INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
CZ.1.07/1.1.00/08.0010
ELEKTROENERGETIKA Ing. ALENA SCHANDLOVÁ Ing. BOHUSLAV SCHANDL
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
ELEKTROENERGETIKA
Autor: Ing. Alena Schandlová Spoluautor: Ing. Bohuslav Schandl
Příručka vznikla na základě šetření mezi žáky (studenty) v prosinci 2012 a na základě diskuze mezi žáky a diskuze mezi přednášejícími. V příručce jsou provedeny korekce, příp. doplnění textu u některých principů a předpisů.
1
Elektrizační soustavy, elektroinstalační materiál
Základní pojmy: Elektrizační soustava Elektrizační soustava je souhrn zařízení, které slouží k výrobě, rozvodu a spotřebě elektrické energie. Zahrnuje: a) přenos a transformaci ke spotřebiteli b) měřící, řídící a zabezpečovací systémy c) vlastní spotřebiče energie d) výrobny (elektrárny) Přenosová síť - část ES, tvořící přenosovou cestu pro napájení velkých stanic nebo uzlů (v ČR především vedení 400 kV, 220 kV a výjimečně 110 kV - Dětmarovice). Distribuční síť - část ES, sloužící pro dodávku el. energie odběratelům.
2
Frekvence Evropu je frekvence dána 50 Hz s tolerancí 200 mHz, je primárně daná otáčkami generátoru, sekundárně závisí na výkonové bilanci.
Generátory v elektrárně dodávají přes blokové transformátory elektrickou energii do soustavy vedeními 220 a 440 kV. Z přenosové soustavy jsou napájeny rozvodné soustavy o napěťové úrovni 110, 35, 22, 6 a 0,4 kV. Zjednodušené zobrazení elektrizační soustavy
3
Základ - jakousi páteř elektrizační soustavy tvoří přenosová soustava (PS) charakterizovaná: - zasmyčkovanou sítí o napěti 400 a 220 kV - vyvedením výkonu velkých tzv. systémových elektráren - propojením do soustav sousedních států pomocí hraničních vedení.
Na přenosovou soustavu navazuje distribuční soustava charakterizovaná několika napěťovými úrovněmi od 110 kV až po sítě nízkého napětí nn.
Mezinárodní propojení soustav
V roce 1962 vznikl systém propojených elektrizačních soustav Československa, Polska, Maďarska, Rumunska, Bulharska, NDR a SSSR, který se nazýval MIR – sídlo v Praze.
4
Obdobné propojení elektrizačních soustav zemí západní Evropy se nazývá UCPTE – sídlo ve Švýcarsku – Belgie, SRN, Španělsko, Francie, Řecko, Itálie, Jugoslávie, Lucembursko, Holandsko, Rakousko, Portugalsko, Švýcarsko. V roce 1963 vznikl systém NORDEL mezi Švédskem, Dánskem, Norskem a Finskem. Propojení Anglie a Irska s Francií bylo provedeno podmořským kabelovým stejnosměrným přenosem.
Toky energií mezi jednotlivými státy
5
6
Část energetické soustavy
7
Požadavky na energetickou soustavu: - musí přenést elektrickou energii s dostatečnou kvalitou - kvalita je dána velikostí napětí a frekvencí Dojde-li k přetížení sítě, klesají otáčky generátoru a tím i frekvence: ns = 60f/p ns - synchroní otáčky p - počet pólových dvojic
Vývoj energetické soustavy
a) Stejnosměrná soustava U této soustavy vzniká úbytek napětí pouze na ohmickém odporu - minimální úbytky. Malé elektrárny s dynamem se zřizovaly pro jednotlivé objekty a později pro obce a města. b) Střídavá soustava jednofázová Transformátory umožnily zvýšit napětí na velikost potřebnou pro přenos a na místě spotřeby opět napětí snížit na velikost vhodnou pro odběratele. c) Střídavá trojfázová soustava Umožňuje vznik točivého magnetického pole potřebného pro asynchronní motory. Výhody: úspora materiálu, dá se transformovat, vytváří točivý moment. d) Stejnosměrná soustava vvn Výroba střídavého proudu, transformace na vvn, usměrněný přenos venkovním vedením na větší vzdálenosti, ve střídačových stanicích vzniká opět střídavé napětí, které se transformuje na vn. 8
Významná data z historie české energetiky 1960 – Uveden do provozu první elektrárenský blok o výkonu 110 MW – Tisová. 1960 – Dokončena elektrifikace všech obcí tehdejší ČSSR. 1961 – Uvedeno do provozu první se jmenovitým napětím 400 kW. 1967 – Uveden do provozu první elektrárenský blok o výkonu 200 MW v Ledvicích. 1969 – Zavedení letního času tak jako ve většině evropských států. 1971 – V Mělníku zprovozněn poslední elektrárenský blok 110 MW. 1978 – Zahájena výstavba jaderné elektrárny Dukovany. 1981 – Uveden do provozu do současnosti největší elektrárenský uhelný blok o výkonu 500 MW v Mělníku. 1982 – Zprovozněna poslední klasická elektrárna na našem území s bloky 220 MW – Prunéřov II. 1983 – Zprovozněno vedení se jmenovitým výkonem 400 kV Slavětice – Durnrohr v Rakousku včetně tzv. stejnosměrné spojky. 1985 – Uveden do provozu první blok jaderné elektrárny Dukovany. 1987 – Zahájena stavba jaderné elektrárny Temelín. 1992 – Zahájena elektrárenská společnost ČEZ. 1992 – Vznik sdružení CENTREL sdružující provozovatele přenosových soustav ČR, Maďarska, Polska a Slovenska, jehož cílem bylo propojení jejich soustav se soustavou UCTE.
9
1993 – Trvale rozdělena soustava Mír následkem provozních potíží v elektrizační soustavě Ukrajiny, které souvisely s rozpadem SSSR. 1995 – Česká přenosová soustava trvale připojena k západoevropské soustavě UCTE sdružující prakticky všechny země kontinentální Evropy a česká energetika jako první hospodářské odvětví ČR vstoupila plně do Evropy (18. 10. 1995). 1996 – Zahájení provozu přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé stráně s výkonem 650 MW. 1998 – Dokončen rozsáhlý odsiřovací program českých elektráren (české elektrárny se staly z hlediska ekologie rovnocenné západoevropským. 2000 – Zavezeno palivo do prvního bloku jaderné elektrárny Temelín.
Rozdělení energetických soustav
1. Podle velikosti napětí
Nadřazené sítě zvn 400 kV přenášejí elektrickou energii mezi centry výroby a spotřeby v celostátním měřítku. Přenosové sítě vvn 110 kV a 220 kV přenášejí velké výkony z výroben do nadřazené soustavy. Distribuční sítě vn 22 kV a 35 kV přenášejí elektrickou energii z elektrárny nebo rozvodny do místa spotřeby. Jsou zásobeny ze soustavy vvn. Průmyslové sítě vn 3 x 6 kV, 3 x 10 kV a nn 3 x 230/400 V, 3 x 660 V jsou zásobeny přes transformační stanice ze sítí vn. 10
Sekundární sítě 3 PEN 50 Hz, 400 V zásobují elektrickou energií obyvatelstvo.
2. Podle proudové soustavy Střídavá – v současné době nejrozšířenější. Trakční soustavy – stejnosměrné a střídavé. Stejnosměrná přenosová – slouží pro přenosy na dlouhé vzdálenosti ( v ČR se nevyskytují). Výhody stejnosměrného přenosu: - vlastní vedení je levnější - nevyskytuje se kapacitní proud - lze propojit soustavy o různém kmitočtu a kvalitě. Nevýhody stejnosměrného přenosu: - nákladné střídačové a usměrňovačové stanice, - obtížné zapojení odbočky na vedení, - rušení slaboproudých zařízení, - nutnost výroby jalového výkonu v místě spotřeby.
Použití stejnosměrného přenosu: 11
- při velkých výkonech (P větších než 100 MW) - při velkých vzdálenostech (u vedení delších než 500 km) - u dlouhých kabelových vedení (napájení ostrovů) - při spojení dvou ES, které mají různou frekvenci (v ČR za minulého režimu stejnosměrné spojky), - při nutnosti zvýšení výkonu soustavy, jsme-li na hranici statické stability.
3. Podle spojení uzlu transformátoru se zemí a) Uzemněná síť b) Izolovaná síť c) Kompenzovaná síť a) Uzemněná síť Používá u napěťových úrovní 110, 220, 400 kV a u sítí nn 0,4 kV. V případě spojení fáze se zemí musí dojít k vypnutí – ochrana před nebezpečným dotykovým napětím v sítích nn.
12
Uzel má stále nulové napětí proti zemi a zdravé fáze mají napětí fázové. Soustava tedy může být dimenzována na fázové napětí. Dojde-li ke spojení fáze se zemí, napětí dané fáze klesne na nulu a zemí začne procházet zkratový proud Ik. Vzhledem k tomu, že odpor země je malý, je zemní proud velký. Tuto poruchu nazýváme jednofázový zemní zkrat a soustava se musí okamžitě vypnout. Napětí zdravých fází proti zemi zůstávají fázová. Tato soustava se používá u nízkého napětí 230/400 V pro bezpečnost osob a u velmi vysokého napětí pro menší náklady (krátký izolátorový řetězec).
b) Izolovaná síť
V bezporuchovém stavu jsou fáze proti zemi izolovány a uzel nemá napětí proti zemi. Při porušení izolace jedné fáze proti zemi má uzel fázové napětí a zdravé fáze mají sdružené napětí proti zemi. Proto musí mít celá soustava izolační hladinu dimenzovanou na sdružené napětí. Výhodou této soustavy je, že se může provozovat i při jednom zemním spojení.
13
Poruchu nazýváme jednofázové zemní spojení. Tuto soustavu lze při jednom zemním spojení po omezenou dobu provozovat. Proudy protékající zemí dosahují řádově 5 až 10 A. Izolaci těchto linek je nutno navrhovat na sdružené napětí.
Jelikož kapacita vedení je velmi malá, je malý i proud Ic. Kapacitní proud Ic je protlačen napětím zdravých fází proti zemi. Soustava se nevypíná (OZ - opětné zapnutí), pozor na krokové napětí.
Obr. 5. Krokové napětí
14
Krokové napětí vzniká v blízkosti zemniče nebo na zem spadlého vodiče, při průchodu poruchového proudu zemí. Je to zvláštní případ dotykového napětí, kdy člověk překlene svým krokem (uvažuje se délka kroku 1m) rozdíl potenciálu mezi dvěma místy v blízkosti zemniče nebo na zem spadlého vodiče. Podle doby trvání dělíme zemní spojení na: a) mžikové (doba trvání do 0,5 sekund) b) krátkodobé (doba trvání do 5 minut) c) přerušované (mžikové nebo krátkodobé, které se několikrát za sebou opakuje) d) trvalé (doba trvání až několik hodin – do zásahu obsluhy)
15
V souměrné síti je fázorový součet kapacitních proudů v bezporuchovém stavu roven nule.
16
17
18
19
c) Kompenzovaná soustava Při poruše izolace jedné fáze proti zemi prochází tlumivkou indukční proud a kompenzuje kapacitní proud v místě zemního spojení. Oblouk zhasne a síť může zůstat ještě v provozu. Proto se tyto soustavy nazývají zhášené.
Rozloha sítě, na které závisí velikost kapacitního zemního proudu, se může při provozu různě měnit, např. při rozdělení nebo rozšíření sítě, při spojení dvou sítí nebo při odpojení části sítě. Je proto nutno také vhodně měnit indukčnost zhášecí tlumivky. Výhodná je plynulá regulace změnou magnetického toku cívky. Měníme vzduchovou mezeru posouváním jádra cívky. Regulovat můžeme od 10 do 100 % jmenovitého proudu tlumivky ručně nebo automaticky s dálkovým ovládáním.
20
Soustavu lze provozovat se zemním spojením až do doby jeho odstranění. To je důležité zejména při napájení odběrů, jejichž výpadek by mohl způsobit velké ekonomické ztráty nebo by mohlo dojít k ohrožení zdraví. Stav soustavy je nutno sledovat například indikátorem zemního spojení. Při zemním spojení ne nutno poruchu urychleně lokalizovat a odstranit. Pokud by došlo ke spojení další fáze se zemí, nastane dvoufázový zemní zkrat, který způsobí vyřazení části nebo celé sítě z provozu.
Kompenzace zemních kapacitních proudů
Kapacitní zemní proudy se doporučují kompenzovat od 5 A. Nad 10 A je již kompenzace nutná. Ke kompenzaci se používá Petersenova zhášecí tlumivka (cívka), která je zapojena mezi uzlem transformátoru a zemí. Mezi uzel a zem se vloží tlumivka – Petersenova cívka nebo činný odpor nebo transformátor (Bauchův). Reaktanční prvky se nastaví tak, aby v případě spojení fáze se zemí kompenzovaly kapacitní proudy v místě poruchy. Místem zemního spojení teče zbytkový proud, přepětí nevzniká a rušení je minimální. Jinak zapojení zachovává vlastnosti sítě izolované. Takto jsou provedeny distribuční sítě vn 22 a 35 kV.
21
22
23
Elektrická zařízení v obytných a průmyslových objektech Elektroinstalační materiál Vodiče pro elektrické rozvody Druhy vodičů s určitými vlastnostmi volíme s ohledem na dané podmínky, které vyplývají z realizovaných elektrických rozvodů. Jsou to např. odolnost vodičů oproti teplotě okolí, agresivnímu ovzduší, zvýšenému nebezpečí mechanického poškození, vzhledem k podkladu při montáži vodičů. Použití vodičů pro elektrické rozvody je proto velmi náročné a zodpovědné i z hlediska bezpečnosti osob, které s nimi přicházejí do styku, jakož i z hlediska ochrany majetku (zamezení vzniku požáru, výbuchu apod.). Pro elektrické rozvody téměř vždy používáme izolované vodiče. Holé vodiče používáme v elektrárenských rozvodech jako ochranné vodiče, hromosvody. Úložné materiály pro vodiče Úložné materiály pro vodiče s příslušenstvím zabezpečují uložení vodičů z hlediska jejich mechanické ochrany, izolace a vlivu prostředí. Jedná se o trubky, lišty, krabice a krabicové rozvodky, vývodky a koncovky. Upevňovací materiál Upevňovací materiál zabezpečuje uchycení úložných materiál na podkladě nebo do podkladu. Patří sem různé příchytky, závěsy, šrouby, hřebíky, lepidla, tmely, sádra, cement atd. Spojovací materiál Spojovací materiál představují řadové svorkovnice, přístrojové svorkovnice, krabicové spojky, krabicové svorkovnice, kabelová oka, uzemňovací svorky a spojky pro pohyblivé přívody. Spojovací materiál se používá na spojování vodičů s instalačními přístroji, elektrickými rozvaděči a spotřebiči. 24
25
Obsah: Základní pojmy
str. 2
Vývoj energetické soustavy
str. 7
Rozdělení energetických soustav
str. 9
Elektroinstalační materiál
str. 23
Děkujeme za připomínky ostatních vyučujících, za jejich čas a ochotu. Jejich připomínky jsou zařazeny do tohoto inovovaného textu příručky.
26
