém je také připraven na další rozšíření smart grids sítí rozšíření o více tarifů (zlepšení využití systému HDO)

90 Datová komunikace v koncepci smart grid Stávající struktura a filozofie klasických silových sítí, kdy se energie přenáší od jednoho výkonného zdroje (elektrárna) ke spotřebitelům (zákazníkům), je v režimu smart grid změněna. Princip Smart grid je založen na velkém množství rozptýlených zdrojů mezi které nepatří jen elektrárny s výkonem ve stovkách MW, ale i menší zdroje, které jsou schopny dodat jen stovky kw až jednotky MW. Aby energetická síť vlivem velkého množství různých zdrojů nezkolabovala, je nutné zavést do sítě velmi sofistikované a efektivní řízení, které umožní ovládat energetickou síť až na úrovneň jednotlivých zdrojů. Síť v režimu Smart grid umožní provést na základě znalosti informací o aktuální spotřebě rekonfiguraci sítě tak, aby bylo dosaženo co nejmenších ztrát při přenosu energie a zároveň byly optimálně využity všechny její zdroje. Rozptýlenost jednotlivých zdrojů a inteligentní řízení umožňuje velmi efektivní řešení kritických stavů, které na stávají při poruchách rozvodné sítě vlivem výpadků zdrojů nebo poškozením vedení Účinnost úspěšného řízení energetické sítě je kriticky závislá na typu a množství dodaných informací ze zdrojů a spotřebičů energie. Energetická síť v režimu smart grid je tvořena velkým počtem zdrojů (stovky) a několikanásobně větším počtem odběrných míst (stovky tisíc). Aby bylo možné zajistit efektivní řízení, je nutné vytvořit dostatečně dimenzovanou datovou infrastrukturu mezi jednotlivými zdroji / spotřebiči, datovým centrem a řídicím dispečinkem. Budování komunikačních sítí ve smart grid bylo mělo být v úzkém souladu s potřebami efektivního řízení energetické sítě. Není to jen otázka komunikačních, ale také informačních technologii. Z hlediska praktické implementace se zatím jeví jako velice výhodné směrovat návrh komunikačních sítí do oblasti Ethernetu a protokolového modelu TCP/IP, a to i přesto, že nemusí být tato řešení vždy zcela optimální. Výhodou TCP/IP a Ethernetu je jejich velká a stále rostoucí podpora ze strany výrobců, což je pro vlastní implementaci bezesporu více než podstatné. Do problematiky smart grid lze začlenit i dnes často proklamovanou problematiku inteligentních budov s jejich fotovoltaickými systémy a kogeneračními jednotkami. Celý dům se tak chová jako plně samostatný subjekt, který je sám sobě výrobce, distributor i spotřebitel energie. Takovýto objekt vyžaduje svůj vlastní systém mikrořízení, ve kterém musí jednotlivé prvky automatizace mezi sebou komunikovat. Pro komunikační sítě tohoto rozsahu se vžila zkratka HAN (Home Area Network), která je dnes hojně používaná. Komunikační infrastruktura inteligentního domu se nijak zvlášť neodlišuje od komunikační infrastruktury distributora či výrobce energie. Principielně je vše podobné, jen použité technologie jsou optimalizovány pro toto nasazení a jsou rovněž cenově mnohem výhodnější. Principy smart grid jako takové nejsou prozatím standardizovány, ale již nyní vznikají v této oblasti první standardy. Problematika bezpečnosti datových sítí V následujícím jsou stručně popsána základní technologická, procesní i bezpečnostní rizika spojená s provozem průmyslových sítí a jejich napojením na sítě informační. Informace zde uvedené pouze nastiňují problematiku bezpečnosti průmyslových a energetických datových sítí. Bezpečnostní hrozby v průmyslovém prostředí

91 Bezpečnost souvisí s cílem zabránit úmyslnému nebo i neúmyslnému narušování funkce či ničení technických zařízení, strojů, budov, technologických a dalších procesů. Otázky bezpečnosti jsou zásadní pro správné fungování průmyslových sítí, zvláště u těch, kde je vyžadována vysoká spolehlivost a odolnost. Technologické a technické problémy Elektromagnetická kompatibilita (EMC) elektronická řídicí a komunikační zařízení musí vykazovat odolnost proti elektromagnetickému rušení. Nedostatečná odolnost může zapříčinit chybnou funkci zařízení, případně i jeho zničení. Rizika způsobená propojením sítí průmyslových a informačních Současné řídicí prvky průmyslových sítí jsou méně odolné proti vnějším kybernetickým útokům v porovnání se zařízeními používanými v informačních sítích. Podpora současných bezpečnostních mechanismů / protokolů používaných v informačních sítích je u průmyslových koncových zařízení minimální. Navíc u některých průmyslových zařízení, s ohledem na povahu jejich činnosti, je implementace bezpečnostní mechanismů nežádoucí. Při realizaci zabezpečení průmyslové sítě je nutné ověřit, zda zabezpečovací prvky zachovávají její přiměřený výkon a splňují všechny požadavky průmyslového automa-tizačního systému. Většina zařízení určených pro informační sítě není uzpůsobena pro provoz v podmínkách, které jsou charakteristické pro průmyslová prostředí (vysoké teploty, prašnost, vibrace apod.). Kybernetické hrozby Kybernetické hrozby se ve své podstatě týkají počítače, který představuje souhrn technického a programového vybavení (včetně dat), nebo pouze některých z jeho komponent, případně většího množství počítačů samostatných nebo propojených do počítačové sítě. Provozní problémy Žádný systém není absolutně spolehlivý. Funkční bezpečnost zařízení jako celku se vztahuje na celý řetězec včetně průmyslových sítí a musí být zaručena při selhání bezpečnostních funkcí řídicího systému. Celková pravděpodobnost výskytu chyby je odvozena z pravděpodobností chybných funkcí jednotlivých komponent řetězce, tedy i jednotlivých komponent průmyslové sítě. Norma ČSN EN (IEC 61508) se zabývá funkční bezpečností elektrických, elektronických a programovatelných elektronických systémů E/E/EP včetně rozboru zajištění integrity dat v průmyslových sítích. ** Kapitoly o inteligentních sítích - Právní rámec Smart Grids sítí v ČR a EU, Pojem smart grids, Datová komunikace, Diagnostika sítí převzaty (zestručněně) z : Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí, ČVUT Praha 2011 (Odborná učebnice ČVUT pro energetiku) Diagnostika sítí, synchrofázorová měření Úvod Moderní elektrizační soustavy vybavené všemi běžnými ochrannými funkcemi byly v posledních letech zasaženy významnými poruchami. Tyto události měly řadu průvodních jevů od oscilací frekvence až po rozpady soustav. Rozvoj a dynamika nasazování nových (zejména

92 obnovitelných) zdrojů s sebou nese netradiční stavy soustavy ve srovnání s dřívějšími podmínkami. Komplexnost a rozsáhlost propojených systémů s sebou nese potřebu nasazení dalších prostředků pro monitorování stavu soustavy. Jedním z přístupů přinášejících nové možnosti je nasazení systémů WAMS, WAPS a WACS (Wide Area Monitoring Systém, Wide Area Protection Systém, a Wide Area Control Systém). Tyto systémy jsou někdy ne zcela správně chápány pouze jako systémy měření synchrofázorů (jednotkové synchronní fázory jsou veličiny mající ve výrazu e j ωt stejné i t a synchrofázory jsou veličiny mající stejné t ( mohou mít různé). Pro nasazení pokročilých funkcí je zapotřebí získávat jak informace ze stávajících systémů (řadu stavů soustavy lze s konvenčními měřeními pozorovat přesněji), tak i některé informace doposud nevstupující do systému (zejména synchronně měřené hodnoty fázorů napětí a proudů). Řadu aplikací lze výrazně zpřesnit doplňujícími prostředky (např. monitoring mechanických kmitů vedení pro ampacitu). Jednotky pro měření fázorů (PMU Phasor measurement unit) jsou považovány za jedny z nejvýznamnějších měřicích zařízení v elektroenergetických soustavách budoucnosti. Jejich výjimečnost spočívá ve schopnosti měřit, předávat a shromažďovat data o měřených fázorech napětí a proudu v různých místech elektrické sítě. Časová synchronizace je realizována s využitím systému GPS. Požadavky na měření fázorů jednotkami PMU popisuje norma C37.118, v současné době platná úprava nedefinuje chování jednotek PMU v přechodných dějích. Do budoucnosti se předpokládá využití časových průběhů, které lépe popisují dynamické chování systému a moderními metodami lze identifikovat základní a přechodné složky. Využitím jenom fázorů se ztrácí podstatná část informací. Bezpečnost a spolehlivost provozu elektrizační soustavy je třeba sledovat pomocí kritérií napěťové a přenosové stability. Přenos činného a jalového výkonu po linkách elektrizační soustavy je omezen přenosovou schopností těchto linek. Z hlediska stability přenosu tuto schopnost určují pasivní parametry vedení (především reaktance a rezistance) a fázory napětí na obou koncích linky. Se vzrůstajícím zatížením se zvětšuje rozdíl fází obou koncových fázorů napětí, tzv. zátěžný úhel. Po překročení určité meze tohoto zátěžného úhlu již není možné stabilně přenášet požadovaný činný výkon po vedení. V takovém případě hrozí ztráta stability toku výkonu, jeho převedení na jiné větve elektrizační soustavy a nebezpečí přetížení dalších linek soustavy. Synchronní měření fázorů napětí na koncích úseku vedení spolu se znalostí parametrů vedení umožňuje predikovat zatížitelnost linky z hlediska přenosové stability. Napěťová stabilita souvisí se změnou napětí v uzlu soustavy při změnách zatížení, zejména jalového výkonu. Se zvyšujícím se zatížením obecně klesá napětí na konci přenosové linky, což ovlivňuje chování spotřebičů i napěťové a proudové poměry v dalších částech elektrizační soustavy. Dosáhne-li zatížení kritické hodnoty, není již možné ho zvyšovat při požadavku zachování napětí v daných mezích. Při znalosti napěťo-výkonové charakteristiky a okamžité hodnoty napětí je možné určit výkonovou rezervu zatížení. Při překročení této maximální rezervy je překročen kritický bod charakteristiky a hrozí nebezpečí napěťového kolapsu, kdy jsou odpojovány zátěže v důsledku stále klesajícího napětí

93 Napěťový kolaps je často podceňované, ale reálné nebezpečí ohrožení spolehlivého chodu soustavy a dodávky elektrické energie spotřebitelům. Přirozená napěťo-výkonová charakteristika části elektrizační soustavy umožňuje předávat výkon do zátěže pouze v omezeném rozsahu. Je-li dosažena kritická hodnota dodávaného výkonu, změní se charakter této nosové křivky a důsledkem je nezadržitelný pokles napětí v uzlu soustavy i při následném snižování odebíraného výkonu. To má za následek odepínání skupin zátěže, z toho plynoucí snížení spolehlivosti dodávky a ohrožení bezpečnosti dalších částí soustavy, kde opět může dojít k přetěžování linek. Využitím jednotek pro synchronní měření fázorů jsme schopni online vyhodnocovat napěťovou a přenosovou stabilitu ve vztahu k jejich mezím a předcházet tak mimořádným stavům v soustavě, jejichž důsledkem by mohlo být omezení bezpečné a spolehlivé dodávky elektrické energie konečným spotřebitelům. Měřicí řetězec a přesnosti při měření fázorů Nepřesnosti vznikají zejména v měřicích řetězcích. Nepřesnost při měření relativních úhlů je ovlivněna přesností synchronizace jednotlivých měřicích míst. Chyba úhlu vzniklá nepřesnou synchronizací. Při rekonstrukci výkonu z měření fázoru napětí a známých parametrů sítě vzniká při chybě úhlu chybový výkon. Pro korektní rekonstrukci výkonu se považuje jako mezní odchylka 0,1. Podstatný vliv na přesnost výsledků má kvalita a přesnost měřicího řetězce. Reálně změřený fázor fměřený se od správného fsprávný liší chybovým fázorem f. Složky tohoto rozdílu jsou chyba amplitudy f a chyba úhlu δ. Hodnoty těchto složek pro komponenty řetězce viz obrázek. f δ fměřěný f fsprávný Z důvodu ekonomického využívání komunikačních kanálů se výsledky zpravidla přenášejí na základě plnění podmínek delta kriterií. Tato strategie zavádí nejistotu a nedefinovanost časových chyb. V přechodných stavech fázory ztrácí svou přesnost jak amplitudovou, tak fázovou, což má za následek nemožnost porovnání dvou předcházejících stavů. Někteří výrobci tento jev částečně eliminují vnitřní estivací (odhadem) fázoru. Ke změně měřené frekvence dochází při každé skokové změně zatížení, proto tyto okamžité frekvence nesou falešnou informaci a jejich analýza vede k chybám. Uplatňují se také chyby měřicích transformátorů proudu a chyby měřicích transformátorů napětí. Zvyšování přesnosti

94 Zvyšování přesnosti měření vyžaduje zavedení dodatečné informace jako jsou: korekční křivky, detailní statické i dynamické modely, zpracovávání měřené informace atd. Aplikační možnosti synchrofázorových měření V přenosové soustavě za určitých podmínek může dojít k mimořádným stavům, které mohou vést k nestabilitě a ke kolapsu systému. K osvětlení této problematiky může přispět teorie chaosu a studium chování dynamických systémů. V současné době je již zřejmé, že deterministický přístup neodpovídá již ani jednoduchým zákonům klasické dynamiky. Modelování složitějších systémů od počátku naráží na nesrovnalosti mezi predikovaným a skutečným vývojem, které se obvykle přičítají použití nedokonalého matematického modelu nebo nepřesným numerickým metodám. Ovšem již Henri Poincaré na začátku 20 století analyzoval chování jednoduchého systému a zjistil, že v případě zjednodušení nelze rozumně matematicky popsat alespoň části jeho stavu a že o předpovědi byť hrubé, nemůže být ani řeč. Uvedené chování úzce souvisí s teorií stability, jejíž základní kameny položil ruský matematik Ljapunov rovněž na přelomu minulého století, a stal se tak spolu s Poincarém jedním ze zakladatelů teorie dynamických systémů. Její rozvoj se ukázal být velmi náročný a lze říci, že po téměř století výzkumů na tomto poli se vyjasnily především matematické potíže, ovšem obecný aparát, který by je vyřešil, je v nedohlednu. S prudkým rozvojem a všeobecnou dostupností výpočetní techniky se původně čistě teoretické konstrukce dynamických systémů dostaly do světa numerického modelování. Zvláštní chování dynamických systémů simulované na počítači umožnilo názorně ověřit, že sebevýkonnější počítač nedokáže s dostatečnou přesností simulovat děje, které probíhají v některých (i jednoduchých) soustavách. Paradoxně tak právě počítače dokázaly hranice své použitelnosti. Na základě teorie dynamických systémů pak vznikla teorie chaosu, která se zabývá zejména takovými systémy, jejichž chování je za určitých podmínek nepredikovatelné (nepředvídatelné). Přesto, že se jedná o poměrně novou teorii, její východiska tvoří již zmíněná teorie dynamických systémů, doplněná o některé novější poznatky (např. Whitneyova teorie singularit nebo Andronovova teorie bifurkací), přičemž jejím hlavním přínosem je patrně jasná identifikace stavů, v nichž se systém chová nepředvídatelně (chaoticky). Z určitého hlediska může teorie chaosu ovlivnit i filozofický pohled na svět, neboť ukázala, že velmi jednoduché systémy mohou vykazovat z hlediska poznání prakticky nekonečně složité chování, jinými slovy, že nejenom realita, ale i její zjednodušený model, může být na plné pochopení příliš komplikovaný. Rozvoj nástrojů umožňuje efektivní vyhledávání příznaků provozně rizikových stavů. Důraz se klade zejména na metody predikce ztráty stability a vznik napěťových kolapsových stavů. Úvahy o statické stabilitě přenosu se mohou uplatnit při malých kyvech strojů (tj. při malých změnách zátěžného úhlu). V praxi však existuje mnoho náhlých změn stavu soustavy, při nichž v důsledku nerovnováhy dodávaného a odebíraného výkonu dosahují změny zátěžných úhlů velké hodnoty. Jsou to spínací pochody (např. vypnutí vedení nebo transformátoru), nárazy zatížení a především zkraty. Změna impedance je v těchto případech skoková. Soustava přejde do nového stavu elektromechanickými kmity, protože setrvačnost soustrojí nedovoluje okamžitou změnu provozních veličin. Průběh těchto kmitů může být takový, že se úhel ustálí na nové konstantní hodnotě, ale i takový, že úhel bude neustále narůstat. Druhý případ znamená ztrátu stability

95 Skoková změna vazební impedance (ve složité soustavě změna většího počtu vazebních impedancí) způsobuje i skokovou změnu výkonu stroje. Hnací moment (výkon), přiváděný z turbíny na hřídel alternátoru, se nemůže změnit skokem. Příčinou jsou setrvačnost turbosoustrojí a vlastnosti regulačních obvodů turbín. Tyto regulační obvody mají určitou zónu necitlivosti (na změnu otáček reagují až tehdy, když tato změna přesáhne určitou hodnotu). Okamžitému působení regulátorů otáček brání i hmotnost hnacího média (např. uzávěry vody není možné zavřít okamžitě, protože by došlo k silným mechanickým rázům v přívodních potrubích). Všechny tyto skutečnosti jsou důvodem k tomu, že mechanický příkon alternátorů lze v průběhu krátkého přechodného elektromechanického jevu považovat za konstantní. Když by však byla doba trvání vyšetřovaného jevu delší (zpravidla nad 1 s), nebyl předpoklad oprávněný. Vliv regulátorů buzení se v počátečním stadiu přechodného jevu obvykle zanedbává. V rozborech dynamické stability se zpravidla předpokládá určitá konstantní hodnota přechodného elektromotorického napětí E' alternátorů, zařazeného za přechodnou impedanci Z'. V dalších stadiích jevu je však potřebný podrobnější přístup při respektování působení regulátorů buzení. Dalším dosti častým předpokladem při vyšetřování dynamické stability soustavy je znázornění zátěží v soustavě konstantními impedancemi. Tento předpoklad též nemusí být správný, protože při zkratech napětí v síti klesá, čímž se impedance odběrů zpravidla mění. Při vyšetřování dynamické stability provozu soustavy je častou úlohou zjištění průběhu elektromechanického přechodného jevu, ke kterému dochází po určité změně v soustavě. V tom se cíl řešení liší od výpočtů statické stability, kde se jednalo o úlohu zjistit, zda je provoz v daném stavu soustavy vůbec možný. Úvod do teorie dynamických systémů Za dynamický systém budeme považovat systém, jehož stav lze popsat konečnou množinou stavových proměnných, přičemž okamžitý stav systému plně určuje jeho vývoj (tj. určuje další hodnoty stavových proměnných v každém čase). V teoretické mechanice např. slouží jako stavové proměnné zobecněné souřadnice hybnosti, v termodynamice tlak, teplota a objem, v uzavřené ekonomice produkce, spotřeba a investice, v elektrodynamice proud, napětí atd. Dynamické systémy se běžně vyskytují také v biologii, chemii, hydrodynamice, meteorologii a jejich zkoumání má tedy univerzální platnost. Rovněž elektrizační soustava, která je tvořena zdroji elektrické energie, přenosovou a distribuční částí, včetně odběrů tvoří složitý dynamický systém. Pro analýzu tohoto komplikovaného systému často vystačíme pouze s lineárním modelem. Nicméně lineární model s sebou přináší spousty omezení. Teorie chaosu Krása fyziky bývá často spojována s jejími jednoduchými základními principy i zákony. Průzračnost a formální jednoduchost hamiltonovské mechaniky nebo Maxwellových rovnic budí v každém z nás respekt. Nelineární fyzikální procesy, které se v současnosti intenzivně studují, do této jednoduchosti zdánlivě nezapadají. Typickým příkladem nelineárních procesů je nelineární rezonance. Lze však říci, že teprve v poslední době se podařilo lépe porozumět principu rezonance a obecně i chaosu. Především se ukázalo, že chaotické chování je vlastní i

96 jednoduchým soustavám a rozhodně nevyžaduje velký počet stupňů volnosti, jak se donedávna předpokládalo. Není správné chápat statistiku či chaos jen jako základní nástroj tam, kde nejsme schopni řešit deterministické rovnice, vznik chaosu považujeme za jeden ze základních principů. J. Ford říká:... po staletí byl chaos považován za užitečného nicméně podřadného občana v deterministickém vesmíru. Ukazuje se však, že determinismus panuje nad konečnou oblastí a vně tohoto řádu leží - z velké části nezmapovaná obrovská pustina chaosu. Dále se ukazuje, a to je snad ještě zajímavější, že chaos lze modelovat pomocí neobyčejně jednoduchých transformací či řešením jednoduchých nelineárních rovnic. Tím se vlastně přibližujeme k odvěké snaze vědy hledat v přírodních zákonitostech jednoduchost a eleganci. Je pozoruhodné, že iterační rovnice představující diskrétní dynamické systémy závisející na parametru, mají jisté univerzální vlastnosti. Ty spočívají v tom, že pro určité hodnoty parametrů rovnic nekonvergují postupné iterace k očekávané hodnotě, ale chaoticky oscilují. Tato vlastnost však nezávisí ani na přesnosti numerické analýzy, ale ani na tvaru výchozí rovnice, jev má charakter dynamického stavu rovnováhy a tento stav chápeme nezávisle na fyzikálním obsahu. Chaos se může vyskytovat téměř ve všech typech nelineárních systémů se dvěma a více stupni volnosti. Z hlediska matematického je u všech takových systémů po uplynutí dostatečně dlouhé doby jejich chování nepředpověditelné. K praktickému využití teorie chaosu přispívají synchronně měřené hodnoty (časové průběhy nebo fázory), které se následně vkládají do modelu. Model musí být vždy aktuální (konfigurace, stavy prvků). Pro zpřesnění výsledků je možné nahradit linearizaci v bodě funkcí. Model je možné redukovat využitím dynamických ekvivalentů. Kolapsové stavy přenosové soustavy mohou nastat zejména přetížením linek a odpínáním a skutečné ztráty stability se mohou pozorovat až ve stadiu rozpadu. Určitý úsek přenosové soustavy podobně jako jiné elektrické systémy lze za jistých zjednodušujících předpokladů (např. uvažujeme soustředěné, nikoliv rozložené parametry) popsat modelem ve tvaru soustavy obyčejných diferenciálních rovnic. Až na výjimečně jednoduché systémy, jsou tyto rovnice nelineární, což přináší jevy jako bifurkace (rozdvojení) - zdvojení periody vedoucí na subharmonické oscilace, kvaziperiodické oscilace a vznik deterministického chaosu. Z praktického pohledu je velice důležitá otázka, jestli lze tyto jevy spolehlivě experimentálně detekovat. Kladnou odpovědí na tuto otázku dává věta o rekonstrukci atraktoru od holandského matematika Florise Takense z roku Její formulace a důkaz byly původně součástí diskuze o interpretace experimentu s Taylorovým tokem. Jedná se o tok kapaliny mezi dvěma souosými válci, které se otáčí různou úhlovou rychlostí. Při růstu tohoto rozdílu přechází proudění od laminárního přes posloupnost bifurkací do chaotického a turbulentního. Landau a Lifschitz navrhli vysvětlení pomocí nekonečné řady Hopfových bifurkací, kdy při každé takové bifurkaci přibude jedna další frekvence oscilací. Takens a další naopak vyslovili domněnku, že torus vzniklý Hopfovými bifurkacemi ztratí stabilitu již po malém počtu těchto bifurkací. Věta o rekonstrukci traktoru umožnila spolehlivé vyhodnocení experimentálních dat. Architektura systému WAMS - monitorovacího systému sítě (Wide Area Monitoring Systém) Měřené veličiny jsou jednotkami PMU (jednotky pro měření fázorů - PMU Phasor measurement unit) posílány prostřednictvím sítě ethernet do switchů, které zajistí jejich odeslání do řídicího systému. Jedná se tedy o topologii logické hvězdy. Při rozšíření systému by potom

97 bylo nutné zaručit redundanci (nadbytečnost - větší množství dat, než je nezbytné pro přenos informace vzhledem ke ztrátám v informačním kanálu) pomocí záložních komunikačních cest. Řídicí systém pak data vyhodnotí a vloží do databáze a SCADA systému, v případě kritických hodnot dá povel k akčnímu zásahu a informuje operátora. Sběr dat, síť WAN Jako přenosové médium je voleno optické případně metalické vedení, na kterém je provozována síť alespoň Ethernet 802.3ac s přenosovou rychlostí alespoň 2 Mbps. Dále je na přenosovou cestu kladen požadavek na kvalitu QoS splňující standardy IEEE 802.1p (zaručuje prioritu přístupu k médiu) a IEEE 802.1Q (pro podporu směrování paketů). V neposlední řadě je potřeba dodržet standard IEC 61850, který zaručuje nízkou dobu odezvy pro řízení. Pro popsané požadavky by byla vhodná dedikovaná (přiřazená) linka. Přenosová cesta Přenosová cesta pro vzdálený transport měřených dat z rozvodny závisí na způsobu připojení rozvodny. Preferovaný způsob je přenos pomocí optických vláken, kde na obou koncích musí být umístěny modemy (modulátor/demodulátor), které zaručí připojení na metalický ethernet na obou koncích. Jednou z dalších voleb, která není tak vhodná jako optický přenos je přenos pomocí bezdrátových pojítek v některém z komerčních radiových pásem. Připojení centrálního sběrného bodu Jednotky PMU budou do centrálního sběrného bodu připojeny prostřednictvím sítě Ethernet (viz. Přenosová cesta), kde budou zapojeny do centrálního ethernetového switche. Centrální switch bude napojen na řídicí systém, který provede vyhodnocení dat měření a vykoná další zpracování. ** Kapitoly o inteligentních sítích - Právní rámec Smart Grids sítí v ČR a EU, Pojem smart grids, Datová komunikace, Diagnostika sítí převzaty (zestručněně) z : Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí, ČVUT Praha 2011 (Odborná učebnice ČVUT pro energetiku)

98 Kapitola 3 Elektrická vedení V předchozích kapitolách (Kapitola 1 a Kapitola 2) se pojednává o rozvodném systému jako o celku. Rozvodné soustavy jsou jak bylo uvedeno tvořeny systémem skládajícím se z transformačních stanic, rozvoden a elektrických vedení. V dalším se budeme zabývat z výše uvedeného souboru zařízení elektrickými vedeními. Ochranné pásmo elektrického vedení Ochranné pásmo (prostor v bezprostřední blízkosti rozvodného zařízení elektrizační soustavy) má v podstatě dvojí význam. Jednak je určeno k zajištění spolehlivého provozu zařízení a zároveň vytváří podmínky pro ochranu života, zdraví a majetku osob. Ochrannými pásmy jsou chráněna nadzemní a podzemní vedení, elektrické stanice, výrobny elektřiny a vedení měřicí, ochranné, řídící, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Činnostmi ohrožující tato zařízení pro rozvod elektřiny, spolehlivost a bezpečnost jejich provozu nebo zdraví a majetek osob se rozumí zejména: stavby budov, stožárů, jeřábů a lešení, odkopy zemin ohrožující stabilitu podpěrných bodů či stavebních konstrukcí, navršování zeminy nebo předmětů do nebezpečné výše, střelba a práce s výbušninami a pyrotechnickými prostředky všeho druhu, práce s chemickými prostředky, stříkání a postřiky všemi druhy kapalin, provádění vrtných prací a průjezdy vozidel mimořádně vysokých nebo mimořádně těžkých. Vymezení rozměrů ochranných pásem pro zařízení elektrizační soustavy stanovuje zákon č. 458/2000 Sb. (energetický zákon) v platném znění v 46. Ochranné pásmo vzniká dnem nabytí právní moci územního rozhodnutí o umístění stavby, pokud toto není vyžadováno, pak dnem uvedení zařízení elektrizační soustavy do provozu Ochranné pásmo vedení je tedy prostor v bezprostřední blízkosti vedení, určený k zajištění jeho spolehlivého provozu a k ochraně života, zdraví a majetku osob. Ochranné pásmo nadzemního vedení je souvislý prostor vymezený svislými rovinami vedenými po obou stranách vedení ve vodorovné vzdálenosti měřené kolmo na vedení, která činí od krajního vodiče vedení na obě jeho strany: a) u napětí do 1 kv (vedení nízkého napětí) ochranné pásmo zákon neurčuje b) u napětí nad 1 kv do 35 kv včetně: pro vodiče bez izolace (holé vodiče) 7 m pro vodiče s izolací základní 2 m pro závěsná kabelová vedení 1 m c) u napětí nad 35 kv do 110 kv včetně pro vodiče bez izolace (holé vodiče) pro vodiče s izolací základní 12 m 5 m d) u závěsného kabelového vedení 110 kv 2 m e) u napětí nad 110 kv do 220 kv včetně 15 m

99 f) u napětí nad 220 kv do 400 kv včetně 20 m g) u napětí nad 400 kv 30 m h) u zařízení vlastní telekomunikační sítě držitele licence 1 m K vytvoření podmínek pro zajištění potřebné údržby nadzemních vedení udržuje provozovatel přenosové soustavy nebo provozovatel příslušné distribuční soustavy v lesních průsecích na svůj náklad volný pruh pozemků o šířce 4 m po jedné straně podpěrných bodů, potřebný pro průjezd jeřábů, montážních plošin, nákladních aut a dalších. Vlastníci či uživatelé dotčených nemovitostí jsou povinni jim tuto činnost umožnit. V případech, kdy je tento volný pruh potřeba, provádí se podél vedení nad 1 kv do 35 kv s vodiči bez izolace (holá vedení), i podél vedení nad 35 kv do 110 kv včetně s vodiči bez izolace i s izolací základní. Dále se dle potřeby provádí u vedení nad 110 kv do 400 kv i nad 400 kv. V ochranném pásmu (OP) venkovního vedení je dále zakázáno kromě výše uvedeného uskladňovat v OP vedení hořlavé látky (stohy slámy v blízkosti vedení), výbušné látky, dále je zakázáno v OP vedení vysazovat chmelnice a nechávat růst porosty nad výšku 3 m (pěstování plantáží vánočních stromků v lesních průsecích)

100 pásmo Ochranné podzemního vedení do 110 kv včetně a kabelového vedení řídící a zabezpečovací techniky je vymezeno svislou rovinou po obou stranách krajního kabelu a je ve vzdálenosti: do 110 kv. 1 m nad 110 kv... 3 m OP se vztahuje na všechny druhy silových kabelových vedení, tak i na kabely slaboproudé požívané pro řídící a zabezpečovací systémy, systémy pro měření a automatizaci a systémy pro přenos informací. V OP podzemního vedení je zakázáno: provádět bez souhlasu zemní práce, zřizovat stavby a umisťovat konstrukce, které by znemožňovaly přístup k vedení, vysazovat trvalé porosty a přejíždět mechanismy nad 6 tun. K zajištění spolehlivosti podzemních kabelových vedení ukládá zákon povinnost fyzickým či právnickým osobám, zřizujícím v bezprostřední blízkosti ochranného pásma kabelů zařízení napájená stejnosměrným proudem s možností vzniku bludných proudů

101 poškozujících podzemní vedení, oznámit tuto skutečnost příslušnému provozovateli a provést opatření k jejich zamezení. Práva a povinnosti provozovatele vedení Stručný výpis ze zákona č.248/200sb., 24 - povinnosti provozovatele přenosové soustavy (dílčí část) a 25 - povinnosti provozovatele distribuční soustavy (dílčí část). Provozovatelé vedení přenosové a distribuční soustavy mohou: v souladu se zvláštním právním předpisem zřizovat a provozovat na cizích nemovitostech zařízení přenosové a distribuční soustavy, přetínat tyto nemovitosti vodiči a umísťovat v nich vedení, vstupovat a vjíždět na cizí nemovitosti v souvislosti se zřizováním, obnovou a provozováním těchto soustav odstraňovat a oklešťovat stromoví a jiné porosty, provádět likvidaci odstraněného a okleštěného stromoví a jiných porostů ohrožujících bezpečné a spolehlivé provozování zařízení distribuční soustavy v případech, kdy tak po předchozím upozornění a stanovení rozsahu neučinil sám vlastník či uživatel, vstupovat nebo vjíždět v souladu se zvláštními právními předpisy do uzavřených prostor a zařízení sloužících k výkonu činností a služeb orgánů Ministerstva obrany, Ministerstva vnitra, Ministerstva spravedlnosti, Bezpečnostní informační služby a do obvodu dráhy, jakož i vstupovat nebo vjíždět na nemovitosti, kde jsou umístěna zvláštní zařízení telekomunikací, v rozsahu a způsobem nezbytným pro výkon licencované činnosti. Provozovatel soustavy je povinen zřídit věcné břemeno umožňující využití cizí nemovitosti nebo její části pro účely zřizování a provozování vedení a to smluvně s vlastníkem nemovitosti; v případě, že vlastník není znám nebo určen nebo proto, že je prokazatelně nedosažitelný nebo nečinný nebo nedošlo k dohodě s ním a jsou-li dány podmínky pro omezení vlastnického práva k pozemku nebo ke stavbě podle zvláštního právního předpisu, vydá příslušný vyvlastňovací úřad na návrh příslušného provozovatele distribuční soustavy rozhodnutí o zřízení věcného břemene umožňujícího využití této nemovitosti nebo její části. Provozovatel soustavy je povinen při výkonu oprávnění zřizovat vedení, vstupovat na cizí nemovitosti a oklešťovat porosty co nejvíce šetřit práv vlastníků dotčených nemovitostí a vstup na jejich nemovitosti jim bezprostředně oznámit. Po skončení prací je povinen uvést nemovitosti do předchozího stavu, a není-li to možné s ohledem na povahu provedených prací, do stavu odpovídajícího předchozímu účelu nebo užívání dotčené nemovitosti a

102 bezprostředně oznámit tuto skutečnost vlastníku nemovitosti. Po provedení odstranění nebo okleštění stromoví je povinen na svůj náklad provést likvidaci vzniklého klestu a zbytků po těžbě. Vznikla-li vlastníku nebo nájemci nemovitosti v důsledku výkonu práv provozovatele soustavy vstupovat na pozemky a oklešťovat porosty majetková újma nebo je-li omezen v obvyklém užívání nemovitosti, má právo na přiměřenou jednorázovou náhradu. Právo na tuto náhradu je nutno uplatnit u provozovatele soustavy, který způsobil majetkovou újmu nebo omezení užívání nemovitosti, do 6 měsíců ode dne, kdy se o tom vlastník nebo nájemce dozvěděl provést technická opatření k ochraně ptactva na nově instalovaných stožárech venkovního vedení vysokého napětí distribuční soustavy Výše uvedené údaje převzaty (zkráceně) ze zákona č. 458/2000 Sb. (energetický zákon) Elektrické vlastnosti vedení Elektrické vedení můžeme obecně chápat jako čtyřpól se vstupem (začátek vedení U1f, I1) a výstupem (konec vedení U2f, I2). Vedení jako čtyřpól Parametr (element) vedení Vnitřek čtyřpólu určují parametry vedení. Každé vedení (stejnosměrné, střídavé, venkovní i kabelové) má určité vlastnosti, které závisí na tzv. parametrech vedení. Tyto parametry jsou rovnoměrně rozloženy podél celého vedení. Základní parametry vedení: činný odpor R, indukční reaktance XL, svodová vodivost (svod) G, kapacitní vodivost (susceptance) Bc, koróna (sršení) Odvozené parametry: Vlnová impedance Zvl Přirozený výkon vedení Pp U střídavého vedení se indukčnost L projeví indukční reaktancí XL = 2πfL, kapacita C se projeví kapacitní susceptancí Bc = 2πfC. Svod G, do něhož se počítá nedokonalost izolačního odporu a ztráty způsobené korónou, má fyzikální význam vodivosti

103 Obvykle se počítají a udávají v tabulkách konstanty na 1 km délky: Rk, Xk, Bk, Gk. Činný odpor a indukční reaktance tvoří podélnou impedanci Zk: Zk = Rk + jxk (Ωkm -1 ) Činný odpor a indukční reaktance tvoří podélnou impedanci vedení, která má charakter odporu a na vedení způsobuje činný a jalový úbytek napětí U. Svodová vodivost a kapacitní susceptance tvoří příčnou admitanci Yk: Yk = Gk + jbk (Skm -1 ) Příčná admitance má charakter vodivosti a způsobuje na vedení ztráty činného a jalového proudu. Při výpočtech vedení vvn a zvn se uvažují všechny čtyři parametry vedení (u vedení 400 kv se může svodová vodivost zanedbat). Činný odpor vedení R (Ω) Činný odpor vedení je přímo úměrný rezistivitě vedení, délce vedení a nepřímo úměrný průřezu vedení R = ρ.l/s (Ω), kde ρ je rezistivita materiálu vedení (Ωmm 2.m -1 ), l je délka vodiče (m) a S je průřez vodiče (mm 2 ). Jelikož rezistivita materiálu se udává při teplotě 20 o C je i vypočtený odpor vedení dán pro teplotu 20 o C. Pro venkovní vedení se používají lana, která mohou být z jednoho či ze dvou materiálů. Např. AlFe lano vnitřní lano z oceli plní funkci mechanické pevnosti lana a venkovní plášť z hliníku plní požadavky vodivostní. Odpor vodiče je závislý na teplotě a platí pro něj, že s rostoucí teplotou jeho odpor roste a naopak. Tuto závislost zohledňuje teplotní součinitel odporu α a pro odpor při teplotě větší než 20 o C platí vztah: Rυ = R20(1+ α υ), kde R20 je činný odpor při teplotě 20 o C (Ω), α je teplotní součinitel odporu (K -1 ) a υ je oteplení (rozdíl teplot) od 20 o C (K). Činný odpor je závislý také na frekvenci skinefekt. Lze tedy říci, že střídavý odpor je vyšší než odpor stejnosměrný R = k.rss. Pro průmyslové kmitočty je ovšem zvýšení odporu nepatrné (k = 1) a při síťové frekvenci se téměř neuplatňuje. Jelikož se v elektrických sítích používají jako vodiče lana, nikoli dráty, je použití základního vztahu pro činný odpor problematické a proto je výrobcem vodiče stanovena hodnota činného odporu vztažená na jednotku délky (obvykle na 1 kilometr) Rk (Ωkm -1 ). Pro výsledný odpor lana pak platí: R = Rk.l (Ω). Činný odpor kabelového vedení je u kabelů s kovovým pláštěm mírně zvýšen vlivem ztrát hysterezních a vířivými proudy v kovovém plášti. Indukční reaktance XL (Ω) Indukční reaktance vedení nezávisí ani na proudu ani na napětí, ale na uspořádání vodičů na stožáru a na rozměrech vedení

104 Indukčnost vedení (L) je míra schopnosti vedení indukovat při změně proudu napětí. Indukčnost vedení je tvořena: Vlastní indukčností osamělého vodiče Lv = 0,46.log 2l.105 0,15 (mh.km -1 ) r l délka vedení v km r poloměr vodiče v cm Vzájemnou indukčností vodičů M = 0,46.log 2l.105 d 0,2 (mh.km -1 ) Výsledná indukčnost vodiče trojfázového vedení Lk = (0,46.log d r + 0,05).10-3 (H.km -1, mm, mm) Xk = ω.(0,46.log d r + 0,05).10-3 (Ω.km -1, rad.s -1, mm, mm) Pro jiné uspořádání trojfázového vedení (nesouměrné) zavádíme místo vzdálenosti mezi vodiči d střední geometrickou vzdálenost mezi vodiči ds. Xk = ω.(0,46.log ds r 3 ds = d 1. d 2. d 3 + 0,05).10-3 (Ω.km -1, rad.s -1, mm, mm) Tento vztah platí samozřejmě i pro souměrné vedení: 3 ds = d. d. d = d rovině, můžeme provést úpravu: 3 ds = d. d. 2d 3 = d 2 Pro případ, kdy jsou vodiče v jedné

105 Aby byly parametry nesouměrných trojfázových vedení u všech vodičů stejné, provádí se vzájemné vystřídání vodičů v určitých vzdálenostech tzv. transponované (kroucené) vedení. To znamená, že vodiče vystřídají v určitých vzdálenostech svoji polohu. Dvojité vedení může být krouceno souhlasně nebo kompenzačně. Při kompenzačním kroucení mají vedení různý počet zákrutů, aby se vystřídaly i vzájemné vzdálenosti obou linek. a) Jednoduché vedení kroucené souhlasně b) Dvojité vedení kroucené souhlasně c) Dvojité vedení kroucené kompenzačně Z následujícího vztahu vidíme, že obecně provozní indukčnost fáze a není konstantní - je závislá na rozdělení proudu v jednotlivých fázích. Má dokonce reálnou a imaginární část, která nevymizí ani v případě souměrného zatížení. To má za následek předávání činného výkonu mezi jednotlivými fázemi elektromagnetickou vazbou (aniž to ovšem ovlivní zdroje). Tento jev neodstraní ani fázorová souměrnost fázových proudu, kdy platí Ib=a 2 Ia a Ic=a 2 Ia. La = L1Z + Mab. Ib/Ia + Mac. Ic/Ia Teprve transpozicí vodičů (změna polohy vodičů křížením jak je naznačeno na Obr. a) se odstraní nesymetrie vedení a dosáhne se rovnosti vzájemných indukčností Mab= Mac= Mbc= M. Pak je možno napsat pro provozní indukčnost jedné fáze trojfázového transponovaného vedení: L = L1z + M. a -2 + M. a = L1z -M = 0,46. log ds (ohm/km) 3 ds = d ab. d ac. d bc.r Výsledný vztah pro celkovou indukčnost kovového vodice jednotkové délky ve dvouvodičové kovové smyčce s uvážením skinefektu (projeví se jako fiktivní zmenšení poloměru vodice, se pohybuje v rozsahu 0,75-0,82)

106 kde L1z - indukčnost vodiče smyčky fáze - země a M - vzájemná indukčnost mezi vodici transponovaného vedení, za d12 se dosadí střední geometrická vzdálenost ds jednotlivých vodičů. Tento způsob vystřídání poloh jednotlivých fázových vodičů zajišťuje symetrizaci jednotlivých fází navzájem uvnitř jednoho potahu na stožáru a jednotlivých fází jednoho potahu proti zemnímu vodici. V žádném případě není však odstraněna vzájemná vazba mezi potahy na společných stožárech, případně ve společných koridorech více vedení je nezbytné provádět na každém vedení mezi dvěma rozvodnami úplné vykřížení (transpozici) vodičů. Znamenalo to vést vodice v každé 1/3 délky úseku mezi rozvodnami v jiné posici, aby se minimalizoval vliv elektromagnetického pole vně 3 fázové soustavy vodičů. Kromě netranspozice fázových vodičů, která ovlivňuje hlavně parametry mezifázových smyček, se v posledním období instalují výrazně vodivější zemnící lana, což ovlivňuje hlavně parametry zkratových smyček fáze země. Zemnící lana tvoří běžně část tzv. zpětné zemní cesty při průtoku zkratového proudu při zemních zkratech. Dříve, vzhledem k málo vodivým ocelovým zemním lanům se automaticky předpokládalo, že naprostá většina proudu tekoucí zpětnou zemní cestou při zemních poruchách protéká zemí, která vykazovala mnohem větší vodivost než zemnící lano. Dřívější odhady plynoucí i z některých výpočtů hovořila o max. podílu cca 15% proudu zemnícím lanem z celkového proudu zpětnou zemní cestou. S instalací vodivějších zemnících lan AlFe, nastala podstatná změna v rozdělení proudu ve zpětné zemní cestě. Současné odhady hovoří až o 50 % podílu zpětného zemního proudu tekoucího vodivějším zemnícím lanem. Vzhledem k velmi zvláštním vlastnostem země jako vodiče střídavého proudu (obrovské rozměry s relativně nízkou vodivostí oproti vodivosti nadzemních vodičů) je odvození indukčnosti smyčky kovový vodič - země poměrně složitým problémem, pro jehož řešení se používají různé koncepce, které však mají jedno společné střídavý proud v zemi sleduje trasu vodičů nad zemí s největší hustotou přímo pod vedením. Odpor vodiče země Zemí teče proud hlavně při zemních nesymetrických zkratech, dále při různých podélných nesymetriích a v menší velikosti také za normálního provozu při trvalé nesymetrii silových prvků v elektrizační soustavě, nesymetrii zátěže apod. Při průtoku stejnosměrného proudu zemí teče proud tak obrovským průřezem, že lze rezistanci země zanedbat kromě bezpro-středního okolí vstupu a výstupu proudu do země. Při průtoku střídavého proudu zemí rezistance zemní cesty nezávisí téměř na měrném odporu země, závisí však na frekvenci. Čím vyšší je frekvence, tím užší je průřez v zemi, do kterého se zemní proud zhustí vlivem indukčnosti smyčky vodič - zem. Pro rezistanci země platí pro frekvence menší než 5 khz přibližný vztah: RZ = 2.f.10-4 (Ohm/km, Hz)

107 Přesnost určení složkových podélných parametrů vedení předpokládá provedení plných transpozic fázových vodičů na vedení a kromě toho trojnásobný počet transpozic mezi paralelními vedeními v souladu s teorií transponovaného vedení. Výpočet parametrů netransponovaného vedení složkovou metodou (jako kdyby vedení bylo plně transponováno) vykáže chyby oproti skutečnosti asi ve výši do 7 až 9 %. Za normálního provozu energetické sítě VVN s plně transponovanými vedeními by nesymetrie proudových hodnot ve fázových vodicích měla být velmi malá cca do 5%. Tomu by odpovídaly zanedbatelné trvalé hodnoty nulových proudů tekoucí zemí a zemními lany za normálního provozu. Vlivem neprovedení transpozice vedení (a tedy nesymetrickými indukčnostmi jednotlivých fází) a dalšími nesymetrickými vlivy byly však zjištěny podstatně vyšší proudy protékající zemním lanem trvale při normálním provozu. Tyto proudy způsobují oteplení lana a tím i zvýšení ztrát v sítích Nesymetrické venkovní vedení vykazuje zvýšené magnetické pole působící na okolí. Indukční vlivy od tohoto magnetického pole mohou vyvolávat trvalé zemní proudy uzavírající se vodivými cestami v zemi, jako jsou stínění kabelů, pláště různých potrubí, kolejnice apod. Nepříznivý dopad může mít i trvalý průtok nulových proudů přes uzemnění stožáru venkovních vedení. Dlouhodobým průtokem těchto proudu muže docházet ke značným škodám u souběžných okolních vodivých zařízení. Dvojité nesouměrné trojfázové vedení Při přesnějších výpočtech dosadíme místo poloměru r ekvivalentní poloměr re. Vztah pro určení indukční reaktance má tedy tvar: Některé hodnoty re jsou uvedeny v následující tabulce

108 Indukčnost vedení a tím i indukční reaktanci zmenšíme použitím svazkových vodičů. Místo jednoho vodiče použijeme v jedné fázi dva, tři nebo čtyři paralelní vodiče. Jednotlivé vodiče jsou ve svazku udržovány kovovými rozpěrkami ve vzdálenosti 30 až 50 cm od sebe. Dosáhne se tím zvětšení ekvivalentního poloměru re, takže se indukčnost oproti vedení s jedním lanem na fázi zmenší o 26 až 32 %. Výhody svazkových vodičů: menší indukčnost vedení, menší indukční reaktance vedení, větší proudové zatížení, menší ztráty korónou, menší nebezpečí kmitání vodičů. Nevýhody svazkových vodičů: větší zatížení námrazou a větrem, dražší stožáry, jejich výstroj a montáž, náročnější montážní práce, zvětšení kapacity vedení. Dvousvazek se používá pro napětí 220 kv, dvousvazek a trojsvazek se používá pro napětí 400 kv a pro vyšší napětí se používá čtyřsvazek (pro napětí nad 1000 kv byly navrženy šesti a osmisvazkové vodiče). Určení ekvivalentního poloměru vodiče re: svazek dvou vodičů na fázi: re = r. a 3 svazek tří vodičů na fázi: re = r. a 2 svazek čtyř vodičů na fázi: re = r. a 3 2 r skutečný poloměr vodiče a vzdálenost vodičů ve svazku

109 Indukčnost kabelového vedení závisí na konstrukci kabelu. Výpočet je mnohem složitější a je udáván výrobcem na jeden kilometr délky. Indukční reaktance jedné fáze trojfázového vedení na jednotku délky Kapacitní susceptance BC (S) Vodič se zemí a vodiče mezi sebou vykazují kapacitu a to kapacitu vůči zemi a vůči ostatním vodičům. Odvození kapacity vedení vychází ze znalosti řešení elektrostatického pole. Obdobně jako u indukčnosti má každý vodič jinou kapacitu. Střední kapacita vodiče je pak dána aritmetickým průměrem kapacit jednotlivých vodičů. Do vzorce dosazujeme za ds a re podle stejných zásad jako u indukčnosti vedení. Kapacitu lze u stávajících vedení určit měřením tzv. nabíjecího proudu vedení IC, který teče do vedení nebo kabelu při chodu naprázdno a pro který platí: Ic = ω.ck.l.uf Kapacita na 1 km délky vedení: Nabíjecí výkon vedení: Qnab = 3.Ic.Uf = 3.ω.Ck.l.Uf 2 (VAR, rad.s -1, F.km -1, km, V) ds střední vzdálenost vodičů od svých zrcadlových obrazů

110 m je střední vzdálenost od země. Kapacita kabelů je vždy větší než kapacita venkovního vedení a její výpočet je dosti složitý a bývá udáván výrobcem na jeden kilometr délky. Pokud výrobce kapacitu kabelu neuvádí, je možné ji určit výpočtem nebo měřením tzv. nabíjecího proudu, tedy proudu naprázdno. U kabelů celoplastových se kapacita kabelu mění podle způsobu uložení a okolí a určíme ji ze vztahu: U jednožilových kabelů s kovovým pláštěm nebo více žilových kabelů s pláštěm pro střední vodič se počítá kapacita vodiče proti plášti tzv. provozní kapacita. Je dána pro souosý válec vztahem: εr relativní permeabilita izolace r1 poloměr vodiče r2 střední poloměr vodiče Kapacity se společným kovovým pláštěm se projevují třemi kapacitami. Kapacitou jednotlivých vodičů vůči kovovému plášti C0, vzájemnou kapacitou jednotlivých vodičů vůči sobě C a provozní kapacitou C. Shrnutí analogie odvození indukčností a kapacity: Parametr vedení: Indukčnost L Kapacita C Definiční vztah: = L. I Q = C. U Intenzita pole ve vzdálenosti x od vodiče H = Provozní hodnota jednoduchého vedení 0,46. log d s. r I 2.. x E = 0,0242 [mh km ] log d s r Q 2... x [ F km]

111 Analogie výpočtu indukčností a kapacit Konduktance venkovních vedení Konduktance vedení souvisí s tzv. příčnými ztrátami vedení, které můžeme rozdělit na ztráty svodem pres izolátory a ztráty koronou. Obojí silně závisí na napětí a počasí a nelze je vyjádřit přesně analyticky. Hodnota konduktance způsobená koronou pro vedení 220 kv a 400 kv je do 3600 a 2000 μs/km:. Tomu odpovídá za přenosovou soustavu ČR hodnota ztrát koronou kolem 13 MW. Obvykle se proto konduktance v analytických výpočtech zanedbává. Svod (svodová vodivost) Svod je způsoben vodivostí izolátorů. Závisí na kvalitě izolátorů, na provozních a atmosférických podmínkách. Svod způsobuje na vedení ztráty činného proudu. Svod vyjadřujeme v hodnotách svodových ztrát na kilometr vedení: Ps = 3.Uf.Gs = Us 2.Gs Ps ztráty svodem, Uf fázové napětí, Us sdružené napětí, Gs svodová vodivost, Gs = Ps/Us 2 Svod: Gk = 1/Rik (µs.km -1,MΩ.km -1 ) Ztráty svodem vznikají znečištěním povrchu izolátorů (uhelný prach, saze), zmenšením izolačního odporu vlivem špatného počasí (vlhko) nebo horší jakostí izolátorů. Svod nelze solidně spočítat, proto se buď zanedbává, nebo se bere z naměřených hodnot. Se svodem počítáme pouze u sítě vvn a zvn. Koróna (sršení) Vodič pod napětí vyvolá ve svém okolí nehomogenní elektrostatické pole, které má největší intenzitu na povrchu vodiče. Intenzita E = U/l se snižuje se vzdáleností od vodiče. V té části, kde je intenzita elektrického pole větší než průrazná vlhkost vzduchu Ep = 30 Kvcm -1, vzniká nárazová ionizace vzduchu doprovázená namodralým světélkováním, praskotem a vznikem šumu. Molekuly vzduchu na sebe narážejí, štěpí se, tím vzniká nesamostatný výboj v plynu, který se nazývá koróna. Koróna vzniká hlavně u hrotů a svorek venkovního vedení, kde se hromadí elektrický náboj. Způsobuje na vedení ztráty činného proudu. Fázové napětí, při kterém se koróna začno objevovat se nazývá kritické napětí koróny: Ukr = 48,6. m1. m2. δ. r. log a/r (kv) m1 součinitel jakosti povrchu vodiče pro leskle vyhlazený drát m1 = 1 pro zvětralý drát m1 = 0,98 0,93 pro lano m1 = 0,87 0,83 m2 součinitel počasí

112 Při dobrém počasí m2 = 1 Při špatném počasí m2 = 0,8 δ poměrná hustota vzduchu závislá na tlaku a teplotě Při normálním tlaku a teplotě δ = 1 r poloměr vodiče a střední vzdálenost mezi fázemi Ztráty korónou na 1 km vodiče při jasém počasí určíme podle empirického vzorce PEEK: Pk = 0,183/δ. r/a 1/2. (U Ukr) 2 (kwkm -1 ) Rovnoměrně rozložené parametry vedení Každé vedení (stejnosměrné, střídavé, venkovní i kabelové) má určité vlastnosti, které závisí na tzv. parametrech vedení. Tyto základní parametry jsou rovnoměrně rozloženy podél celého vedení a tvoří je : činný odpor R, indukční reaktance XL, svodová vodivost (svod) G, kapacitní vodivost (susceptance) Bc Sdružené parametry Pro posouzení přenosových poměrů na vedení sdružujeme základní parametry do dvou parametrů pro výpočet: Podélná impedance: Z = R + jxl Podélná impedance má charakter odporu a na vedení způsobuje úbytek napětí činný a jalový. Příčná admitance: Y = G + jbc Příčná admitance má charakter vodivosti a na vedení způsobuje ztráty činného a jalového proudu. Výpočet vedení s uvažováním rovnoměrně rozložených konstant je zdlouhavý a pracný. Vede k diferenciálním rovnicím a hyperbolickým funkcím. Proto se v praxi používají jednodušší řešení, při kterých vycházíme ze zjednodušených náhradních schémat s konstantami soustředěnými do určitých bodů. Tato náhradní schémata se nazývají články a podle uspořádání rozeznáváme Π, T a Γ článek. Názvy jsou odvozeny od písmene, jehož tvar uspořádání článku připomíná. Výpočet vedení pomocí článků Náhradní schémata (články):

113 článek T článek (Gama) článek Steinmetzův článek Články řešíme graficky nebo početně. Při grafickém řešení vynášíme do vektorového diagramu vypočítané dílčí hodnoty a výsledky z něj odměříme. Při početním řešení sestavíme rovnice podle teorie čtyřpólu. Čtyřpól je obvod, který nahrazuje vedení, má dvě svorky vstupní a dvě svorky výstupní. Vstupní veličiny vypočítáme z výstupních veličin pomocí komplexních Blondelových konstant A, B, C a D. Výpočet vstupních veličin vedení pomocí komplexních Blondelových konstant viz následující tabulka: U1 = AU2 + BI2 I1 = CU2 + DI2 U souměrných článků ( a T) platí: A = D A 2 BC = 1 U nesouměrných článků ( a Steinmetzův) platí: AD BC = 1 Vedení jako čtyřpól Náhradní schéma Π článku Podélná impedance je soustředěna uprostřed vedení a poloviny příčné admitance jsou na koncích vedení. Při řešení vycházíme ze známých poměrů na konci vedení U2, I2, cos φ2 a z konstant vedení: R = Rkl X = Xkl = ωlkl G = Gkl B = Bkl = ωckl Postup výpočtu: 1) Vypočítáme podélnou impedanci a příčnou admitanci vedení Podélná impedance: Z = R + jxl Příčná admitance: Y = G + jbc 2) Vypočítáme komplexní Blondelovy konstanty A, B, C a D, které mají pro článek tvar A = 1 + Z.Y 2 B = Z

114 C = Y. (1 + Z.Y 4 ) D = A 3) Pomocí vztahů v tabulce vypočítáme potřebné vstupní hodnoty U1 a I1 na začátku vedení pro požadované (známé) poměry na konci vedení. U1 = AU2 + BI2 I1 = CU2 + DI2 Obdobně počítáme při použití náhradního článku T : Náhradní schéma T článku Polovina podélné impedance je soustředěna na začátek vedení a druhá polovina na konec vedení. Příčná admitance tvořená kapacitou je soustředěna uprostřed vedení. Při početním řešení mají Blondelovy konstanty pro T článek tvar: A = 1 + Z.Y 2 B = Z. (1 + Z.Y 4 ) C = Y D = A

115 Tabulka Blondelových konstant pro jednotlivé náhradní články Při řešení krátkých vedení (sítě nn) můžeme uvažovat pouze s činným odporem R a indukčností L. Svod G a kapacitu C můžeme zanedbat. Kapacita vedení vn, vvn a zvn vzhledem k větší vzdálenosti vodičů je při stejné délce vedení menší než u sítí nn, při řešení dlouhých vedení ji ale nelze zanedbat. Při vyšším napětí a značných délkách vedení vznikají velké nabíjecí proudy, které mají významný vliv na poměry ve vedení. To platí v praxi zejména pro vedení s napětím od 100 kv. Při řešení dlouhých vedení je tedy třeba uvažovat vliv kapacity a svodu. Přirozený výkon vedení a vlnová impedance Při průchodu střídavého proudu vedením vzniká kolem vodičů střídavé magnetické a elektrické pole. K vytvoření magnetického pole je třeba, aby vedením procházel indukční proud, k vytvoření elektrického pole je třeba kapacitní proud. Prochází-li vedením, které má činný odpor R, indukčnost L a kapacitu C, proud, vzniká činný výkon RI 2, jalový indukční výkon LI 2 a jalový kapacitní výkon ωcu 2. Za určitých podmínek se oba jalové výkony ruší a vedením prochází jen užitečný činný výkon. V tomto případě se energie magnetického pole rovná energii elektrostatického pole: 1 2 LI2 = 1 2 CU

116 Z toho vyplývá U I = L C = Z vl Veličinu Zvl (Ω) nazýváme vlnová impedance (vlnový odpor). Výkon procházející vedením, při kterém se jalové výkony ruší, se nazývá přirozený výkon vedení Pp. Trojfázový výkon P p = 3.U f 2 Z vl = U2 Z vl [W, V, ] Vlnové impedance venkovních vedení vvn bývají 350 až 400 Ω. U kabelových vedení bývají 35 až 40 Ω. Proto přirozený výkon kabelových vedení je asi desetkrát větší než u venkovních vedení. Přirozený výkon závisí na napětí, neboť roste s druhou mocninou napětí. Při přenosu přirozeného výkonu jsou napěťové poměry výhodnější. Impedance zátěže se rovná vlnové impedanci vedení. Jalový výkon pro nabíjení kapacit vedení a jalový výkon spotřebovaný v indukčnostech vedení se navzájem vyměňují, vedení se samo kompenzuje. Napětí na konci vedení se zmenší pouze o činný úbytek napětí. (V ideálním vedení bez činného odporu by byla obě napětí stejná). Přenášíme-li výkon větší než přirozený, je napětí na konci nižší než napětí na začátku. Při přenosu výkonu menšího, než je výkon přirozený, je jalový výkon kapacitní větší než jalový výkon indukční a napětí na konci vedení je vyšší než na začátku vedení. Obr. Diagram závislosti napětí na přenášeném výkonu

117 Ferrantiho jev Vzniká u dlouhých nezatížených vedení (stav naprázdno) nebo jen málo zatížených vedení vvn a zvn. Jedná se o formu provozního přepětí. Náhradní schéma T článku pro vedení naprázdno Zanedbáme-li činnou složku příčné admitance, bude při chodu naprázdno procházet vedením pouze kapacitní proud. Na konci vedení bude větší napětí než na začátku. Pro odvození velikosti přepětí vycházíme vzhledem k délce vedení z T článku. Jelikož proud I2 = 0, nevznikne na pravé polovině podélné impedance žádný úbytek napětí a na příčné admitanci bude napětí U2. Levou polovinou podélné impedance bude procházet proud I1 = IB = Bk.l. U2 A vyvolá úbytky napětí na činném a jalovém odporu R k. l 2. I B a X k. l 2. I B Je zřejmé, že napětí U1 je menší než napětí U2. Na vedení tedy vznikne místo úbytku přírůstek napětí (záporný úbytek napětí)

118 Mechanika vodiče venkovního vedení Teorie zavěšeného vodiče Je li pružný a dokonale ohebný vodič zavěšen ve dvou závěsných bodech ve stejné výši, zaujme jeho osa (osa dokonale ohebného vlákna, které je spojitě zatíženo) křivku zvanou řetězovka, tzv. pružná řetězovka. Řetězovka je obecná prostorová křivka, v dalším předpokládáme zvláštní případ a to řetězovku rovinnou. Křivku pružné řetězovky vypočteme tak, že tíha 1 m vodiče i přídavného zatížení závisí na prodloužení vodiče v dotyčném místě, tj. že jeho tíha je nejmenší v místě nejvíce namáhaném. V praxi počítáme s nepružnou řetězovkou (neprodlužující se vodič) nebo u rozpětí do 500 m s parabolou. U paraboly předpokládáme, že tíha vodiče i přídavného zatížení je rovnoměrně rozdělena po spojnici závěsných bodů. Odvození rovnice řetězovky Zavěšený vodič se zdeformuje do pružné řetězovky, v praxi počítáme s řetězovkou nepružnou. A(x 1,y 1) B(x 2,y 2) dl 0 x při vyšetřování řetězovky nám jde jednak o její tvar (tj. o její rovnici) a jednak o osové síly, tvar řetězovky nás zajímá především se zřetelem k prostoru který zaujímá, podle osových sil určujeme napětí v materiálu, z něhož je lano zhotoveno. Element vodiče dl: Na element délky vodiče dl působí síly F1 a F2 a vlastní tíha vodiče. Podmínkou pro rovnováhu je, aby se vektorový součet všech sil působících na element délky rovnal nule. F1 + F2 +q1.dl = 0 Tato podmínka je splněna za předpokladu, že se rovnají horizontální složky FH

119 FH1 = FH2 (přírůstek vodorovné složky síly je nulový) a vertikální složka FV je dfv = q1.dl (přírůstek svislé složky síly je roven váze elementu vodiče) (1) element délky dl vyjádříme pomocí přírůstků dx a d y dl = dx 2 + dy 2 po vydělení rovnice (1) diferenciálem dx df V = q d 1. dl = q x dx 1. dx2 + dy 2 = q dx y 2 (2) z rovnováhy momentů sil v obou směrech točení vyplývá F H. dy F V1. dx q 1. dl. dx 2 = 0 po úpravě F H. dy = (F V1 + q 1. dl 2 ). dx = F V. dx kde Fv je výsledný svislý tah působící ve středu vodiče S délky dl F V = F H. dy dx = F H. y df V dx = F H. d2 y dx 2 = q y 2 z toho 1 + y 2 = F H. d2 y q 1 dx 2 Kde F H = F H q 1 S. S = H q 1 = c d 2 y dy dx 2 = dx dy c. = 1 + y 2 dx dy = y 2 c. dx zintegrováním získáme tvar dy 1 + = 1 y 2 c. dx řešíme zavedením substituce 1 + y 2 = t y

120 řešení integrálu: argsinh y = 1 c z toho. x + k y = sinh 1 c (x + k 1) po integraci rovnice dostaneme y = c. cosh 1 c. (x + k 1) + k 2 Konstanty k1 a k2 určíme z počátečních podmínek: Pro x = 0 se y = 0 +y 0 = sinh 1 c. k 1 k 1 = 0 c = / 0 + x Pro konstantu k2 platí: v bodě x = 0 a y = H = H + k 2 k 2 = 0 získáme rovnici řetězovky, jejíž vrchol je vzdálený od počátku o hodnotu parametru c Rovnice řetězovky má tedy tvar: y = c. cosh x c [m] (3) Parametr c je konstanta, udávaná v [m] a rovná se podílu H/ z, udává tvar křivky zavěšeného vodiče - podíl vodorovných a svislých sil (namáhání) viz obrázek. Hodnota parametru c (fyzikální interpretace parametru) jedná se o délku vodiče, který svisle zavěšený vyvolá v závěsu vodiče stejné namáhání jako vodorovně zavěšený vodič s parametrem c

121 C=1500m C=1000m C=600m Tvar řetězovky zavěšeného vodiče různých parametrů Následně rozepíšeme rovnici (3) do řady y = c. [ !. (x c ) !. (x c ) !. (x c )6 + ] Uvažujeme li jen první dva členy řady, dostaneme rovnici paraboly, y = c + x2 2c (3a) jejíž vrchol je vzdálený od počátku o hodnotu parametru c. Při rozpětích do 400 m a sklonu závěsů vodiče 30 průběh paraboly se jen málo liší od řetězovky a matematické vyjádření je podstatně jednodušší, používáme proto pro běžný výpočet průhybu rovnici paraboly. Pokud uvažujeme přídavné zatížení z zavěšeného vodiče Kde q je hmotnost vodiče, qp je přídavná zatěžující síla, pak přetížení z: z = 1 + q p q = q + q p q a hodnota parametru c je následující: F c = H = q 1 +q 2 F H.q 1 = F H. S = H q 1.(q 1 +q 2 ) q 1.z S.z U vodičů vedení uvažujeme přetížení: Přetížení námrazkem zn ; qn je váha námrazku na 1 m vodiče z n = q + q n q Přetížení větrem zv ; pv je tlak větru na 1 m vodiče (síla) z v = 1 + ( p 2 v q ) = q2 + p2 v q

122 Přetížení námrazkem a větrem; pvn je tlak větru na 1 m omrzlého vodiče (vodič s námrazkem) z vn = (q + q n) 2 + p2 vn q 2 qn q pvn Pvn qn q tlak větru na omrzlý vodič váha námrazku váha vodiče vychýlení vodiče

123 Zavěšený vodič, závěsy ve stejné výši Základní pojmy: Vodorovnou vzdálenost mezi závěsnými body vodiče (podpěrnými body) nazýváme rozpětí (pole), označujeme většinou a. Průhyb vodiče je svislá vzdálenost měřená mezi spojnicí závěsných bodů a vodičem, označujeme ji f. Maximální průhyb je vždy v polovině rozpětí; do vztahu (3) dosadíme x=a/2 Pro maximální průhyb dosadíme za x poloviční rozpětí x = a/2 a odečteme funkční hodnotu v bodě vrcholu x = 0 (c): z rovnice řetězovky: y = c. cosh x c ; f m = y B y 0 = c. cosh a 2c c = c (cosh a 2c 1) y = c. cosh x c ; f m = y B y 0 = c. cosh a 2c c = c (cosh a 2c 1) z rovnice paraboly: )2 y = c + x2 2c ; f m = c + (a 2 2c )2 y = c + x2 2c ; f m = c + (a 2 2c c = a2 8c c = a2 8c

124 Průhyb v libovolném bodě: z rovnice řetězovky: y = c. cosh x c ; f x = y B y x = c. cosh a 2c c. cosh x c = c (cosh a 2c cosh x c ) z rovnice paraboly: (4) )2 y = c + x2 2c ; f x = y B y x = (c + (a 2 2c ) (c + x2 2c ) = a2 8c x2 2c = 1 2c (a2 4 x2 ) Pro praktické použití (průhyb v libovolném bodě zavěšeného vodiče vypočtený v souřadném systému orientovaném k polovině rozpětí není příliš praktický) se používá souřadný systém orientovaný k závěsnému bodu vodiče. Přepočet souřadnic provedeme dosazením do vztahu (4) vzdálenost x od závěsného bodu: x = a 2 x; f x = 1 2c (a2 4 x 2 ) = 1 2 x 2c [a2 4 (a 2 x). (a x ) ] = 2c Délka zavěšeného vodiče: z rovnice řetězovky: délka elementu vodiče dl = dx 2 + dy 2 = dx 1 + y 2 l s = 2 a/2 1 + y 2. dx 0 = 2c. sinh a 2c Rozvinutím rovnice do řady: ; 1 + y 2 = cosh 2 x a/2 c ; l x s = 2 cosh 0 c dx = 2c [sinh x a/2 c ] 0 l = 2c sinh a 2c = 2c [ a 2c + 1 3! ( a 2c ) 3 + ] = a + = a [ (f a ) 2] a 3 24c 2 + = a (1 + a 2 24c 2) (5)

125 Zavěšenývodič, závěsy v různé výši Pro nesouměrně zavěšenou řetězovku (závěsné body nejsou ve stejné výšce) se při výpočtech vychází z představy, že jde o řetězovku souměrnou, ale jeden závěsný bod je na řetězovce posunut níže a myšlená řetězovka jakoby pokračovala až do tzv. ideálního rozpětí, kde jsou závěsy ve stejné výši. 1 f f f x h 2 2a x a a x Průhyb v libovolném bodě: Do vztahu pro výpočet průhybu v libovolném bodu při závěsech vodiče ve stejné výši (5) x. (a x ) f x = 2c a) dosadíme hodnoty pro ideální rozpětí ai (x od bodu prodloužené řetězovky 2a) x = ai a fx = h a = ai a dostaneme f x = h = (a i a). [a i (a i a)] 2c = a. ( a i a) 2c z toho vypočteme vztah pro ideální rozpětí ai: 2hc + a2 a i = = a + 2c h a a b) výpočet průhybu ve vzdálenosti x od horního závěsu: f x = x. (a i x) 2c, do vztahu dosadíme za a i a dostaneme

126 f x = x. [(a + 2c h a ) x] 2c = x. (a x) 2c + x. h a fx = f + f viz nákres Pro výpočet průhybu ve vzdálenosti x - měřeno od dolního (nižšího) závěsu platí: x. (a x) f x = x. h 2c a Obecně tedy můžeme psát, že pro výpočet průhybu pro závěsy vodiče v různé výši (šikmé pole) platí : f x = x. (a x) 2c ± x. h a Znaménko + platí pro průhyb ve vzdálenosti x, měřené od vyššího závěsného bodu vodiče (průhyb od úrovně vodorovné přímky procházející vyšším závěsným bodem) Znaménko - platí pro průhyb ve vzdálenosti x, měřené od nižšího závěsného bodu vodiče (průhyb od úrovně vodorovné přímky procházející nižším závěsným bodem; může dosahovat kladného i záporného znaménka dle průběhu křivky zavěšeného vodiče nad a pod proloženou přímkou úrovní dolního závěsu vodiče) Pro trojúhelník převýšení závěsných bodů vodiče platí: h f a = x f = x. h a Délka zavěšeného vodiče, závěsy v různé výši Délku vodičů se závěsnými body v nestejné výši počítáme dle rozšířené Pythagorovy věty, která platí pro řetězovky a říká (viz. obrázek): rozdíl čtverců délek souměrné a nesouměrné řetězovky ve stejném rozpětí a se stejným parametrem se rovná čtverci vzdálenosti vyšší podpory od nižší

127 l 2 AB l 2 h = h 2 l 2 AB = h 2 + l 2 h ; l AB = h l h Délka nesouměrné řetězovky po dosazení: l AB = h 2 + {a [ (f a ) 2]} 2 Namáhání vodiče Namáhání v závěsných bodech vodičů Vodorovná složka namáhání H je každém bodě řetězovky, tedy i v závěsném, stejná. Výsledné namáhání B v závěsném bodě B leží ve směru tečny k řetězovce v tomto bodě. B = H. cosh a 2c B = H + f m.. z Namáhání v závěsném bodě řetězovky závisí pro daný vodič jen na průhybu fm. Svislá složka namáhání je: vb = l s.. z 2 = a.. z 2 Tah v závěsném bodu se rovná tíze vodiče délky yb nebo tahu ve vrcholu FH a tíze vodiče délky rovnající se průhybu fm. F B = y B. g. (q 1 + q 2 ) F B = H. S + f m. S.. z F vb = Sl s. z = l s. g. (q 1 + q 2 ) = a. g. (q 1 + q 2 ) Svislý tah v závěsném bodě se rovná tíze poloviční délky vodiče, zvětšené o přídavné zatížení. Tyto vztahy platí pro řetězovku i parabolu

128 Je li v v závěsném bodě vodiče mechanické napětí alespoň o 4 % větší než v bodě průhybové křivky, je nutné uvažovat mechanické napětí v závěsném bodě. To nastává u velkých rozpětí nebo při velkém převýšení závěsů. U vodičů zavěšených v nestejné výši viz níže uvedený obrázek: A = a a. H + z. (f a h 2 ) B = a a. H + z. (f a + h 2 ) VA = h a. a z H + 2 VB = h a. a z H + 2 Vodič venkovního vedení zavěšený v nestejné výši; a) průhyby, namáhání a síly ve vodiči b) odvození namáhání závěsných bodů Tahy vodičů v závěsných bodech lze odvodit z obr. b) buď z podobnosti vyšrafovaných trojúhelníků, nebo z rovnováhy momentů sil k bodu A nebo B. Matematické vyjádření těchto vztahů: F VB = a i 2 S z = F V 2 + F H. h a F VA = F V F VB = F V 2 F H. h a Celková tíha vodiče je F V = F VA + F VB [N] Tahy v závěsných bodech určíme matematicky