STŘEDNÍ ŠKOLA ELEKTROTECHNICKÁ, OSTRAVA, NA JÍZDÁRNĚ 30, p. o.
UŽITÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE
Ing. Petr VAVŘIŇÁK
2008 3. vydání
OBSAH 1.
VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE .......................................................................6 1.1. Základní pojmy .......................................................................................................6 1.1.1. Elektrizační soustava .......................................................................................6 1.1.2. Diagram denního zatížení ................................................................................6 1.1.3. Bilance výroby a spotřeby el. en. .....................................................................8 1.2. Energetické zdroje...................................................................................................9 1.3. Tepelné elektrárny...................................................................................................9 1.3.1. Technologické části tepelných elektráren ....................................................... 10 1.3.2. Turbíny a turboalternátory ............................................................................. 12 1.3.3. Kondenzační elektrárna ................................................................................. 15 1.3.4. Teplárna ........................................................................................................ 16 1.3.5. Plynová elektrárna ......................................................................................... 17 1.3.6. Paroplynová elektrárna .................................................................................. 17 1.4. Jaderné elektrárny ................................................................................................. 18 1.4.1. Jaderný reaktor .............................................................................................. 18 1.4.2. Štěpení jádra a fúze ....................................................................................... 20 1.5. Vodní elektrárny ...................................................................................................20 1.5.1. Rozdělení vodních elektráren ........................................................................ 21 1.5.2. Turbíny vodních elektráren ............................................................................ 22 1.6. Sluneční elektrárny ............................................................................................... 23 1.6.1. Fotovoltaické elektrárny ................................................................................ 25 1.6.2. Sluneční elektrárna věžová ............................................................................ 26 1.6.3. Sluneční elektrárna parková ........................................................................... 27 1.6.4. Solární kolektor ............................................................................................. 27 1.6.5. Palivový článek ............................................................................................. 28 1.7. Větrné elektrárny ..................................................................................................28 1.8. Další alternativní elektrárny .................................................................................. 31 1.8.1. Mořské elektrárny ......................................................................................... 31 1.8.2. Geotermální energie. ..................................................................................... 33 1.8.3. Elektrárny na biomasu ................................................................................... 34 1.8.4. Magnetohydrodynamické generátory (MHD) ................................................ 36
2.
ELEKTRICKÉ ROZVODNÉ SÍTĚ .......................................................................... 38 2.1. Požadavky kladené na elektrické sítě .....................................................................38 2.2. Dělení elektrických sítí.......................................................................................... 38 2.3. Elektrické parametry vedení .................................................................................. 41 2.4. Přirozený výkon vedení, vlnová impedance ........................................................... 46 2.5. Výpočet elektrických sítí nn a vn........................................................................... 47 2.5.1. Dimenzování vodičů ...................................................................................... 47 2.5.2. Výpočet ss sítí ............................................................................................... 51
2.5.3. Výpočet st sítí nn a vn ................................................................................... 56 2.5.4. Výpočet st sítí vvn ......................................................................................... 59 2.6. Problémy přenosu el. en. ....................................................................................... 60 2.7. Poruchové stavy na vedení .................................................................................... 61 2.7.1. Zkraty............................................................................................................ 62 2.7.2. Zemní spojení ................................................................................................ 65 2.7.3. Přepětí ........................................................................................................... 66 2.8. Rozvodny a transformovny ................................................................................... 67 2.8.1. Rozdělení, typy elektrických stanic................................................................ 67 2.8.2. Stavební provedení elektrických stanic .......................................................... 69 2.8.3. Transformovny .............................................................................................. 72 2.8.4. Proximita transormoven ................................................................................ 75 2.8.5. Pomocná zařízení rozvoden ........................................................................... 78 2.9. Připojení objektu k síti dodavatele elektrické energie ............................................ 79 2.9.1. Podmínky pro připojení k sítím .....................................................................79 2.9.2. Připojení objektu k síti dodavatele elektřiny .................................................. 79 3.
ELEKTRICKÝ OHŘEV A CHLAZENÍ ................................................................ 88 3.1. Základní veličiny a jednotky tepla ......................................................................... 88 3.2. Elektrické zdroje tepla ........................................................................................... 88 3.3. Šíření tepla ............................................................................................................ 90 3.4. Elektrotepelná technika v domácnostech ............................................................... 91 3.4.1. Tepelné spotřebiče na vaření ......................................................................... 91 3.4.2. Tepelné spotřebiče pro výhřev místností ........................................................ 92 3.4.3. Tepelné spotřebiče na ohřev teplé užitkové vody ........................................... 93 3.4.4. Ostatní tepelné spotřebiče pro domácnosti ..................................................... 94 3.5. Elektrotepelná technika v průmyslu ....................................................................... 95 3.5.1. Elektrické pece v průmyslu ............................................................................ 96 3.5.2. Elektrické svařování ...................................................................................... 98 3.5.3. Indukční ohřev .............................................................................................. 99 3.5.4. Dielektrický ohřev ....................................................................................... 100 3.6. Elektrické chlazení a klimatizace......................................................................... 100 3.6.1. Kompresorové chlazení ............................................................................... 100 3.6.2. Absorbční chlazení ...................................................................................... 102 3.6.3. Peltierovo chlazení ...................................................................................... 102 3.7. Klimatizace ......................................................................................................... 102 3.8. Tepelná čerpadla ................................................................................................. 104
4.
ELEKTRICKÉ SVĚTLO A OSVĚTLENÍ ........................................................... 107 4.1. Rozdělení elektromagnetických vln, rozdělení světelného spektra ....................... 107 4.2. Veličiny a jednotky světla ................................................................................... 108 4.3. Elektrické zdroje světla ....................................................................................... 110 4.3.1. Označování světelných zdrojů energetickými štítky ..................................... 111
4.3.2. Žárové zdroje světla .................................................................................... 113 4.3.3. Výbojové zdroje světla ................................................................................ 114 4.3.4. Polovodičové zdroje světla – LED dioda ..................................................... 120 4.3.5. Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů................................................ 122 4.4. Osvětlovací technika ........................................................................................... 123 4.4.1. Světelně technické parametry svítidel .......................................................... 124 4.5. Výpočet osvětlení ................................................................................................ 128 4.5.1. Tokové metody............................................................................................ 129 4.5.2. Bodové metody ........................................................................................... 132 5.
ELEKTRICKÉ POHONY ....................................................................................... 135 5.1. Základní veličiny pohybu a vztahy mezi nimi ...................................................... 135 5.2. Pohybové stavy ................................................................................................... 141 5.2.1. Rozběh a zrychlování .................................................................................. 141 5.2.2. Chod ustálenou rychlostí ............................................................................. 141 5.2.3. Zpomalování a zastavení ............................................................................. 142 5.3. Definice elektrického pohonu .............................................................................. 142 5.4. Výhody a nevýhody elektrických pohonů ............................................................ 143 5.4.1. Výhody elektropohonu ................................................................................ 143 5.4.2. Nevýhody elektropohonu............................................................................. 144 5.4.3. Srovnání stejnosměrných a střídavých pohonů (výhody a nevýhody) ........... 144 5.5. Druhy poháněných (mechanismů) ....................................................................... 145 5.5.1. Mechanická (zatěžovací) charakteristika pracovních strojů .......................... 145 5.6. Statická stabilita pohonů ..................................................................................... 146 5.7. Druhy zatížení ..................................................................................................... 147 5.8. Volba velikosti motorů ........................................................................................ 148 5.8.1. Volba motoru pro trvalé zatížení.................................................................. 148 5.8.2. Volba motoru pro přerušované zatížení........................................................ 150 5.8.3. Volba motoru pro krátkodobé zatížení ......................................................... 150
6.
ELEKTRICKÁ VÝZBROJ MOTOROVÝCH VOZIDEL ..................................... 152 6.1. Zdroje elektrické energie ve vozidle .................................................................... 152 6.1.1. Alternátory .................................................................................................. 152 6.1.2. Akumulátory ............................................................................................... 153 6.2. Spotřebiče elektrické energie ve vozidle .............................................................. 154 6.2.1. Spouštěče .................................................................................................... 154 6.2.2. Zapalování .................................................................................................. 155
1. VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE 1.1. Základní pojmy 1.1.1. Elektrizační soustava Je složena z části výrobní, tedy elektráren všeho druhu, dále z přenosné a rozvodné soustavy a ze spotřebičů el. en. Přenosové soustavy slouží k přenosu velkých výkonů mezi hlavními uzly elektrizační soustavy. Rozvodné soustavy mají za úkol rozdělit el. en. z napájecích uzlů do jednotlivých skupin nebo oblastí spotřebičů (popř. k jednotlivým spotřebičům). Veřejné rozvodné soustavy slouží k napájení oblastí terciální sféry (byty) a jsou z nich napájeny i rozvodné sítě průmyslové, zemědělské a dopravní. El. soustava i každá její část musí nejvhodnějším způsobem plnit tyto požadavky: a) zajišťovat dostatečnou, spolehlivou a kvalitní dodávku el. en. spotřebitelům b) pracovat s velkou účinností c) výrazně snižovat pracnost prací v provozu a údržbě soustavy d) zajišťovat bezpečnost osob e) zabraňovat nepříznivým vlivům soustavy na okolí (na životní prostředí) f) využívat odpadního tepla g) umožňovat řízení odběru el. en. h) být materiálově nenáročná 1.1.2. Diagram denního zatížení Je to závislost okamžitého výkonu na čase Z diagramu denního zatížení lze zjistit tyto hodnoty: Maximální zatížení P max – je to maximální zatížení za sledované období a je určeno nejvyšší okamžitou hodnotou. Minimální zatížení Pmin –
je to minimální zatížení za sledované období a je určeno nejnižší okamžitou hodnotou.
Základní zatížení P zákl –
je to výkon, který dodávají základní elektrárny, leží pod minimálním zatížením.
Střední zatížení P stř –
je to trvalé zatížení odpovídající zatížení, při kterém by zařízení dosáhlo za celé sledované období téže práce jako podle průběhu diagramu denního zatížení. Pstř = W / T.
6
Pmax.
Pstř.
Pmin.
Pzákl.
P [MW]
3
6
Pološpičkové zatížení –
9
12
15
18
21
24 t [hod]
je to část zatížení nacházející se mezi základním zatížením a zatížením středním.
Špičkové zatížení –
je to zatížení nad středním zatížením.
Čtvrthodinové maximum – největší zatížení trvající 15 minut Doba využití maxima –
je to doba ve které se při maximálním zatížení vyrábí stejná el. en. jako při proměnlivém zatížením za zkoumané období T ( se zároveň dá určit jako strana obdélníka o ploše odpovídající vykonané práci W a jehož druhou stranou je maximální zatížení P max)
Zatěžovatel –
je to poměr středního a maximálního výkonu nebo poměr doby využití maxima a celkové doby zkoumaného období
Pstř 1 Pmax T
Energetický rok –
trvá 8 760 hodin
Základní elektrárny –
kryjí spotřebu elektrické energie danou základním zatížením, doba využití maxima je u nich víc jak 6000 hodin za rok. Patří sem jaderné, velké tepelné a průtočné elektrárny.
7
Pološpičkové elektrárny – kryjí spotřebu danou střední částí diagramu zatížení, doba využití maxima je u nich až 4500 hodin za rok. Jedná se o tepelné elektrárny na dovážené palivo a vodní elektrárny s denní akumulací. Špičkové elektrárny –
pracují ve špičkové části diagramu denního zatížení, doba využití maxima je u nich až 1500 hodin za rok. Jsou většinou plně automatizované, dálkově řízené, jsou schopny už během několika minut dodávat elektrickou energii. do sítě. Patří sem například vysokotlaké vodní elektrárny s akumulací, přečerpávací vodní elektrárny, plynové elektrárny či elektrárny s leteckými motory.
1.1.3. Bilance výroby a spotřeby el. en. Převážná část elektráren dnes pracuje paralelně do el. soustavy. Ta se skládá ze tří částí – výrobní, přenosové a spotřební, přičemž výroba a přenos závisí na spotřebě elektrické energie a to jak co do množství tak i časového rozložení výkonu. V zásadě tedy platí tzv. bilanční rovnice výroby a spotřeby elektrické energie: WV – WE – WZ = WS , kde WV je el. en. vyrobená v elektrárnách, WE je el. en. spotřebovaná na provoz elektrárny, WZ je el. en. ztracená v přenosové soustavě, WS je el. en. odebraná spotřebiteli. Podobně pro každý časový okamžik platí rovnice výkonová: PV – PE – PZ = PS , kde PV je el. výkon na výstupu z generátorů, PE jsou výkonové ztráty dané provozem elektrárny, PZ jsou ztráty výkonu v přenosové soustavě, PS je el. příkon všech spotřebitelů v elektrizační soustavě. V samotné elektrárně rozeznáváme několik druhů výkonů: Instalovaný výkon elek. – je to součet jmenovitých činných výkonů všech alternátorů elektrárny. Dosažitelný výkon elek. – je to nejvyšší činný výkon, kterého může elektrárna dosáhnout. U dnešních moderních elektráren se rovná
8
výkonu instalovanému. Pohotový výkon elek. –
je to nejvyšší činný výkon, kterého může elektrárna dosáhnout v určitém období s ohledem na všechny technické a provozní podmínky. Je to tedy dosažitelný výkon mínus výkon strojů odstavených z důvodu plánovaných oprav nebo poruchy (u vodních elek. závisí též na stavu vody).
1.2. Energetické zdroje Energetické zdroje nám poskytuje sama příroda (tzv. primární zdroje), tyto často upravujeme pro jejich efektivnější využití (tzv. sekundární zdroje). Primární zdroje elektrické energie jsou například: fosilní paliva, jaderná reakce, voda, sluneční záření, vzduch, rostlinstvo, geofyzikální teplo, mořský příliv a odliv, mořský příboj. Mezi zdroje sekundární patří například: koks, nafta, mazut, dřevní štěpka, peletky a další. Prvotní zdroje energie rozdělujeme též podle jejich množství v přírodě na vyčerpatelné zdroje (fosilní paliva, látky pro jadernou reakci) a zdroje nevyčerpatelné neboli obnovitelné (voda,sluneční záření, vzduch, rostlinstvo, …). Podle možnosti dopravy dělíme zdroje na zdroje schopné přepravy (fosilní paliva i upravená, látky pro jadernou reakci, dřevěná štěpka, peletky, …) a zdroje neschopné přepravy (voda, geotermální teplo, sluneční záření, vzduch, …).
1.3. Tepelné elektrárny Všechny tepelné elektrárny využívají přeměny energie paliva na vytvoření ostré páry, která pohání turbínu (výjimku tvoří plynová turbíny poháněná přímo spalinami). Principiálně lze parní elektrárny rozdělit podle paliva (pevné, kapalné,plynné), podle druhu kotle (velkoprostorové, vodotrubné, průtočné), podle druhu turbíny (kondenzační, rovnotlaké, protitlakové, přetlakové, jednostupňové vícestupňové). Existuje tedy velká škála různých tepelných elektráren, které často bývají doplněny pro zvýšení celkové účinnosti o výrobu tepla.
9
V kondenzačních elektrárnách se pro výrobu elektrické energie využije asi 25-35% tepla obsaženého v palivu. Stejná je i tepelná účinnost elektrárny, neboť teplo z kondenzátoru jde do chladících věží a uniká do ovzduší (okolo 3% tepla se vrací do elektrárny pro jeho technologické využití např. pro předehřev napájecí vody, pro vyhřívání prostoru strojovny atd.). V teplárnách je situace značně příznivější i přesto, že pro výrobu elektrické energie se využije jen 15-20% energie obsažené v palivu. Ale protože část tepelné energie se dodává spotřebitelům k vytápění domácností a část se využívá k technologickým účelům (odebírá se z jednotlivých stupňů odběrových turbín) dosahuje tím celková účinnost až k 80%. 1.3.1. Technologické části tepelných elektráren Každá tepelná elektrárna má několik výrobních okruhů: - okruh paliva - okruh škváry a popela (u uhelných) - okruh vody a páry - okruh chladící vody (u kondenzačních) - okruh vzduchu a kouřových plynů - okruh elektrický
10
Podle těchto okruhů se dělí zařízení elektrárny do tří částí: - palivové hospodářství (okruh paliva a okruh škváry a popela) - kotelna (okruh vody a páry a okruh vzduchu a kouřových plynů) - strojovna (okruh elektrický a okruh chladící vody) Palivové hospodářství je různé podle druhu použitého paliva. Společné všem jsou například doprava a skladování paliva. Pro uhlí jsou specifické například rozmrazovače, sušiče nebo mlýny. Pro kapalná paliva jsou nutná odkalovací zařízení nebo ohřívače (mazut tuhne už při + 10°C). Plynná paliva musí být například vyčištěny od rozptýlených částeček apod. Hlavní částí kotelny je kotel vyrábějící páru pro pohon turbíny. V kotli dochází ke spalování paliva a tím se zahřívá voda, která se přeměňuje v sytou páru. Dříve se celý proces vypařování prováděl v tzv. bubnu (velkoprostorové kotle), dnes se používají buď kotle vodotrubné nebo kotle průtočné. V obou typech kotlů dochází k vypařování vody v trubkách, které zlepšují tepelnou výměnu a navíc i pro danou teplotu a tlak páry jim stačí tenčí stěny (vodotrubné kotle mají buben umístěný mimo prostor ohniště, průtočné nemají buben žádný). Další části kotelny je přehřívák páry, který bývá součástí kotle. V něm se sytá pára přehřívá na tzv. páru ostrou (až 18 MPa, až 560°C). V kotelně je dále umístěn ohřívák vody, který předehřívá vodu vstupující do kotle na teplotu vyšší než je tzv. rosný bod kotle (orosení kotle zapříčiňuje především nižší účinnost a nebezpečí koroze). V kotelně je též umístěn ohřívák vzduchu a ventilátor přivádějící tento vzduch do kotle. V neposlední řadě je zde též kouřový ventilátor odvádějící kouř ze spalovacího prostoru kotle do zařízení pro čištění kouřových plynů. Kouřově plyny se čistí v tzv. odlučovačích od popílku a v tzv. odsiřovačích od oxidu siřičitého. Odlučovače jsou buď mechanické nebo elektrostatické. Nejpoužívanější mechanické odlučovače jsou odlučovače cyklónové suché nebo mokré (zvyšují účinnost zvlhčením částic popílku vodou), které přivádějí spalinové plyny do rotace a pevné částice popílku jsou odstředivou silou vytlačovány k vnějšímu obvodu a zde klesají do sběračů. Elektrostatické odlučovače využívají zachycování částic popílku na elektrostaticky nabité mříži přes kterou spaliny prochází. Odsiřovače využívají buď chemické reakce oxidu siřičitého se čpavkem nebo tzv. vápenou metodu kdy oxid siřičitý se mísí s vodou na kyselinu sírovou a ta při reakci s vápnem tvoří směs zásady a kalu. Ve strojovně je umístěno vlastní turbosoustrojí složené z turbíny, turboalternátoru a budiče. V kondenzačních elektrárnách je pod turbínou umístěn kondenzátor s okruhem chladící vody. Úkolem turbíny je přeměna tepelné energie páry na mechanickou práci na hřídeli, tato přeměna má dvě fáze nejprve se potenciální energie páry mění na lopatkách rozváděcího kola 11
na energii kinetickou a ta se pak mění na lopatkách oběžného kola na energii mechanickou. Mechanická energie na hřídeli turbíny pak pohání turboalteránor a ten vyrábí elektrickou energii. Je-li použit rotační budič je na stejné hřídeli a je též poháněn turbínou. 1.3.2. Turbíny a turboalternátory Turbíny se rozdělují podle několika hledisek: - podle procházejícího média na turbíny parní, plynové a kombinované. - podle tlaku před lopatkami oběžného kola a za nimi na turbíny rovnotlaké neboli akční a přetlakové neboli reakční. - podle stupně expanze páry na oběžných kolech na turbíny protitlakové a kondenzační. - podle směru tlaku páry vzhledem k hřídeli na turbíny axiální a radiální. - podle rozdělení tlakového spádu na stupně jsou turbíny jednostupňové a vícestupňové. - podle tlaku páry se dělí turbíny na nízkotlaké (do 1,6 MPa), středotlaké (do 4,5 MPa), vysokotlaké (do 13 MPa) a s velmi vysokým tlakem (nad 13 MPa). Parní turbíny se užívají v elektrárnách spalujících uhlí nebo kapalné paliva a v elektrárnách jaderných. Pracují s vysokými teplotami a tlaky pracovního média. Každá turbína sestává z mnoha stacionárních a rotujících částí, jež jsou soustředěny do několika skupin či stupňů. Pára o vysokém tlaku nejprve vstoupí do stacionárních lopatek, je urychlena a nabude vyšší kinetickou energii tím, že se snižuje její tlak. Proud páry je pak veden do rotující části a dodává jí točivý moment. Proud páry je veden v osovém směru turbíny, snižuje se její tlak a zvyšuje se její objem. Délka lopatek se ve směru proudění musí zvyšovat, aby se turbína vyrovnala s rostoucím objemem páry. Výkonová turbína může sestávat ze tří a více stupňů na společné hřídeli. Jak se pára vede z jednoho stupně do následujícího, je možno ji přihřívat a tím zvyšovat její entalpii a tím i celkovou účinnost parního procesu. Tepelná účinnost moderních parních turbín se pohybuje kolem 45 %. Parní turbíny lze klasifikovat na turbíny bez přihřívání a s jednoduchým či dvojitým přihříváním. Turbíny bez přihřívání se používají u menších jednotek do výkonu 100 MW. Nejobvyklejší jsou turbíny s jednoduchým 12
přihříváním a třemi stupni: vysokotlakým, středotlakým a nízkotlakým. Pára proudí z kotle přes hlavní bezpečnostní ventil a regulační ventil do vysokotlakého stupně. Po částečné expanzi se pára vede zpět do kotle, kde se přihřeje a zvýší se její entalpie. Odtud proudí přes další bezpečnostní a regulační ventily do středotlakého stupně, kde dále expanduje a vykonává práci. Ze středotlakého stupně proudí dále do stupně nízkotlakého. Odtud se vede do kondenzátoru, čímž je cyklus ukončen. Dodávají-li uvedené 3 stupně turbíny moment o velikosti 100 %, dělí se příspěvek dílčích stupňů přibližně v poměru 30, 40 a 30 %. Pokud má turbína 4 stupně, je vysokotlakému stupni předřazen ještě stupeň o velmi vysokém tlaku. V takovém případě je rozložení příspěvků 20, 20, 30 a 30 %. Plynové turbíny pracují se vzduchem, přičemž palivem je zemní plyn či olej. Nejznámější uspořádání je systém s otevřeným regeneračním cyklem sestávajícím z kompresoru, spalovací komory a turbíny . Palivo je dodáváno regulačním ventilem do spalovací komory, kde se spaluje za přítomnosti ohřátého a stlačeného vzduchu dodaného kompresorem. Tento vzduch spolu se zplodinami spalování je veden do turbíny, kde expanduje a vzniklou kinetickou energii předává lopatkám turbíny podobně jako v turbíně parní. Médium vycházející z turbíny se používá k přihřívání vstupního vzduchu. Samozřejmě existují i sofistikovanější systémy využívající meziochlazování či přihřívání. Typická účinnost systému s plynovou turbínou se pohybuje na úrovni 35 %. U plynových turbín s kombinovaným cyklem se zplodiny vedou z turbíny do kotle, v němž ohřívají páru a ta je použita pro výrobu elektrické energie v běžné parní jednotce. Běžná teplota zplodin v plynové turbíně je 535 °C, takže jejich následným zužitkováním lze významně zvýšit účinnost systému až na 55 %. Obvykle přitom dvě až tři plynové turbíny 13
dodávají zplodiny na ohřev páry pro jednu parní turbínu. Plynové i parní turbíny přitom mohou být na jedné hřídeli. Rozvoj těchto systémů je v poslední době dost intenzívní, protože kromě vysoké účinnosti mají mnoho dalších výhod a mezi hlavní patří nízké náklady a kratší doba potřebná k vybudování (obě položky jsou zhruba poloviční s ohledem na klasické systémy parní). Prakticky zde neexistují emise SO2, vyžadují menší údržbu a je zde daleko snazší manipulace se vstupními médii. Turboalternátory jsou rychloběžné synchronní alternátory poháněné parní turbínou a skládají se ze statoru, rotoru a budiče. Jsou to většinou dlouhé stroje s malým průměrem a jejich s hřídel je uložena vodorovně. Stator: Do svařované nebo odlité kostry je vložen svazek statorových plechů, které jsou buď vcelku nebo u velkých strojů poskládány ze segmentů. Na vnitřním průměru těchto plechů jsou drážky v nichž je uloženo izolovaně třífázové vinutí. Začátky a konce vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Rotor: Mají rotor tvořený plným hladkým válcem vykovaným z jednoho kusu legované oceli (chromniklová ocel s příměsí molybdenu). Na asi dvou třetinách obvodu tohoto válce jsou podélně vyfrézovány drážky ve kterých je uloženo dvoupólové budící vinutí. Vinutí je uzavřeno v drážkách bronzovými klíny (ty jsou často spojeny kruhy nakrátko a tvoří amortizér) a čela vinutí jsou zajištěna bandážovacími kruhy z nemagnetické oceli. Magnetická indukce ve vzduchové mezeře má přibližně tvar lichoběžníku, avšak vzhledem k časovému posunu jednotlivých napětí a vzhledem k velkému počtu drážek na pól a fázi (3 až 4) má výsledné indukované napětí téměř přesně sinusový průběh.
Budič Slouží k napájení budícího vinutí rotoru a tím k vytvoření potřebného magnetického pole 14
jedná se nejčastěji o cize buzené nebo derivační dynamo otáčející se přímo na stejné hřídeli jako turboalternátor. Princip synchronního alternátoru: Rotor je buzen stejnosměrným proudem, takže se vytvoří statické magnetické pole. Budemeli tímto rotorem otáčet synchronními otáčkami, vytvoří se ve vzduchové mezeře točivé magnetické pole. Indukce v každém bodě vzduchové mezery se bude měnit sinusově. Bude se tedy do každé cívky statorového třífázového vinutí indukovat napětí ui = ..sin t, tedy maximální hodnota napětí pro N závitů bude Ui = .. N = 2..f..N . Toto napětí pak odebíráme ze svorek statoru. 1.3.3. Kondenzační elektrárna
Sytá pára vyrobená v kotli se přehřeje v přehřívači na vyšší teplotu a tlak čímž vzniká tzv. ostrá pára. Ostrá pára je přiváděna do kondenzační turbíny, kterou roztáčí. Turbína je spojena s hřídelí turbogenerátoru a ten vyrábí pomocí otáčejícího se rotoru elektrickou energii. Pára která v turbíně vykonala práci odchází do kondenzátoru (umístěného pod turbínou), kde je vývěvou držen nízký tlak. Pára omývá trubky s chladící vodou a na jejich stěnách kondenzuje. Z kondenzátoru je voda čerpadlem přiváděna přes nízkotlaký regenerační ohřívák vody do napájecí nádrže, odtud pak přes vysokotlaký regenerační ohřívák vody zpět do kolte. Palivo spalované v kotli odevzdává tepelnou energii vodě a páře a část nevyužitého tepla je ve formě spalin odváděna jako komínová ztráta do ovzduší (přes mechanické a elektrostatické odlučovače). Účinnost kondenzační elektrárny na uhlí je nejvýše asi 42%.
15
1.3.4. Teplárna Jak již bylo řečeno teplárna má oproti kondenzační elektrárně větší celkovou účinnost, neboť část tepelné energie páry ještě využije pro ohřev domácností nebo pro technologické účely. Teplárny využívají pro výrobu elektrické energie například tzv. rovnotlaké turbíny, tedy turbíny u kterých je tlak páry na výstupu téměř stejný jako na vstupu a tato pára se dále využívá pro ohřev. Další možností je pak použití dvou turbín rovnotlaké a kondenzační, případně několika stupňové turbíny, kde z vysokotlakých stupňů se odebírá pára pro ohřev a nízkotlaký stupeň je zakončen kondenzátorem. Pára z kotle se vede do protitlakové turbíny a odtud po expanzi k vnějšímu spotřebiteli tepla. Kondenzát od spotřebičů se dopravuje zpět do kotle. Teplo v páře za protitlakovou turbínou se zcela využije u spotřebitele a neztrácí se. Okamžitý elektrický výkon turbosoustrojí je určen průtokem páry turbínou nastaveným podle odebíraného tepelného výkonu u spotřebitelů. Redukční stanice slouží pro zajištění požadovaného tepelného výkonu tehdy, když při čistém provozu přes protitlakovou turbínu tento nelze zajistit. Nevýhodou tohoto druhu teplárny je závislost výroby elektrické energie na dodávce tepla a tedy při nulovém odběru tepla nelze vyrábět ani elektrickou energii. Pokud chceme zajistit větší nezávislost výroby elektrické energie a tepla (s cílem zvýšit výrobu elektrické energie) pak teplárna musí být kromě protitlakové turbíny vybavena i kondenzační turbínou nebo musí být vybavena vícestupňovou kondenzační turbínou s regulovaným vysokotlakým odběrem. 16
1.3.5. Plynová elektrárna Generátor pohání plynová turbína roztáčená spalinami vzniklými hořením paliva ve spalovací komoře (obvykle spalují plyn, lehký topný olej, petrolej, mazut, apod.). Celý agregát se musí nejdříve roztočit motorem, který se po rozběhu odpojí spojkou. Motor roztočí kompresor, který stlačuje přiváděný vzduch a vhání jej do spalovací komory, tam dojde k hoření a spaliny odchází do turbíny, která po odpojení motoru sama točí kompresorem. Výhodou plynové elektrárny je její pohotovost – do dvou minut je přivedena do provozu a nafázována na síť. Nevýhodou pak malá účinnost. 1.3.6. Paroplynová elektrárna
Jedná se o kombinaci plynové turbíny a klasického parního oběhu, čímž se podstatně zvyšuje účinnost výroby elektrické energie. Důvodem k sestrojení takové elektrárny na uhlí vedla konstruktéry vysoká cena plynu a ropy. Jednou z možností je tzv. tlakové fluidní spalování. Vzduch je stlačován v kompresoru s mezichladičem (zvyšuje účinnost) a je vháněn do tlakového kotle. Uhlí je do kotle dopravováno pomocí čerpadla v podobě pasty s vodou a vápencem (slouží k odsíření). Spaliny předávají teplo parnímu okruhu. V cyklónových odlučovačích se zbaví větší části popílku a poměrně „čisté“ vstupují do plynové turbíny, kde konají práci. Před vstupem do komína ještě ohřívají napájecí vodu v parním okruhu a procházejí odlučovači popílku, kde se definitivně vyčistí. Parní oběh se principiálně neliší od klasické parní elektrárny. Účinnost takovéhoto paroplynového cyklu může dosahovat až 55%.
17
1.4. Jaderné elektrárny Jedná se v podstatě opět o tepelnou elektrárnu, jejíž turbína je poháněna ostrou párou, ale tato pára je vyráběna v parogenerátoru teplem primárního média ohřátého v reaktoru.
Jaderná elektrárna se skládá z hlavního výrobního bloku, chladicích věží a mnoha dalších pomocných provozů, jako je např. čisticí stanice chladící vody, dieselagregát, hospodářství s čerstvým a vyhořelým palivem atd. Vlastní výroba elektrické energie probíhá v tzv. hlavním výrobním bloku, který se v sobě ukrývá primární, sekundární a chladící okruh. Primární okruh je celý uložen v ochranné obálce kontejnmentu z předpjatého betonu. Skládá se z vlastního reaktoru, bazénu vyhořelého paliva, kompenzátoru objemu, parogenerátoru a hlavních cirkulačních čerpadel. V parogenerátoru se pomocí chladicí vody z reaktoru o teplotě asi 324°C ohřívá voda sekundárního okruhu a mění se na ostrou páru. Sekundární okruh vede z parogenerátoru páru do turbíny, kde roztáčí elektrický generátor. Pára odchází z turbíny do kondenzátoru ve kterém je chlazena prostřednictvím třetího chladicího okruhu. Chladicí voda se z kondenzátoru vede do chladicích věží, kde se z výšky asi 15 m rozstřikuje a chladí protitahem proudícího vzduchu. 1.4.1. Jaderný reaktor Existuje mnoho různých typů jaderných reaktorů. Nejrozšířenějším typem jsou tlakovodní reaktory (PWR - pressurized water reactors). U nás se jedná o reaktory označené VVER 440 (Dukovany) a VVER 1000 (Temelín). Palivem je zde oxid uraničitý ve formě tabletek seřazených do palivových proutků. Proutky tvořené zavařenými trubkami ze zirkoniové slitiny tvoří palivovou kazetu. Paliva je v reaktoru přibližně 80 tun a jednou ročně se vymění asi jedna čtvrtina vyhořelého paliva za čerstvé. V palivu dochází ke štěpné reakci. Jádra atomu uranu se štěpí pomalým neutronem na dvě lehčí jádra a dva nebo tři další neutrony. Štěpné úlomky odlétají velkou rychlostí a díky jejich kinetické energii se ohřívá chladivo. Vylétající neutrony jsou rychlé, a proto aby mohly 18
rozštěpit další jádra uranu, musí být zpomaleny tzv. moderátorem, což je opět voda. Průběh štěpné reakce se řídí tzv. regulačními tyčemi. Tyče obsahují látku, která pohlcuje neutrony, tzv. absorbátor (bór, kadmium). Pomocí zasouvání a vysouvání tyčí se řídí počet volných neutronů, které se účastní dalších štěpných reakcí. Řetězová štěpná reakce se tak dá zpomalit, nebo úplně zastavit. Chladivem i moderátorem zároveň je u tlakovodních reaktorů obyčejná, neboli lehká voda. Ta je udržována pod tlakem asi 15 MPa a její teplota při výstupu z reaktoru se pohybuje kolem 324°C (u reaktorů jiných typů se jako moderátor používá například těžká voda D2O či grafit, jako primární médium se kromě vody používá D2O, CO2, He). Reaktor je tvořen tlakovou nádobou se silnými stěnami (asi 20 cm) z nerez oceli. Má hmotnost 320 tun a rozměry: výška 11 m, průměr 4,5 m. I s nadstavbou, kterou tvoří regulační tyče a jejich pohony, je celý reaktor vysoký asi 20 m. Aktivní zóna, v níž jsou umístěny palivové kazety, má výšku 3 m a průměr 3,5 m. Ocelová tlaková nádoba je zároveň prvním krytem reaktoru, který chrání proti úniku radioaktivních látek při menších poruchách. Dále je tlustý betonový kryt proti biologickým účinkům záření. Mezi ocelovým a betonovým krytem bývá vodní izolace. Vedle toho mívá reaktor tepelnou izolaci, podobnou jako u obyčejných kotlů. Celý reaktor i s ochrannými kryty bývá někdy uzavřen do velké ocelové tlakové nádoby, aby se při nejvážnějších haváriích zabránilo pronikání intenzivního radioaktivního záření ven do okolí. Tento kryt mívá značné rozměry a může být zpřístupněn obsluhujícím pracovníkům. Pro bezpečnost provozních pracovníků jsou prostory jaderné elektrárny rozděleny na prostory se stálou obsluhou (např. strojovna, elektrická dozorna, rozvodna apod.), s občasnou obsluhou (reaktorový sál, prostory s měřícími přístroji, apod.) a na prostory bez obsluhy (prostory primárního okruhu). 19
1.4.2. Štěpení jádra a fúze V přírodě dochází u některých. těžkých jader k spontánnímu štěpení. Samovolné štěpení je jedním z druhů přírodní radioaktivity. Jádro se rozpadá na dvě lehčí jádra samo, bez toho, že by do něho musel narazit neutron. Tento typ radioaktivity se vyskytuje u uranu a transuranových prvků. Umělé štěpení jader uranu pomocí neutronů objevil německý profesor Otto Hahn v roce 1939. Pomalý neutron narazí do jádra uranu, jádro se stane nestabilním a rozpadne se na dva přibližně stejné štěpné produkty, přičemž vylétne několik neutronů. Proces štěpení probíhá přibližně 10 až 14s. Odlétající nová jádra mají velkou kinetickou energii, čehož se využívá v jaderném reaktoru, kde se pomocí této energie ohřívá chladicí médium. Vzniklé neutrony po zpomalení mohou rozštěpit další jádra uranu. Rozvíjí se tak řetězová štěpná reakce. Erniko Thermi stanovil podmínky samovolného štěpení jader - neutrony musí mýt určitou rychlost a musí být pohromadě určité tzv. kritické množství štěpného prvku. 1 139 95 1 Příklad: 235 92 U 0 n 56 Ba 36 Kr 20 n , Er = 200 MeV
Opakem štěpení je slučování jader, tzv. fúze. Probíhá samovolně v nitru Slunce a dalších hvězd. Lehká jádra se slučují při vysokých tlacích a teplotách 40 až 350 milionů°C podle typu reakce, vzniká těžší jádro a uvolňuje se energie. Této reakci se také říká termojaderná syntéza. Příklady:
2 1
D 21D23 He 01n , Er = 3,26 MeV
2 1
D31T42 He 01n , Er = 17,6 MeV
1.5. Vodní elektrárny Budování vodních děl má mimořádný význam pro regulaci vodních toků, pro hospodaření s vodou, zajištění zavlažování, plavbu i pro vytváření
rekreačních oblastí. Stavba a
provozování elektráren znamená využití nevyčerpatelných vodních zdrojů pro výrobu
Q
elektrické energie. V naší zemi, kde není dostatek velkých vodních zdrojů pracují především jako doplňkové elektrárny k 20
L
H
velkým energetickým kolosům, kterými jsou tepelné elektrárny na fosilní paliva nebo uran. Doplňují a vyrovnávají tedy okamžitou energetickou bilanci v elektrizační síti. Jejich velkou předností je možnost náběhu ve velmi krátké době, s velkým výkonem (i odstavování). Výhodou vodních elektráren je kromě toho možnost akumulace elektrické energie ve větším měřítku vytvářením akumulačních vodních nádrží a jejich využitím pro pohon vodních turbín ve vhodných obdobích podle potřeby diagramu elektrického zatížení. Mechanická práce vodního. toku v určitém úseku L za libovolný čas t je úměrná jak množství vody, protékající průřezem koryta za jednotku času, tak i sklonu řečiště neboli spádu v uvedeném úseku: W = Q . . H . t . 1000 [Nm], kde Q je množství vody [m3s-1], je měrná tíha vody 9810 Nm-3 a H je spád [m] (H = L . sin ). Výkon vodního toku ve kterém se přemístí množství vody Q je P = Q . H [Nms-1], nebo-li P = 9,81 . Q . H [kW]. 1.5.1. Rozdělení vodních elektráren Paleta vodních elektráren je velmi široká, jsou elektrárny ledovcové, elektrárny přečerpávací, elektrárny velké i elektrárny malé. Nelze zcela vyčerpat všechna hlediska, podle kterých jsou vodní elektrárny tříděny a rozlišovány. Všechny bez rozdílu však využívají přeměnu polohové a pohybové energie vody v mechanickou energii turbíny a tu pak v energii elektrickou pokud možno s co nejmenšími ztrátami. K tomu je potřeba soustředit spád vody na turbínu v některém místě využívaného úseku. Při daném průtočném množství Q lze zvětšit výkon elektrárny a tím i výrobu elektrické energie zvýšením spádu. Podle spádu se vodní elektrárny rozdělují na: Nízkotlaké, u nichž voda přitéká do budovy elektrárny přiváděčem s volnou hladinou se spádem do 20 m. Přičemž tyto elektrárny mají minimální akumulaci vody a hltnost jejich turbín je menší než průtok vody. Pracují v základním režimu zatěžovacího diagramu, tedy asi 6000 h ročně. Středotlaké, u nichž je přívod vody před budovou elektrárny proveden nejčastěji potrubím se spádem do 100 m. Hltnost jejich turbín je menší než maximální průtok vody a pracují okolo 4500 h za rok. Vysokotlaké, u nichž je přívod vody před budovou elektrárny proveden tlakovým potrubím se spádem nad 100 m. Budují se v oblastech s možností velké akumulace vody, hltnost turbín je větší než maximální průtok a jsou využívány ročně asi 1000 h. Podle způsobu provozu se dělí vodní elektrárny na: 21
Průtočné (bez akumulace), které využívají řečištěm protékající množství vody až do úplné hltnosti turbín, na něž je elektrárna dimenzována a zbytek průtoku nad využitelnou mez danou hltností vodních turbín přepadá jalově přes jez. Takové elektrárny pracují vždy v základní části diagramu denního elektrického zatížení. Akumulační s přirozenou akumulací (regulační), jež jsou schopny udržovat a regulovat vodní průtoky. Voda pro turbíny se odebírá z nádrží, v nichž lze s vodou hospodařit. Voda k turbínám se přivádí potrubím. Při nadbytku vody se tato přepouští přes přepad hráze. Regulační elektrárny tedy pracují v pološpičkové popřípadě ve špičkové části diagramu denního zatížení. Akumulační s umělou akumulací (přečerpávací) v těchto elektrárnách se voda přečerpává v dobách mimo elektrickou špičku (v noci, v poledne) do výše položené nádrže, z níž se pak ve špičkách odebírá pro pohon vodních turbín vyrábějících elektrickou energii. 1.5.2. Turbíny vodních elektráren Pro provoz vodních elektráren se používají čtyři základní typy turbín, a to Francisova turbína, Kaplanova turbína, Peltonova turbína (Peltonovo kolo) a Bánkiho turbína. Francisova turbína je přetlaková turbína (tlak vody před turbínou je větší než za ní), která je schopná zajišťovat současnou přeměnu kinetické a tlakové energie vody na mechanickou energii rotujícího hřídele. U Francisovy turbíny přitéká voda do spirály ve tvaru ulity 1, v níž je rovnoměrně po celém obvodu rozdělována do prostoru natáčivých rozváděcích lopatek 2 (natáčením lopatek se reguluje výkon turbíny), dále vchází na vstupní hrany 5 pevných oběžných lopatek 3 rotujícího oběžného kola turbíny, kterému předává části své kinetické i tlakové energie. Po předání této energie vytéká voda z výstupních hran oběžných lopatek turbíny 6 a vstupuje do savky (sací trouby) turbíny 4, v níž předává ještě další malou část energie.
22
Kaplanova turbína je rovněž přetlaková turbína a má vedle natáčivých rozváděcích lopatek též natáčivé lopatky oběžného kola, čímž je umožněno dodržení stále dobré účinnosti (přes 90%) při velikém provozním kolísání spádu a průtoku. Kaplanova turbína s rozváděcími lopatkami 1 a oběžnými 2 se používá pro malé a střední spády od 1 do 80 m. U Peltonovy turbíny přitéká voda tlakovým potrubím k regulační trysce (dýze) 3 v níž se zvyšuje rychlost vody a tím i její kinetická energie. Množství protékající vody se reguluje pomocí jehlového uzávěru 4. Po opuštění trysky vykonává vodní proud krátkou cestu vzduchem a přichází na střechovitě upravenou vstupní hranu 5 oběžné lopatky 2, kterou je rozdělován na dvě části. Dále jsou obě části proudu vedeny vnitřními, lžícovitě tvarovanými stěnami lopatky, přičemž dochází k plynulé změně směru proudění, a tím i k předáváni kinetické energie vody oběžnému kolu turbíny. Obě části proudu pak opouštějí oběžnou lopatku na jejich dvou výstupních hranách 6. Peltonova turbína je tedy akční rovnotlaká turbína (tlak vody před a za turbínou je stejný), schopná využívat v oběžném kole pouze kinetickou energii vody a proto se používá pro vysoké spády 300 až 1500 m. Bánkiho turbína je taktéž rovnotlaká vodní turbína s dvojnásobným průtokem vody (voda protéká oběžné kolo). Je výrobně nenáročná a proto je vhodná pro malé vodní elektrárny se spádem 1 až 50 m, při průtoku 50 až 5000 l.s-1.
1.6. Sluneční elektrárny Slunce je v podstatě obrovský termojaderný reaktor, ve kterém dochází k syntéze (slučování) jader vodíku na jádra helia v tzv. "vodíkovém cyklu". Vodíkový cyklus probíhá při teplotě 10 milionů K, což odpovídá poměrům ve středu slunce (a). Kolem 23
c
b
a
2 782 000 km
středu je vrstva horké sluneční hmoty, která tvoří izolaci aktivní oblasti (b) a kolem ní je pak sluneční atmosféra (c). Termojaderné procesy na Slunci probíhají již 5 miliard let. Zásoba vodíku vystačí ještě na dalších 15 miliard let. Povrchová teplota Slunce:
6 000 K
Měrný zářivý výkon Slunce:
64 MW/m2
Celkový zářivý tok emitovaný Sluncem:
3,8.1026 W
Sluneční energii je obsažena téměř ve všech druzích energie. Ať už se jedná o fosilní paliva (především uhlí) tedy dávnou sluneční energii zachycenou fotosyntézou nebo o vodní a větrné elektrárny jejichž zdrojem je sluneční energie skrytá v síle vodních toků a větrů (jaderná energie nepochází ze slunce). Elektřinu lze získat ze sluneční energie různými způsoby a to buď přímo nebo nepřímo. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu. Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento důležitý jev může nastat v některých polovodičích (např. křemíku. germaniu. sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou nařezanou z monokrystalu křemíku, který i přes pracnou a nákladnou výrobu má stále ¨nejvyšší dosahovanou účinnost (cca 35%). Lze použít i materiál polykrystalický, jehož účinnost je okolo 15%, ale je levnější na výrobu nebo ještě levnější materiál amorfní s účinností sice jen kolem 8%, ale s velkou absorbční schopností (postačí tenká vrstva na levném nosném materiálu). Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru) a z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu) a mezi nimi vznikne přechod P-N. Když na destičku dopadnou fotony slunečního záření vytvářejí z neutrálního atomu páry elektron-díra. Vnitřní elektrické pole náboje opačných znamének rozdělí a vyvolá po uzavření elektrického obvodu stejnosměrný elektrický proud. Jeden cm2 dává proud o výkonu kolem 12 mW. Jeden m2 slunečních článků tak může v letní poledne vyrobit stejnosměrný proud o výkonu až 150 W. Sluneční články se zapojují buď za sebou (sériově), abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V) nebo vedle sebe (paralelně), abychom získali větší proud. Spojení mnoha článků vedle sebe a za sebou se nazývá sluneční panel. Nepřímá přeměna je založena na získání tepelné nebo chemické energie. Teplo získáváme snadno pomocí slunečních sběračů, a to dvojím způsobem: - V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu pomocí termoelektrické přeměny tedy na základě tzv. Seebeckova jevu. V obvodu složeném ze dvou 24
různých kovů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu, takové jednoduché zařízení se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor. Teplé spoje generátoru se umístí v ohnisku fokusačního sběrače, studené spoje bývají ve vodě či v půdě. - Do ohniska umístíme buď přímo kotel s vodou, která se vypařuje a pára pohání turbínu nebo trubky obsahující teplonosnou látku, která absorbuje teplo a předává jej vodě, která se opět vypaří a pára pohání turbínu. Chemické získávání sluneční energie se provádí pomocí palivových článků. Sluneční záření rozloží vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Poté při slučováni obou plynů tj. při okysličování vodíku vzniká opět voda a zároveň se uvolní nahromaděná energie jako elektrický proud. 1.6.1. Fotovoltaické elektrárny Na plochu velikou 1 m2 a vodorovně položenou dopadá u nás přibližně 1200 kWh sluneční energie za rok Na stejně velkou plochu nad zemskou atmosférou a postavenou kolmo ke slunečním paprskům dopadá ročně 12 000 kWh. tedy 10x více než k nám. V kosmickém prostoru se navíc nestřídá den a noc, nejsou tam žádná oblaka, tedy sluneční záření není ničím zeslabováno. Proto využití fotovoltaických článků u nás má význam jen tam, kde je problematická doprava elektrické energie a navíc její dodávka není potřeba v noci (například v parkovacích automatech), nebo jako doplňkový zdroj elektrické energie k jinému zdroji. Ve světě pak existují i několika mega wattové fotovoltaické elektrárny (USA, Japonsko, Saúdská Arábie). Další velké využití přímé přeměny sluneční energie je v družicích nebo kosmických lodích, kde fotovoltaické články poskládané do fotovoltaických panelů dodávají potřebnou energii pro všechny přístroje na palubě. Existují i studie, podle kterých by se na geostacionární oběžné dráze (36 000 km nad zemí) umístilo několik fotovoltaických elektráren o rozloze panelů 5 x 12 km, tedy 60 km2. Ny tyto panely by dopadalo neustále sluneční záření o energii 84 GW. Toto záření vyrobí při třiceti procentní účinnosti 25,2 GW stejnosměrného proudu, který se přemění na decimetrové radiové vlny (snadno procházejí atmosférou i oblaky), které budou vysílány směrem k Zemi. Na Zemi bude energie decimetrových vln zachycena přijímací anténou a přeměněna ve střídavý proud rozváděný normální sítí. Při dalších ztrátách při vysílání, příjmu a přeměně energie vln na střídavou elektrickou energii bychom mohli využít okolo 10 GW elektrické 25
energie (tj. asi 1/8 celkové spotřeby ČR). 1.6.2. Sluneční elektrárna věžová Sluneční elektrárna věžová je zařízení, ve kterém se mění sluneční záření na elektrickou energii ve velkém měřítku. Sluneční elektrárna je vlastně tepelná elektrárna, která potřebné teplo získává přímo ze slunečního záření 1 a soustavou rovinných zrcadel tzv. heliostatů 2, automaticky sledujících pohyb slunce, se zářivá sluneční energie koncentruje na kotel 3 umístěný na vrcholu vysoké věže 4. Pro zvýšení množství předané energie slunečního záření se heliostaty otáčejí automaticky tak, že přijímané záření odrážejí směrem k jihu, kde je umístěno velké parabolické zrcadlo a teprve to odráží veškerou energii na sluneční kotel, umístěný v jeho ohnisku. Slunečný kotel zachytává sluneční záření a odevzdává absorbované teplo látce nejčastěji vodě cirkulující v uzavřeném okruhu. Typickým slunečním kotlem (kolektorem) používaným v našich zeměpisných šířkách je černá kovová nebo plastová deska. V kotli se absorbovaným teplem generuje pára, která pohání turbínu 5 spojenou s elektrickým generátorem 6 a zároveň ohřívá vodu v tepelném akumulátoru 9, odkud odchází do kondenzátoru 7. Pára se po průchodu turbínou, tedy po vykonání mechanické práce taktéž sráží na trubkách kondenzátoru 7, Trubky kondenzátoru jsou stejně jako u tepelných elektráren ochlazovány chladícím okruhem pomocí chladících věží 8. Zkondenzovaná voda je zpět do slunečního kotle dopravována pomocí čerpadla 10 přes ventil 11. V případě zamračeného počasí, tedy v době, kdy nedopadá sluneční záření na soustavu zrcadel se uzavře ventil 11 a zkondenzovaná voda je přes ventil 12 přiváděna do tepelného akumulátoru 9, kde se mění v páru. Ta je vháněna do turbíny, kterou roztáčí.
26
1.6.3. Sluneční elektrárna parková Zářivá sluneční energie se koncentruje pomocí dlouhých žlabů parabolického průřezu na trubky procházející ohnisky těchto zrcadel. Parabolické žlaby se buď automaticky natáčejí za sluncem, nebo jsou umístěny staticky severo-jižním směrem. Trubkami protéká teplonosná látka (olej), ohřívá se a přenáší teplo do parního generátoru. Zde v trubkách vzniká pára, která pohání turbínu s elektrickým generátorem. Voda se za turbínou opět sráží v kondenzátoru a odtud je oběhovým čerpadlem vrácena do parního generátoru.
1.6.4. Solární kolektor Sluneční záření dopadá na sluneční kolektor 1, který jej zachycuje a předává absorbované teplo látce cirkulující v uzavřeném okruhu 2. Typickým slunečním kolektorem používaným v našich zeměpisných šířkách je černá kovová nebo plastová deska. Teplo se soustavou trubek odvádí do solárního zásobníku 3, kde je předáváno vodě. Teplá voda je rozváděna rozvodem teplé užitkové vody do teplovodních spotřebičů 5 (koupelny, radiátory apod.). V době nepříznivého počasí nebo v noci je zdrojem tepla elektrický nebo plynový kotel 4, protože tepelná energie naakumulovaná v solárním zásobníku je velice malá.
27
1.6.5. Palivový článek Klasický palivový článek je kyslíko-vodíkový článek, který má dvě pórovité platinové elektrody, mezi nimiž je elektrolyt. Napětí článku je asi 1,1 až 1,23 V.Aby mohl pracovat dostává na rozdíl od jiných článků látky a katalyzátor, během provozu lze však u palivových článků palivo doplňovat, takže mohou pracovat trvale. Z jedné strany se do článku přivádí vodík, z druhé kyslík, přičemž vniká voda, která je odváděna z článku pryč. Elektrony odevzdané vodíkem katodě, se pohybují vnějším obvodem ke kyslíkové anodě a zde jsou přebírány kyslíkem. Obvodem tedy protéká elektrický proud získaný z chemické energie. Palivové články budou pravděpodobně důležitým zdrojem elektrické energie v budoucnosti. Představuji uskladněnou sluneční energii a lze je získávat v neomezeném množství. Výhodou palivových článků je jejich vysoká účinnost (až 90 %), bezhlučný a čistý provoz (jejich produktem je voda). Palivové článkové baterie pracující v domácnostech dodávají výkon kolem 12 kW. Vyrábějí se však už baterie mnoha palivových článků s výkonem až 12 MW (užívají se zejména v astronautice).
1.7. Větrné elektrárny Vítr je pohyb vzduchu vůči zemskému povrchu. Na pravidelnost tohoto proudění silně působí nerovnoměrné zahřívání vzduchu slunečním zářením, střídání teplot a tepelné rozdíly mezi mořem a pevninou, horami a údolími, zalesněnými a holými plochami a podobně. V proudění vzduchu pak nastávají časté výkyvy, které se v krajním případě projevují větrnými bouřemi. V pohybu větru výrazně převládá vodorovná složka. Je charakterizován jednak směrem, odkud vane (ve stupních nebo sektorech - sever 360° nebo 0°, východ 90°, jih 180°, západ 270°), jednak rychlostí (měřenou v ms-1 nebo kms-1). Převládající větry nad velkými územími určují všeobecnou cirkulaci atmosféry. zatímco místní větry určitého směru a charakteru se vyskytují nad menšími územími. V tropických a subtropických pásmech je proudění větru pravidelné, směrem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách opačným směrem antipasáty, v oblasti jihovýchodní Asie je typické půlroční střídání monzunů vanoucích na pevninu z moře s antimonzuny směřujícími opačně. Výkon větru je dán rovnicí P=l/2 q v3 S, kde P je výkon [W], q hustota vzduchu [kg.m -3] (souvisí mimo jiné s tlakem, výškou a teplotou) a S je plocha, kterou vítr proudí [m2]. Z rovnice pro výkon větru je patrné, že zvýší-li se rychlost dvakrát podává vítr 28
osminásobný výkon (roste s třetí mocninou rychlosti. Větrné kolo snižuje rychlost vzdušného proudu, čímž se část pohybové energie přeměňuje na energii mechanickou. Nejvyššího výkonu se dosahuje při zpomalení vzdušného proudu na jednu třetinu z čehož pak plyne i teoretický limit větrných kol tedy ideální větrná elektrárna může přeměnit 6/27 energie vzdušného proudu v energii mechanickou a její teoretická účinnost dosahuje 59 %. Skutečné účinnosti jsou nižší, protože otáčky kola jsou zpomalovány třením v jeho vlastním mechanismu, třením větru a vznikem vírů. Současné větrné elektrárny mívají jednu až tři lopatky a v nejlepším případě dosahují účinnosti 45%. Za využitelné se považují větry dující rychlostí mezi 3 až 26 ms-1 ve výškách do 200 metrů. Tak široké rozmezí rychlostí nemůže jedno zařízení efektivně pokrýt, protože by se musely výrazně měnit otáčky rotoru, a tím i připojeného generátoru. Samotné generátory s proměnnou rychlostí otáček vykazují vysokou účinnost, ale vyžadují elektroniku, která udržuje konstantní kmitočet nezbytný pro připojení k veřejné distribuční síti. Obrovská vrtule moderní větrné turbíny je upevněna na zpravidla vodorovně uložené hřídeli na vrcholu štíhlé věže. Rovina, v níž se několik desítek metrů dlouhý jednolistý až třílistý rotor otáčí, se nastavuje pohybem celé aerodynamicky krytované gondoly, ve které je uložen také generátor s převodovkou. Konce lopatek dosahují obrovských obvodových rychlostí, což způsobuje krajní namáhání materiálu. Náhlé nápory větru, stejně jako jistá asymetrie vrtule mohou způsobit nebezpečné rozkmitání celé konstrukce. Dosáhnou-li nápory větru kritické rychlosti, hrozí havárie a turbínu je třeba odstavit, zapojí se brzdění rotoru a vrtulové listy se nastaví proti větru svým nejužším profilem. Tato opatřeni odpadají u turbín se svisle uloženým rotorem. Systém Dariieus má navíc tu přednost, že celé velmi hmotné technické zařízení spočívá nízko pod rotorem, což zvyšuje stabilitu konstrukce. Porovnání několika možných velikostí a typů větrných elektráren: 1) malý typ o výkonu kolem 90 kW, 2) dánská větrná elektrárna TVIND s třílistou vrtulí o výkonu 2 MW, 3) dvoulistá větrná elektrárna ze Severní Karoliny, 4) německá větrná elektrárna GROWIAN o výkonu 2 až 3 MW, 5) německy projekt jednolisté větrné elektrárny o výkonu až 10 MW.
29
Jednu z možností. jak zabránit nežádoucímu rozkmitání velkých větrných generátorů, představuje atypická jednolistá vrtule. Rozdíly rychlosti větru v horní a spodní části kruhu, který opisuje dvoulistá vrtule, mohou totiž dosahovat až 2,8 ms-1. Na každou polovinu tak působí rozdílné sily, které rozkmitají listy. Takový stav nemůže u jednolisté vrtule nastat a lze ji navíc dokonale vyvážit protizávažím (v Německu vznikl dokonce projekt jednolisté turbíny o výkonu 10 MW). Větrná mapa orientačně ukazuje mnohaleté celoroční průměrné rychlosti větru přes 4 ms -1 (ve výšce 10 m) a přes 5,3 ms-1 (ve výšce 30 m). Vznikla podle podkladů Českého hydrometeorologického ústavu. Větrný atlas ČR vytvořený Ustaveni fyziky atmosféry Akademie věd ČR podrobně mapuje dlouhodobě rozložení energie větru nad naším územím a umožňuje vybrat nejpříhodnější lokality pro stavbu větrných farem. Počítá se s plochami 3 x 3 nebo 4 x 6 km v nadmořských výškách zpravidla nad 700 m nad mořem. Až na řídké výjimky se energeticky příhodné lokality nacházejí v horských pohraničních pásmech a v oblasti Českomoravské vrchoviny.
Větrná mapa Čísla přibližně označují místa osmi větrných turbín o instalovaném výkonu větším než 50 kW (v závorkách výrobce nebo dodavatel): 1) Boží Dar v Krušných horách - 75 kW (Vítkovice) 2) Dlouhá Louka nad Osekem v Krušných horách - 315 kW (Energovars z Dobré) 3) Hory u Karlových Var - 75 kW (Vítkovice) 4) Hrubá Vrbka u Kuželova v podhůří Bílých Karpat - 175 kW (Winpower. Dánsko) 5) Strabenice v podhůří Chřibů - 315 kW (Vítkovice) 6) Staříč u Frýdku-Místku - různé výkony (zkušební polygon finiiy Energovars) 7) Bílý Kříž v Beskydech - 60 kW (Tacke. SRN) 30
8) Mravenečník u Loučné nad Desnou v podhůří Jeseníků - 250 kW (Worldwind. Dánsko) Mezi hlavní výhody těchto zařízení patří především minimální provozní náklady a nevytváření žádného škodlivého odpadu ani jinak neohrožují životní prostředí. Jejich nevýhody jsou například vysoké pořizovací ceny nosné konstrukce, větrného motoru s generátorem a zařízení na regulaci kmitočtu střídavého proudu (při dodávce do veřejně elektrizační soustavy), značná změna rázu krajiny (určité nebezpečí pro tažné ptáky, kteří zase naopak mohou ohrozit jejich bezporuchový chod) a poměrně nesnadná akumulace získané elektrické energie.
1.8. Další alternativní elektrárny Mezi další alternativní elektrárny patří především, různé typy elektráren mořských, geotermálních nebo elektráren využívajících biomasu a dalších. 1.8.1. Mořské elektrárny Přílivové elektrárny Dmutí moře, které se projevuje pravidelným stoupáním a klesáním mořské hladiny, je důsledkem působení slapových sil Měsíce a Slunce a vzniká tak tzv. příliv a odliv. Na výšku přílivu a odlivu má zásadní vliv také tvar pobřeží, nejvyšší přílivy se tvoří tam, kde se dmoucí voda tlačí do úzkých a dlouhých zálivů (nejvyšší známý příliv je u Nového Skotska v USA, kde voda tam stoupá o plných 20 m). Pro využití přílivu a odlivu k výrobě elektrické energie je tedy nutné využít zálivu s úzkým hrdlem, ve kterém dochází alespoň k šesti metrovému rozdílu hladin mezi přílivem a odlivem. Takovýto záliv se přehradí hrází s propustmi a turbínami. Přehrada umožní získat rozdíl hladin mezi volným mořem a přehrazenou zátokou a tém ještě zvyšuje účinnost pohybu vodní masy. Turbína je konstruována jako reverzní a využívá tedy pohybu vodné masy v obou směrech (při přílivu i odlivu). Nevýhodou přílivových elektráren je ale, že jejich pracovní doba mnohdy nesouhlasí s energetickou špičkou elektrizačních soustav a další nevýhodou je i to, že místa vhodná pro výstavbu těchto elektráren jsou mnohdy značně vzdálena od míst spotřeby a ztráty na 31
dálkových vedeních jsou pak natolik značné, že se jejich výstavba nevyplatí. Energie přílivů a odlivů je přesto nadějným energetickým zdrojem pro využití v budoucnosti. Ročně by se tak mohlo získat 7,2 až 11,8 biliónů MJ elektrické energie. Slapová energie by tedy mohla mít v budoucnosti významnou úlohu. Vlnové elektrárny Vlnění hladin moří a oceánů má různý původ, jsou způsobené větrem, slapovým působením Měsíce a Slunce, vlněním před ústími velkých řek a v neposlední řadě i katastrofickým vlněním tzv. tsunami, které je následkem podmořských zemětřesení. Jedním z mnoha řešení pro využití energie mořských vln je používání trojdílných pontonů, ty jsou zakotveny na dně a leží na povrchu mořské hladiny. Pohyb vln se přenáší na vodní motor umístěný ve střední části. Tento motor je vpodstatě vodní turbína, která je roztáčena pohybem vody vlivem mořských vln. Další zajímavý princip je znám pod jménem Ploeg, což je řada plováků, které působením vln kmitají kolem osy a tento pohyb je soustavou hydraulických nebo mechanických zařízení převáděn na generátor. Jiný způsob využití vln byl navržen v Japonsku, je to tzv. Elektrárna Kalimai, která je podobná cisternové lodi dlouhé 80 m a široké 12 m, mořské vlny stlačují v jejích komorách vzduch a pohánějí 3 turbíny s generátory o výkonu 200 kW. Tato elektrárna navíc plní funkci vlnolamu před přístavem. Elektrárny pro využití mořského příboje Charakter mořských vln se výrazně mění při jejich příchodu do mělkých vod. Narazí-li vlny na mořské dno, mění se jak jejich délka, tak i výška. Ta se zvyšuje a hřebeny vln se lámou. Nejčastěji se používá systém se vzduchovou turbínou, která je poháněna vzduchem střídavě stlačovaným a nasávaným pístem tvořeným vlnami působícími v kompresním prostoru betonové konstrukce elektrárny. Absorbční elektrárny 32
Využívají
teplotního rozdílu
mezi teplou vodou
při hladině a
chladnou vodou
v hloubce 600 až
1000 metrů, který
činí až 20°C.
Zařízení
využívající tzv.
teplotní gradient se
nyzává Ocean
Thermal Energy
Convertion(OTEC). OTEC pracuje v uzavřeném termodynamickém cyklus vhodnou pracovní látkou (čpavek). Pracovní látka se v teplé vrstvě moře vypaří a pohání turbínu. poté jde do větší hloubky, kde se ochlazuje a kondenzuje. Odtud jej pak oběhové čerpadlo vytláčí zpět do teplejší vody a celý cyklus se opakuje.
1.8.2. Geotermální energie. V praxi jsou využitelné tři typy geotermálních elektráren. První využívá tepelnou energii vodních par nebo plynů unikajících přímo ze Země. Za turbínou se péra nebo plyn o nízkém tlaku vypouští, anebo se dále zužitkuje k vytápění nebo v
33
průmyslu. Provoz i výstavba elektrárny jsou levné - na 1 kWh elektrické energie se spotřebuje 15 až 20 kg páry. Výkon jedné turbíny v těchto elektrárnách nepřekročil 3 MW. Druhý typ geotermálních elektráren je poněkud složitější a uplatňuje se tehdy, obsahuje-li pára větší množství agresivních a korozívních příměsí, které je nutné před jejich vstupem do turbíny odstranit. Pára se čistí v separátoru, a teprve potom se vede k turbíně znovu přes výměník tepla, kterým prochází dvakrát. Moderní geotermální elektrárny mohou být vybaveny i sekundárním oběhem s nízkovroucí kapalinou, např. etylchloridem. Tyto elektrárny jsou vhodné i pro ložiska méně teplých termálních vod. Spotřeba páry je 15 kg na 1 kWh elektrické energie.
Třetí typ geotermálních elektráren je kombinací obou předchozích typů. Dá se použít tam, kde geotermální pára nepůsobí ještě korozi, avšak obsahuje kyselinu boritou nebo amonné soli. Pára vycházející z turbíny se kondenzuje na vodu, z níž se vylučují chemikálie k dalšímu použití. Spotřeba páry v těchto elektrárnách se snižuje na 10 kg na 1 kWh elektrické energie.
1.8.3. Elektrárny na biomasu Jako biomasa se využívá například odpadu z lesního hospodářství nebo dřevozpracujícího průmyslu jako jsou dřevěné odřezky, kůra piliny hobliny, dále se zpracovává rychle rostoucí plevelné dřevo, nebo různé polní plodiny a v neposlední řadě též různé organické odpady včetně výkalů hospodářských zvířat.
34
Existuje několik systémů pro výrobu elektrické (popř. tepelné) energie z biomasy. Nejstarší a nejjednodušší systém využívá spalování biomasy, která se předem vysuší. Spalovaná biomasa vytváří tepelnou energii ohřívající vodu a vyrábějící páru. Ta se poté přehřeje na páru ostrou a
ta pohání turbínu stejně jako je tomu u tepelných elektráren. Další systém využívá přeměny biomasy na plyn pomocí hoření tuhého zbytku biomasy čímž vzniká tzv. dřevoplyn složený z oxidu uhelnatého, vodíku a dalších příměsí. Tento plyn pak pohání plynovou turbínu. Třetí systém využívá tzv. metanového kvašení neboli anaerobní fermentace jako výsledek činnosti bakterií na organické látky bez přístupu vzduchu. Základem výroby bioplynu je vyhnívací nádrž (fermentor) do které se
35
přivádí tekuté a tuhé výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou. Z fermentoru odebíráme bioplyn a zbytek použijeme jako výborné hnojivo. Bioplyn spalujeme spolu se vzduchem ve spalovací komoře a vzniklé spaliny pak pohánějí spalinovou turbínu. Posledním zde uvedený systém využívá alkoholového kvašení vhodných produktů jako jsou cukrová řepa, cukrová třtina, brambory, obilí, ovoce aj. Suroviny se rozdrtí a smíchají s vodou a vzniklá kaše se nechá kvasit. Poté se zkvasená hmota destiluje, tedy ohřeje na takovou teplotu, při které se odpaří etanol. Páry etanolu se pak ochladí v chladiči a zkondenzuje. Etanol se pak používá jako palivo k ohřevu vody v parních elektrárnách nebo ke spalování a vzniklé spaliny poté pohání spalinovou turbínu. 1.8.4. Magnetohydrodynamické generátory (MHD) MHD generátory jsou tepelné stroje, ve kterých se vnitřní energie elektricky vodivého plynu převádí na energii elektrickou. Fyzikální princip činnosti spočívá v pohybujícím se vodiči plynu v magnetickém poli vybuzeném elektromagnetem. Podle Faradayova zákona indukuje se v přiloženém elektrickém obvodě elektrické napětí. Kanálem MHD generátoru protéká plyn velkou rychlostí (103 m.s-1) vlivem tlaku. Elektromagnet budí uvnitř kanálu magnetické po1e o indukci B = 3 až 6 T. Elektrický proud zatíženého obvodu je odebírán ze sběrných elektrod. Velkou předností MHD generátoru je, že neobsahuje pohyblivé mechanické části jako je tomu u turbíny. Proto lze použít v kanálu MHD generátoru vysoké teploty až 3000 K. Za spalovací komory mohou sloužit používané spalovací komory raket. MHD generátory jsou určeny pro velké energetické jednotky, řádově 100 MW. Mohou pracovat jako samostatné, nezávislé jednotky, pak ovšem jejich účinnost je 36
malá 15 až 25 %. Takto mohou poskytovat špičkovou rezervu pro elektrizační soustavu. Mnohem účinější je spojení MHD generátorů s konvenční parní elektrárnou. Plyny, které vycházejí z kanálu MHD generátoru mají teplotu asi 2000 K, tedy dostatečně nízkou pro další využití v parním okruhu elektrárny. Takto by MHD generátor pracoval jako vysokoteplotní nadstavba v okruhu konvenční parní elektrárny. Celková účinnost takového spojení by mohla dosáhnout až 50 %. Tepelné okruhy MHD generátorů dělíme na tři druhy: -
otevřený oběh s plynnými spalinami jako pracovním médiem
-
uzavřený oběh se vzácnými plyny jako pracovním médiem
-
uzavřený oběh s kapalným kovem jako pracovním médiem
37
2. ELEKTRICKÉ ROZVODNÉ SÍTĚ Velkou výhodou el. en. je její schopnost přenosu na velké vzdálenosti. Úkolem rozvodů je pak přenést tuto en. s co nejmenšími ztrátami od výroben až po koncové spotřebitele. Pro snížení ztrát se využívají vyšší napěťové soustavy, zlepšuje se účiník a hledají se nové druhy vodičů.
2.1. Požadavky kladené na elektrické sítě Mezi hlavní požadavky kladené na elektrické sítě patří: -
bezpečný provoz
-
provozní spolehlivost
-
přehlednost
-
možnost rychlého odstranění poruch
-
hospodárnost provozu
-
možnost rozšiřování elektrických rozvodů a jejich modernizace
-
unifikace jednotlivých částí rozvodu
Při některých konkrétních odběrech se při návrhu sítě musí přihlížet i k dalším specifickým požadavkům (např. důlní rozvody).
2.2. Dělení elektrických sítí El. rozvodné soustavy se dělí podle několika hledisek: Podle druhu proudu na: -
přenosové soustavy střídavého proudu – v současné době se používají prakticky výhradně střídavé třífázové rozvody
-
přenosové soustavy stejnosměrného proudu – používají se jen pro přenos velkých výkonů na velké vzdálenosti nebo pro propojení sítí s různým kmitočtem
Podle velikosti jmenovitého napětí na: -
nízké napětí nn
230 / 400 V
-
vysoké napětí vn
3, 6, 10, 22, 35 kV
-
velmi vysoké napětí vvn (110), 220 kV
-
zvlášť vysoké napětí zvn 400, (750) kV
Podle účelu použití na:
38
-
nadřazené sítě - 400 kV – slouží k přenosu el. en. mezi centry výroby a spotřeby v celostátním měřítku
-
přenosové sítě - (110), 220 kV – přenášejí velké výkony z výroben do nadřazené soustavy
-
distribuční sítě - 22, 35 kV – přenášejí el. en z elektráren nebo rozvoden do míst spotřeby
-
průmyslové sítě - 3, 6, 10 kV – přenášejí el. en. ve velkých továrnách
-
sekundární sítě - 3 x 230 / 400 V – slouží k dodávce el. en. do domácností
Podle spojení uzlu se zemí na: -
soustavy s přímo uzemněným uzlem – je dimenzovaná na fázové napětí, při zemním spojení se musí soustava ihned vypnout. Používá se v sítích nízkého napětí kvůli bezpečnosti a u vvn pro menší náklady spojené s kratšími izolátory
L1 L2 L3
-
soustava s uzlem nepřímo spojeným se zemí – spojení je realizováno přes reaktor (tlumivku). Výhodou je, že v případě zemního spojení jedné fáze prochází tlumivkou indukční proud a ten kompenzuje kapacitní proud v místě zemního spojení, oblouk uhasne a síť může zůstat v provozu.
L (reaktor) IL
-
C1 C2 C3
L1 L2 L3
IC 1 I C 3I C 2
soustava s izolovaným uzlem – izolace je dimenzován na sdružené napětí, neboť při zemním spojení jedné fáze má sice uzel proti zemi napětí fázové, ale ostatní dvě fáze mají proti zemi napětí sdružená. Výhodou opět je, že v případě zemního spojení jedné fáze se může soustava provozovat dál.
L1 L2 L3
39
Podle uspořádání sítí na: -
vedení napájené z jedné strany – nejednodušší, nejlevnější, nevýhodou je kolísání napětí na konci vedení. Používá se pouze tam, kde se nemusí být 100% jistota dodávky el. en.
-
paprskové sítě – vznikají spojením několika vedení napájených z jedné strany. Nevýhodou je, že v případě zkratu se odpojí celá část sítě za zkratem, dále zde stoupají úbytky napětí na vedení a opět dochází ke kolísání napětí na koncích. Použití je stejné jako předchozí – pro zvýšení bezpečnosti dodávky el. en. se paprskové sítě doplňují propojením jednotlivých větví.
-
průběžné sítě – tento typ sítí je přehledný, ale vzhledem ke své konfiguraci musí mít větší průřezy vodičů z napájecí rozvodny, používají se například pro průmyslové rozvody při napájení spotřebičů s velkým příkonem a stálým provozem.
-
vedení napájené ze dvou stran – jsou spolehlivější v dodávce el. en., napětí kolísá méně, jsou zapotřebí menší průřezy vodičů, ale jsou kladeny větší nároky na ochrany vedení.
40
-
okružní sítě – speciální druh vedení napájeného ze dvou stran, výhodou je, že při zkratu na libovolném úseku dojde k jeho odpojení a zbytek sítě zůstává v provozu.
-
mřížové sítě – jsou napájeny paralelně spolupracujícími transformátory v uzlech sítě. Mají vysokou spolehlivost dodávky el. en., jsou na nich malé úbytky napětí a malé kolísání napětí. Dají se při zvýšení spotřeby snadno doplnit o další napájecí bod. Nevýhodou jsou vyšší náklady na výstavbu a složité ochrany proti zkratům a přetížení. Používají se v hustě zastavěných místech s velkým odběrem el. en.
Podle parametrů vedení -
sítě s prostorově soustředěnými parametry (sítě nn a vn) – jedná se o tzv. krátká vedení u kterých respektujeme činný odpor R a indukčnost L (u střídavých sítí).
-
sítě s prostorově rozloženými parametry (sítě vvn a zvn) – jedná se o tzv. dlouhá vedení u kterých respektujeme činný odpor R, indukčnost L a kapacitu C, u sítí s napětím 400 kV navíc musíme počítat i se svodovou vodivostí G.
-
2.3. Elektrické parametry vedení Při výpočtech stejnosměrných vedení je brán v úvahu pouze jeden parametr - činný odpor. Při výpočtech střídavých vedení nn a vn pak dva parametry - činný odpor a indukčnost vedení (v některých případech - kabelová vedení nn - lze i u střídavých obvodů indukčnost 41
zanedbat.) Při výpočtech střídavých vedení vvn a zvn budou brány v úvahu všechny čtyři parametry vedení (u vedení s menším jmenovitým napětím než 400 kV se může svodová vodivost zanedbat).
R
L
U1
C
G U2
Činný odpor vedení Činný odpor vedení je přímo úměrný rezistivitě vedení, délce vedení a nepřímo úměrný průřezu vedení R
l [Ω], kde ρ je rezistivita materiálu vedení [Ω.mm2.m-1], l je délka S
vodiče [m] a S je průřez vodiče [mm2]. Jelikož rezistivita materiálu se udává při teplotě 20°C je i vypočtený odpor vedení dán pro teplotu 20°C. Odpor vodiče je ale teplotně závislý a platí pro něj, že s rostoucí teplotou jeho odpor roste a naopak. Tuto závislost zohledňuje teplotní součinitel odporu α a pro odpor při libovolné teplotě platí vztah: R υ = R20.(1+α.Δυ), kde R20 je činný odpor při teplotě 20°C [Ω], α je teplotní součinitel odporu [K-1] a Δυ je teplotní rozdíl od 20°C [K]. Činný odpor je také frekvenčně závislý (skeenefekt), 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 není s ním obvykle uvažováno. Protože se v elektrických sítích používají jako vodiče především lana (nikoli dráty), je použití základního vztahu pro činný odpor problematické a proto je výrobcem vodiče stanovena hodnota činného odporu vtažená na jednotku délky (obvykle na kilometr) RK. Pro výsledný odpor lana pak platí jednoduchý vztah: R = RK . l Činný odpor kabelového vedení je u kabelů s kovovým pláštěm mírně zvýšen vlivem ztrát hysterezních a vířivými proudy v kovovém plášti (u ostatních typů kabelů je činný odpor stejný). Indukčnost vedení Kolem vodiče se vytváří elektromagnetické pole, které působí na okolní vodiče i na vodič samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také indukčnost. Odvození indukčnosti vedení vychází ze znalostí řešení elektromagnetického pole. Rozlišujeme vlastní indukčnost vodiče a vzájemnou indukčnost mezi jednotlivými vodiči.
42
V praxi se nejčastěji používá vztah : L C 0,46. log
as 0,05 [mH.km-1], kde r
a s 3 a 12 a 13 a 23 je střední vzdálenost vodičů a r je poloměr vodiče(popř re je ekvivalentní poloměr pro svazkové vodiče). Tento vztah platí pro venkovní trojfázové vedení, pro jiní typy venkovních vedení je jiný výpočet střední vzdálenosti vodičů. Jelikož by vlivem rozdílné indukčnosti jednotlivých vodičů mohlo dojít k nesymetrii napětí na konci vedení provádí se na vedeních vvn a zvn tzv. zákrut, tedy vystřídání pozice vodičů v hlavě stožáru a tím se zajistí téměř shodná indukčnost všech vodičů.
Indukčnost vedení, a tím i jeho induktivní reaktanci, můžeme zmenšit použitím tzv. svazkových vodičů. Rozumí se tím dva, tři nebo čtyři paralelní vodiče v jedné fázi. Jednotlivé vodiče jsou ve svazku udržovány kovovými rozpěrkami ve vzdálenosti 30 až 50 cm od sebe. Dosáhne se tím zvětšení fiktivního ekvivalentního poloměru r e, takže se indukčnost oproti vedení s jedním lanem na fázi zmenší o 26 až 32 %. Výhody svazkových vodičů jsou menší indukčnost a tím i menší induktivní reaktance vedení, větší proudové zatížení (lepší ochlazování vodičů), menší ztráty korónou, menší vliv na telekomunikační zařízení a menší nebezpečí kmitání vodičů. Nevýhody svazkových vodičů pak jsou větší zatížení námrazou a větrem, dražší stožáry, jejich výstroj a montáž, náročnější montážní práce a zvětšení kapacity vedení Nejčastěji se používá dvousvazek pro napětí 220 kV, dvousvazek nebo trojsvazek pro napětí 400 kV a pro napětí vyšší se používá čtyřsvazek (pro napětí nad 1000 kV byly navrženy šesti a osmisvazkové vodiče). Podle druhu svazku dosadíme za ekvivalentní poloměr vodiče r e: - svazek dvou vodičůna fázi: re r a 3 - svazek tří vodičů na fázi: re r a 2
- svazekčtyřvodičůnafázi: re 4 r a 3 2 43
Ve vztazích je a vzdálenost vodičů ve svazku a r skutečný poloměr vodiče. Indukčnost kabelů se dá počítat stejným vztahem jen u trojfázových plastových kabelů. U ostatních typů kabelů (stíněných , pancířových,…) je tento výpočet mnohem složitější a bývá udáván výrobcem na jeden kilometr délky kabelu. Kapacita vedení Kolem vodiče se vytváří elektrické pole, které působí na okolní vodiče i na vodič samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také kapacitu a to kapacitu vúdči zemi a vúdči ostatním vodičům. Odvození kapacity vedení vychází ze znalostí řešení elektrostatického pole. Obdobně jako u indukčnosti má každý vodič jinou kapacitu. Střední kapacita vodiče je pak dána aritmetickým průměrem kapacit jednotlivých vodičů: C stř
1 C1 C 2 C 3 3
1 d 18 ln s r
, kde
d s 3 d12 d13 d 23 je střední vzdálenost vodičů. Budeme-li uvažovat s vlivem země musíme do vztahu zahrnout i vzdálenosti jednotlivých vodičů od zěmě (a, b, c) a vzdálenost jednotlivých vodičů od svých zrcadlových odrazů (D1, D2, D3):
C stř
1 C1 C 2 C 3 3
1 , kde D s 3 D1 D 2 D 3 d s 2m 18 ln r Ds
je střední vzdálenost vodičů od svých zrcadlových obrazů a m 3 a b c je střední vzdálenost od země. Kapacita kabelů je vždy větší než kapacita venkovního vedení a její výpočet je dosti složitý a bývá opět udáván výrobcem na kilometr délky. Pokud výrobce kapacitu kabelu neuvádí je možné ji určit výpočtem nebo měřením tzv. nabíjecího proudu, tedy proudu naprázdno. U kabelů celoplastových (tedy kabelů bez kovového pláště) se kapacita kabelu mění podle způsobu uložení a okolí a počítá pomocí měření nabíjecího proudu ze vztahu: C
I NAB [μF]. U 2 f l U f 10 6
jednožilových kabelů s kovovým pláštěm nebo vícežilových kabelů s pláštěm pro každý vodič se počítá jen kapacita vodiče 44
proti plášti tzv. kapacita provozní. Ta je dána pro souosý válec vztahem: C
0,0242 r , kde r2 log r1
εr je relativní permitivita izolace, r1 je poloměr vodiče a r2 je střední poloměr pláště. Kabely se společným kovovým pláštěm se projevují třemi kapacitami: kapacitou jednotlivých vodičů vúdči kovovému plášti (C0), vzájemnou kapacitou jednotlivých vodičů vúdči sobě (C’) a provozní kapacitou (C).
C0
1 1 [μF/km], C [μF/km], C [μF/km], 2 2 2
1 R2 a2 kde log 0,0242 r R r
R a 1 1 a R a log 0,0242 r 3
2
Svodová vodivost Svod (svodová vodivost) je způsobena vodivosti izolátorů. Svod tedy závisí na kvalitě izolátorů, ale také na provozních a atmosférických podmínkách. Svod způsobuje činné ztráty na vedení. Svod se také obvykle vyjadřuje v hodnotách svodových ztrát na kilometr vedení: Ps 3 U f2 G s U s2 G s , kde ΔPs jsou svodové ztráty, Uf fázové napětí, Us sdružené napětí a Gs je svodová vodivost ( G s
Ps ). U s2
Svodová vodivost kabelů je dána dielektrickými ztrátami kabelu
Gs
Q c tg , kde Qc je nabíjecí výkon a δ je úhel mezi Ij a I. U s2
Všechny tyto parametry nazýváme také parametry primární. Složením primárních parametrů vznikají parametry sekundární, tedy podélná impedance Z a příčná admitance Y (opět se častěji počítají na jeden kilometr délky vedení Z K, YK) Podélnou impedanci vedení tvoří činný odpor R a induktivní reaktance vedení XL, je vyjádřena vztahem: Z = R + jXL, kde činný odpor R tvoří reálnou část podélné impedance a induktivní reaktance XL = L tvoří imaginární část podélné impedance. Příčnou admitanci vedení pak tvoří svodová vodivost G a kapacitní susceptance vedení BC a je vyjádřena vztahem: Y= G + jBC, kde svodová vodivost G tvoří reálnou část příčné 45
admitance a kapacitní reaktance BC = C tvoří imaginární část příčné admitance.
2.4. Přirozený výkon vedení, vlnová impedance Vycházíme-li z Ferrantiho jevu (vysvětlení viz dále) a budeme-li na konci vedení z nulové hodnoty postupně zvyšovat odběr, nastane při určitém odběru stav, kdy se napětí na konci a na začátku vedení rovnají (U1f = U2f). V tomto okamžiku se vedením přenáší tzv. přirozený výkon Pp a na konci vedení je připojena zátěž, jejíž impedance se rovná tzv. vlnové impedanci vedení Zv. Při přenosu přirozeného výkonu nastává na vedení nejpříznivější provozní stav. Při tomto přenosu jsou minimální ztráty, které jsou způsobeny pouze činným odporem vedení, protože energie elektrostatického a magnetického pole jsou stejně velké a působí proti sobě, vzájemně se vyruší. Při přenosu výkonu P1, který je menší, než přirozený výkon vedení P p, je napětí na konci vedení vyšší, než na jeho začátku. Při přenosu výkonu P2, který je větší, než přirozený výkon vedení P p, je napětí na konci vedení nižší, než na jeho začátku. Vlnová impedance vedení se vypočte z rovností elektrické a magnetické energie 2
1 1 L L L U CU 2 LI 2 Z 2V Z V , 2 2 C C C I
vlnová impedance vedení nezávisí na délce tohoto vedení, ale je závislá na konstrukci a uložení vodičů. Vlnová impedance venkovního vedení bývá cca 270 až 400 Ω a u kabelového vedení cca 35 až 40 Ω. Na základě znalosti vlnové impedance můžeme stanovit velikost přirozeného výkonu vedení
U f2 U s2 ze vztahu: Pp 3 . Přirozený výkon kabelového vedení je tedy přibližně desetkrát Zv Zv větší než přirozený výkon venkovního vedení. Vlnová impedance charakterizuje přenosovou schopnost vedení. Je-li vedení provozováno pod přirozeným výkonem, má kapacitní charakter (zdroj jalové energie Q). Je-li provozováno nad přirozeným výkonem, má charakter induktivní (spotřebič jalové energie Q).
46
2.5. Výpočet elektrických sítí nn a vn 2.5.1. Dimenzování vodičů Nároky na elektrická vedení jsou velmi obsáhlá a často i protichůdná. Požadují se nízké pořizovací náklady, nízké provozní náklady a na druhé straně vysoká přenosová schopnost. spolehlivost, odolnost vůči vlivům okolí, bezpečnost provozu, hospodárnost atd. Průřez vodičů elektrického vedení musí být takový, aby vyhovoval celé řadě hledisek: proudové zatížení vodiče s ohledem na oteplení, dovolený úbytek napětí, odolnost vůči zkratovým proudům, mechanická odolnost, hospodárnost a bezpečnost provozu (správná funkce elektrických ochran). Proudové zatížení vodičů Výpočtové proudy jednotlivých spotřebičů jsou určeny vztahy, které vychází z výpočtového zatížení jednotlivých spotřebičů. Toto zatížení Pp [kW] vychází z instalovaného výkonu daného spotřebiče a z předpokládaného součinitele náročnosti Pp = Pi . β Pro výpočtové proudy pak platí vztahy: Trojfázové spotřebiče I p
1000 Pp 3 U s cos
Pro jednofázové spotřebiče I p
1000 Pp U f cos
Pro stejnosměrné spotřebiče I p
1000 Pp U
Dimenzování průřezu vodiče na dovolený proud vychází z dovoleného otepleni vodiče. Průchodem elektrického proudu vodiči dochází ke ztrátám a tím k vývinu tepla. Teplo, které se vyvine ve vodiči je přímo úměrné odporu vodiče a druhé mocnině protékajícího proudu. V ustáleném stavu se musí toto teplo převést povrchem vodiče do okolí. Teplo přenášené do okolí je přímo úměrné teplotnímu rozdílu mezi povrchem vodiče (izolace) a okolím Δυ a nepřímo úměrné tepelnému odporu T mezi vodičem (vodivým jádrem kabelu) a vzdálenějším okolím (již vodičem neovlivňovaným). Pro tepelné ztráty tedy platí: P R I 2
T
Teplota vodiče nebo jádra kabelu nesmí překročit určitou maximální hodnotu, která závisí na materiálu izolace, na spojovacím materiálu vodiče atd. Oteplení vodiče tedy nesmí přesáhnout hodnotu dovoleného oteplení Δυmax = υmax – υokolí. Pro
47
maximální hodnotu proudu kterým může být vodič zatěžován pak platí vztah: I
max , R T
kde R je elektrický odpor vodiče na jednotku délky a T je tepelný odpor vodiče na jednotku Dovolený úbytek napětí Vodiče a kabely musí být dimenzovány tak, aby při předpokládaném zatížen í nezpůsobily nedovolený pokles napětí. Konkrétní požadavky jsou uvedeny v různých technických normách (běžně se počítá s úbytkem napětí do 5% jmenovitého napětí). Hodnota úbytku napětí je rovna rozdílu hodnot napětí na začátku vedení a hodnoty napětí na konci vedení U = U1 — U2. Výpočet úbytku napětí je možno provést při znalosti výpočtového proudu daných spotřebičů a příslušné konfigurace sítě. Pro tento výpočet je také nutno provést úvahu o respektování jednotlivých parametrů vedení. Ve většině výpočtů se totiž některé parametry vodičů Základní výpočtové schéma I
S
U1
U2
Z sp
l
Stejnosměrné sítě Při řešení úbytku napětí stejnosměrných vedení je nutno považovat zátěžnou impedanci Z sp pouze za činný odpor Rsp rovněž vedení má pouze činný odpor R. Stejnosměrné vedení je dvouvodičové, úbytek napětí se vytváří v obou napájecích vodičích. Pro úbytek napětí stejnosměrného vedení za předpokladu konstantního průřezu a materiálu vodiče platí vztah:
U 2 R k l I p 2
l Ip S
, kde ΔU je úbytek napětí ve voltech, Rk odpor vedení na jeden
kilometr, l je délka jedné větve napájecího vedení, Ip je výpočtový proud, ρ je rezistivita vedení a S je průřez vedení. Z hodnoty dovoleného úbytku napětí je pak možno vypočítat průřez (pro dráty) nebo dovolenou hodnotu odporu na jednotku délky pro lana: S 2
48
l Ip U DOV
, resp. R k
U DOV . 2 l Ip
Střídavé sítě U střídavých sítí je možno také vycházet z náhradního schématu, zátěžná impedance vedení má však v tomto případě komplexní charakter. Reálnou část impedance tvoří činný odpor R sp, imaginární část pak induktivní reaktance XLsp. Charakter této zátěžné impedance určuje posuv proudu vůči napětí na konci vedení. Rovněž vedení má svou impedanci, musíme respektovat činný odpor vedení R i indukčnost vedení L. Pro impedanci vedení pak platí vztah Z = R + jωL = R + jXL. Ve většině případů se impedance vedení uvádí na kilometr délky vedení. Střídavé sítě jsou jednofázové nebo třífázové. V případě jednofázových sítí se počítá s fázovým napětím a podobně jako u sítí stejnosměrných se jedná o dvouvodičové sítě. Úbytek napětí vzniká v každé větvi vedení. U trojfázových síti se rovněž vychází z jednofázového modelu, ve kterém jsou znázorněná fázová napětí. U symetrických trojfázového sítí je ovšem součet okamžitých hodnot proudu všech tří fází roven nule a středním vodičem teoreticky neprotéká proud. Úbytek napětí proto vzniká pouze v jedné větvi (fázový vodič). U střídavých obvodů je ovšem nutno vycházet ze skutečnosti, že průběhy proudu a napětí jsou časově proměnné (sinusové) a je tedy nutno brát v úvahu, jednotlivé časové posunutí. Tato posunutí vyjadřují tzv. fázorové diagramy. Pro výpočtové
X.I U 1f
U R.I
schéma platí fázorový diagram dle obrázku. Z uvedeného fázorového diagramu vyplývá, že úbytek napětí má jak reálnou tak i jalovou složku. Při
U 2f
řešení úbytku napětí na vedeních nn a vn, kde zátěžný úhel β je velmi malý je většinou brána v úvahu pouze reálná složka úbytku napětí. Pro fázovou hodnotu úbytku napětí trojfázového střídavého vedení pak platí vztah ΔUf = R . I . cosφ + X . I . sinφ = Rk . l . I . cosφ + Xk . l . I . sinφ (pro jednofázové vedení je nutné délku vedení násobit dvěma)
I
Úhel α ve fázorovém diagramu představuje tzv. úhel vedení a je dán poměrem induktivní reaktance a činného odporu vedení arctg
XL . R
Odolnost vůči zkratovým proudům Vedeni musí odolat jak dynamickým, tak i tepelným účinkům zkratových proudů, které v daném místě připadají v úvahu. Dynamické síly vznikají elektromagnetickým působením proudů v sousedních vodičích. Největší silový ráz způsobuje tzv. nárazový zkratový proud (IKM). Je to v podstatě první 49
amplituda zkratového proudu po vzniku zkratu za předpokladu maximální stejnosměrné složky. Síla mezi vodiči vztažená na jeden metr vodiče je dána vztahem: FK k1 k 2 2
I 2KM 10 7 , a
kde k1 je koeficient tvaru vodiče (respektuje rozloženi proudů), k2 je koeficient respektující uspořádání vodičů a fázový posuv proudů, a je vzdálenost vodičů a IKM je nárazový zkratový proud. Tepelné účinky zkratového proudu mohou působit nepříznivě hlavně na izolaci vodičů. Zkratový proud způsobí velké oteplení, během krátké doby trvání zkratu nemůže být toto teplo odvedeno do okolí a proto se zvyšuje teplota vodičů. Tepelné účinky zkratového proudu se posuzují podle tzv. ekvivalentního oteplovacího proudu (IKE), což je fiktivní hodnota střídavého proudu stálé velikosti, která za dobu působení zkratu má stejné tepelné účinky jako skutečný zkratový proud. Pro minimální průřez kabelu platí s ohledem na tepelné účinky zkratového proudu vztah
S MIN
I KE t K K
, kde IKE je ekvivalentní oteplovací proud, tK je doba trvání zkratu a K je
koeficient. který respektuje teplotu jádra kabelu před a po zkratu. Velikost zkratového proudu v elektrických rozvodech může být významně ovlivněna jištěním. Správně dimenzované jištění přeruší zkratový proud dříve než dosáhne své maximální možné hodnoty. Mechanická odolnost Některé druhy vedení jsou mechanicky namáhány při montáži nebo i při samotném provozu, zejména venkovní vedení. Výpočet mechaniky vedení je většinou prováděn u venkovních vedení vn a vvn. Tam se počítá minimální průřez vodiče s ohledem na jeho hmotnost a povětrnostní vlivy (vítr, námraza). Dále jsou zde prováděny mechanické výpočty stožárů a jejich základů. V oblasti průmyslových sítí je mechanická odolnost zohledňována stanovením minimálních průřezů pro jednotlivé druhy vodičů a jejich uložení. Hodnoty těchto minimálních průřezů jsou stanoveny v příslušných normách. Hospodárnost průřezu Vodiče mají být dimenzovány tak, aby byly zatěžovány hospodárným proudem. Pořizovací náklady i náklady na provoz a údržbu by měly být optimální. Definování jednotlivých činitelů této optimalizace je dosti složité. Činitele můžeme rozdělit na technické a ekonomické. 50
Technické činitele můžeme určit měřením a výpočtem. ekonomické činitele mají návaznost na ceny materiálů, energie atd. Výpočet hospodárného průřezu je možno např. vypočítat ze vztahu: S k I p T , kde k je součinitel popisující druh a materiál vedení (viz tabulka), Ip je výpočtový proud a T je doby 2 A A [hod . rok-1], kde plných ztrát, která se vypočte ze vztahu: T t 0,2 0,8 Pp t Pp t
A je energie přenesená vedením za rok [kWh], t je počet provozních hodin připojeného zařízení za rok a Pp je přenášený výpočtový výkon [kW]. Tabulka součinitele druhu a materiálu vedení k Materiál jádra vodiče Druh vedení Cu Al Holé přípojnice 0,006 0,014 2 Kabely od 25 mm výše do 10kV 0,007 0,0168 2 Chráněné vodiče a kabely o průřezu 16 mm 0,006 0,0129 Chráněné vodiče, kabely do 10 mm2, 1 kV nebo vodiče 0,0053 0,009 v instalačních trubkách Bezpečnost provozu Kritérium bezpečnosti provozu je hlavním kritériem pro dimenzováni vodičů (i když je v tomto výčtu uvedeno na posledním místě). Jedná se o správné působení ochrany před nebezpečným dotykem (ČSN 332000-4-41). Impedance poruchové smyčky musí splňovat vztah: Zs I A U 0 , kde Zs je impedance poruchové smyčky zahrnující zdroj, fázový vodič až k místu poruchy a ochranný vodič mezi místem poruchy a zdrojem, IA je proud zajišťující samočinné působení odpojovacího ochranného prvku v době stanovené normou a U0 je jmenovité napětí proti zemi. Při ochraně nulováním (rychlým odpojením od zdroje) je nutno průřez vedení dimenzovat tak, aby impedance poruchové smyčky nepřesáhla hodnotu dle předešlého vztahu. 2.5.2. Výpočet ss sítí Základní podmínky výpočtu Při výpočtech elektrických stejnosměrných sítí bude uvažován pouze jeden parametr vedení a to činný odpor R. Jedná se o případ dvouvodičového vedení (úbytek napětí se vytváří v obou vodičích). Při výpočtu budou respektovány následující zjednodušující předpoklady: - materiály i průřezy jednotlivých vodičů jsou stejné, - odebíraný výkon nezávisí na úbytku napětí,
51
- určení odběrových proudů spotřebičů z příkonu se provádí za předpokladu jmenovitých napětí. Pro počítanou síť jsou dány: - konfigurace sítě s odběrovými výkony nebo proudy - jmenovité napětí, - dovolený úbytek napětí. Výpočtem je pak nutno stanovit: - průřez vedení, - maximální úbytek napětí, - výkonové ztráty. Výpočet vedení napájeného z jedné strany Na základním schématu vedení napájeného z jedné strany s několika odběry si vysvětlíme metody výpočtu sítí. U tohoto typu vedení je jasné, že místo maximálního úbytku napětí je vždy na konci vedení. l1
l2
l3
ln
S1
S2
S3
Sn
I1
I2
I3
I n-1
Uma x
In
(lx jsou délky jednotlivých úseků vedení, Sx jsou průřezy jednotlivých úseků vedení a Ix jsou jednotlivé proudové odběry) Pro maximální hodnotu úbytku napětí platí vztahy:
U max R 1 I1 R 2 I 2 R 3 I 3 R n I n
2l 2l1 2l 2l I1 2 I 2 3 I 3 n I n S1 S2 S3 Sn
n
lk Ik k 1 S k
U max 2
Což jsou základní rovnice pro výpočet úbytku napětí u stejnosměrných sítí. Metoda konstantního průřezu Tato metoda, je pro výpočet sítí (nejen stejnosměrných) používána nejčastěji. Základní pravidlo této metody je obsaženo v jejím názvu, tedy S = konstanta. Pro maximální hodnotu úbytku napětí lze předchozí vztahy upravit na tvar:
52
U max
2 n l k I k , kde výraz S k 1
n
l k 1
k
I k M k se označuje jako tzv. proudový moment a dá
se jak vyplývá ze základního schéma vedení vypočítat dvojím způsobem: n
M k l k I k l1 I1 I 2 I 3 I n l 2 I 2 I 3 I n l 3 I 3 I n l n I n k 1 n
M k l k I k l1 I1 l1 l 2 I 2 l1 l 2 l 3 I 3 l1 l 2 l 3 l n I n k 1
První způsob vyjádření je jako součet součinů jednotlivých úseků a součtu proudů, které tečou těmito úseky. Druhý způsob vyjádření je jako součet součinu proudů jednotlivých odběrů a vzdáleností těchto odběrů od začátku vedení. Výpočet průřezu vedení pak vychází z hodnoty dovoleného úbytku napětí:
S
2 M k , je-li dovolený úbytek napětí udán v procentech napětí zdroje pak se vztah U dov
upraví na tvar: S
2 Mk . u % U
Z vypočtené hodnoty průřezu vodiče se zvolí nebližší vyšší průřez z řady průřezů daného výrobci vedení. Pro výkonové ztráty platí: P
2 n l k I 2k S k 1
Metoda konstantního průřezu je velmi jednoduchá metoda výpočtu, ale její nevýhodou je, že na celé vedení je vypočítán jeden průřez vodiče, který není po celé délce (zvláště na konci vedení) proudově využit. Tuto nevýhodu lze kompenzovat několikerým použitím této metody, takže na koncích vedení a na odbočkách je vypočtena jiná hodnota průřezu vedení, odpovídající procházenému proudu. Metoda konstantní proudové hustoty Jak vyplývá z názvu této metody, je v každém úseku vedení stejná proudová hustota σ, tedy:
I I1 I 2 I 3 n konstanta S1 S 2 S3 Sn
Pro maximální hodnotu úbytku napětí pak platí: n
n lk I k 2 l k 2 L , kde L je celková délka vedení. k 1 S k k 1
U max 2
53
Pro výslednou proudovou hustotu pak platí:
U dov 2L
Průřez každého úseku vedení je jiný podle hodnoty proudu, který daným úsekem vedení protéká: S k
Ik n
n lk 2 I k 2 l k I k 2 M k k 1 S k k 1
Pro výkonové ztráty platí: P 2
Vedení navržené podle této metody má ve všech úsecích ideální proudové využití průřezu a proto vznikají minimální výkonové ztráty, ale nevýhodou je technické řešení, neboť každý úsek vedení by měl jiný průřez. To vyžaduje jištění každého úseku vedení zvlášť a množství použitých druhů instalačního materiálu. Aby byl v praxi využit efekt minima výkonových ztrát, musely by být jednotlivé proudové odběry konstantní. Řešení vedení s odbočkami Při řešení tohoto typu vedení se obvykle několikrát aplikuje metoda konstantního průřezu. Základem této metody je stanovení tzv. kmenového vedení. V každém místě odbočení (postupuje se od konce vedení) se stanoví, která odbočka má větší hodnotu úbytku napětí. Protože se předpokládá metoda konstantního průřezu, stanoví se, která větev má větší hodnotu proudového momentu Mk. Větev, která má větší hodnotu proudového momentu, se zachová, větev s menší hodnotou proudového momentu se nahradí odběrem v místě odbočení. Hodnota odběrného proudu (výkonu) je rovna součtu všech odběrných proudů (výkonů) větve, která se nahrazuje. (Výsledný proudový odběr řešené sítě se po redukci větví nesmí změnit) Tak se získá tzv. kmenové vedení, což je vedení napájené s jedné strany s několika odběry. Toto kmenové vedení se pak řeší stejným postupem jako vedení napájené z jedné strany bez odbočky. Vypočte se průřez kmenového vedení. Odbočky se mohou dimenzovat stejným průřezem, ale většinou se odbočky dimenzují zvlášť. Vypočte se skutečná hodnota úbytku napětí v místě odbočení ΔUk. Pro danou odbočku se pak vypočte hodnota dovoleného úbytku napětí ΔUdov odbočky = ΔUdov - ΔUk a na tuto hodnotu dovoleného úbytku napětí se pak dimenzuje daná odbočka.
54
B
A
I1
D
I2
I5
I6
I3
I4
C
V případě sítě na obrázku se stanoví proudový moment mezi body BC a BD a určí se kmenové vedení. Například proudový moment úseku vedení BD je větší než proudový moment úseku vedení BC, pak je kmenové vedení tvořeno body ABD a v místě odbočení B se odbočka BC nahradí odběrem daným součtem všech proudů této větve (I3 + I4). B
A
I1
I2
D
I 3+ I 4
I5
I6
Vedení napájené ze dvou stran V případě takového typu vedení je nutno nejdříve určit místo maximálního úbytku napětí. Pro jeho určení je nutno vypočítat napájecí proudy. Předpokladem je opět hodnota konstantního průřezu a dále se předpokládá stejné napětí obou napáječů. Pro odvození vztahů pro výpočet napájecích proudů bude použito jednoduché schéma vedení napájeného ze dvou stran se třemi odběry. A
l1
l2
X
l3
l4
IA
B IB
I1
I2
I3
Pro úbytek napětí v bodě X (stejná hodnota musí být od napáječe A i B za předpokladu stejných napájecích napětí) platí následující vztah: l l1 l l I A 2 I A I1 4 I B 3 I B I 3 S S S S l1 I A l 2 I A l 2 I 1 l 4 I B l 3 I B l 3 I 3 U x
Zároveň platí, že součet všech odebíraných proudů je roven součtu proudů od jednotlivých 55
napáječů: I A I B I1 I 2 I 3 Po úpravě platí pro napájecí proud IA a analogicky pro napájecí proud IB následující vztahy: n
I l I 2 l 3 l 4 I1 l 2 l 3 l 4 IA 3 4 l1 l 2 l 3 l 4
I k 1
k
l kB , kde lkB je délka vedení k-tého odběru
L
od napáječe B a L je celková délka vedení. n
I l I l l I 3 l1 l 2 l 3 IB 1 1 2 1 2 l1 l 2 l 3 l 4
I k 1
k
l kA
L
, kde lkA je délka vedení k-tého odběru
od napáječe A. Po výpočtu napájecích proudů se určí rozložení proudů v síti. Odběr, do kterého se stékají proudy z obou stran je místem maximálního úbytku napětí. V tomto bodě se vedení rozdělí na dvě vedení a počítá se jako vedení napájené z jedné strany. 2.5.3. Výpočet st sítí nn a vn Základní podmínky výpočtu Při výpočtu střídavých vedení nn a vn budou respektovány parametry vedení R a L. Vedení bude tedy nahrazeno podélnou impedancí Z. V případě trojfázového vedení bude uvažován symetrický provoz. Poměry v každé fázi budou stejné,
I
R
L
pouze elektricky pootočené o 120° resp. 240°. Proto je možno použít jednofázový model vedení. Napětí U1f a U2f na modelu vedení jsou napětí fázová.
U 1f
U 2f
Pro tato napětí platí vztah: U1f = U2f + ΔUf = U2f + ZI = U2f + (R + jX).(I.cosφ ± I.sinφ), kde znaménko -je pro induktivní zátěž a znaménko + pro kapacitní zátěž. pro úbytek napětí pro induktivní (častější) zátěž platí: ΔUf = (R + jX).(Ič – Ij) = (RIč + XIj) + j(XIč – RIj), z tohoto vztahu vyplívá, že úbytek napětí má svou reálnou i imaginární složku a je to patrné i z fázorového diagramu. Úhel α je tzv. úhel vedení a jeho tangenta je rovna X/R, což je poměr induktivní reaktance a odporu
56
vedení. Je-li α = φ je hodnota jalové složky úbytku napětí ΔUj rovna nule. Úhel β je tzv. zátěžný úhel a u běžných vedení nn a vn je jeho hodnota velmi malá (do 3°), při praktických výpočtech se tedy jalová složka úbytku napětí zanedbává a vztah pro úbytek napětí se zjednoduší na tvar: ΔUf = (R.Ič + X.Ij) = R.I.cosφ + X.I.sinφ = ΔU1 + ΔU2, kde první část úbytku napětí ΔU1 je závislý na průřezu (obsahuje odpor R) a druhá část ΔU2 je v podstatě na průřezu nezávislá. Průřez se pak dá vypočíst úpravou vztahu pro dovolený úbytek
l napětí: ΔU1 = ΔUdov - ΔU2 = ΔUdov – X.Ij = ΔUdov – X.I.sinφ = R.I.cosφ = ρ. .I cosφ S
S
l I cos U1
Výpočtové metody střídavých vedení Na střídavá vedení je možno aplikovat stejné výpočtové metody jako na vedení stejnosměrná. Jednofázová vedení jsou dvouvodičová (úbytek napětí vzniká v obou vodičích). V případě trojfázových vedení je uvažován symetrický provoz (nulovým vodičem neprotéká žádný proud) a úbytek napětí pak vzniká pouze na fázových vodičích. Výpočet vedení napájeného z jedné strany Většinou se aplikuje metoda konstantního průřezu. R 1+ jX 1
R 2+ jX 2
I1č - jI1j
R n+ jX n
I2č - jI2j
In-1č - jI n-1j
Inč - jInj
Pro první část fázového úbytku napětí ΔU1 platí:
U1
n l k I k cos k , kde lk je délka k-tého úseku vedení, Ik je proud v k-tém úseku S k 1
vedení, cosφk je účiník v k-tém úseku vedení. Pro průřez vedení pak platí:
S
n l k I k cos k (pro jednofázové -dvouvodičové vedení platí stejný vztah, pouze U1 k 1
čitatel je násoben dvěma). Metoda konstantní proudové hustoty Pro tuto metodu platí následující základní vztah pro první část fázového úbytku ΔU1
57
n
U1 l k cos k k 1
Další výpočet je shodný s výpočtem stejnosměrných sítí. Výpočet vedení napájeného ze dvou stran Opět se předpokládá aplikace metody konstantního průřezu. l1
A
X
l2
l3
l4
IA
B IB
I1
I2
I3
Pro napájecí proudy platí: n
IA
I k 1
k
Z kB
Z AB
n
a IB
I k 1
k
Z kA
Z AB
, kde ZAB je impedance vedení mezi oběma napáječi.
Za předpokladu, že napětí napájecích zdrojů jsou ve fázi zjednoduší se vztahy pro napájecí proudy na: n
IA
I k l kB k 1
L
n
a IB
I k 1
k
l kA
L
Další řešení je opět analogické s řešením stejnosměrné sítě. Výpočet střídavých vedení při nesymetrickém zatížení Nesymetrické zatížení má za následek proud v nulovém vodiči. Úbytek napětí tak vzniká ve vodiřích fázových, ale i ve vodiči středním. ΔUf = ΔUfáz – ΔUstř, kde ΔUf je fázová hodnota úbytku napětí, ΔUfáz je úbytek napětí na fázovém vodiči a ΔUstř je úbytek napětí na středním vodiči. Je tedy nutno dimenzovat jak fázové vodiče tak i střední vodič a najít optimální poměr mezi nimi. Pro určení tohoto poměru se vychází z činitele nesymetrie η, který je dán poměrem proudu středního vodiče I0 a sousledné složky proudu v jednotlivých fázích I1 (resp. střední hodnoty fázových proudů I):
I0 I M0 100 0 100 100 . Hodnota činitele nesymetrie I1 I M fáz
η se v praxi odhaduje podle druhu sítě a charakteru zátěže a průřez středního vodiče se volí stejný jako průřez vodičů fázových (sítě TN-C), nebo o jeden stupeň nižší (TN-S). Teoreticky odvozené vztahy průřezů jednotlivých fázových vodičů S fáz a vodiče středního Sstř: 58
Sf
1 a Sstř M fáz 1 3 1 . M fáz 1 U f U f 100 10 10 3
2.5.4. Výpočet st sítí vvn Při řešení vedení vvn je nutno respektovat všechny čtyři parametry elektrických vedení činný odpor, indukčnost, kapacitu a svodovou vodivost. Tyto parametry při řešení elektrických sítí NN a VN zjednodušeně považujeme za prostorově soustředěné tj. výsledné hodnoty těchto parametrů nahradíme jedním fyzikálním prvkem (viz obrázek vedení). Pro řešení vedení můžeme využít teorii čtyřpólů, kdy vedení představuje pasivní, lineární, souměrný čtyřpól. Jeho základní rovnice jsou: U1 = A . U2 + B. I2 I 1 = C . U2 + D . I 2 kde A, B, C a D jsou tzv. Blondelovy konstanty. Pro přesná řešení vedení nelze ovšem zjednodušovat vedení na náhradní schéma s prostorově soustředěnými parametry, ale je nutno respektovat prostorově rozložené parametry vedení a výpočet vedení vvn se tak stává velice složitým. Pro výpočet vedení vvn proto využíváme přibližné metody výpočtu pracující s tzv. náhradními články. Při tomto řešení uvažujeme soustředěné parametry vedení do několika náhradních impedancí a admitancí. Parametry vedení se pak vhodným způsobem zapojují. Rozlišujeme dva základní náhradní články T článek a Π článek. Každý náhradní článek má jiné hodnoty Blondelových konstant, odvozených z podélné impedance vedení ZK a příčné admitance YK, pro které platí: ZK = (RK + j LK ) [Ω.km-1 ]; YK = (GK + j CK ) [S.km-1 ], kde. RK, LK, CK a GK parametry vedení vztažené na 1 km délky Náhrada pomocí T článku Příčná admitance je umístěna do středu vedení. Podélná impedance je rozdělena na dvě poloviny a umístěna na začátek a konec vedení. Odvozením z rovnic pro součet napětí a proudů dle Kirchhoffových zákonůa jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro T článek: 59
Z K YK l 2 Z K YK l 2 [Ω]; C YK l [S] [-]; B Z K l 1 A D 1 2 4 Náhrada pomocí Π článku Příčná admitance je rozdělena na dvě poloviny a umístěna na začátek a konec vedení. Podélná impedance je umístěna do středu vedení. Odvozením z rovnic pro součet napětí a proudů dle Kirchhofových zákonů a jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro Π článek:
A D 1
Z Y l2 Z K YK l 2 [S] [-]; B Z K l [Ω]; C YK l 1 K K 2 4
2.6. Problémy přenosu el. en. Problémy přenosu el. en. jsou způsobeny především koronou, Ferantiovým jevem, ztrátami dielektrickou hysterezí, či stabilitou soustav. Korona – je to neúplně samostatný doutnavý výboj bledě fialové až narůžovělé barvy doprovázený někdy zvukovými efekty. Vzniká v okolí vodiče překročí-li intenzita elektrického pole dostatečnou hodnotu pro její vznik. Napětí, při kterém koróna vzniká, se nazývá kritické napětí koróny. Jeho velikost závisí na počasí, vlhkosti vzduchu, drsnosti povrchu vodiče, poloměru vodičů a na jejich vzájemné vzdálenosti. Kromě činných ztrát způsobuje koróna rušení telekomunikačních zařízení. Velikost ztrát korónou lze zmenšit použitím svazkových vodičů. Ferantiho jev – jedná se o jev, kdy napětí na konci vedení je větší než na jeho začátku. Nastává u dlouhých nezatížených vedení (stav naprázdno) nebo jen málo zatížených vedení vvn a zvn. Jedná se o formu provoznho přepětí. Pro odvození velikosti přepětí vycházíme vzhledem k délce vedení z T článku.
60
Protože při chodu vedení naprázdno není na konci připojen odběr, je U2 = 0. Proto můžeme zanedbat pravou část podélné impedance na které je nulový úbytek napětí (ΔUF2 = 0). Na příčné admitanci Y1 je tedy přímo napětí U2F. Vzhledem k tomu. že zanedbáváme činnou složku příčné admitance (G = 0), protéká při chodu vedení naprázdno příčnou větví čistě kapacitní proud Ic, který současně protéká levou částí podélné impedance. Platí tedy, že I1 = Ic a vedením protéká pouze tzv. nabíjecí proud vedení Ic. Protože pravou část T článku nemusíme uvažovat, lze náhradní schéma vedení upravit a nakreslit z něj fázorový diagram.
Z fázorového diagramu je vidět, že napětí na konci vedení je větší než na jeho začátku. Na vedení tedy vznikne místo úbytku přírůstek napětí (záporný úbytek napětí). Ztráty dielektrickou hysterezí – jsou to ztráty které se vyskytují u kabelů při střídavém proudu, jsou důsledkem polarizace izolantu. Velikost těchto ztát závisí na složení izolace, teplotě. Stabilita sítě – elektrizační soustava musí mít schopnost být v rovnovážném stavu a vrátit se do něj i po poruše, která by tento stav změnila. Za rovnovážný stav se považuje za zachování synchronního tedy paralelního chodu všech synchronních strojů, které jsou připojeny k elektrizační soustavě. Schopnost elektrizační soustavy udržet se v synchronním chodu s jinou soustavou i při pomalu rostoucím činném výkonu až do meze statické stability nazýváme statická stabilita. Dynamická stabilita je pak schopnost soustavy přejít znovu do synchronního chodu s jinou soustavou i po přechodném ději (vypnutí vedení, zkratu atd.). Stabilita tedy limituje délku vedení a přenášený výkon mezi dvěmi soustavami.
2.7. Poruchové stavy na vedení Při každém poruchovém stavu dochází ke změnám provozních parametrů a tím k přechodovému jevu. Mezi poruchové jevy na vedení se řadí zkraty, zemní spojení a přepětí.
61
2.7.1. Zkraty Zkrat – náhodné nebo úmyslné spojení přes zanedbatelný odpor nebo impedanci dvou nebo více bodů obvodu, které mají při normálním provozu různá napětí. Zkratem tedy rozumíme vodivé spojení fází mezi sebou nebo spojení jedné fáze se zemí (pouze v soustavě s uzemněným uzlem). V místě poruchy dojde tedy k mimořádnému zmenšení napětí, případně k jeho poklesu na nulu a zároveň do místa poruchy tečou zkratové proudy ze všech zdrojů soustavy. Podle jejich výkonu a vzdáleností tak vzrůstají úbytky napětí směrem do zdrojů k místu zkratu, pokles napětí se projeví v celé soustavě. Nejvíce je ohroženo místo zkratu, protože jím protéká výsledný zkratový proud. Rozdělení zkratů – podle působení zkratu v jednotlivých fázích rozdělujeme zkraty na souměrné (všechny tři vodiče jsou shodně postiženy a vedou stejný zkratový proud) a nesouměrné. Souměrné - třífázový zkrat nebo třífázový zemní zkrat - nastává při kovovém dotyku všech tří fází navzájem resp. všech tří fází navzájem a zemně. Tento druh zkratu se nejčastěji vyskytuje v kabelových sítích (oblouk vzniklý při jakémkoliv zkratu snadno poruší izolaci mezi všemi fázemi) a vede často k nejvyšším hodnotám předpokládaného zkratového proudu. Nesouměrné - dvoufázový zkrat izolovaný - vzniká při prostém spojení dvou různých fází - dvoufázový zkrat zemní - vzniká při spojení dvou různých fází a země - jednofázový zkrat - vzniká při spojení jedné fáze se zemí u soustavy s uzemněným uzlem (způsobuje největší rušení sdělovacích vedení). Příčiny zkratu – hlavními příčinami zkratů jsou nedokonalá izolace, stárnutí izolace, stárnutí a přetěžování vodičů, popraskané izolátory, poddimenzování zařízení, vadné elektrické zařízení, přepětí, úder blesku. Účinky zkratu – tepelné a dynamické namáhaní vedení, zhoršení možnosti přerušení proudu výkonovými vypínači, ohrožení stability soustavy, přepětí a indukovaná napětí na vedení 62
Časový průběh zkratového proudu Souměrný zkratový proud-vzniká jen v tom případě, že nastane zkrat v maximu sinusového průběhu napětí. Zkratový proud má indukční charakter a je zpožděn za napětím o 90° a vzniká v nule proudového sinusového průběhu. Zkrat se projeví pouze vzrůstem proudu na zkratovou hodnotu, prvá amplituda je největší a časem se zmenšuje na ustavený zkratový proud. Souměrný zkratový proud má průmyslový kmitočet. Při třífázovém zkratu vzniká souměrný zkrat jen v jedné fázi.
Složky souměrného zkratového proudu (f = 50 Hz): - rázová - exponenciální obálka -1 - přechodná - exponenciální obálka - 2 - ustálená - konstantní amplituda -3 Hodnoty - souměrný zkratový proud Iks - efektivní hodnota součtu ustálené, přechodné a rázové složky - rázový zkratový proud I "kT - efektivní hodnota proudu v období trvání rázové složky
t 0 3 Tk" - počáteční rázový zkratový proud I "k 0 - hodnota I "kT v okamžiku vzniku zkratu (t=0) - přechodný zkratový proud I 'kT - efektivní hodnota proudu v období od zániku rázové složky do zániku přechodné složky t 3 Tk" 3 Tk'
63
- počáteční přechodný zkratový proud I 'k 0 - hodnota I 'kT v okamžiku vzniku zkratu (t=0) - ustálený zkratový proud Iku - po zániku přechodných složek t 3 Tk' b) nesouměrný zkratový proud – ke zkratu dojde v okamžiku, kdy sinusový průběh napětí prochází nulou a proto zkratový proud by měl začínat ze své maximální hodnoty, ale z důvodu magnetické setrvačnosti k tomu nedojde a vznikne přechodový jev a tím vzniká také ss složka zkratového proudu. Složky nesouměrného zkratového proudu: - rázová - exponenciální obálka - přechodná - exponenciální obálka - stejnosměrná - exponenciální obálka - ustálená - konstantní amplituda Hodnoty - nesouměrný zkratový proud Ikns - efektivní hodnota součtu ustálené, přechodné, rázové a stejnosměrné složky proudu - nárazový zkratový proud Ikm - amplituda první půlperiody při maximální stejnosměrné složce - stejnosměrná složka I ka - je vynucená spojitým průběhem proudu - počáteční stejnosměrná složka Ika0 - stejnosměrná složka proudu v čase t = 0 - přechodová složka je tím menší, čím je generátor více vzdálen od místa zkratu. Ekvivalentní oteplovací zkratový proud I ke - je to ekvivalentní hodnota stálého fiktivního proudu, který za dobu trvání zkratu vyvine stejné teplo jako proud zkratový. Vypínací zkratový proud - je to hodnota střídavé složky zkratového proudu v době,kdy se zkrat vypíná. Dynamické účinky zkratu se omezují rychlým odpojením zkratu, volbou mechanicky odolného zařízení, zvětšením vzdálenosti fázových vodičů vedení, zmenšením vzdálenosti 64
podpěr přípojnic Tepelné účinky zkratu se omezují rychlým odpojením zkratu, volbou izolace, menším zatěžováním vodičů. V rozvodnách a v rozvaděčích se účinky zkratu omezují podélným dělením přípojnic, rozdělením výkonů transformátoru potřebného pro celý přenášený výkon na několik menších jednotek z menším výkonem. Přímé omezení zkratových proudů se provádí tzv. reaktory, což jsou tlumivky bez železného jádra navinuté jednožilovými kabely o velkém průřezu a zalité kvůli dynamickým silám do betonu. 2.7.2. Zemní spojení K zemnímu spojení dochází v izolované soustavě při spojení jedné fáze se zemí. Podle doby trvání dělíme zemní spojení na: - mžikové – doba trvání do 0,5 sekund - krátkodobé – doba trvání do 5 minut - přerušované – mžikové nebo krátkodobé, které se několikrát za sebou opakuje - trvalé – doba trvání až několik hodin (do zásahu obsluhy) Normální stav Při bezporuchovém stavu má každý fázový vodič proti zemi kapacitu C, kterou vlivem fázového napětí prochází kapacitní proud IC = Uf .ω.C.
Protože předpokládáme souměrnou síť a stejné kapacity, je fázorový součet kapacitních proudů roven nule. Poruchový stav Při poruše má země potenciál postižené fáze L3, tzn. mezi L3 a zemí je nulové napětí. Napětí nepoškozených fází L1 a L2 proti zemi proto vzroste na sdruženou 65
hodnotu. Kapacitami „zdravých“ fází protékají kapacitní proudy I C1. IC1 =Us . ω .C =
3 . Uf . ω .C =
3 . IC
Oba proudy IC1 se fázorově sčítají a místem zemního spojení protéká proud IC2. IC2 =
3 . IC1 =
3 .
3 . IC = 3 . IC
Vypínání kapacitního zemního proudu IC2 je obtížné. Při obloukovém zemním spojení způsobuje IC2 opalování vodičů, přerušované zemní spojení a přepětí. V místě zemního spojení vzniká krokové napětí. Kapacitní proud IC2 je tím větší, čím je síť (délka vedení) rozsáhlejší. Proto se sítě s neuzemněným uzlem nevytváří příliš rozsáhlé, aby zemní proud nebyl větší než 10A. V případě potřeby se rozsáhlejší sítě provozují rozděleně. 2.7.3. Přepětí O přepětí mluvíme tehdy je-li napětí dvakrát tak velké jako jmenovité napětí dané sítě. Přepětí se dělí na provozní, která mohou být dočasná nebo spínací a atmosfěrická. Provozní přepětí mohou být způsobeny především zemním spojením, přerušovaným zemním spojením, vypínáním zkratů,vypínáním velkých induktivních proudů, zapínáním a vypínáním velkých kapacitních proudů nebo dlouhým vedením naprázdno (Ferantiův jev). Atmosfěrická přepětí mají příčinu v úderu blesku do vedení nebo jeho blízkosti. Přepětí se také rozdělují podle jejich průběhů na: - přepětí dočasná definovaná frekvencí 10 Hz < f < 500 Hz a dobou 0,03 s ≤ T ≤ 3600 s - přepětí pomalá (s dlouhým čelem) definovaná časy 20 μs < T1 < 5000 μs a T2 ≤ 20 ms - přepětí rychlá (s krátkým čelem) definovaná časy 0,1 μs < T1 < 20 μs a T2 ≤ 300 μs - přepětí velmi rychlá definovaná časy 3 ns < T1 < 100 ns a T ≤ 3 ms a frekvencemi 0,3 MHz < f1 < 100 MHz a 30 kHz < f2 < 300 kHz
66
2.8. Rozvodny a transformovny 2.8.1. Rozdělení, typy elektrických stanic Elektrické stanice jsou definovány jako ucelená zařízení v uzlu elektrizační soustavy, sloužící buď k transformaci napětí na jinou hladinu a jejímu dalšímu rozvádění tzv. transformovny nebo k rozvedeni elektrické energie stejného napětí tzv. spínací stanice nebo k přeměně proudu ze střídavého na stejnosměrný a jeho dalšímu rozvádění tzv. měnírny a také kompenzovny, které slouží k vyrovnáváni jalových složek proudu, tyto se již dnes vyskytují jako součást elektrických stanic, rozvodných zařízení nebo průmyslových závodů. Rozloha elektrických stanic je dána jejich začleněním do elektrizační soustavy, jmenovitým napětím soustavy, počtem přípojnicových systémů, instalovaným výkonem transformátorů apod. Stanice jsou elektrické celky obsahující několik rozvodných zařízení, transformátory umístěné na transformátorových stanovištích a další silová zařízení, pro změnu napětí, frekvence a dalších veličin nebo k jejich usměrnění. Dále pro svou činnost potřebují zařízení vlastní spotřeby, akumulátorové baterie, kompresorovnu pro výrobu stlačeného vzduchu pro ovládání spínacích přístrojů, uzemnění, vytápění, větrání a také osvětlení. Rozdělení elektrických stanic Elektrické stanice rozdělujeme podle účelu na: - transformovny (slouží k transformaci elektrické energie na požadovanou hladinu napětí vhodnou k dalšímu rozvodu) - spínací stanice (slouží k rozvodu elektrické energie téže hladiny napětí) - měnírny (slouží k přeměně střídavého proudu na jiný, buď na proud o jiném kmitočtu či na proud stejnosměrný) - kompenzovny (slouží k vyrovnání jalových složek proudu) podle způsobu obsluhy na: - elektrické stanice s trvalou obsluhou - elektrické stanice bez obsluhy s pravidelným dozorem - elektrické stanice bez obsluhy s dálkovým ovládáním Hlavní části elektrických stanic Elektrické stanice se skládají z části elektrické, stavební a pomocné. Elektrická část obsahuje rozvodná zařízení (přípojnice , odbočky apod.), spínací zařízení (výkonové vypínače, odpojovače, …) měřící zařízení (MTU, MTI), jistící zařízení (pojistky, 67
ochrany vedení, bleskojistky), transformátory, kompenzační zařízení. Stavební část zahrnuje veškeré budovy, pozemky, komunikace a další náležitosti spojené s vlastní stavbou elektrické stanice. Pomocná část slouží k zabezpečení provozu a údržbě elektrických stanic. Schémata elektrických stanic Schémata elektrických stanic jsou tvořena odbočkami a přípojnicemi a měla by být co nejvíce přehledná a také co nejjednodušší .Schémata elektrických stanic nám určují jejich provozní vlastnosti a jsou určovány mnoha odlišnými parametry, jako například provozními požadavky, bezpečností provozu nebo provozní a ekonomická hospodárností. Odbočky jsou základním prvkem rozvodného zařízení a tvoří je soubory připojených přístrojů, které slouží ke spínáni, měření a ochraně přívodů a vývodů elektrické energie. Odbočky se dělí podle funkce na hlavní (alternátorové, transformátorové, vývodové, venkovní, kabelové, motorové, kondenzátorové, tlumivkové a jiné) a pomocné (spínače hlavních přípojnic, spínače pomocných přípojnic, pro měření napětí a pro bleskojistky)Dále se rozdělují podle výzbroje na provozní a záložní (s plnou výzbrojí nebo s částečnou výzbrojí)
Přípojnice zajišťují samotné propojení odboček mezi sebou. Přípojnice jsou holé vodiče o průřezu daném jejich proudovým zatížením a funkčními požadavky, jako jsou pevnost a zkratové poměry. Podle druhu použitého schématu se v elektrických stanicích setkáváme se přímými přípojnicemi (jednoduchými, jednoduchými a pomocnými, dvojitými, dvojitými s jednou ve funkci pomocné přípojnice, dvojitými a pomocnými, trojitými nebo trojitými a pomocnými), okružními přípojnicemi (jsou uzavřenou soustavou přípojnic zapojených do polygonu troj, čtyř nebo až osmiúhelníku - se záložním spínačem nebo bez záložního spínače), bez přípojnic (např. spojení H) a s větším počtem vypínačů na odbočku 68
Konstrukční řešení elektrických stanic Vlastní konstrukční a dispoziční řešení elektrických stanic se řídí rozložením a uspořádáním jednotlivých zařízení a částí stanic. Při volbě daného řešení máme mnoho možností a vycházíme vždy z několika požadavků, jako jsou například požadavky na navržené elektrické schéma, počet systémů přípojnic, odboček a transformátorů, jmenovitá napětí, začleněni do energetického systému, druhu stanice, druhu přívodu (venkovní, kabelový), zkratových poměrech, druhu a vlivů prostředí nebo bezpečnosti provozu a osob. 2.8.2. Stavební provedení elektrických stanic Podle stavebního provedení se elektrické stanice rozdělují na venkovní a vnitřní Venkovní rozvodny Tyto se stavějí jak pro energetické účely, tak i pro účely průmyslové a to jako vstupní stanice vn/nn. U klasické rozvodny je třeba brát na vědomí, že zastavěná plocha bude značně velká, ale tento problém lze v současné době již řešit použitím zapouzdřených rozvodů. Venkovní rozvodny mají však také své výhody, jako například volnost návrhu, snadnou dostupnost a výměnu zařízení, snadnější přechod na větší výkony, ale také své nevýhody,
69
jimiž jsou zejména provozní nároky spojené s nepříznivými povětrnostními vlivy (námraza, bouřky, sníh a déšť, velké teplotní rozdíly atd.) a s tím také související zvýšené nároky na provoz a údržbu (kovové části se musí opatřit krycími nátěry, izolaci je zapotřebí chránit před znečištěním a mechanickým poškozením, atd.). Vnitřní rozvodny U tohoto provedení jsou vlivy prostředí značně redukovány, ale naopak jsme zde zase limitováni půdorysnou plochou budovy. Další dělení je dle systémů přípojnic a nosné konstrukce. Rozeznáváme tedy tyto základní typy rozvoden vnitřního provedení: Kobkové rozvodny - jsou takové prostory, které jsou minimálně ze dvou stran oddělené přepážkami, ve kterých jsou na nosných konstrukcích ukotvených v betonové podlaze upevněny přípojnice a přístrojové vybavení odboček. Jako přepážek je použito lingoplátových, sádrových nebo nejčastěji křemelinových desek. Každá z odboček musí být oddělena přepážkou z nehořlavého materiálu, která brání přeskoku oblouku do vedlejší kobky a taky chrání obsluhu před dotykem živých částí. Čelní strana kobky je tvořena ovládací skříní s měřícími přístroji a signalizací. Zadní strana kobky je buď tvořena stěnou nebo zábranou z pletiva. Jako přípojnice se u těchto rozvoden používají měděné nebo hliníkové pásové holé vodiče, které jsou upevněné na keramických podpěrách. Mezi výhody patří přehlednost, možnost kontroly bez vypínání odboček, snadný přístup k přístrojům, zamezení šíření poruchy, možnost vizuální kontroly přístrojů, možnost provedení se dvěma a více systémy přípojnic, možnost připojení kabelových i venkovních vedení. Nevýhodou je pak zejména velikost zastavěné plochy a nižší ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Stavebně se kobkové rozvodny stavějí jako: - jednopodlažní - veškeré zařízení odboček je umístěno vjednom podlaží, kobka je v nástěnném provedení bez horizontálního dělení a má pouze jeden systém přípojnic. Proto se používají pouze v malých transformovnách a spínacích stanicích. - dvoupodlažní - provedení je dvojího druhu, buď s nástěnnými kobkami nebo s kombinovaným umístěním kobek. Tady jsou v horním podlaží přípojnice, vypínače, odpojovače a ve spodním podlaží jsou přístrojové transformátory proudu a napětí, kabelové koncovky a vývodové odpojovače(asi nejpoužívanější provedení kobkových rozvoden). - vícepodlažní - obvykle se zařazijí do důležitých uzlů energetické sítě a tam, kde jsou vysoké zkratové proudy. U tohoto provedení nám výška budovy zhoršuje přehlednost zařízení.
70
Skříňové rozvaděče - byly vyvinuty z rozvoden kobkových a jedná se o stavebnicový modul vybavený výsuvnými přístroji (vypínači). Jsou dodávány od výrobce jako celek, kde každá skříň obsahuje přístrojové vybavení pro jednu odbočku a izolaci proudovodných částí. Jako izolace živých částí je zde použit vzduch o atmosférickém tlaku, umělá hmota nebo jejich kombinace. Pro větší bezpečnost se používá plně izolovaných skříní, tzn. že jsou izolovány nejen přístroje. ale i přípojnice a ostatní spoje, na kterých by mohl vzniknout elektrický oblouk. Na určeném místě se do předem sestavené nosné konstrukce pouze zasune požadovaný vozík. Abychom mohli zmenšit rozměry skříní, musejí být použity vypínače s výsuvnými kontakty, které zároveň plní funkci odpojovače. Výhody skříňových rozvaděčů jsou rychlá montáž, zvýšená provozní spolehlivost, odolnost proti vzniku elektrického oblouku, snadná a rychlá údržb, automatické či programové řízení, účelná miniaturizace rozměrů, sériová výroba v továmách, možnost umisťování přímo v provozech a další. Jako nevýhoda se jeví především snížená přehlednost při použití více než jednoho systému přípojnic. Zapouzdřené rozvodny SF6 – využívají fluorid sírový SF6, což je elektronegativní, uměle vyrobený plyn, který je bezbarvý, bez zápachu, nehořlavý a nejedovatý, má výborné izolační, zhášecí, ale i chladící vlastnostmi, je ale 5x těžší než vzduch. Jelikož se pro izolaci používá tento plyn a to pod tlakem 0,25 - 0,45 MPa musí být proudovodné části uloženy v plynotěsných kovových pouzdrech, které musí být uzemněny. Velkými výhodami jsou vysoká provozní bezpečnost, značná úspora zastavěně plochy a prostor, selektivní a bezpečná dodávka elektrické energie, , minimální znečištění izolace a životního prostředí, možnost vybudování v místě nejvyšší spotřeby energie, libovolná montáž vypínače. Nevýhodou jsou stále dost vysoké pořizovací náklady. Zapozdrřené rozvodny se vyrábějí v provedení: - úplném jednofázovém - jedná se o stavebnicové provedení, kde můžeme dispoziční řešení odboček různě sestavit. Vypínač je umístěn v ocelovém pouzdře a ostatní zařízení jsou v pouzdrech hliníkových. - smíšeném - přípojnice má zapouzdřené trojfázově a ostatní přístroje jsou zapouzdřeny jednofázově - úplném trojfázovém - při tomto provedení se ušetří prostor a je zaručena i vysoká provozní spolehlivost - hybridním - vystihuje přechod z klasické na zapouzdřenou rozvodnu. Tedy vypínač je zapouzdřený a ostatní přístroje jsou provedeny klasicky.
71
2.8.3. Transformovny Transformátor je v oboru elektroenergetiky nezastupitelným strojem, protože umožňuje zvyšovat a snižovat napětí pro dálkové přenosy a místní rozvod střídavé elektrické energie. Transformátory se umisťují buď do transformoven, což jsou elektrické stanice pro změnu napětí nebo jsou součástí jiného typu elektrické stanice (spínací nebo měnící). Transformátory jsou též nedílnou součástí rozvoden elektráren, kde jsou především tzv. hlavní transformátory sloužící k rozvodu elektrické energie do sítě a jsou zde i transformátory vlastní spotřeby, které přivádějí elektrickou energii ke spotřebičům v elektrárně potřebným pro její provoz. Transformovny jsou tedy elektrické stanice sloužící k přeměně hodnoty elektrického napětí při stejném kmitočtu nebo ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé. Při zřizování transformoven je sledována snaha zavedení rozvodu vn do samého středu odběru. V místech s menším odběrem se používají transformovny stožárové vn/nn. Transformátor je umístěn na sloupu, na kterém je rovněž zakotveno vedení vn. Části nn jsou zpravidla ve spodní samostatné skříni. Pro větší odběry, např. pro průmyslové závody se stavějí tzv. blokové
transformovny. Bývají řešeny jako blok sestavený z typových části vn, transformátoru a typových částí nn. Mohou být konstruovány také jako pojízdné. V hustě zastavěných městských nebo průmyslových objektech bývají umísťovány do domovních bloků nebo do podzemí. Kryté transformovny jsou v podstatě rozděleny na část transformátoru 72
umístěného v samostatných dobře větraných komorách a na část, která je řešena jako vnitřní rozvodna. V prostoru pod transformátorem je nutné vytvořit jímku pro olej. Nepojme-li jímka plný obsah oleje z transformátoru, je třeba vybudovat potrubí vedoucí do sběrné olejové jámy umístěné mimo transformovnu. Toto opatření slouží ke zvětšení bezpečnosti při poruchách nádoby a při eventuálních požárech. Rozměry transformátorových komor se volí tak, aby transformátor byl přístupný pokud možno ze všech stran. U podlah je nutné vytvořit sklon minimálně 3 %. Pro napětí vvn se budují transformovny jako venkovní. Jsou to rozměrná a složitá zařízení, vyžadující odbornou obsluhu, pravidelné prohlídky a údržbu. Protože jde o velmi vysoká napětí, musí být bezpečnosti obsluhy i bezpečnosti okolí stanice věnována zvláštní pozornost. Při zkratech vznikají v zařízení velké proudy projevující se dynamickými silami a tepelným zatížením. Obloukový zkrat ionizuje okolní vzduch a oblouk se pak snadno rozšíří a jeho účinky zdemolují zařízení. Při zemním spojení prochází uzemněním tak velký proud, že potenciál na uzemňovací soustavě může vzhledem k nulovému potenciálu vzdálené země dosáhnout nebezpečných hodnot. Proto je u takových stanic vždy vybudována rozsáhlá uzemňovací soustava, vytvořená z pásových zemničů ve tvaru mříže, a všechna kovová potrubí a podobná zařízení vcházející zvenku do stanice jsou chráněna izolačními vložkami proti zavlečení tohoto zvýšeného potenciálu mimo areál stanice. Oplocení venkovních stanic musí bezpečně chránit před přístupem nepovolaných osob. Obsluha venkovních stanic se smí pohybovat jen po vymezených cestách. Protože některá zařízení jsou vybavena olejovým chlazením a některé izolanty nejsou odolné proti ohni, musí být věnována péče i protipožárním opatřením, zejména těm, která zabraňují vzniku a rozšíření požáru a ohrožení obsluh (protipožární zákryty, přepážky, odpady vyteklého oleje atd.). V dnešní době se s cílem dosáhnout maximální úspory místa (až 80%) a snížením provozních nákladů přistupuje ke konstrukci zapouzdřených rozvoden, rozvaděčů a i transformoven. Tyto
73
zapouzdřené stanice se staví též v průmyslových oblastech s vysokým stupněm znečistění, kde by mohlo dojít k poškození venkovních částí stanic. Zapouzdřené transformovny se konstruují stavebnicovým systémem z jednotlivých částí (transformátor, vvn rozodna, vn rozvodna). Celý systém je pak uzavřen do kovového plynotěsného uzemněného pláště ve kterém jsou plynotěsné přepážky pro oddělení jednotlivých částí stanice. Celá stanice je napuštěna fluoridem sírovým SF6 se zvýšeným tlakem. Má-li být provoz transformoven spolehlivý, je nutné jim věnovat soustavnou péči. Ta je podobně jako u jiných rozvodných zařízení rozdělena na tři stupně. Jsou to vnější prohlídky za provozu, zběžné prohlídky za vypnutého stavu (popř. dílčí revize) a hlavní revize za vypnutého stavu, nejdůležitější částí transformoven jsou samozřejmě transformátory , pro které platí obdobná péče. - Při vnější prohlídce za provozu pod napětím lze provést zrakovou prohlídku izolátorů a průchodek vn (čistotu, neporušenost), přenosným teploměrem zasunutým do sondy v nádobě změřit teplotu transformátoru, dále se zrakem kontroluje výška hladiny oleje v olejoznaku, těsnost nádoby s olejem a zda v některých místech olej nekape. Kromě toho se prověří spolehlivost zámků znepřístupňujících prostor transformovny a rozváděče nepovolaným osobám. O prohlídce se učiní zápis v knize revizí, umístěné v transformovně. - Při zběžné prohlídce za vypnutého stavu se koná čištění transformovny, dotažení spojů, důkladná prohlídka všech částí vn, zejména odpojovačů, pojistek a svodičů přepětí. Zpravidla se rovněž změří uzemnění transformovny a izolační odpor vinutí transformátoru, odebírají se vzorky oleje ke zkouškám izolační pevnosti a kyselosti oleje. Vyzkouší se funkce ochran. Na rozváděči nn se zkontroluje stav jištění jednotlivých vývodů, jejich označení i hlavní jištění, zkontroluje se stav měření a přepínacích hodin, resp. relé dálkového ovládání. Důkladně se prohlédne těsnost olejové nádoby, zejména u olejoznaku. Revize transformovny za vypnutého stavu se provádí každoročně a její vykonání se rovněž zapisuje do revizní knihy umístěné v transformovně. - Hlavní revize za vypnutého stavu je nutné konat v suchém a bezprašném prostoru, vybaveném zdvihacím zařízením na vyjmutí jádra z nádoby s olejem. Velké transformovny vvn jsou k tomu účelu vybaveny tzv. revizní věží. Jádro nemá být vyjmuto z oleje na dobu delší než asi 24 hodin, aby vinutí na vzduchu nenavlhlo. Po vyjmutí se očistí průchodky a izolátory benzínem a vinutí se propláchne a vystříká čistým olejem. Dotáhne se stahovací konstrukce jádra, prohlédnou, resp. se opraví všechna spojovaná místa na vinutí, zjistí se a opraví případná poškození izolace vodičů, dotáhnou se všechny spojovací šrouby a spojky 74
zejména na hliníkových vodičích. Přezkouší se funkce přepínače odboček, zda dotyky mají dobrý styk. Nádoba transformátoru se očistí od kalu a usazenin. Před spuštěním jádra do čisté nádoby se změří izolační stav vinutí a měřičem izolace se rovněž zkontroluje, zda nejsou stahovací šrouby vodivě spojeny s plechy jádra (tvořily by tak závit nakrátko). Po uzavření se nádoba s transformátorem naplní čistým předehřátým olejem. Transformátor se pak suší zvláštním zařízením na vysoušení oleje, přes nějž se náplň transformátoru nechá obíhat tak dlouho, až se naměří přiměřený izolační stav vinutí proti nádobě transformátoru. Uklidí se všechny prostory, očistí se kabelové koncovky, opraví se poškozené nátěry. Kontrolují se všechny spoje koster přístrojů a rozváděčů se zemí. Před skončením revize se přezkouší funkční schopnost všech částí i správná funkce blokování. Při všech pracích spojených s vypnutím pracoviště je nutné důsledně dbát na zajištění bezpečnosti, proto se práce na zařízení provádějí na základě předem vystaveného příkazu B a vypnuté zařízení musí být zajištěno zkratováním. Pro správnou funkci transformoven je též nutné provádět zkoušky transformátorového oleje, který v transformátorech slouží jako obíhající chladivo a zároveň se uplatňuje i jako izolační prostředí. Chemické změny oleje ve styku s izolačními obaly vinutí transformátoru podporované střídáním teploty při zatížení a odlehčení transformátoru jsou příčinami postupného znehodnocování izolační schopnosti oleje. Aby se ztráta izolační schopnosti oleje nestala příčinou havárie transformátoru, ověřuje se elektrická pevnost oleje laboratorní zkouškou. Do vaničky se zkoušeným olejem se ponoří normalizované jiskřiště, na němž se zvyšuje napětí až do průrazu. Kyselost oleje je měřítkem stáří oleje a jeho působení na izolanty. Zjišťuje se rovněž laboratorně, a to chemickou cestou. 2.8.4. Proximita transormoven Proximita transformačních stanic řeší souvislosti mezi vzdáleností jednotlivých stanic a hustotou spotřeby elektrické energie l =
(σ)
-2
].
Podle hustoty odběrů elektrické energie rozlišujeme odběry soustředěné (velkoodběry průmyslové závody), odběry rozptýlené (kraj, okres) a odběry velkých aglomerací (města, sídliště) Podle typu odběrů se proximita stanovuje různě.Vzhledem k hospodárnosti využití investičních prostředků snižujeme počet transformací, nevýhodou snížení počtu transformací, ale jsou vyšší zkratové proudy, které však lze moderními přístroji zvládnout. Pro výpočet proximity trafostanic vycházíme ze dvou předpokladů:
75
- rovnoměrné rozdělení hustoty zatížení [W.km-2] – velkoodběr je zásobován zvlášť - celkovou plochu oblasti rozdělíme na geometricky pravidelné suboblasti (čtverec pro soustředěné odběry a pro velké aglomerace nebo šestiúhelník pro rozptýlené odběry) V této suboblasti jsou odběry rozptýlené rovnoměrně a oblast je napájená z jedné trafostanice, plocha zvolené suboblasti se vypočte pro čtverec ze vztahu P = l2 a pro šestiúhelník ze vztahu P
l2 . Výkon transformovny je pak dán vztahy S = P . σ = l2 . σ 1,15
pro čtverec resp. S P
l2 pro šestiúhelník, se vzdáleností transformoven tedy roste 1,15
výkon transformátorů a tím i průřez vodičů. Vlastní výpočet hospodárné vzdálenosti transformoven vychází ze zjištění minima celkových měrných nákladů dané soustavy. Minimum funkce měrných nákladů dané soustavy dostaneme první derivací podle proměnné délky l, kterou položíme rovnu nule a dostaneme polynom s reálnými koeficienty v obecném tvaru.
n ninv
vn
n vn n invT n T n invnn n nn , kde n jsou celkové měrné náklady
pro danou soustavu (v našem případě vn/nn); první závorka udává součet investičních nákladů(inv) a nákladů na ztráty (Δ) vedení vn, druhá závorka udává investiční a ztrátové náklady na transformátoru (T) a třetí na vedení nn.
d n dl
0 p(l) a 0 l n a1 l n 1 a n 1 l a n 0 , kde a0,a1,…an jsou koeficienty
složené ze součinů reálného čísla a hustoty zatížení σ, n je číslo přirozené l je proměnná délka. Řešení této polynomické rovnice můžeme provést buď graficky nebo pomocí numerické matematiky (na počítači) výsledkem je rovnice hyperboly určující hospodárnou proximitu (vzdálenost) transformoven lhosp = k . σ-m, kde koeficient m je v české republice 0,33 pro všechny případy a činitel k se volí podle tabulky a je tím menší čím je dražší elektrická energie (vyžadujeme menší ztráty) a také tím menší čím jsou nižší investiční náklady na transformovnu(postavíme jich více).
76
napětí [kV] k
22/6
35/10
110/10
110/22
110/35
4,0 – 4,1
4,0 – 4,2
4,6 – 5,1
5,7 – 6,1
5,7 – 6,3
Proximita distribučních trafostanic v rozptýleném odběru využívá k výpočtu plochy pravidelného šestiúhelníka, v jehož středu je stanice 110/22 kV a průměr vepsané kružnice je proximita stanic. Budeme-li uvažovat, že vedení 110 kV a 22 kV jsou venkovní pak na území ČR se uvažuje průměrná proximita stanic 22/0,4 kV – 3,22 km. Tato vzdálenost odpovídá průměrné ploše zásobované oblasti (obce) 9 km2. Z jednotlivých malých šestiúhelníků o ploše 9 km2 pak můžeme sestavit velký šestiúhelník se stanicí 110 kV. Velikost rezervy v transformátorech Volba hospodárné rezervy ve výkonu navrhovaného transformátoru je velmi důležitou otázkou jednak z hlediska zabezpečení dodávky elektrické energie, a na druhé straně z hlediska vynaložených nákladů na trafostanici. Ve velkých aglomeracích předpokládáme při poruše v napájecí síti vn nebo na transformátoru, že výpadek snadno zajistíme větším zatížením stávajícího zařízení nebo výpomocí ze sousední blízké oblasti. Porucha na jednom napáječi obvykle znamená výpadek asi 1/6 výkonu transformátoru. Obtížnější situace nastává v distribučních venkovních sítích. Výpadek transformátoru je nutno nahradit dopravou energie ze sousední oblasti po vedení vn. Zajišťující transformátor v sousední oblasti však musí mít pro tento záskok dostatečnou rezervu ve výkonu vlastní trafostanice. Čím větší se požaduje rezerva v transformátoru, tím méně je zapotřebí rezervních spojení vn a opačně. Pro optimální řešení vycházíme z proximity transformačních stanic, počítáme s měnící se rezervou v transformátorech a počtem spojení mezi stanicemi.
77
Za 100% rezervu považujeme jednu jednotku naprázdno, přičemž druhá je plně zatížená. Různé varianty hodnotíme především investičními náklady, kdy hledáme optimální minimum. Případ 100% rezervy výkonu je nejdražší, a proto náklady budou 100%. Je-li využití dvou uvažovaných jednotek 70%, tj. rezerva 60% (30% + 30%), pak náklady jsou asi 51%. Při využití 65% (rezerva 70%) jsou náklady 55,4% nebo při využití 75% (rezerva 50%) jsou náklady asi 64% .Optimální řešení pro soustředěnéodběry a velké aglomerace se řídí minimem nákladů,tedy rezervou 60% při spolupráci dvou blízkých transformátorů se tedy jedná o zatížení 70%. 2.8.5. Pomocná zařízení rozvoden Akumulátorová baterie je nezávislý zdroj proudu pro dálkové ovládání, nouzové osvětlení, signalizaci apod. Její kapacita je volena podle množství a výkonu připojených stejnosměrných spotřebičů. Používají se akumulátory olověné nebo alkalické.Jsou umísťovány v samostatných dobře větraných prostorách, jejichž podlaha a stěny mají být odolné proti kyselinám a chráněny proti agresivním účinkům škodlivých výparů. Dobíjení akumulátorů se děje automaticky prostřednictvím usměrňovačů. Výroba u rozvod stlačeného vzduchu. Stlačený vzduch se v elektrických stanicích používá především k pohonu přístrojů s tlakovzdušným ovládáním a případně také ke zhášení elektrického oblouku mezi kontakty tlakovzdušných výkonových vypínačů. Množství stlačeného vzduchu musí být takové, aby stačilo pokrýt spotřebu pro spínání při největší četnosti i s ohledem na větrání a ztráty Toto množství má být kompresory opět načerpáno za jednu hodinu. Pro zajištění pohotovosti v dodávce stlačeného vzduchu jsou na určitých místech v rozvodně rozmístěny vzdušníky, tj. zásobníky vzduchu s obsahem asi 500 l. Hlavní potrubí pro rozvod stlačeného vzduchu je vytvořeno jako okružní s potřebnými ventily pro uzavírání a odvodnění. Dozorny jsou místa, odkud se dálkově ovládá a sleduje provoz celé rozvodny. Soustřeďuje se v nich také zařízení pro dálková měření, návěštění i pro komunikační spoje. Dozornou bývají vybaveny zpravidla jen větší stanice.
78
2.9. Připojení objektu k síti dodavatele elektrické energie 2.9.1. Podmínky pro připojení k sítím V průběhu předprojektové přípravy je nutno projednat připojovací podmínky pro: -
silnoproudá zařízení s dodavatelem elektřiny,
-
telekomunikační zařízení s místně příslušnou správou telekomunikací,
-
zařízení pro připojeni televizního a rozhlasového kabelového rozvodu (dále jen TKR) s místně příslušnou správou tohoto rozvodu (platí v místě, kde je TKR zřízen nebo se s jeho zřízením počítá).
Pro vstupy kabelů vnějších sítí do budovy a pro uložení vnějších sítí v budově musí být provedeny stavební úpravy v souladu s projektem vnějších sítí. 2.9.2. Připojení objektu k síti dodavatele elektřiny Elektrická přípojka Odběrné zařízení se připojuje k rozvodu dodavatele elektřiny tzv. elektrickou přípojkou. Elektrická přípojka začíná odbočením od spínacích prvků nebo přípojnic v elektrické stanici (vychází-li elektrická přípojka z elektrické stanice), nebo odbočením od rozvodného zařízení (vedení venkovního nebo kabelového) a končí v přípojkové skříni. Přípojková skříň nazývaná též hlavní domovní skříň je pak připojovacím místem odběrného zařízení. Přípojky ve smyslu zákona č. 222/1994 Sb. Dle §15 zákona č. 222/1994 Sb. je dodavatel elektřiny povinen zajistit dodávku elektřiny každému odběrateli, který splnil tato kritéria: -
má zřízenu elektrickou přípojku a odběrné elektrické zařízení je v souladu s technickými normami a právními předpisy na úseku bezpečnosti práce;
-
splňuje podmínky týkající se místa, způsobu a terminu připojení stanovené dodavatelem;
-
má souhlas vlastníka dotčené nemovitosti.
O dodávce elektřiny uzavírá dodavatel s odběratelem na každé odběrné místo písemnou smlouvu, která musí obsahovat: -
výkon, množství a časový průběh odběru elektřiny a to i pro stavy nouze,
-
cenu a způsob platby za odebranou elektřinu včetně záloh,
-
způsob měření odebrané elektřiny včetně přístupu dodavatele k měřícímu zařízení.
Sjednání odběrového diagramu se nevyžaduje u odběratelů ze sítí nízkého napětí. Odběratel je povinen:
79
-
zajistit, aby jeho odběrné zařízení připojené na rozvodné zařízení dodavatele bylo vybaveno dostupnými technickými prostředky omezujícími vliv zpětného působení na kvalitu dodávané elektřiny ostatním odběratelům, a aby neovlivňovalo funkci řídící, měřící a zabezpečovací techniky a činnost systému hromadného dálkového ovládání,
-
odebírat elektřinu s hodnotou induktivního účiníku 0,95 - 1,0 pokud se dodavatel s odběratelem nedohodnou jinak, s výjimkou odběrů pro domácnosti.
Odběratel může provozovat vlastní náhradní nebo jiný zdroj, pokud je propojen s rozvodným zařízením dodavatele, jakož i dodávat do tohoto zařízení energii z vlastního zdroje, ale pouze po dohodě s dodavatelem. Na odběrném elektrickém zařízení, kterým prochází neměřená elektřina, nesmí být prováděny žádné zásady bez předchozího souhlasu dodavatele. Dodavatel nepřipojí elektrickou přípojku či odběrné elektrické zařízení, která neodpovídají technických normám a právním předpisům na úseku bezpečnosti práce. Odběratel se podílí podle výše odebíraného příkonu na účelně vynaložených nákladech dodavatele spojených s připojením a se zajištěním požadovaného příkonu . Odběratel je povinen udržovat odběrné elektrické zařízení ve stavu, který odpovídá technickým normám a právním předpisům na úseku bezpečnosti práce a poskytovat technické údaje o něm dodavateli. Při změně napětí, prováděné v zájmu technického rozvoje, jsou vlastníci připojených odběrných zařízení a spotřebičů povinni upravit na svůj náklad ve stanovených přiměřených lhůtách svá odběrná zařízení a spotřebiče tak, aby vyhovovaly uvedených změnám. V §16 téhož zákona je rámcově stanoven rozsah přípojek, hrazení nákladu na jejich budování a údržbu: -
Elektrická přípojka začíná od rozvodného zařízení směrem k odběrateli a je určena k připojení odběrného zařízení jednoho odběratele.
-
V elektrické stanici začíná elektrická přípojka odbočením od spínacích prvků nebo přípojnic, mimo elektrické stanice od venkovního nebo kabelového vedení.
-
Elektrická přípojka nízkého napětí u venkovního vedení končí hlavní domovní pojistkovou skříní a u kabelového vedení hlavní domovní kabelovou skříní. Tyto skříně jsou součástí přípojky. Hlavní domovní pojistková skříň, popřípadě hlavní domovní kabelová skříň se umísťuje na odběratelově objektu nebo na hranici či v blízkosti hranice jeho nemovitosti.
80
-
Není-li na odběratelově nemovitosti zřízena hlavní domovní pojistková skříň, končí venkovní přípojka nízkého napětí posledním podpěrným bodem umístěným na této nemovitosti. Podpěrný bod je součástí přípojky.
-
Není-li na odběratelově nemovitosti zřízena hlavní domovní kabelová skříň, končí venkovní přípojka nízkého napětí na svorkách hlavního jističe odběrného zařízení nebo v kabelové skříni uvnitř objektu.
-
Elektrická přípojka vysokého a velmi vysokého napětí končí u venkovního vedení kotevními izolátory na odběratelově stanici, u kabelového vedení kabelovou koncovkou v odběratelově stanici. Kotevní izolátory a kabelové koncovky jsou součástí přípojky.
-
Náklady na zřízení elektrické přípojky hradí ten, v jehož prospěch byla zřízena, pokud v zákoně č. 222/1994 Sb. není stanoveno jinak.
-
Náklady na zřízení přípojky nízkého napětí pro odběry domácností do vzdálenosti 30 m hradí dodavatel, přistoupí-li odběratel na způsob a technické podmínky zřízení takovéto přípojky.
-
Vlastníkem přípojky je ten, kdo uhradil náklady na její zřízení.
-
Vlastník elektrické přípojky je povinen zajistit její provoz, údržbu a opravy tak, aby se nestala příčinou ohrožení života a zdraví či poškození majetku osob.
-
Dodavatel je povinen za úplatu elektrickou přípojku provozovat, udržovat a opravovat, pokud o to její vlastník požádá.
V §17 je vymezen způsob měření odebírané elektrické energie -
Odběr elektřiny měří a účtuje dodavatel podle údajů vlastního měřicího zařízení, které odběrateli na svůj náklad osadí, zapojí, udržuje a pravidelně ověřuje správnost měření. Měřicí transformátory jsou součástí odběrného elektrického zařízení.
-
Má-li odběratel pochybnosti o správnosti údajů měření nebo zjistí-li závadu na měřicím zařízení, má právo nechat je přezkoušet. Dodavatel je povinen na základě odběratelovy písemné žádosti k tomuto účelu měřicí zařízení do 15 dnů od jejího obdržení vyměnit. Odběratel je povinen poskytnout dodavateli k výměně měřicího zařízení nezbytnou součinnost.
-
Je-li na měřicím zařízení zjištěna závada, hradí náklady spojené s jeho přezkoušením a výměnou dodavatel. Není-li závada zjištěna, hradí tyto náklady odběratel.
-
Jakýkoliv zásah do měřicího zařízení bez souhlasu jeho vlastníka se zakazuje.
-
Dodavatel má právo jednotlivé části měřicího zařízení zajistit proti neoprávněné manipulaci.
81
Rozdělení odběratelů elektrické energie Odběratelé elektřiny se rozdělují do těchto kategorií: Kategorie A - odběr s napětím nad 52 kV mezi fázemi. Kategorie B - odběr s napětím mezi fázemi 1-52 kV Kategorie C - odběr s napětím do 1 kV přičemž odběr neslouží k uspokojení potřeb dle kategorie D. Kategorie D - odběr s napětím do 1 kV přičemž odběr slouží k uspokojení osobních potřeb odběratele a příslušníků jeho domácností. Rezervovaný příkon je základní hodnota jističe se základním poplatkem pro připojení. Má tyto hodnoty: Kategorie C - 16 A Kategorie D - bytová spotřeba 25 A Kategorie D - rekreační objekty 16 A Kategorie D - ostatní (garáž,zahradní domky) 6 A U prozatimních odběrů se nepožaduje podíl nákladů spojených se zajištěním příkonu. Smlouva o dodávce musí znít na dobu určitou, zpravidla do 1 roku, místo připojení bude přednostně určeno tak, aby nevznikaly náklady na rozvodná zařízení (investice). Budou-li investiční náklady nezbytné, zaplatí je odběratel. Projektová dokumentace elektrických přípojek Projektovou dokumentaci může vypracovat autorizovaná osoba, která má oprávnění k projektové činnosti v oblasti elektro. V současné době je dána jednak platnou zkouškou podle § 10 vyhlášky 50/1978 Sb. v platném znění a jednak splněním požadavků novely zákona č.360/1992 Sb. o výkonu povolání autorizovaných architektů a o výkonu povolání autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě, která nabyla účinnosti v dubnu 2004 pod číslem 150/2004 Sb. Uvedená skupina projektantů je oprávněna od roku 2005 vykonávat projekční činnost buď sama s autorizací (ta je podmíněna členstvím v komoře dle zásad uvedeného zákona) nebo se zastřešením autorizovaným stavebním inženýrem. Dodavatel elektřiny je povinen sdělit žadateli závazné podmínky pro její připojení. Přípojka,která vyžaduje stavební povolení by měla mít tyto části: Teoretická část -
Technická zpráva - informace, které se nedozvíme v technické dokumentaci. 82
-
Stavebně montážní plán včetně zakreslených podzemních zařízení v měřítku 1: 1000.
-
Situace křižovatek u přípojek venkovních, řezy kabelů, řezy v průběhu nebo řezy křižovatek.
-
Výpočet impedance vedení, hodnot jištění a úbytků napětí.
-
Schéma zapojení.
-
Hodnoty uzemnění.
-
Plán originální výstavby přípojky.
Rozpočtová část -
Plánovaňé náklady.
-
Soupis materiálu.
Doklady -
Souhlas vlastníků dotčených nemovitostí.
-
Uzemní rozhodnutí.
Revize elektrických přípojek Prohlídkou se zjišťuje stav živých částí přípojek (vodičů, svorek, svodičů přepětí), stav izolátorů a podpěrných bodů přípojek (stožáry, střešníky, konzoly). Současně se kontroluje stav terénu, stavby v okolí přípojky až k přípojkové skříni. Lezecká revize přípojek se provádí pouze u nejdůležitějších podpěrných bodů, u dřevěných sloupů se provádí kontrola na hnilobu - odkope se 30- 50 cm do hloubky a narušené sloupy se opravují pomocí železobetonové patky. Dále se při revizi elektrických přípojek kontroluje jištění, možnost nedovoleného odběru a uzavření přípojkových a rozvodných jistících skříní. O všech revizích se vystavuje revizní správa podle revizního řádu. Rozdělení elektrických přípojek Rozdělení elektrických přípojek podle způsobu zhotovení: a) přípojky zhotovené venkovním vedením b) přípojky zhotovené kabelovým vedením c) přípojky zhotovené kombinací obou způsobů (část přípojky venkovním vedením a část kabelovým vedením). Rozdělení elektrických přípojek podle napětí: a) přípojky nízkého napětí (nn) b) přípojky vysokého napětí (vn) c) přípojky velmi vysokého napětí (vvn) d) přípojky zvlášť vysokého napětí (zvn) 83
Začátky a konce elektrických přípojek Začátky elektrických přípojek: Elektrická přípojka začíná odbočením od rozvodného zařízení provozovatele distribuční soustavy směrem k odběrateli. Odbočením se rozumí odbočení od spínacích prvků nebo přípojnic v elektrické stanici (vychází-li elektrická přípojka z elektrické stanice) nebo mimo elektrickou stanici začíná elektrická přípojka odbočením od venkovního nebo kabelového vedení. Odbočením od přípojnic v elektrické stanici se rozumí, že přípojnice je součástí rozvodného zařízení provozovatele distribuční soustavy, upevňovací šrouby, svorky a pod. jsou již součástí elektrické přípojky. Odbočením od venkovního vedení (jakékoliv provedení) se rozumí, že vodiče hlavního venkovního vedení jsou součástí zařízení distribuční soustavy. Svorka (jakéhokoliv provedení) je již součástí přípojky. Odbočný podpěrný bod (byť by byl zřizován současně s přípojkou ) je součástí distribuční soustavy. U kabelového vedení je kabel součástí zařízení dodavatele elektrické energie. Odbočná spojka, ať je jakékoliv konstrukce, je již součástí přípojky. Kabelová odbočka může začínat: - na pojistkách v rozvodně, která je odvykle součástí transformovny, - t- spojkou, odbočením od rozvodné sítě v zemi, - v rozpojovací skříni, která je bud‘ samostatně postavena na pilíři, nebo zabudovaná na Stěně objektu, - odbočením od venkovního vedení na stožáru, - jedná-li se o okružní kabelové vedení začíná přípojka přímo v přípojkové skříni. Jelikož elektrická přípojka je v přímém styku se zařízením distribuční soustavy, podléhá schválení provozovatele distribuční soustavy a musí být kompatibilní se zařízením distribuční soustavy. Ukončení elektrických přípojek: Ukončení přípojky je v přípojkové skříni (přípojkové skříně jsou součástí přípojky), přičemž mezi přípojkové skříně nn patří: - hlavní domovní pojistková skříň - v případě, že je přípojka zhotovena venkovním vedením (holými vodiči, izolovanými vodiči nebo závěsným kabelem). Tato přípojková skříň musí být uzpůsobená k zaplombování nebo opatřena závěrem na klíč pro rozvodná zařízení. Umísťuje se 2,5 až 3 m nad zemí v blízkosti vstupu do budovy. Výška vodičů pro nn je 84
minimálně 5 m nad zemí v přístupných místech, 6 m od země nad nebo podél cesty a 1 m nad nepřístupnými místy. - hlavní domovní kabelová skříň - v případě, že je přípojka provedena kabelovým vedením. I tato přípojková skříň musí být opatřena závěrem na klíč pro rozvodná zařízení. Umisťuje se zpravidla na odběratelově nemovitosti v oplocení, obvodovém zdivu či jiném vhodném a snadno přístupném místě, které je přístupné i bez přítomnosti odběratele. Umístění nesmí zasahovat do evakuační cesty. Před přípojkovou skříní musí být volný prostor o šířce minimálně 0,8 m k bezpečnému provádění obsluhy a prací. Spodní okraj skříně má být 0,6 m nad definitivně upraveným terénem. S ohledem na místní podmínky ji lze po projednání s provozovatelem distribuční soustavy umístnit odlišně. Nedoporučuje se umisťovat ji výše než 1,5 m. V přípojkové skříni se na kabelech provádí kabelové koncovky, které zamezují vniku vlhkosti a nečistot mezi žíly kabelu. Na konci se bud‘ nastřelí, nebo nalisují kabelová oka a u smyčkovacích svorek se konce žil zasunou do šroubovacích svorek. Přípojky vn, vvn a zvn zhotovené venkovním vedením jsou ukončeny kotevními izolátory na elektrické stanici. Tyto izolátory jsou součástí přípojky. Součástí elektrické stanice je i nosná konstrukce, na které jsou izolátory upevněny. Přípojky vn,vvn a zvn zhotovené kabelovým vedením končí kabelovou koncovkou (včetně příslušenství) v elektrické stanici. Označení přípojkové skříně musí být provedeno bezpečnostní značkou podle ČSN IEC 417 (ČSN 34 5555), značka č. 5036 (blesk na krytu). Provedení přípojek nn Přípojky nn provedené venkovním vedením. Přípojka nn slouží k připojení jedné nemovitosti, ve zvláště odůvodněných případech lze se souhlasem provozovatele distribuční soustavy připojit jednou přípojkou i více nemovitostí. Je-li provedeno pro jednu nemovitost více přípojek, musí být tato skutečnost odsouhlasena provozovatelem distribuční soustavy a vyznačena v každé přípojkové skříni této nemovitosti. Přípojka musí být zřízena s plným počtem vodičů rozvodného zařízení distribuční soustavy v místě odbočení přípojky. Pouze ve výjimečných případech odůvodněných charakterem malého odběru (prodejní stánky, poutače, reklamní zařízení apod.) lze přípojku provést se souhlasem provozovatele distribuční soustavy i s menším počtem vodičů. Minimální průřezy vodičů Minimální průřezy vodičů jsou podle technických norem 16 mm2 AlFe u holých vodičů a 10 mm2 Al u izolovaných vodičů a závěsných kabelů (s ohledem na použití sítí TN-C se však v praxi používá minimální průřez 16 mm2 Al). Při použití jiných materiálů nebo jiné 85
konstrukce vodičů musí být zachovány obdobné elektrické a mechanické vlastnosti vodičů. Pro přípojky se standardně používá závěsných kabelů a izolovaných vodičů: Venkovní přípojka, která nevyžaduje další podpěrné body (stožáry) vzhledem ke své délce se provádí nejčastěji závěsným kabelem typu AYKYZ. Přípojka provedená závěsným kabelem je upevněna ke stožáru pomocí objímky a napínacího šroubu, ke kterému je upevněno nosné
Nosné lano PVC plášť
lano kabelu pomocí lanových svorek. Materiál svorek je povrchově upraven proti korozi. Na objektu je lano upevněno nejčastěji ke konzole zabudované ve zdi, nebo k ukotvenému
Al vodiče
střešníku s hlavicí pro nízké objekty. Kabel vstupuje do budovy na venkovní stěně bez nosného lana tak, že je obvykle protaženo v ohebných trubkách až k přípojkové skříni. Někdy se do zdi používají tzv. vývodkové skříňky pro vstup kabelu. Kabel s lanem se v místě oddělení omotá páskou, která zabrání dalšímu rozdělováni a před vstup do budovy se na kabel navlékne kroužek sloužící k odkapávání vody. V místě připojení ke stožáru se na kabel zhotoví kabelová koncovka, která zamezuje vniku vlhkosti do kabelu. U větších vzdáleností je přípojka vedena nejčastěji pomocí holých vodičů typu AlFe, tyto vodiče jsou uvázané na vnitřní strany izolátorů, které mohou být na konzolách stožárů, na konzolách zabudovaných ve zdi, nebo na konzolách střešníků. Tyto holé vodiče končí na izolátorech na odběratelově objektu a z nich je pak veden kabel, nebo vodiče v trubkách do přípojkové skříně. Izolátory pro nn jsou buď podpěrné roubíkové, nebo kladkové, které se umísťují buď pod roubíkové, nebo na konec vedení. Jištění venkovního vedení Jištění v přípojkové skříni musí být alespoň o jeden stupeň vyšší (z řady jmenovitých proudů podle ČSN EN 60 059 (33 0125)) než jištění před elektroměrem. Přitom je nutné dodržet zásady pro volbu jistících prvků podle ČSN 33 2000-4-43. K jištění lze použít pojistky závitové, nožové apod. Je-li v přípojkové skříni více sad pojistek či jiných jistících prvků, musí být u každé sady trvanlivě vyznačeno, pro které odběrné místo je pojistková sada určena. Přípojky nn provedené kabelem Přípojka nn slouží k připojení jedné nemovitosti, ve zvláště odůvodněných případech lze se souhlasem provozovatele distribuční soustavy připojit jednou přípojkou i více nemovitostí. Je-li provedeno pro jednu nemovitost více přípojek, musí být tato skutečnost odsouhlasena provozovatelem distribuční soustavy a musí být tato skutečnost vyznačena v každé přípojkové 86
skříni této nemovitosti. Výhodou těchto přípojek je estetičnost (nejsou vidět), nevýhodou je cena a náročnější opravy při poruchách. Kabelová přípojka začíná: - Na pojistkách v rozvodně, která je odvykle součástí transformovny. - T- spojkou, odbočením od rozvodné sítě v zemi. - V rozpojovací skříni, která je bud‘ samostatně postavena na pilíři, nebo zabudovaná na stěně objektu. - Odbočením od venkovního vedení na stožáru. - Přípojka začíná přímo v přípojkové skříni, jedná-li se o okružní kabelové vedení. Je-li připojení nemovitosti provedeno zasmyčkováním kabelu distribučního rozvodu provozovatele distribuční soustavy, připojení odběrných zařízení začíná v tomto případě připojením hlavního domovního vedení nebo odbočením k elektroměru z jistících prvků ve skříni v majetku provozovatele distribuční soustavy. Kabelové přípojky musí být zřízeny vždy s plným počtem vodičů rozvodného zařízení distribuční soustavy v místě připojení. Minimální průřezy vodičů v kabelu Minimální průřezy elektrických přípojek jsou 4 x 16 mm2 Al nebo 4 x 10 mm2 Cu. Jištění kabelového vedení Jištění v přípojkové skříni musí být alespoň o jeden stupeň vyšší (z řady jmenovitých proudů podle ČSN EN 60 059 (33 0125)), než je jištění před elektroměrem. Přitom je nutné dodržet zásady pro volbu jistících prvků podle ČSN 33 2000-4-43. Je-li v přípojkové skříni více sad pojistek či jiných jistících prvků, musí být u každé sady trvanlivě vyznačeno, pro které odběrné místo je pojistková sada určena. Přípojky nn provedené zčásti venkovním vedením a zčásti kabelovým vedením V odůvodnitelných případech lze provést přípojku nn kombinací venkovního a kabelového vedení. V tomto případě se pro jednotlivé části přípojky uplatňují požadavky podle způsobu provedení. Nejčastější uspořádání kombinované přípojky je takové, že první část je provedena jako venkovní vedení a z posledního stožáru je sveden kabel do země (obvykle v trubce aby byl chráněn před mechanickým poškozením) a pokračuje jako kabelová přípojka do hlavní domovní kabelové skříně.
87
3. ELEKTRICKÝ OHŘEV A CHLAZENÍ Elektrickým ohřevem vzniká teplo přeměnou elektrické energie. K jeho výhodám patří především pohotovost dodávky tepla, přesnost ohřevu, snadnost řízení nebo čistota provozu. Elektrickým chlazením je naopak teplo odebíráno z prostoru za použití elektrické energie.
3.1. Základní veličiny a jednotky tepla Veličina Teplo Teplota Měrná tepelná kapacita látky Skupenské teplo Součinitel tepelné vodivosti Teplotní součinitel odporu
Značka
Jednotka
Zn. jedn.
Q
Joule
J
t, T,
°Celsiův Kelvin
°C K
Vyjádření Jedná se o druh energie vyjadřující vnitřní kinetickou energii látky. Teplota vyjadřuje stav látky a je mírou vnitřní kinetické energie látky.
Cm
Joule na kilogram a Kelvin
J kg K
Je to teplo potřebné k ohřátí jednoho kilogramu látky o jeden Kelvin (není konstantní mění se s teplotou látky).
Joule na kilogram Watt na metr a Kelvin Kelvin na mínus první
J kg
L
W mK K-1
Je to teplo potřebné k izotermické změně skupenství jednoho kilogramu látky. Udává kolik tepla projde za jednotku času rovnou stěnou jeden metr silnou, o ploše jeden metr čtvereční a při rozdílu teplot stěn jeden Kelvin. Udává o kolik se změní elektrický odpor látky při změně teploty o jeden Kelvin.
3.2. Elektrické zdroje tepla Jouleovo teplo – vzniká průchodem proudu vodičem a je dáno vztahem Q = R . I2 . t. Při průchodu proudu elektrolytem se v teplo mění jen část příkonu, neboť přiložené napětí musí překonávat polarizační napětí Ur. Proud elektrolytem je tedy dán vztahem I
U Ur . R
Infračervené záření – Jedná se elektromagnetické záření (nejlépe o vlnových délkách 0,7 až 1,7 m), které vysílá každé těleso teplejší než nula Kelvin. Snadno proniká látkami a prohřívá je zhloubky. Elektrickým zdrojem infračerveného záření je například infražárovka s wolframovou spirálou, která při teplotě vlákna 2550°C vysílá záření o vlnové délce 1,05 m (každé teplotě odpovídá jiná vlnová délka záření).
88
Elektrický oblouk – je to výboj v plynu hořící mezi dvěma elektrodami. Plyn se ionizuje a stává se vodivým. Teplota oblouku je 3000 až 6000 °C. Oblouk je charakterizován statickou (stejnosměrný) V - A charakteristikou (záporná - s rostoucím proudem procházejícím obloukem klesá napětí mezi jeho patami) nebo dynamickou (střídavý) V – A charakteristikou
Elektrická jiskra – teplo vzniká při střídavém nebo stejnosměrném jiskrovém výboji a je dostatečné pro místní roztavení kovů. Vířivé proudy – indukují se do vodivých předmětů nacházejících se v proměnném magnetickém poli. Proudy se indukují v rovinách kolmých na magnetický tok. Velikost vzniklého tepla závisí na rezistivitě ohřívané látky a na magnetické indukci působícího magnetického pole. Hustota proudu indukovaného do látky není stejná v celém jejím průřezu neboť se uplatňuje tzv. povrchový jev neboli skeenefekt. Hysterezní ztráty – vznikají ve feromagnetických materiálech při střídavé magnetizaci. Jsou úměrné frekvenci a magnetické indukci působícího magnetického pole. Peltierův jev – Při průchodu stejnosměrného proudu spojem dvou kovů s různou výstupní prací se tento spoj zahřívá nebo ochlazuje podle směru proudu. Pokud elektrony přecházejí z materiálu s větší výstupní prací, do materiálu s menší výstupní prací, je elektronům kladen menší odpor a mají přebytek energie, kterou odevzdávají v podobě tepla. Změníme-li smysl proudu, budou elektrony ke svému přestupu potřebovat více energie a tu si vezmou v podobě energie tepelné, což znamená, že se spoj ochladí. Tento jev se v dnešní době používá zejména pro chlazení. Používají se například PbSe→Cu; PbTe→Cu; BiTe3→Cu. Tohoto jevu se využívá v tzv. Peltierově článku, který se skládá ze dvou polovodičových tělísek a spojovacích můstků, které zprostředkovávají jednak přívod elektrické energie a jednak absorbují (Q) a vyzařují teplo (Qh).
89
Dielektrické teplo – vzniká vlivem vodivosti a polarizace izolantu vloženého do elektrického pole. Ohřev probíhá v celém objemu izolantu. Velikost vyvinutého tepla závisí na frekvenci elektrického pole, na přiloženém napětí, na tloušťce izolantu a na ztrátovém čísle dielektrika (r . tgnení konstantní závisí na frekvenci elektrického pole a na teplotě a vlhkosti materiálu).
3.3. Šíření tepla Teplo se šíří vždy z teplejšího prostředí do prostředí chladnějšího.Teplo se může šířit vedením, prouděním nebo sáláním. Ve většině případů se ale teplo šíří všemi způsoby současně, přičemž jeden z nich převládá. Vedením (kondukcí) – jedná se šíření tepla v pevných látkách. Teplo, které projde rovinnou stěnou je dáno tzv. Furierovým vztahem: Q
S 1 2 t, kde s
S je, s tloušťka stěny, součinitel tepelné vodivosti, 1 2 rozdíl teplot vstupní a výstupní stěny a t je doba průchodu tepla. Prouděním (konvencí) – nastává tehdy šíří-li se teplo z pevné látky do kapaliny nebo plynu. Pohyb kapaliny nebo plynu může být buď přirozený (závisí na rozdílu teplot) nebo umělý (vyvolaný čerpadlem nebo ventilátorem). Teplo přestupující z pevné látky do kapaliny či plynu je dáno vztahem: Q S t k p , kde S je plocha stěny, t doba průchodu tepla, součinitel přestupu tepla a k p je rozdíl teploty stěny a teploty kapaliny (plynu).
Sáláním (radiací) – je přenos tepla prostředím pomocí tepelného záření tedy elektromagnetického vlnění o vlnových délkách 0,75 až 10 m. Velikost tepla pohlceného tělesem na něhož dopadá tepelné záření závisí na materiálu, povrchu a tvaru tělesa. Konkrétně se jedná o množství tepelné energie, kterou těleso pohltí, odrazí a kterou propustí dál bez ohřevu. Tyto vlastnosti látek jsou dány tzv. poměrnou pohltivostí, odrazivostí a propustností. 90
3.4. Elektrotepelná technika v domácnostech V domácnostech se používají tepelné spotřebiče na vaření, na vytápění místností, na ohřev teplé užitkové vody a mnoho dalších činností. 3.4.1. Tepelné spotřebiče na vaření Mezi tyto spotřebiče řadíme elektrické sporáky, elektrické trouby, horkovzdušné trouby, plotýnkové vařiče, mikrovlnné trouby, rychlovarné konvice, ponorné vařiče a další. Elektrické sporáky – mývají 1 až 4 varné plotýnky (nejčastěji o průměru 14,5 a 18 cm) ve kterých jsou zabudovány 2 až 3 topné rezistory a jejich sériovým nebo paralelním spojením se dosáhne až šesti poloh topného výkonu. Některé sporáky mají místo plotýnek topné rezistory zabudovány do sklokeramické desky, jejíž výhodou je velká akumulace tepla. Musí však být vybaveny termostatem na hlídání dovolené teploty desky. Další součástí elektrického sporáku je elektrická pečící trouba, nebo horkovzdušná trouba (popř. jejich kombinace). Elektrické trouby – bývají vybaveny horními a dolními topnými tělesy, popřípadě grilem (maximální výkon horních topných těles zapojených paralelně). Řízení teploty se provádí termostatem umístěným uprostřed trouby v jedné ze stěn. Signalizaci stavu hřeje – nehřeje zajišťuje žárovka nebo doutnavka. Horkovzdušné trouby – bývají vybaveny jen jedním topným tělesem a ventilátorem, který ohřátý vzduch rozvádí v prostoru pečení.
91
Plotýnkové vařiče – nejčastěji jsou vybaveny jedním nebo dvěma varnými místy, které jsou tvořeny buď plotýnkami obdobnými jako u elektrických sporáků nebo spirálami tvořenými jedním topným tělesem. Mikrovlnné trouby – k přípravě pokrmů využívají působení vysokofrekvenční energie o frekvenci 2450 MHz. Do chodu se uvádí přes časový spínač po předchozím nastavení velikosti vysílané energie. Každá mikrovlnná trouba musí být vybavena bezpečnostním dveřím kontaktem, který zajistí vypnutí vysílané energie při otevření dvířek. Do mikrovlnné trouby se nesmí vkládat kovové předměty ani keramické předměty s kovovými ozdobami, neboť by tvořily závit nakrátko. Rychlovarná konvice – využívá k ohřevu vody topnou spirálu nebo topný článek uzavřený nerezovým dnem. Jsou vybaveny termostatem, který ukončí vaření po překročení bodu varu vody. Rychlovarná konvice se nesmí nikdy zapnout bez vody, která odebírá topným článkům teplo. Ponorný vařič – jedná se o topnou spirálu která může být zapnutá až po ponoření do ohřívané vody. 3.4.2. Tepelné spotřebiče pro výhřev místností Nejčastěji se používají jako doplňkový ohřev místností k dálkovému vytápění. Mezi zařízení pro výhřev místností patří například akumulační kamna, přímotopné konvertory, hybridní kamna, infrazářiče, infražárovky, podlahové topení a další. Akumulační kamna – (mohou se použít i jako hlavní zdroj vytápění místností) jsou osazena topnými články, které vyhřívají v povolené sazbě tepelně akumulační tělíska (keramika, šamot) a ty potom vyhřívají místnost. Časový spínač zajišťující nahřívání akumulačních tělísek jen v povolené sazbě nebývá součástí kamen, ale připojovacího zařízení. Dynamický výdej tepla je zajišťován ventilátorem řízeným prostorovým termostatem. Některé typy akumulačních kamen jsou vybaveny kamnovým termostatem, který hlídá míru akumulace tepla a tepelnou pojistkou, která kamna chrání proti přehřátí topných článků do havarijního stavu. Přímotopné konvertory – jedná se o topné články různých tvarů, které předávají teplo sáláním do prostoru buď přirozenou nebo nucenou (ventilátorem) konvencí.
92
Hybridní kamna – jedná se o akumulační kamna doplněná o většinou jedno přímotopné těleso zapojené samostatně přes tepelnou pojistku. Infrazářiče – jedná se o různé tyče, spirály či vlákna, které se průchodem elektrického proudu rozžhaví na teplotu okolo 2000 °C, při které vysílá topný člen tepelné a světelné záření (převážně červené barvy). Infražárovky – jedná se o baňky ve kterých je wolframové vlákno, které se průchodem proudu rozžhaví na teplotu okolo 2600 °C a vydává tepelné záření o vlnové délce 1m. Toto záření výborně proniká pokožkou a vyvolává hloubkový teplý pocit, napomáhá krevnímu oběhu, urychluje hojení a zvětšuje obsah ochranných látek v těle. Baňka infražárovky je vybavena červeným filtrem, který pohlcuje asi 75 % zároveň vysílaného bílého světla. Podlahové vytápění – je vyrobeno z odporových drátů, rohoží nebo fólií uložených pod vrstvou betonu s obsahem šamotu. Velmi často se ukládá topný vodič ze dvou paralelně vedených větví dimenzovaných na plný výkon pro případ přerušení jednoho vodiče. Pro lepší účinnost podlahového topení je vhodné pod topné vodiče umístit tepelnou izolaci směrem dolů. Množství dodávaného tepla je řízeno prostorovým termostatem. 3.4.3. Tepelné spotřebiče na ohřev teplé užitkové vody Do této skupiny tepelných spotřebičů patří různé druhy akumulačních a průtočných ohřívačů. Akumulační ohřívače – voda napuštěná do zásobníku je zde ohřívána topnými články ovládanými termostatem a její teplota je udržována v tepelně izolované nádobě. Ohřívače bývají doplněny o časový spínač (nad 50 l), který zajistí, že k ohřevu může dojít jen v povolené sazbě a tepelnou pojistku, která odpojí ohřívač od napájení při havárii (například v případě selhání termistoru – odpojí se L i N vodič). Akumulační ohřívače se dělí podle mnoha hledisek: podle tlaku na nízkotlaké (přepadové nebo výpustné) a tlakové, podle umístění na nástěnné, stojaté a ležaté a podle velikosti na malé (5 až 20 l), stření (50, 80 l) a velké (125, 250, 1000 l). Příkon ohřívačů bývá asi 1kW na 100 l objemu, jen u malých ohřívačů pro rychlejší ohřev je příkon asi dvojnásobný. Akumulační ohřívače mají při provozu vždy zaplněný zásobník a při odběru teplé vody je tato vytlačována studenou vodou do horní části a odtud výtokovou trubku ven. 93
L1 L2 L3 N
ČS FU FA
KM1
R1
R2
T FA
R3
1. Víko pláště; 2. Výtoková trubka; 3. Tepelná izolace; 4. Anodová tyč; 5. Kotel; 6. Venkovní plášť; 7. Kryt topných těles; 8. Termostat; 9. Tepelná pojistka; 10. Topné těleso; 11. Nosník; 12. Kontrolka; 13. Dno pláště; 14. Příklop; 15. Svorkovnice; 16. Závěsné držáky; ČS sazbový časový spínač; T termostat; R1, R2, R3 Topné rezistrory.
Průtokové ohřívače – voda je zde ohřívána v trubkách procházejících kolem topných těles zapínaných jen po dobu odběru teplé vody. Některé průtokové ohřívače bývají doplněny o malou akumulační nádobu, která slouží k dodávce teplé vody ihned po požadavku na teplou vodu. Výhodou oproti akumulačním ohřívačům jsou především menší rozměry, nevýhodou je pak především větší příkon odebíraný i v době vyšší sazby. 3.4.4. Ostatní tepelné spotřebiče pro domácnosti Do této skupiny patří velká spousta různých spotřebičů, které slouží buď přímo k ohřevu (vysoušeč vlasů, žehlička) nebo mají ohřev jen jako doplněk své činnosti (pračka). Několik příkladů: Vysoušeč vlasů (fén) – jedná se o spotřebič, který je vybaven jedním nebo dvěma topnými dráty stočenými do spirály, která ohřívá vzduch foukaný pomocí ventilátoru. Některé vysoušeče bývají vybaveny vypínačem topných drátů a ventilátor pak fouká jen vzduch o okolní teplotě. Obdobou je tzv. kulmovém, která má jako zakončení kruhový kartáč s otvory, kterými proudí horký vzduch. Kulma – jedná se o kovové kleště jejichž jedna část je vyhřívána topným odporem a druhá vedením tepla. Musí se dát pozor na přehřátí – nemívají tepelnou pojistku.
94
Sušiče prádla – jedná se o vlnovitě stočené topné tyče nebo trubky, sloužící k sušení prádla. V případě použití trubek jsou tyto napojené na dálkové topení a elektrický ohřev slouží k sušení prádla pouze v období mimo topnou sezónu. Žehlička – je tepelný spotřebič ovládaný nastavitelným termostatem řídícím teplotu spodní žehlící plochy podle druhu žehleného prádla. Žehličky pro signalizaci stavu zapnuto-vypnuto používají buď
TČ
T
do série k topnému tělesu
T
zapojenou žárovku, ke které je
D
TČ
R
paralelně připojený rezistor sloužící jako bočník, nebo paralelně k topnému tělesu L
PE
N
Ž L
PE
N
zapojenou doutnavku.
Pračka – každá pračka je vybavena topným tělesem, které slouží pro ohřev vody na teplotu odpovídající druhu prádla a intenzitě praní. V přívodu k topnému tělesu je zapojena tepelná pojistka odpojující oba vodiče v případě přehřátí tělesa a doutnavka soužící k signalizaci stavu ohřevu.
3.5. Elektrotepelná technika v průmyslu Elektrické teplo se používá především v těžkém průmyslu – v hutnictví a v kovozpracujících provozech, ale uplatňuje se i v jiných oblastech průmyslu, jako například chemický průmysl, průmysl plastů, sklářský a keramický průmysl, potravinářský průmysl a v mnoha jiných odvětvích. Nejvíce elektrické energie se na výrobu tepla spotřebovává v elektrických pecích, které mají oproti pecím s fosilními palivy mnoho výhod, jako například pohotovost a rychlost ohřevu, čistotu provozu, snadnou regulaci požadované teploty, možnost použití umělého ovzduší (může být pasivní, sloužící jako ochranná atmosféra zabraňující nežádoucím chemickým vlivům, nebo aktivní, které naopak způsobuje žádoucí chemické změny – nitridování, cementování). Dále se elektrické teplo v průmyslu používá pro svařování (obloukové nebo odporové), k různým technologickým úpravám kovů – indukční nebo odporový ohřev (kalení, popouštění, žíhání k odstranění pnutí, nahřívání nákolků, předehřev výkovků atd.), odporový
95
ohřev k tavení skla a keramických hmot a v potravinářském průmyslu, dielektrický ohřev se používá pro práci s plasty (tavení, lisování, svařování, vytvrzování atd.) a pro mnoho dalších využití. 3.5.1. Elektrické pece v průmyslu Odporové pece – k vytvoření tepla využívají topné odporové články. Dělí se podle teplot do tří skupin: Pece pro nízké teploty (do 250 °C) – používají se například pro sušení vinutí před i po impregnaci, k sušení nátěrů a potravin, k pečení atd. Pece pro střední teploty (do 1050 °C) – používají se pro technologické úpravy kovů (popouštění, žíhání, kalení). Pece pro vysoké teploty (do 1350 °C) – používají se pro tavení kovů s nižšími teplotami tání, ke kalení speciálních ocelí, ve sklářském a keramickém průmyslu. Podle uspořádání se dělí pece na šachtové, kelímkové, poklopové, rotační, zvonové, komorové a další.
96
Indukční pece – jsou dvojího druhu. Buď využívají Jouleovo teplo vzniklé v závitu nakrátko transformátoru nebo teplo vzniklé vířivými proudy indukovanými ve vsázce. První mají magnetický obvod a jsou nízkofrekvenční, druhé nemají železné jádro a pracují se zvýšenou frekvencí (500 až 3000 Hz). Nízkofrekvenční (50 Hz) se používají k tavení neželezných kovů, na výrobu jemnozrnné šedé litiny, na výrobu oceli na odlitky a podobně. K síti se připojují přes regulační transformátor. Pec s vyšší frekvencí je to kelímek z izolačního vysoce tepelně odolného materiálu vloženého do cívky z měděných trubek protékaných chladící vodou. Pro napájení se používají různé druhy měničů kmitočtu nebo vysokofrekvenční generátory. Obloukové pece – jsou napájeny pecovými transformátory, které musí snášet časté a velké proudové rázy. Výkon se reguluje změnou napětí sekundárního vinutí, toho se dosahuje přepínáním počtu závitů (dva až čtyři stupně), navíc má primární vinutí možnost přepínání z trojúhelníku do hvězdy (celkem má tedy transformátor čtyři až osm regulačních stupňů). Transformátory jsou olejové často s ofukováním chladícím vzduchem. Před pecový transformátor se zařazuje tlumivka (reaktor), která slouží ke stabilizaci oblouku a k omezení zkratů. Obloukové pece se vyrábějí jako jednofázové dvoufázové nebo trojfázové. Podle působícího oblouku rozdělujeme pece na: Pece s přímo působícím obloukem – oblouk hoří mezi elektrodami 1 a vsázkou 2 (jsou dvojího druhu s vodivou nebo izolační nístějí 3, 4 je víko). Používají se pro tavení oceli a litiny. Pece s nepřímo působícím obloukem – oblouk hoří mezi dvojicemi elektrod 1 a do vsázky 2 se teplo předává sáláním. Používají se především
97
pro tavení barevných (neželezných) kovů. Pece se zakrytým obloukem – oblouk hoří pod vrstvou vsázky ve vzduchových prostorech, ale větší část tepla vzniká průchodem proudu mezi elektrodou a vsázkou (Jouleovo teplo). Používají se pro výrobu surového železa z rud. 3.5.2. Elektrické svařování Elektricky můžeme svařovat buď obloukem ( za využití tepla oblouku), nebo odporově (pomocí Jouleova tepla). Obloukové svařování Je tavné svařování. Dělí se na dva hlavní způsoby: -
svařování netavící (uhlíkovou) elektrodou
-
svařování tavící elektrodou
Obloukovým svařováním můžeme zhotovit všechny druhy svarů a spojů. Ve většině případů se používá svařování tavící elektrodou, kde oblouk vzniká mezi svařovaným materiálem a kovovou elektrodou, která současně dodává přídavný kov. Oblouk se zapaluje dotykem elektrody připojené k jednomu pólu zdroje se svařovaným materiálem spojeným s druhým pólem zdroje. Průchodem proudu se kov v místě dotyku rozžhaví a po rychlém oddálení elektrody vznikne oblouk. Aby se oblouk vytvořil musí se napětí zdroje rovnat tzv. zápalnému napětí (20 – 100 V při proudu 40 – 400 A). Teplota oblouku dosahuje až 5 000 °C. Svařovací proud musí být co nejméně závislý na délce oblouku, proto se jako zdroje napájecího napětí používá speciálních svařovacích transformátorů ( s oddalovacím nebo natáčivým jádrem) nebo svařovacích dynam (sérivé dynamo nebo dynamo se smíšeným buzením). Odporové svařování Využívá Jouleovo teplo vzniklé průchodem proudu přes svařovaný materiál mezi elektrodami. Rozlišujeme čtyři základní způsoby odporového svařování: -
Bodové svařování
98
-
Švové svařování
-
Svařování na tupo
-
Bradavkové svařování
Svařovací proud bývá 1 – 100 A, proto napájecí transformátor má obvykle jenom jeden výstupní závit odlitý z mědi nebo bronzu a velikost svařovacího proudu se řídí přepínáním odboček na vstupní straně transformátoru. Výhodou odporového svařování je např. menší spotřeba elektrické energie, snadná příprava svařování, nejsou nutné svařovací elektrody, lze takto svařovat téměř všechny kovy a další. 3.5.3. Indukční ohřev Při indukčním ohřevu se využívá teplo vzniklé indukovanými vířivými proudy a hysterezními ztrátami. Používají se zařízení napájené zdroji s různými frekvencemi: frekvence sítě (50 Hz), nízké frekvence (do 500 Hz), střední frekvence (do 10 kHz) a vysoké frekvence (nad 10 kHz). Jako zdroje síťové a malé frekvence se používají alternátory, střední a vysoké frekvence jsou vytvářeny elektronickými generátory. Velikost frekvence má spolu s rezistivitou ohřívaného materiálu vliv na hloubku ohřevu (čím vyšší frekvence tím menší hloubka ohřevu). Indukčního ohřevu síťovou, nízkou a střední frekvencí se využívá pro žíhání svarů na potrubí k odstranění pnutí, k indukčnímu svařování při výrobě ocelových trubek, k hlubšímu povrchovému kalení válců velkých průměrů, k zahřívání nákolků a koster menších elektrických strojů a podobně. Vysokofrekvenčního indukčního ohřevu se využívá pro 99
povrchové kalení (čepů, ozubených kol, nástrojů apod.), na žíhání po tváření za studena, na ohřev před lisováním hlav šroubů, na zátavy skla s kovem při výrobě elektronek, k zonální rafinaci při výrobě monokrystalu, k vypalování smaltů a laků na vodičích (teplo vychází zevnitř) a další. 3.5.4. Dielektrický ohřev Slouží k ohřevu materiálů špatně vodících teplo i elektrický proud (izolanty).Teplo vzniká v celém objemu materiálu vlivem vysokofrekvenční polarizace. Pro napájení se používají elektronické generátory generující frekvence 10 až 40 MHz. Dielektrického ohřevu se používá pro předehřívání lisovacích hmot, k vytvrzování termosetových pojiv, k svařování termoplastů, k dielektrickému sušení a podobně.
3.6. Elektrické chlazení a klimatizace Účelem chladicího zařízení je trvale udržovat teplotu určitého prostředí nebo předmětu na hodnotě nižší, než je teplota okolí. Nejčastěji se využívá odpařování vhodného chladiva, které odebírá teplo z chlazeného prostoru, případně lze k chlazení využít Peltierova jevu. Chlazení s odpařováním probíhá vždy v uzavřeném cyklu. Využíváme dva principy odpařovacího chlazení: kompresorový a absorpční. Při kompresorovém chlazení se plynné chladivo zkapalňuje kompresorem a za redukčním ventilem se zase odpařuje. Při absorpčním chlazení se páry pohlcují vhodnou absorpční látkou, z ní se ohřevem vytěsňují, ochlazením kondenzují a znovu se vypařují. Chlazení na bázi Peltierova jevu využívá odebírání tepelné energie z okolí nutné pro průchod proudu přes spoj dvou kovů s různou výstupní prací. 3.6.1. Kompresorové chlazení Jedná se o nejpoužívanější systém chlazení. Výparník je uložen v chladícím prostoru chladničky, vypařuje se v něm tekutina a odebírá teplo z výparníku (mezi body 6 a 7). V bodě 7 je tekutina již 100% parou, přesto se v oblasti 7 – 1 přehřívá, aby se chránil
100
kompresor proti kapičkám kapaliny, které by mohly kompresor poškodit či naprosto zničit (přehřátí má být mezi 5 až 8°C - podle zařízení). Páry jsou nasávány kompresorem při pohybu pístu směrem dolů přes otevřený sací ventil. Při pohybu pístu směrem nahoru se sací ventil uzavře, pára se stlačí ve válci a tím se ohřeje. Při určitém tlaku se otevře tlakový ventil a pára odchází do kondenzátoru (oblast 2 – 3). V bodě 3 se objevují první kapky chladiva a pára postupně konzenzuje v trubkách kondenzátoru (umístěného vně chladničky) přičemž odevzdává teplo okolnímu vzduchu. Od bodu 4 je přítomna jen kapalina, která se dále ochlazuje (4 – 5) a dochlazená přichází k expanznímu ventilu. Přes expanzní ventil se zkapalněné chladivo vypařuje zpět do výparníku. Mezi body 5 a 6 tedy dochází k prudkému poklesu tlaku a následnému poklesu teploty s částečným vypařením kapaliny a celý proces se opakuje. Nevýhoddou kompresorového chlazení je vyšší hlučonst provozu. Hlučnost se dá výrazně snížit použitím tzv. rotačního kompresoru. Komprese je zde dosaženo dutým válcovým pístem, který je excentrický vůči ose, na níž je osazena lopatka, která je pružinou tlačena na píst a tím zajišťuje těsné oddělení obou komor: sací a výfukové. Pro snížení rizika vniku tekutého chladiva do kompresoru a i hlučnosti se dnes začínají více využívat systémy scroll nebo invertor. Systém scroll je tvořen dvěma spirálami, jedna je fixní, druhá kolem ní obíhá, a tím dochází ke kompresi. Sací komora je kolem těchto spirál, výtlačná komora je ve středu, odkud plyn vychází kanálem. Systém invertor je obdobou systému scroll doplněnou o schopnost přizpůsobit svou rychlost potřebě, změnou frekvence elektrického proudu (ostatní systémy pracují v režimu zapnuto – vypnuto). Jako chladící médium se používala a používá spousta směsí, které většinou nejsou příjemné pro životní prostředí. Jedná se o látky na bázi fluorovaných uhlovodíků, které ochuzují ozónovou vrstvu (CFC – 2001 zakázáno vyrábět, HCFC – 2010 bude zakázáno) nebo přispívající ke zhoršování skleníkového jevu (HFC – nejsou omezeny, ale hlídají se případné úniky). V dnešní době se používají k chlazení kapaliny typu HFC jako například látka R134A (je určená k aplikacím v chladicí technice pro domácnosti, obchod, průmysl, zemědělství, pro vzduchotechniku, prochlazení kapalin, pro tepelná čerpadla nebo pro klimatizace automobilů), nebo látka R404A (je hlavním produktem mrazicí techniky pro oblast chladicí 101
techniky v obchodu, průmyslu a pro chlazení v přepravních vozidlech), popřípadě látka R507 (je zejména používána v mrazicí technice a v zařízeních se skrytými výparníky, jako jsou např. kluziště). Pro zvýšení chladícího výkonu se používá například ofukování kondenzátoru vzduchem nebo jeho ponoření do oleje či vody (s přirozenou nebo umělou cirkulací). 3.6.2. Absorbční chlazení Princip je obdobný jako u kompresorové chladničky, tekuté chladivo se z kondenzátoru přes expanzní ventil vypařuje do výparníku a ochlazuje prostor chladničky. Vypařené chladivo je v absorbéru pohlceno vodou a dostává se do varníku. Ve varníku je voda spolu s chladivem ohřívána a chladivo se pod tlakem vypařuje do kondenzátoru, kde odevzdává teplo okolí a kondenzuje na kapalinu. Existují dva systémy a to periodický a nepřetržitý. Výhodou oproti kondenzátorové chladničce jsou tišší chod a nižší pořizovací náklady, ale velkou nevýhodou je větší provozní spotřeba a proto se dnes téměř nevyužívá. 3.6.3. Peltierovo chlazení Využívá se především pro chlazení elektroniky, výpočetní techniky, v malých přenosných chladničkách nebo aquamatech (výdejní atomaty chladné vody) . Princip tohoto chlazení je založen na Peltierově jevu, kdy při průchodu proudu z kovu s menší výstupní prací do kovu z větší výstupní prací potřebují elektrony dodat energii. Energii ve formě tepla odebírají z okolí a tím spoj kovů ochlazují.
3.7. Klimatizace Pod pojmem klimatizace si můžeme představit zařízení, které udržuje v místnosti, budově či automobilu stálou teplotu (na hodnotě nižší nebo vyšší než je teplota okolí). Jedná se o zařízení na bázi kompresorového chlazení a elektrického nebo teplovodních ohřevu. Podle výkonu a použití rozdělujeme klimatizace do několika skupin jako například tzv. split systém,
102
střešní systém, systém s proměnným objemem apod. Split systém se relativně snadno instaluje, je estetický, má správné akustické vlastnosti a komfort, který zajišťuje je dobrým důvodem pro klimatizaci pokoje, jídelny či kanceláře při rozumných nákladech. Skládá se ze dvou rozdílných částí: vnější a vnitřní. Vnější část (jednotka) obsahuje kompresor (rozvádí chladivo do celého systému), kondenzátor (převádí plyn na kapalinu), expanzní jednotka (kapalina se převádí na plyn), a to vše je doplněno 1: Nasávání vzduchu v horní části 3: Filtr 5: Nastavitelná výfuková klapka 7: Kontrolky provozu 9: Infračervené dálkové ovládání 11:Tepelná izolace
2: Kryt vnitřní jednotky 4: Výfuk 6: Nasávání vzduchu 8: Infračervené čidlo 10:Propojovací potrubí a kabeláž 12:Připojení venkovní jednotky
regulačními a
bezpečnostními prvky. Vnitřní část obsahuje výparník (rozvádí upravovaný vzduch do místnosti pomocí ventilátoru) a dále ovládací orgány (často elektronické). Propojení obou částí systému je provedeno izolovanými chladicími trubkami a elektrickými kabely. Split systém umožňuje výhodně klimatizovat jednu místnosti, pro klimatizaci více místností z jedné venkovní jednotky existuje tzv. multisplit systém. Bloková střešní jednotka je vzduchotechnickým zařízením osazeným na střeše klimatizovaného prostoru, která je určena výhradně pro úpravu vzduchu velkoprostorových objektů (supermarkety, sklady, prostory bez příček apod.). Představuje tu výhodu, že všechna zařízení nezbytná pro funkci jsou obsažená pod jedním krytem a ke svému provozu potřebuje pouze napojení na elektrickou energii a na vzduchové potrubí (případně vodní potrubí). Další výhodou je velmi rychlá a snadná montáž. Systém s proměnným objemem (VRV systém), jedná se o systém používaný spíše pro hotely, vícepodlažní kancelářské budovy, konferenční místnosti, velké obytné vily apod., obecně pro prostory, které potřebují různé typy koncových prvků. Koncová zařízení mohou být různých provedení (na konzoli, stropní, v potrubí, nástěnná, kazetová atd.) a různých výkonů, přičemž všechna jsou napojená na jednu venkovní jednotku. Princip funkce je založen na technologii Invertor, což umožní venkovní kompresorové jednotce přizpůsobit svou frekvenci (tedy rychlost otáček, tím objem stlačeného chladiva za jednotku času a tedy výkon) požadovanému příkonu vnitřních koncových zařízení. Toto řešení je provozně velmi pružné a šetří energii. Existují dvě řešení VRV systémů: tzv. VRV dvoutrubka (všechny vnitřní jednotky napojené 103
na jeden venkovní zdroj jsou ve shodném režimu topení/chlazení) a tzv. VRV třítrubka (vnitřní jednotky jsou zcela nezávislé, včetně volby provozního režimu, mohou tedy být buď v režimu chlazení nebo topení). Výhodou těchto systémů je vysoký koeficient výkonu, provoz i za záporných venkovních teplot (do -15 °C), možnost dlouhých rozvodů (až 150 m s výškovým rozdílem až 50 m), široká škála vnitřních jednotek různých výkonů, snadná regulace (i přes internet či gsm) a podobně.
3.8. Tepelná čerpadla V zemi, vodě i ve vzduchu je obsaženo nesmírné množství tepla, avšak jeho nízká teplotní hladina neumožňuje jeho přímé využití pro účely vytápění. Tepelná čerpadla, která se řadí mezi alternativní zdroje energie, umožňují odnímat toto teplo z okolního prostředí, převádět ho na vyšší teplotní hladinu a následně účelně využít pro vytápění nebo ohřev teplé užitkové vody. Principiálně je tepelné čerpadlo vlastně obrácená chladnička. Ochlazuje vzduch, půdu v okolí domu či vodu v potoce a dodává teplo do systému ústředního vytápěni nebo systému teplé užitkové vody. Ke svému provozu tepelné čerpadlo potřebuje elektřinu pro pohon kompresoru avšak největší jeho kouzlo spočívá v několikrát vyšší dodávce tepla, než je jeho spotřeba elektřiny. Poměr mezi elektrickým příkonem a tepelným výkonem se nazývá topný faktor a pohybuje se od 2 do 4 (čím vyšší tím lepší). Tepelná čerpadla získávají nízkopotenciální teplo různými způsoby: Teplo z povrchu země - využívá se plošného kolektoru, který je proveden z plastových trubek uložených v hloubce 1,5 m a roztečí 1 m od sebe.Velikost plošného kolektoru pro vytápění běžně velkého domu je 400-500m2. Výhodou plošného kolektoru jsou jeho nižší pořizovací náklady, než u hloubkového vrtu. Na druhé straně se na ploše kolektoru zkrátí vegetační období a vyloučí další případné dostavby (altán, bazén, garáž atd.). Teplo z hloubky země - využívá se hloubkového vrtu, ve kterém je uložena plastová sonda. Po vložení sondy se vrt (pro normálně velký dům 70-120m) zasype. Je to nejčastěji používaný způsob odběru tepla. Výhodou je úplná nezávislost na venkovní teplotě, není potřeba téměř žádná volná plocha pozemku (jako u zemního kolektoru). Teplo z venkovního vzduchu - je to jedna z levnějších možností odběru tepla. Zařízení může být umístěno v zahradě, na terase, na střeše, nebo i uvnitř 104
vytápěného objektu. Nevýhodou je nižší účinnost v období, kdy je potřeba nejvíce tepla ( pod -5 °C) a nutnost umístit výměník mimo dům. Venkovní výměník má též při svém provozu dosti vysokou hlučnost. Teplo z podzemní vody - pokud je v okolí budovy studna s dostatkem spodní vody, je možné ji využít k odběru tepla. Po odebrání tepla se voda vrací do další vsakovací studny. Podmínkou tohoto způsobu je dostatečná vydatnost studny a nízká minerální bohatost vody. Teplota podzemní vody se pohybuje v rozmezí 8 až 10 °C a je stálá po celý rok, proto se jedná o jeden z nejúčinnějších způsobů. Teplo z povrchové vody - kolektor se uloží na dno rybníka či řeky. S ohledem na klesající teploty povrchových vod v zimním období musí ve výměníku proudit nemrznoucí směs. Tento způsob se také mnoho nevyužívá z
důvodu potřeby povolení majitele rybníka či povodí řeky. Teplo z větracího vzduchu - Pokud je v domě instalováno nucené větrání, lze energii odpadního vzduchu znovu využít. Lze využít speciální tepelné čerpadlo s malým výkonem (1,5 až 2 kW), které odebírá teplo pouze z odpadního vzduchu, nebo výkonnější, které je kombinací s jiným způsobem odběru tepla. Tepelná čerpadla se často označují podle primárního zdroje tepla a sekundárního média přenášejícího teplo, jedná se například o systém: Voda-voda - jako primární zdroj používají vodu. Většinou se používají tzv. otevřené systémy. Tedy odebíráme vodu ze zdroje (většinou ze studny), necháme ji projít výměníkem tepelného čerpadla, který z ní odebere část tepla a zase ji vracíme zpět do země. Pro rodinný domek s běžnými tepelnými ztrátami potřebujeme této vody asi 0,5 1/sec. Kdo má takovéto podmínky, dává většinou systému voda - voda přednost. Výhodou jsou nižší finanční nároky na vybudování (často studna již existuje) a hlavně se díky relativně vysoké teplotě podzemní vody dosahuje vysokých topných faktorů, tedy vysoké efektivnosti.
105
Vzduch-voda - používá se tam, kde nemáme k dispozici dostatek vody, nemáme vhodný, nebo dostatečně velký pozemek a nechceme, nebo nemůžeme vrtat do země. Nejvíce se používají tzv. split jednotky - tepelná čerpadla dělená na vnější a vnitřní jednotku. Vnější jednotkou (kompresor, ventilátor, výparník) umístěnou venku, je nasáván vzduch ze kterého je odebírána tepelná energie a opětně je tento vzduch (ochlazený) vyháněn do venkovního prostoru. Vnitřní jednotka (kondenzátor, bivalentní elektrokotlík, oběhové čerpadlo) umístěná v objektu, zabezpečuje výrobu topné vody, eventuelně i teplé užitkové vody. Moderní tepelná čerpadla pracují spolehlivě i při velmi nízkých venkovních teplotách, ale jejich efektivnost je pak nízká. Země-voda - konstrukčně jsou tato tepelná čerpadla téměř shodná s tepelnými čerpadly voda - voda. V plastovém zemním kolektoru cirkuluje voda (nemrznoucí směs), která se ohřeje o několik stupňů Celsia a kterou výměník tepelného čerpadla pak ochladí čímž z ní odebere teplo. Odebírat nízkopotenciální energii ze země můžeme buď z horizontálního uložení, tj. z rýh, kde v hloubce cca 1,5 m jsou uloženy plastové hadice, nebo ze svislého vrtu. Ten má tu výhodu, že nepotřebuje téměř žádný pozemek, ale vrtací práce z něho činí nákladnější variantu.
106
4. ELEKTRICKÉ SVĚTLO A OSVĚTLENÍ Světlo je elektromagnetické záření, které je schopno prostřednictvím zrakového orgánu vzbudit zrakový vjem. Záření lze charakterizovat frekvencí anebo vlnovou délkou. Vlnové délky viditelného světla jsou v rozmezí 0,38÷0,78 µm. Proces vnímání zrakového vjemu je velice složitý, větší vliv při něm mají fyziologické a také psychofyzikální vlivy než jevy čistě optické. Zrakový orgán je definován jako soubor složený z oka, optických nervových drah, podkorových zrakových center a části mozkové kůry, jenž mění světelný podnět (záření) v komplex nervových podráždění vytvářejících zrakový vjem.Oko je smyslový orgán obsahující optický aparát a přijímající systém - sítnici, sloužící k vytvoření převráceného, souměrného a neskutečného obrazu. Sítnice je tvořena systémem fotoreceptorů (čípky, tyčinky) a dále velmi složitým systémem neuronů (nervových buněk) a nervových (reléových) spojů, které dopadající obraz registrují, provádějí jeho selekci, užitečnou část informace o obrazu zpřesní a transformují do přenosového systému nervových vláken formou nervových podráždění. Nervová vlákna z celé sítnice se sjednocují ve zrakovém nervu, který vyúsťuje v konečné fázi ve zrakovém mozkovém centru. Centrum nejen pasivně přijímá informace, nýbrž také systémem zpětných vazeb řídí funkci jak optického aparátu oka, tak i sítnice, aby přijímaná informace byla co nejpřesnější a zároveň aby byla oproštěna v co největší míře od rušivých vlivů působících na vstup zrakového ústrojí. Vidění neboli zrakové vnímání je proces poznávání okolního prostředí. Jedná se o proces příjmu zrakové informace, rozlišení rozdílu (kontrastu) jasů a barev, tvarů, a na základě tohoto identifikace a analýza. To je poznávání předmětů a vztahů mezi nimi a nakonec zařazení do našeho vědomí, buď k okamžitému použití pro danou činnost, nebo k uložení do paměti. Cílem vidění je tedy poznávání.
6
DV
5
4
SV KV
3
2
tepelné a infračervené
VKV
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
ultrafialové
radiotechnické vlny
strojové kmity
viditelné světlo
4.1. Rozdělení elektromagnetických vln, rozdělení světelného spektra
-7
rentgenové gama kosmické
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
107
Druh záření
Označení
Vlnová délka λ [µm]
UV-C
0,1 ÷ 0,28
UV-B
0,28 ÷ 0,315
UV-A
0,315 ÷ 0,38
fialová
0,38 ÷ 0,43
modrá
0,43 ÷ 0,49
zelená
0,49 ÷ 0,57
žlutá
0,57 ÷ 0,6
oranžová
0,6 ÷ 0,63
červená
0,63 ÷ 0,78
IR-A
0,78 ÷ 1,4
IR-B
1,4 ÷ 3
IR-C
3 ÷ 10
Ultrafialové
Viditelné
Infračervené
4.2. Veličiny a jednotky světla Veličina
Značka
Jednotka
Zn. jedn.
Vyjádření Prostorová hustota světelného toku. Svítivost je tedy podíl světelného toku vyzářeného zdrojem v některém směru do elementárního prostorového úhlu d a tohoto prostorového úhlu. Světelný tok vyjadřuje schopnost zářivého toku vzbudit zrakový vjem.
Svítivost
I
Kandela
Cd
Světelný tok
Lumen
Lm
Intenzita osvětlení (Osvětelnost)
E
Lux
Lx
Jas
L
Kandela na metr čtvereční
Cd m2
Světlení
M
Lumen na metr čtvereční
Lm m2
Měrný výkon světelného zdroje
Lumen na watt
Lm W
Je to podíl vyzařovaného světelného toku a příkonu světelného zdroje.
Tc
Kelvin
K
Udává ekvivalentní teplotu tzv. černého zářiče.
Ra
-
-
Udává věrohodnost barev podávaných zdrojem světla vzhledem k přirozenému světlu.
Teplota chromatičnosti Index barevného podání
Osvětlenost je plošná hustota světelného toku dopadajícího na plochu. Jas je podíl svítivosti dI zdroje vdaném směru a průmětu plošky do roviny kolmé na daný směr (dS cos). Světlení v daném bodě plochy je podíl světelného toku d vyzařovaného elementem této plochy (obsahujícím daný bod) a velikosti tohoto plošného elementu dS.
108
Svítivost
Je jednou z veličin tabulky SI. Světelný tok vycházející ze zdroje nebo svítidla má zpravidla nerovnoměrné rozložení do různých směrů prostoru. Z těchto důvodů je nutno kromě celkového (úhrnného) toku znát prostorovou hustotu světelného toku v různých směrech. Ve světelně technické praxi je třeba, abychom znali svítivost zdroje anebo svítidla do všech směrů. Jsou-li tyto hodnoty známy (a výrobce svítidel by je měl uvádět ve svém katalogu), vytvářejí koncové body vektorů jednotlivých svítivostí tzv. fotometrickou plochu svítivosti. Fotometrická plocha svítivosti je plocha, která vznikne tak, že se zjistí hodnoty svítivosti zdroje světla ve všech směrech prostoru a nanesou se prostorově od bodu zdroje jako tzv. radiusvektory. Spojením všech koncových bodů těchto radiusvektorů dostaneme zmíněnou fotometrickou plochu svítivosti. Při výpočtech obvykle postačuje znát jen některé řezy touto plochou, a to rovinami procházejícími bodovým zdrojem. V rovinách řezů se tím vytáčí tzv. čáry (křivky) svítivosti. Je to podíl světelného toku vyzářeného zdrojem v některém směru do elementárního prostorového úhlu d a tohoto prostorového úhlu I
d . d
Jednotka 1 cd představuje svítivost absolutně černého tělesa ve směru kolmém k jeho povrchu o velikosti 1/600 000 m2 při teplotě tuhnoucí platiny (2042K) a při tlaku 101 325 Pa. Světelný tok Elektromagnetické záření ve viditelné oblasti je energetickou veličinou, která působí na zrakový orgán a vyvolává zrakový vjem. Zrak tedy transformuje energetické veličiny na veličinu fotometrickou a tou je světelný tok. Světelný tok představuje světelný výkon vyzářený světelným zdrojem. Světelný tok jeden lumen představuje světelný tok vyzářený do prostorového úhlu jednoho steradiánu z bodového světelného zdroje o svítivosti jedna kandela. Světelný tok Φ, který dopadá na povrch nějakého tělesa se od tohoto povrchu částečně odrazí Φρ, částečně projde Φτ a část tohoto toku je tělesem pohlcena Φα. Velikost jednotlivých částí jsou dány činiteli odrazu ρ, propustnosti τ a pohlcení α.
109
Intenzita osvětlení (Osvětelnost) Intenzita osvětlení je podíl části světelného toku d, který dopadá na plošku dS povrchu tělesa, a obsahu této plošky
E
d . Osvětlení jeden lux vyvolá světelný tok jeden lumen dS
rovnoměrně dopadající na plochu jeden metr čtvereční ve vzdálenosti jeden metr. Osvětlení klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje.
Jas Jas je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného povrchu.
Teplota chromatičnosti Teplotou chromatičnosti zdroje je označována ekvivalentní teplota tzv. černého zářiče (Planckova), při které je spektrální složení záření těchto dvou zdrojů blízké. Zvýší-li se teplota absolutně černého tělesa, zvýší se podíl modré části spektra a sníží se červený podíl. Žárovka s teple bílým světlem má např. teplotu chromatičnosti 2700 K, zářivka se světlem podobným dennímu má teplotu chromatičnosti 6000 K. Spektrum žárovek a halogenových žárovek je velmi blízké černému zářiči, takže je zřejmá souvislost mezi spektrem a teplotou chromatičnosti. Index barevného podání Každý světelný zdroj by měl podávat svým světelným tokem barvy okolí věrohodně, jak je známe u přirozeného světla nebo od světla žárovek. Měřítkem pro tuto vlastnost se stává všeobecný index barevného podání Ra daný rozsahem 100 ÷ 0.
4.3. Elektrické zdroje světla Ke vzniku světla v současných světelných zdrojích dochází z hlediska druhu dodávané energie a látky, ve které se tato energie mění na světelnou na těchto třech základních principech: - inkadescencí neboli tepelným buzením vznikajícím při zahřátí pevné látky na vysokou teplotu
110
- vybuzením atomů v elektrickém výboji - luminiscencí pevných látek Elektrické zdroje světla využívají průchodu elektrického proudu k rozžhavení vlákna, výboje hořícího v plynu (průchod proudu přes plyn), nebo průchodu proudu přes přechod PN. Podle toho rozdělujeme zdroje světla na žárové, výbojové a polovodičové. Rozdělení elektrických zdrojů světla je patrné z obrázku (v tomto textu se zmíníme jen o některých druzích).
4.3.1. Označování světelných zdrojů energetickými štítky Vyhláška č. 442/2004, kterou se stanoví podrobnosti označování energetických spotřebičů energetickými štítky a zpracování technické dokumentace, jakož i minimální účinnost užití energie pro elektrické spotřebiče uváděné na trh, zasahuje svou účinností také do oblasti světelných zdrojů. Povinnost označování se týká elektrických zdrojů světla napájených z elektrické sítě: - žárovek a integrálních kompaktních zářivek, - zářivek pro domácnost včetně lineárních a neintegrálních kompaktních zářivek. Nevztahuje se na: - světelné zdroje se světelným tokem vyšším než 6500 lm, - světelné zdroje s příkonem nižším než 4 W, - reflektorové žárovky, - zdroje světla pro použití s jinými zdroji energie, např. bateriemi.
Energetický štítek musí obsahovat tyto údaje: 111
- třídu energetické účinnosti světelného zdroje (I.) - světelný tok světelného zdroje – pokud je tento údaj jinde na obalu světelného zdroje může být na štítku vypuštěn (II.) - příkon světelného zdroje (ve wattech) - pokud je tento údaj jinde na obalu světelného zdroje může být na štítku vypuštěn (III.) - jmenovitou střední dobu života zdroje světla - pokud je tento údaj jinde na obalu světelného zdroje může být na štítku vypuštěn (IV.) Pro racionalizaci světelných zdrojů je velmi důležité určení třídy energetické účinnosti světelných zdrojů. Třída energetické účinnosti se určuje takto: Do třídy A se zařazují zdroje světla, jestliže platí: - u zářivek bez vestavěného předřadníku (zdroje světla, které vyžadují předřadník nebo jiné zařízení, abychom je mohli připojit k síti) W 0,15 0,0097 - u jiných zdrojů světla W 0,24 0,0103 , kde Φ je světelný tok zdroje světla v lumenech a W je příkon zdroje světla ve wattech. Není-li zdroj světla zařazen do třídy A, vypočítá se tzv. referenční příkon W : R
- Je-li Φ > 34 lm, pak WR 0,88 0,049 . - Jestliže bude Φ = 34 lm, pak WR 0,2 , kde Φ je opět světelný tok zdroje světla v lumenech. Na základě znalosti skutečného elektrického příkonu a vypočteného referenčního příkonu se stanoví tzv. index energetické účinnosti E ze vztahu: E I I
W a třídy energetické účinnosti WR
se pak určují z následující tabulky Třída energetické účinnosti Index energetické účinnosti EI B
E < 60 %
C
60 % ≤ E < 80 %
D
80 % ≤ E < 95 %
E
95 % ≤ E < 110 %
F
110 % ≤ E < 130 %
G
E >130 %
I
I I
I
I
I
112
4.3.2. Žárové zdroje světla Klasické žárovky Obyčejné žárovky jsou stále nejpopulárnějším světelným zdrojem.
Jejich teplé světlo vytváří příjemnou atmosféru a jsou stále nejvyhledávanější ve výběru světelných zdrojů pro všeobecné osvětlování. Měrný výkon žárovek se pohybuje okolo 10 lm.W-1. Se vzrůstající teplotou vlákna vzrůstá jeho hodnota a také teplota chromatičnosti. Životnost žárovek se pohybuje okolo 1 000 hodin. Vlivem nových technologií navíjení vlákna a plnění baněk inertními plyny doba života dále vzrůstá. Jelikož většina vyzářené energie se nepohybuje ve viditelné části spektra, ale až v oblasti záření infračerveného, jejich světelná účinnost je tedy jen okolo 10 %. Světlo žárovek se může řídit nenákladnými stmívajícími zařízeními. Vzhledem k nízké teplotě chromatičnosti Tc a vysokému indexu barevného podání Ra = 100 jsou stále oblíbené a hojně využívané hlavně v domácnostech, ale i ve společenských prostorách. Žárovky se vyrábějí v širokém sortimentu výkonů, rozměrů a tvarů pro speciální úlohy osvětlení a zvláštní nároky. Nové tvary a barevné odstíny dávají bytovým a společenským prostorám příjemnou atmosféru. Halogenové žárovky Halogenové žárovky jsou velmi kompaktní z čehož vyplývají široké možnosti jejich použití, zejména v přesném směrování světelných paprsků a proto se hodí pro osvětlování kanceláří a bytů. Baňka žárovky je vyrobena z těžkotavitelného materiálu, nejčastěji z křemenného skla, je naplněna směsí argonu s dusíkem, kryptonem, xenonem nebo sloučeninami bóru (bórmetan, bórfosfornitrid, …), dříve se plnili i jódem, ale to pak vydávaly světlo s purpurovým nádechem. Halogenové žárovky mají měrný výkon asi o 20 % vyšší než standardní žárovky. Jejich výhodou je, že se vypařený wolfram při povrchu baňky slučuje s halogenem a vlivem tepelného pole se vrací zpět na nejteplejší místo vlákna, kde dochází k disociaci, tj. wolfram se usazuje zpět a halogen se vrací k povrchu baňky. Tím se nejen zvyšuje světelný tok, prodlužuje se doba
113
života halogenových žárovek a nedochází ani ke snižování světelného toku během doby života, Tyto žárovky poskytují příjemné svěží, bílé světlo s teplotou chromatičnosti 3000 K. Index barevného podání světla halogenových žárovek je Ra = 100. Halogenové žárovky jsou hospodárnější než standardní žárovky, jejich měrný výkon je cca 22 lm.W -1 a doba života se udává kolem 2000 hodin. 4.3.3. Výbojové zdroje světla Rozdělují se především podle tlaku plynu nebo kovových par na nízkotlaké a vysokotlaké. Dále se dělí podle náplně na plynové (dusík, , s kovovými parami a smíšené, podle druhu elektrod na výbojové zdroje světla se studenými elektrodami (elektrody nejsou žhaveny a výboj je naprosto samostatný, např. sodíkové výbojky), se žhavenými elektrodami po celou dobu svícení(výboj je nesamostatný a bez žhavení elektrod zanikne) a s elektrodami žhavenými jen pro zapálení výboje (bez nažhavení elektrod by nedošlo k vytvoření výboje, ale poté už existuje samostatně, např. zářivka). Nízkotlaké výbojové zdroje světla Zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, ve kterých světlo vzniká působením ultrafialového záření na luminofor, který toto záření transformuje v záření viditelné. Jejich výhodou je především ekonomika provozu, daná vysokým měrným výkonem. Zářivky se připojují na síťové napětí 230V/50Hz trubice je zapojená v sérii s tlumivkou. Napětí na trubici tak nestačí při studených elektrodách k zapálení výboje, proto se musí elektrody před zapálením nažhavit a poté se zvýšeným napětím zapálí výboj. U běžných svítidel, které ve svém zapojení obsahují tlumivku, se k tomuto účelu používá doutnavkový startér. Doutnavka startéru je plněná neonem a má dvě v klidu rozpojené elektrody, jedna je pevná a druhá z bimetalu. Po připojení zářivky na síťové napětí, vznikne v doutnavce startéru doutnavý výboj a elektroda z bimetalu se zahřeje a prohne. Tím se obě elektrody doutnavky spojí a dojde k průchodu většího proudu elektrodami zářivky, které se rozžhaví na teplotu kdy dochází k emisi (kolem 800°C). Náplň zářivky se ionizuje a zároveň se v doutnavce ochlazují 114
elektrody až bimetal rozpojí obvod. Rozpojením elektrod doutnavky vznikne v obvodu spínací přepětí (vypínáním obvodu s indukčností), které indukuje napětí ve vinutí tlumivky (cca 500V) a to se sčítá s napětím síťovým. Součet obou napětí se objeví na elektrodách zářivky, čímž dojde k zapálení výboje a páry rtuti jsou tedy vybuzeny k emisi neviditelného UV záření. V okamžiku průchodu proudu zářivkou se síťové napětí rozdělí mezi trubici a tlumivku a protože napětí na trubici bude menší než napětí na výboji doutnavky startéru, doutnavka již znovu nezapálí. UV záření je pomocí luminoforu umístěného na vnitřním povrchu skleněné trubice přeměněno na viditelné světlo. Volbou luminoforu je možné ovlivnit barvu světla zářivky. Ve startéru je kromě skleněné baňky doutnavky ještě kondenzátor C1(5 nF), který plní funkci odrušovací a navíc zlepšuje zapalovací podmínky. Účiník zářivky vlivem tlumivky je menší než 0,5 proto jej kompenzujeme na hodnotu 0,95 paralelně připojeným kondenzátorem C2 (až 20 F). V dnešní době se místo klasického zapojení zářivek začínají čím dál tím víc používat elektronické předřadníky. Jejich hlavní výhodou je výrazně menší spotřeba elektrické energie než u klasického zapojení s tlumivkou. Další výhody jsou rychlejší rozsvícení zářivky a delší životnost. Nevýhodou všech typů zářivek je možnost vzniku stroboskopického jevu, který se odstraňuje u vícetrubicových svítidel vřazením "posouvacího" kondenzátoru do obvodu jedné trubice nebo se jednotlivá svítidla, popřípadě jednotlivé trubice rozfázují. Další nevýhodou je, že jejich doba života je silně ovlivněna počtem zapnutí. Doporučuje se používat zářivky tam, kde je potřeba jejich zapnutí maximálně šest až osmkrát za den, při dvaceti a více sepnutí za den se jejich životnost zkrátí cca na polovinu. Nejčastěji se používají zářivky s běžným širokopásmovým luminoforem, ale existují i speciální zářivky s úzkopásmovým luminoforem, který je namíchán tak, že vydává v podstatě jakoukoliv barvu. Existují například zářivky pro chytání hmyzu svítící modrým světlem, které vyzařují dlouhovlnné ultrafialové záření.V barech a na diskotékách se používají zářivky s trubicí z černého skla, které propouští jen dlouhovlnné ultrafialové záření. Pro dezinfekci se používají tzv. germicidní zářivky, které vyzařují krátkovlnné ultrafialové záření (poškozuje oči, kůži atd.).
115
Kompaktní zářivky Kompaktní zářivky představují skupinu nových světelných zdrojů, které mají ve srovnání se žárovkami podobné geometrické rozměry, téměř stejnou kvalitu podání barev, zároveň mají podstatně vyšší účinnost, dosahují tedy výrazné úspory elektrické energie a mají podstatně delší život (okolo 15 000 hodin). Jejich světelný tok se pohybuje v rozmezí 450 až 3200 lm při měrném výkonu 50 až 80 lm.W-1. Kompaktní zářivky můžeme rozdělit do tří skupin: - kompaktní zářivky s implementovaným předřadníkem jako úsporná alternativa žárovek, - kompaktní zářivky pro zvlášť malá svítidla, - kompaktní zářivky jako zmenšená alternativa lineárních zářivek. Provoz s kompaktních zářivek s elektronickým
předřadníkem
zabezpečuje vysoký komfort: - okamžitý start bez blikání, - odolnost proti častému spínání, - delší doba života, - odstranění stroboskopického efektu a kmitání světelného toku. Výraznou nevýhodou kompaktních zářivek v porovnání s žárovkami, je rychlost jejich startu. Zatímco žárovky nabíhají na jmenovitý světelný tok téměř okamžitě, kompaktní zářivky po připojení napájecího napětí naběhnou rychle pouze na cca 50 % světelného toku a teprve po nějakém čase (někdy i několik minut)vydávají 100 % světelného toku. Indukční výbojky Do okruhu nízkotlakých výbojových zdrojů patří i světelný zdroj využívající principu indukce. Tento zdroj lze právem považovat za světelný zdroj třetí generace nebo světelný zdroj budoucnosti. I když na principu vysokofrekvenčního buzení výboje v bezelektrodovém výbojovém prostoru se pracuje v laboratořích světových firem již po desetiletí, výbojku použitelnou se podařilo uvést na trh teprve v roce 1993. Princip funkce : Do hruškovité baňky je zatavena z jedné strany otevřená trubice, do níž se vkládá feritové jádro s indukční 116
cívkou napájenou proudem o frekvenci 2,65 MHz. Baňka nemá žádné elektrody, obsahuje pouze inertní plyn a páry rtuti. Atomy rtuti vybuzené vysokofrekvenčním polem vytvářeným cívkou, emitují ultrafialové záření, které je transformováno luminoforem na viditelné světlo. Vlivem bezelektrodové konstrukce se dosahuje extrémně dlouhého života, podle údajů výrobce až 60 000 h, a to při velmi dobré stabilitě světelného toku v průběhu svícení. Výbojky se vyznačují všemi přednostmi, které poskytuje provoz na vysoké frekvenci. V současné době jsou výbojky vyráběny s příkonem od 50 do 150 W s účinností asi 65 lm.W-1 až 90 lm.W-1 při Ra ≥ 80. Doba náběhu činí 0,5 s, doba znovuzápalu je rovněž asi 0,5 s. Důležitou výhodou výbojek je jejich konstantní světelný tok v širokém teplotním rozsahu. Jejich aplikace zároveň podstatně snižuje náklady související s údržbou osvětlovací soustavy. Nízkotlaké sodíkové výbojky U nízkotlakých sodíkových výbojek nastává výboj ve výbojové trubici vyhotovené z polykrystalického anebo monokrystalického kysličníku hlinitého, která je naplněna argonem, neonem a sodíkem. Při tlaku sodíkových par 0,5 Pa a teplotě stěny výbojové trubice 270 až 300 °C vyzáří monochromatické záření v pásmu vlnových délek 589 až 589,6 nm ve žluté oblasti spektra. Záření sodíkové výbojky je v blízkosti maxima spektrální citlivosti lidského oka (555 nm) s vysokým měrným výkonem 130 až 200 lm.W-1. V jejich světle není možné rozlišovat barvy Ra = 0, životnost výbojky dosahuje až 24 000 hod.. Výbojová trubice (hořák) 4 sodíkových výbojek má kruhový průřez a ohýbá se do tvaru písmena U nebo W a je umístěna ve skleněném válci 5. Venkovní baňka 6 je vyčerpaná na vysoké vakuum a tepelně izoluje výbojovou trubici. Po připojení výbojky k napětí se nejprve zapálí doutnavý výboj v neónu mezi hlavní elektrodou 1 a pomocnou elektrodou 3. Po několika minutách a po zvýšení tlaku sodíkových par se pomocí zapalovacích elektrod 7 přenese výboj mezi hlavní elektrody 1a 2. Nízkotlaké sodíkové výbojky se někdy konstruují bez pomocné elektrody a k zapálení se používá rozptylový transformátor. Směsové výbojky Směsové výbojky poskytují světlo z emise elektronů wolframového vlákna a elektrického výboje ve výbojové trubici a plní funkci záměny přímo za žárovky bez používání předřadníku. Poskytují příjemné teple bílou barvu světla s teplotou chromatičnosti Tc = 3500 K a mají životnost až 16 000 hodin. Mají vyšší výkon a 5-ti násobnou dobu života ve srovnání s klasickou žárovkou. Jsou ideální pro cenově výhodnou výměnu zdrojů u stávajících svítidel 117
osazených běžnými žárovkami.
Vysokotlaké výbojové zdroje světla Vysokotlaké rtuťové výbojky Vysokotlaké rtuťové výbojky vyzařují do viditelné oblasti asi 15% přivedené energie, jejich světlo je modrobílé a modrozelené. Červená složka světla chybí a z tohoto důvodu se nanáší na vnitřní stěnu venkovní baňky ortofosfátový luminofor pro zabezpečení transformace UV záření do červené oblasti spektra. Baňka 1 má tvar elipsoidu a je naplněna směsí argonu a dusíkudami, v ní je křemenný hořák 2 s hlavními elektrodami 3 a 4 a s pomocnou elektrodou 5, která je přes rezistor 6 spojena se vzdálenější hlavní elektrodou 3. Připojíme-li rtuťovou výbojku na napětí, vznikne nejprve doutnavý výboj v argonu mezi pomocnou elektrodou a bližší hlavní elektrodou. Ten ionizuje prostředí a zahřívá výbojku. Zahříváním se vypařuje rtuť, až výboj přeskočí na hlavní elektrody. K ustálení výboje rtuťových výbojek dochází po 3 až 5 minutách. Po přerušení výboje dojde k opětovnému znovuzapálení až po 7 minutách. Výhodou těchto výbojek je malý pokles světelného toku během života, odolnost proti změnám teploty, odolnost proti otřesům a menší poruchovost v důsledku menšího počtu kontaktů ve srovnání se zářivkami. Doba života je 12 000 až 15 000 hod, index barevného podání Ra = 50, měrný výkon 50 až 80 lm.W-1. Jelikož se výboj ustálí až po přibližně pěti minutách, nehodí se k osvětlování vnitřních prostorů, ale používají se k osvětlení průmyslových prostorů, ulic a sportovišť. Halogenidové vysokotlaké výbojky Jsou obdobou rtuťových výbojek s přídavkem halogenidů různých kovů.Vlivem dávkování různých prvků a jejich halogenidů do hořáků rtuťových výbojek se zvýšil jejich měrný výkon a také barevné podání Ra>90. Životnost halogenidových výbojek je až 6000 hod. a vyrábí se v široké škále příkonů od 40 W do 3,5 kW. Tyto výbojky nalézají uplatnění ve veřejném a průmyslovém osvětlení, ale hlavně při osvětlování sportovišť, a to i při televizních přenosech. Vyžadují však vysokonapěťové zapalovače. Vysokotlaké sodíkové výbojky Výboj v parách sodíku je ze světelně technického hlediska velmi zajímavý, ale při nízkých
118
tlacích podává monochromatické záření ve žluté oblasti spektra. Při zvyšování tlaku par sodíku světelná účinnost klesá, prochází minimem a dále opět stoupá, takže při tlaku kolem 27 kPa dosahuje druhého maxima a v závislosti na dalších parametrech (složení amalgamu sodíku, druh a tlak plnicího plynu, geometrické parametry hořáku, příkon výbojky apod.) může dosáhnout hodnoty až 150 lm.W-1. Při rostoucím tlaku par sodíku dochází k výraznému rozšíření spektrálních čar a ke vzniku silného spojitého záření. Spektrum záření je bohatší, což má za následek i lepší podání barev osvětlovaných předmětů. Tento druh výboje je využíván u moderních vysokotlakých sodíkových výbojek, které se výrazně prosadily zejména v uličním, ale i v průmyslovém osvětlení. V evakuované trubici 2 je umístěn hořák 1 naplněný sodíkem, argonem, xenonem a rtutí. Vysokotlaké sodíkový výbojky je nutné provozovat v obvodu s tlumivkou a vhodným zapalovacím zařízením dodávajícím napěťové impulsy okolo 3kV. Po vytvoření impulzu se nejdříve zapálí výboj v plynech (xenonu a argonu) a zniklým teplem se vypařuje sodík a rtuť. Teprve po nějaké době přeberou výboj kovové páry a to především sodík. Plného výkonu dosáhne výbojka asi po deseti minutách. Po vypnutí lze výbojku s malým výkonem znovu rozsvítit asi po dvou minutách, výbojky se středním výkonem asi po deseti minutách a nejvýkonnější výbojky až po asi dvaceti minutách. Při dodržování provozních podmínek (povolené kolísání napětí menší než 5%, správně dimenzované tlumivky) výbojky předních výrobců dosahují života 16 000 až 28 000 hod. Ukončení života je dáno postupným nárůstem napětí na výboji. Při překročení určitého poměru tohoto napětí vzhledem k napájecímu napětí sítě výboj zhasne. Po vychladnutí výbojka znovu zapálí a celý cyklus se opakuje. Periodické zhasínání výbojek je příznakem ukončení života a výbojku je nutné vyměnit. Vysokotlaké sodíkové výbojky mají ve VO univerzální použití, tj. jsou vhodné pro osvětlování veškerých komunikací, pěších zón i osvěcování fasád objektů. Určitou nevýhodou těchto zdrojů je barva vyzařovaného světla, která způsobuje horší barevné podání osvětlovaných předmětů, zvláště pak zeleně. Sodíkoxenonové vysokotlaké výbojky Díky elektronickým předřadníkům a vysokofrekvenčnímu provozu byl umožněn rozvoj a uvedení na trh vysokotlakých sodíkoxenonových výbojek bez obsahu rtuti, s vynikající 119
barevnou stabilitou, a výborným barevným podáním a velmi dobrým měrným výkonem systému. Pro dosažení podstatně lepšího barevného podání bez přítomnosti rtuti je nutno vybudit vyšší energetické přechody sodíku. Dosáhne se toho zvýšením teploty plazmy v hořáku pomocí vyšší frekvence cca 20 kHz. Hořák ovšem nemůže být vystaven tak vysoké teplotě po celou dobu provozu, a proto je základní frekvence cca 20 kHz modulována ještě frekvencí cca 200 Hz. Znamená to, že impulzy 20 kHz o délce kolem 1 ms jsou od sebe vzdáleny cca 5 ms. Elektronický předřadník je řízen mikroprocesorem a kontroluje parametry výboje po celou dobu života výbojky tak, že je zaručena konstantní teplota chromatičnosti a podání barev. Jelikož výbojka neobsahuje rtuť lze ji snadno recyklovat. Doba života těchto zdrojů dosahuje až 15 000 hodin, měrný výkon 56 lm.W -1, index podání barev Ra = 75 až 85. Jelikož se jedná o světlo bez ultrafialové složky sníží se tak vábení létavého hmyzu oproti rtuť obsahujícím výbojkám až o 80 %. a tím se také redukuje špinění svítidla Sirné výbojky Jedná se vysokotlaké výbojky s náplní síry a kulovým svítícím tělesem o průměru od 5 do 29 mm. Vlastní výboj je buzen v křemenném hořáku mající tvar koule, která rotuje v elektromagnetickém poli magnetronu (2,45 GHz). Výboj probíhá v parách síry, přičemž spektrum vyzařovaného světla se blíži slunečnímu, při vynikající účinnosti dosahující až 130 lm.W-1 a vysokém indexu podání barev Ra = 85. Život výbojky je limitován spolehlivostí magnetronu a dosahuje rovněž hodnot převyšujících 50 000 hodin. Zatím jsou tyto výbojky používány v kombinaci s dutými světlovody. Toto řešení je výhodné při osvětlování místností s nebezpečím výbuchu, kdy světelný zdroj lze umístit mimo tuto místnost. Úbytek světelného toku na konci života je menší než 10 %. 4.3.4. Polovodičové zdroje světla – LED dioda V posledních letech se stále více v nejrůznějších světelně technických aplikacích prosazují svítící diody (LED- Light Emitting Diode). Luminiscenční dioda se dříve využívala v elektrotechnice k indikaci provozních stavů, jako výkonný světelný zdroj se začala využívat v posledním desetiletí, kdy jsme zaznamenali enormní nárůst měrného výkonu. Na trhu jsou k dispozici vysokovýkonné modré a bílé LED. LED dioda je elektronický prvek, který generuje světelné záření při průchodu proudu polovodičovým přechodem. Tento polovodičový přechod generuje velmi úzké spektrum to znamená, že záření je v podstatě monochromatické. Vzhledem k fyzikálnímu principu tohoto světelného zdroje se předpokládají široké možnosti volby spektrálního složení záření a jeho 120
plynulá změna během provozu. V současnosti mohou mít LED diody v podstatě libovolnou barvu světla.Současný vývoj pokračuje směrem k organickým LED diodám a poznatky z LED diod se zkouší aplikovat do klasických luminoforů, dá se tedy předpokládat významný nárůst měrného výkonu zářivek a možná také žárovek. Bílé světlo lze získat například složením tří čipů různých barev (červená, zelená a modrá) a z nich namíchat bílou barvu. Další způsob jak dosáhnout bílé barvy je použití modrého čipu, který má vrstvu aktivní hmoty. Tato vrstva převede modré záření na jiné vlnové délky viditelného spektra. Doba života dosahuje u barevných LED diod až 100 000 hodin a u bílých LED diod 50 000 hodin, přičemž v průběhu této doby intenzita světla mírně klesá. V zařízeních s LED diodami se tedy nepočítá s výměnami světelných zdrojů. Mezi výhody LED diod především patří: - minimální spotřeba elektrické energie, - velmi malé rozměry (jedná se prakticky o bodové zdroje), - malá závislost parametrů na teplotě okolí, - poměrně dobrá účinnost (kolem 10 lm.W-1 v závislosti na barvě) převyšující účinnost trpasličích žárovek, - široký sortiment výrazných (sytých) barev, - malé napájecí napětí, - nízká povrchová teplota, - možnost dosáhnout velké směrové svítivosti použitím vhodné čočky, - dlouhá životnost, atd. V poslední době se již na trhu objevují konstrukce, v nichž jsou svítivé diody zabudovány do baňky normální žárovky, mluvíme pak o tzv. LED žárovce. V jejich patici se nachází nezbytná elektronika k úpravě napájecího napětí, k ochraně proti statické energii a napěťovým špičkám. Tento světelný zdroj pracuje při stejnosměrném i střídavém napětí. Rozhodně se jedná o velmi perspektivní světelný zdroj se všemi výhodami LED a s vhodným použitím 121
v řadě oblastí. Pro domácnosti, kanceláře a školní prostory mají LED diody uplatnění zejména ve stolních lampách, dekorativním osvětlení interiéru, osvětlení chodeb a orientačním osvětlení. Široké využití LED diod je také v mobilních prostředcích, v dopravním průmyslu, ručních svítilnách atd.. Provozní teplota LED diod je nízká, proto se nabízí aplikace pro osvětlen teplem degradujících předmětů (např. potraviny). Využití svítících LED diod ve všeobecném osvětlování tedy s největší pravděpodobností velmi významně ovlivní konstrukci svítidel. Použití reflektorů pro úpravu rozložení světelného toku svítidel ztratí význam, neboť u svítících LED diod je světelný tok již usměrněn. Způsob vyzařování bude možné ovlivnit použitými typy svítících diod, jejich polohou a nasměrováním. Použití čoček a refraktorů v optických systémech svou funkci pravděpodobně neztratí, naopak možná bude mít větší využití než u svítidel pro běžné světelné zdroje. Využití svítících diod umožní nejen měnit intenzitu osvětlení, teplotu chromatičnosti a barvu světla, ale teoreticky bude možné měnit i vyzařovací charakteristiky, spínáním diod rozdělených do různých skupin. Vzhledem k tomu, že svíticí diody pracují na malém napětí bude poměrné snadné jejich použití v kombinaci s akumulátorovými články, například v systémech nouzového světlení nebo se systémem fotovoltaických článků. 4.3.5. Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů V oblasti světelných zdrojů lze očekávat tento pokrok: Žárovky vylepšení emise spirál povlakem z hafnia reflektorové multivrstvy (zpětný odraz vyhřívá spirálu) žárovky multi mirror o průměru 51 mm na síťové napětí vylepšení mechanických vlastností spirál pro lepší stabilitu vlákna Halogenové žárovky zejména IR multivrstvy pro zpětný odraz záření na vlákno – zvýšení měrného výkonu dávkování xenonu dotace „certic“-u do křemenného skla baňky na potlačení UV záření žárovky na síťové napětí různé tvary baněk pro různé aplikace nízkotlaké halogenové žárovky až o 30% vyšší měrný výkon vyšší životnost stabilita světelného toku po celou dobu životnosti 122
stabilita teploty chromatičnosti rovnoměrnější svítivost ve svazku v případě reflektorových halogenových žárovek Zářivky snižování množství rtuti viz obr. 2.18 vývoj bezrtuťových technologií program T5 – vývoj vývoj nových typů luminoforů Kompaktní zářivky přebírání nových technologií platných pro zářivky 3/8“ technologie tvarované KZ KZ s reflektorem či difuzorem KZ s velkým příkonem Halogenidové výbojky keramický hořák jako všeobecné řešení dávkování Na – sbližování vlastností nové plynové náplně miniaturizace příkonu Sodíkové výbojky ekologické bezrtuťové výbojky dávkování jiných prvků na zlepšení barevného podání vícehořákové výbojky možnosti přepínaná barvy světla nebo příkonu miniaturizace příkonu nasazování v interiérech Luminiscenční diody (LED) enormní nárůst měrného výkonu modré LED široké možnosti spektrálního složení
organické LED
4.4. Osvětlovací technika
123
Svítidla jsou přístroje, které tvoří základní prvky osvětlovacích soustav. Skládají se z části světelně činných a částí konstrukčních. Světelně činné části slouží ke změně rozložení světelného toku, k rozptylu toku, k zábraně oslnění, snížení jasu, po případě ke změně spektrálního rozložení světla. Konstrukční části svítidla slouží k upevnění zdroje, k upevnění světelně činných částí, ke krytí zdrojů i světelně činných částí před vniknutím cizích předmětů a vody, musí vyhovovat z hlediska ochrany před nebezpečným dotykovým napětím. Svítidla musí splňovat podmínky jednoduché a snadné montáže, jednoduché údržby, dlouhého života a spolehlivosti. Kromě svítidel se ve světelné technice používají světlomety, které se od svítidel liší tím, že vyzařují směrově soustředěný svazek paprsků a používají se k osvětlování z velkých vzdáleností. 4.4.1. Světelně technické parametry svítidel Světelný tok svítidla Světelný tok svítidla ΦSV, který je svítidlem opticky upraven, je dán rozdílem světelného toku všech zdrojů ΦZ umístěných ve svítidle a světelného toku ztraceného Φ ZTR, který se ztratil při optickém zpracování. Účinnost svítidla Účinnost svítidla charakterizuje hospodárnost svítidla a její hodnota je dána poměrem světelného toku svítidla ke světelnému toku všech zdrojů
SV Z
Maximální účinnost by měl z tohoto hlediska holý světelný zdroj v objímce. Ten však není možné použít s ohledem na oslnění, nevhodné směrování vyzařovaného světla a ochrany před povětrnostními vlivy. Z hlediska maximálního využití dodávané elektrické energie je třeba dosahovat vysokých hodnot této veličiny. U běžných svítidel se pohybuje účinnost v rozmezí od 0,3 do 0,9. Zářivky mají světelný tok závislý na teplotě a dle CIE se pro zářivková svítidla definuje optická a provozní účinnost. Optická účinnost se stanovuje z hodnot světelného toku svítidla a zdrojů při provozních teplotách. Provozní účinnost je určena tokem svítidla při provozní teplotě a tokem zdroje při jmenovité teplotě, která se uvažuje pro zářivky 25 °C. Svítivost svítidel Prostorové rozložení svítivosti svítidla je souměrné nebo nesouměrné. Souměrné rozložení může být rotační anebo souměrné k jedné anebo více axiálním rovinám. Svítivosti se udávají nejčastěji pomocí fotometrického systému C-γ. U svítidel s rotačně 124
symetrickou plochou svítivosti postačí křivka v jedné fotometrické rovině. U zářivkových svítidle se zpravidla udávají dvě křivky a to v rovinách C0 a C90. U venkovních svítidel se z důvodů zábrany oslnění předepisují pro dané stupně oslnění maximální hodnoty svítivosti a to pro určité směry ve vybraných rovinách v soustavě C-γ. Rozložení svítivosti daného svítidla lze též znázornit pomocí izokandelového diagramu.
Pro vystižení tvaru čáry svítivosti svítidla se používá činitel tvaru křivky K F a úhlové pásmo maximální svítivosti. Činitel tvaru křivky je dán poměrem maximální svítivosti I max a střední svítivosti Istř K F
I max Istř
Jas svítidel Jas svítidla je definován jako podíl svítivosti v daném směru a velikosti průměru svítící plochy do roviny kolmé k uvažovanému směru L
I A. cos
, kde Iγ je svítivost svazku
světelných paprsků (svítící plochy), A je velikost svítící plochy viditelné pozorovatelem a γ je velikost svítící plochy viditelné pozorovatelem. U svítidel pro osvětlování vnitřních prostorů se pro kontrolu na oslnění udávají často jasy v 125
kritické oblasti úhlů od 45°do 85°ve vodorovném směru pohledu.
Geometrické parametry Patří sem především úhel clonění δ, který udává míru zaclonění světelného zdroje svítidlem. Je to nejmenší ostrý úhel mezi vodorovnou rovinou a přímkou spojující okraj svítidla se světelným zdrojem. U čiré žárovky je to její vlákno, u opálové zářivky nebo výbojky je to povrch baňky. Doplňkový úhel do 90° k úhlu clonění se nazývá úhel otevření svítidla.
Konstrukční prvky svítidel Konstrukční prvky a materiály, používané pro všechny druhy svítidel, mají kromě svých vlastních funkcí splňovat ještě další požadavky, jakojsou to především: - světelná stálost - tepelná stálost - odolnost proti korozi - mechanická pevnost Světelná stálost je důležitou veličinou, která určuje u mnoha materiálů jejich životnost. Stálým působením světelného a ultrafialového záření, zesíleného teplem a vlhkostí, dochází k trvalým změnám, např. žloutnutí, vybělení, zkřehnutí, tvoření trhlin nebo praskání. Tepelná stálost konstrukčních prvků má zvláštní význam, protože provozní teploty na svítidle dosahují často hodnot na hranicích přípustnosti. Pokud jsou tyto hodnoty překročeny, dochází k trvalým změnám, např. k deformaci, zkřehnutí, zuhelnění a praskání - tvoření trhlin. Odolnost kovů proti korozi musí být zajištěna účelnou povrchovou ochranou, která mimo to ovlivní ještě vzhled a světelně technické vlastnosti materiálu. Aby bylo vyhověno přípustným podmínkám použití, požadovaným světelnětechnickým parametrům a estetickým požadavkům, používají se následující povrchové úpravy: lakování poniklování, pochromování, emailovaní, pozinkování, kadmiování, nanášení umělých hmot, leštění a eloxování. U plastů je odolnost proti korozi zaručena, a proto nevyžadují dodatečná opatření.
126
Mechanická pevnost je mírou stability konstrukčních prvků, především u plastů a křemenných skel. Vlivem záření, tepla, chladu a vlhkosti se může změnit mechanická pevnost, a tím i spolehlivost svítidla. Konstrukční prvky svítidel se podle své funkce ve svítidle dělí do tří skupin: - světelnětechnické (světelně činné) - elektrotechnické - mechanické Světelně technické prvky zajišťují vlastní předávání světla do prostoru, jako například odrazové a propustné materiály. Mezi používané odrazové materiály patří například skleněná zrcadla, lakované povrchové plochy, opálová světlo rozptylující skla, plasty nebo tkaniny. K propustným materiálům světelně činných částí například patří křemenné sklo (čiré sklo, ornamentní sklo, opálové sklo, matované sklo, refraktorové sklo), světlo propouštějící plasty nebo světlo propouštějící tkaniny. Elektrotechnické části svítidel slouží k připojení, upevnění a provozu světelných zdrojů a svítidel. Patří sem: objímky žárovek, vypínače, zásuvky a vidlice, vnitřní vedení vodiče, vnější vedení, připojovací a propojovací svorky, svítidlová krabice, předřadné přístroje, zapalovač, kondenzátory. Jednotlivé části musí odpovídat použitým světelným zdrojům. Použitím jiných světelných zdrojů se mění i připojovací podmínky. Některé části se vyskytují u všech svítidel, jiné jen tam, kde to vyžadují podmínky použití nebo světelné zdroje. Mechanické části svítidel slouží nejen jako ochranné nebo nosné části světelných zdrojů, ale i světelně technických a elektrotechnických konstrukčních prvků. Slouží k upevnění svítidel. Podstatné konstrukční díly svítidel, které se počítají k mechanickým konstrukčním prvkům, jsou: Ochranná skla, ochranná mříž, nosná konstrukce, zaostřovací zařízení, závěsy, upevňovací části, vidlice, klouby a stojany pro svítidla pro místní osvětlení. Protože jednotlivé díly mají velmi rozdílný význam a jsou různě zatíženy, najdou zde použití různé materiály. Jako ochranná skla jsou převážně používaná křemenná skla. Svítidla musí mít potřebnou mechanickou pevnost a musí být odolná vůči korozi, vyhovět předepsaným oteplovacím zkouškám a být elektromagneticky slučitelná. Třídění svítidel Svítidla je možné rozdělit do skupin podle jejich vlastností, přičemž lze volit různá kriteria. Podle použitého světelného zdroje rozeznáváme svítidla žárovková, zářivková, výbojková, popř. i jiná. Podole oblasti použití je možné rozlišit svítidla vnitřní a venkovní. Podstatné vlastnosti aplikační jsou ovšem dány světelně technickými vlastnostmi. Nejjednodušší 127
světelně technické třídění svítidel je třídění založené na prostorovém rozložení světelného toku do horního a dolního poloprostoru. Označení svítidla přímé převážně přímé smíšené převážně nepřímé nepřímé
Světelný tok do dolního poloprostoru [%] 90 až 100 60 až 90 40 až 60 10 až 40 0 až 10
Světelný tok do horního poloprostoru [%] 0 až 10 10 až 40 40 až 60 60 až 90 90 až 100
Značení podle DIN 5040 A B C D E
Pro rozdělení svítidel podle tvaru křivky svítivosti se v praxi používá několik způsobů. Například třídění podle tzv. BZ - klasifikace svítidel. Svítidla jsou rozdělena podle tvaru křivek svítivosti do 10 tříd. Označení Tvar křivky svítivosti BZ 1 Iγ = I0 cos4 γ BZ 2 Iγ = I0 cos3 γ BZ 3 Iγ = I0 cos2 γ BZ 4 Iγ = I0 cos1,5 γ BZ 5 Iγ = I0 cos γ BZ 6 Iγ = I0 (1 + 2cos γ) BZ 7 Iγ = I0 (2 + cos γ) BZ 8 Iγ = konst. BZ 9 Iγ = I0 (1 + sin γ) BZ 10 Iγ = I0 sin γ Toto třídění do jisté míry odpovídá i způsobu podle dřívějších čs. norem. Jde o zařazení svítidel podle tabulky do 7 typů, přičemž je dáno úhlové pásmo, v němž může ležet maximum svítivosti, a pro každý typ též činitel tvaru křivky svítivosti. Tvar křivky svítivosti označení název a koncentrovaná b hluboká c kosinusová d pološiroká e široká F rovnoměrná g sinusová
Úhlové pásmo maximální svítivosti [° ] 0 až 15 0 až 30, 150 až 180 0 až 35, 145 až 180 35 až 55, 125 až 145 55 až 85, 95 až 125 0 až 180 70 až 90, 90 až 110
Činitel tvaru křivky svítivosti KF ≥ 3 2 ≤ KF < 3 1,3 ≤ KF < 2 1,3 ≤ KF 1,3 ≤ KF KF ≤ 1,3, přičemž Imin > 0,7 Imax 1,3 < KF, přičemž Imin < 0,7 Imax
Svítidla můžeme dále dělit například podle elektrotechnických vlastností na svítidla třídy 0, I, II a III, podle krytí (IP XX) a podle mnoha dalších hledisek.
4.5. Výpočet osvětlení 128
Metody výpočtů osvětlení lze v zásadě rozdělit do dvou základních skupin, na metody tokové a bodové. Obě tyto skupiny se zásadně liší svým principem a také svými možnostmi. Tokové metody umožňují snadno spočítat průměrné osvětlení srovnávací roviny prostoru, jsou technicky i časově zpravidla méně náročné a umožňují rovněž funkci návrhu. Naproti tomu bodové metody poskytují možnost výpočtu osvětlení v konkrétních bodech prostoru, bývají časově i technicky náročnější, vyžadují větší množství vstupních dat a ve funkci návrhu jsou jen těžko použitelné. Pokud budeme zpracovávat cenovou nabídku nebo pokud budeme potřebovat vědět, kolik asi svítidel bude nutno v prostoru instalovat, pak nejspíše zvolíme některou z tokových metod. Pokud ovšem potřebujeme znát hodnoty osvětlení v určitých bodech prostoru a to třeba i s respektováním jeho skutečného tvaru, pokud budeme chtít znát rovnoměrnost, jak to vyžaduje norma, pak nezbytně budeme muset použít metodu bodovou. Velmi často je vhodné oba druhy metod kombinovat, tokovým výpočtem získáme představu o potřebném počtu svítidel a bodovým výpočtem pak provedeme konečné detailní výpočty v důležitých místech prostoru. 4.5.1. Tokové metody Tokové neboli účinnostní metody jsou založeny na použití fyzikálního vztahu mezi osvětleností, světelným tokem a plochou ve tvaru:
E
, kde Φ je světelný tok dopadajícího na plochu [lm], S je plocha [m2], E je průměrné S
osvětlení plochy [lx]. Tokové metody zpravidla předpokládají, že vlastnostmi místnosti a typem svítidla je dána určitá hodnota světelné účinnosti, se kterou se využije světelný tok nebo elektrický příkon osvětlovací soustavy pro osvětlení srovnávací roviny. Tento princip lze popsat jednoduchým vzorcem: E
S kde ΦS je světelný tok všech svítidel soustavy [lm], S je plocha [m2], E je S
průměrné osvětlení srovnávací roviny [lx] a η je světelná účinnost prostoru. Veškerá složitost a přesnost těchto metod je dána přesností určení hodnoty světlené účinnosti η, která v sobě zahrnuje světelné vlastnosti svítidel, osvětlovacích soustav, prostoru i údržbu. Je zřejmé, že z uvedeného vzorce lze snadno vyjádřit potřebný výkon či tok pro návrh potřebného počtu svítidel. Podle způsobu získání a použití této účinnosti existuje poměrně velké množství různě přesných metod. Odhadní účinnostní metoda 129
E
1 n S , kde Φ1 je světelný tok jednoho svítidla soustavy [lm] a nS je počet svítidel S
soustavy. Tuto metodu lze použít zejména pro rychlý odhad. Pro přímé osvětlení se používá hodnota η kolem 0,3 a je zřejmé, že se zde jedná o odhadní metodu. Je dobré si uvědomit, že je to metoda, která nemá okrajové podmínky (podmínky použití), její použitelnost je dána možnostmi správného stanovení hodnoty světelné účinnosti. Toková metoda dle ČSN 36 0450 E
3 , kde Φ je světelný tok dopadající na srovnávací rovinu[lm]. 3 S
Veškerá složitost metody je dána výpočtem toku dopadajícího na srovnávací rovinu Φ 3. Lze uvést zjednodušující předpoklady a použitelnost této metody: - v tvar místnosti blížící se čtverci, - svítidla jsou v místnosti pravidelně rozmístěna a osazena v jedné výši, - předpokládá se jednoduchá orientace svítidel dolů popř. nahoru, - jasy odrazných ploch jsou uvažovány jako konstantní, - nelze uvažovat se zařizovacími předměty (překážkami) místnosti. V případě nedodržení těchto předpokladů je třeba počítat s určitou chybou ve výpočtu, která v některých případech nemusí být významná. Ve většině případů je tato metoda poměrně velmi přesná, ale pro poměrně složitý výpočet, zejména integrálních odrazů, je vhodná spíše pro počítačové aplikace. Tokové metody pro výpočet denního osvětlení Jsou složitější v tom, že zpravidla nejsou známy charakteristiky svítivostí osvětlovacích otvorů. Tyto metody se zpravidla používají pouze pro výpočet vnitřní odražené složky činitele denního osvětlení. Jednodušší je situace u horního osvětlení, protože lze většinou předpokládat konstantní hodnotu odražené složky v prostoru. U bočních soustav je nutno náhradním způsobem určit její rozložení v prostoru. Těmito výpočty se zabývá několik metod, jako například: - toková metoda pro horní soustavy - toková metoda pro boční soustavy - metoda Krochmann - Kittler pro boční soustavy - metoda B. R. S. pro boční soustavy 130
Všeobecně lze říci, že se jedná o empirické metody, jejichž přesnost a použitelnost je závislá na dodržení daných předpokladů nebo okrajových podmínek.
131
4.5.2. Bodové metody Všechny bodové metody jsou založeny na použití jednoduchého fyzikálního vztahu pro výpočet místního osvětlení v daném bodě:
E
I , kde I je svítivost svítidla ve směru svítidlo bod [cd], l je vzdálenost bodu od svítidla l2
[m] a E je místní osvětlení v bodě ve směru spojnice svítidlo bod, neboli absolutní hodnota světelného vektoru [lx]. Bude-li nás zajímat horizontální složka osvětlení E h, pak lze uvedený vzorec upravit na tvar:
Eh
I , kde α je úhel mezi spojnicí svítidlo – bod a vertikálou l cos 2
Uvedený vzorec je přímo použitelný pouze pro bodové zdroje světla nebo pro takové dostatečně malé zdroje, které lze za bodové považovat. Pro zdroje, které pro své rozměry nelze považovat za bodové, existují dvě metody, které lze použít. Obě metody spočívají v rozdělení zdroje světla na menší části a liší se ve způsobu, jak to učinit. Numerická integrace neboli metoda dělení - metoda spočívá v rozdělení zdroje světla na dostatečně malé (elementární) části tak, aby je bylo možno považovat za bodové zdroje, podle normy ČSN 360450 lze za bodový zdroj považovat takový, jehož největší rozměr je minimálně 3x menší než vzdálenost od bodu výpočtu. V praxi je vhodnější použít hodnotu vyšší (např. 5 až 10), tato hodnota je významná pro přesnost i délku výpočtu a nazývá se v praxi dělícím poměrem. Výhody metody dělení jsou: - možnost používání přímo změřené snadno ověřitelné hodnoty svítivostí uvedené v katalogovém listu výrobce, - větší přesnost v případě překážek v místnosti, protože jednotlivé části svítidel mohou být vyhodnocovány samostatně, - nezávislost na rozměrech svítidla, - je jednodušší na zadání do databáze Analytická integrace neboli integrální charakteristiky - metoda spočívá v analytické lineární nebo plošné integraci, tedy v součtu dílčích příspěvků elementárních nekonečně malých částí svítidla. Aby bylo možno metodu použít, musí být známo vyjádření křivky svítidla a to takové, které lze integrovat, protože křivky svítivosti mají zcela obecné a rozličné tvary. Je třeba je nahradit (proložit) náhradními funkcemi. V praxi se s výhodou používá polynomu goniometrických funkcí. Těmto funkcím se po integraci říká integrální charakteristiky. Výhodou této metody je poměrně rychlý výpočet neboť, každé svítidlo se počítá pouze 132
jedním, i když složitějším výpočetním cyklem Obě metody používají jeden základní zjednodušující předpoklad - pokládají svítivost všech částí zdrojů světla za konstantní. Pro přesnost výpočtu osvětlení je nutné počítat též se světlem odraženým od odrazných ploch (stěny, strop, podlaha, předměty) do osvětlovaného prostoru. Pro jednoduchost se nejčastěji uvažuje s tzv. difúzními plochami,jako např. omítky, v případě lesklých ploch musíme počítat s chybou výpočtu. Existují dvě základní metody, jak lze vypočítat jas svítící plochy. První jej získá jako výsledek výše uvedené tokové metody, kdy považujeme jas celé plochy za konstantní, nelze však počítat s jasy stínících předmětů. Druhou je dále popsaná numerická metoda mnohonásobných odrazů. Numerická metoda mnohonásobných odrazů - tato metoda se snaží přiblížit skutečnému fyzikálnímu ději a spočívá v tom, že po prvotním výpočtu přímé složky na elementárních částech odrazných ploch prostoru se ve zvoleném počtu výpočetních cyklů počítají kumulující se příspěvky jednotlivých částí odrazných ploch. Přesnost výpočtu záleží jednak na jak malé elementární části se jednotlivé odrazné plochy dělí a také na zvoleném počtu cyklů. Podle zkušeností se ukazuje, že při třech cyklech je již dosahovaná chyba jen kolem jednoho procenta odražené složky. Bodová metoda výpočtu horizontální intenzity osvětlení vozovky dle ČSN 36 0400 Má-li řidič rozlišit určitou překážku na vozovce, pak musí mít komunikace jas odpovídající velikosti této překážky. Povrch vozovky se za normálních okolností (suchá vozovka, po minimálně ročním provozu) vyznačuje smíšeným odrazem světla. Při bodovém způsobu výpočtu se počítá intenzita osvětlení, popř. jas povrchu vozovky na srovnávací rovině v poli kontrolních míst, přičemž pro volbu pole kontrolních míst platí tyto zásady: - pole kontrolních míst pokrývá celou plochu jednoho prvku osvětlovací soustavy (u komunikací směrově rozdělených pouze jednu stranu komunikace), - v příčném směru je dostačující provádět výpočet ve třech kontrolních místech v každém jízdním pruhu, - v podélném směru, při rozteči světelných míst do 50 m je dostačující provádět výpočet v 10 kontrolních místech a při rozteči větší než 50 m smí být rozteč kontrolních míst maximálně 5 m. Při předepsaném rozmístění kontrolních míst se průměrná hodnota intenzity osvětlení, popř. jas určí jako aritmetický průměr hodnot v jednotlivých kontrolních místech. Horizontální intenzita osvětlení v kontrolním místě na srovnávací rovině se pak počítá podle vzorce: 133
n
E E i , kde Ei je i 1
horizontální intenzita osvětlení od i-tého svítidla a . n je počet svítidel. Jednotlivé intenzity jsou dány vztahem: Ei
Ii cos 3 i h2 , kde Ii
je svítivost svítidla ve směru určeném úhly C a γ, h je závěsná výška svítidla a γi je úhel mezi normálou srovnávací roviny a daným směrem svítivosti. Ve výpočtech se používá několik veličin definovaných podle obrázku: γ je úhel který svírá dopadající paprsek s normálou vozovky, β je úhel, který svírá rovina kolmá na vozovku a procházející zdrojem světla a místem dopadu paprsku s rovinou kolmou na vozovku, která prochází kontrolním bodem a okem pozorovatele. Úhel α je úhel, který svírá směr pozorování s rovinou osvětlované plochy. (výška očí řidiče je průměrně 1,5 m nad vozovkou a zrak řidiče se upírá do vzdálenosti 50 - 170 m, pak se úhel mění v rozmezí 0,5 - 1,7° a ve výpočtech se proto uvažuje s konstantní velikostí úhlu α = 1°). I je svítivost od zdroje světla směrem ke kontrolnímu místu a h je výška svítidla.
134
5. ELEKTRICKÉ POHONY 5.1. Základní veličiny pohybu a vztahy mezi nimi Přímočarý pohyb Dráha
Otáčivý pohyb
a, b, c, l, s [m]
Úhel
α, β, γ [rad]
ds s [m.s-1] dt t dv ds 2 v [m.s-2] a 2 dt d t t
Úhlová rychlost
d [rad.s-1] dt t d d 2 [rad.s-2] 2 dt t d t
Otáčky
n [min-1]
J [kg.m2]
Moment síly
M [N.m]
Moment setrvačnosti Poloměr setrvačnosti
Výkon
P [W]
Síla (tíha)
F (G) [N]
v
Rychlost Zrychlení
Úhlové zrychlení
R [m]
Vztahy mezi v a v=r.
v r
n
60. 2.
n
60.v 2..r
Vztahy mezi n a
2..n 60
Vztahy mezi v a n
v
2..r.n 60
r
Moment síly M Je dán součinem síly a ramene síly M = F . r Moment setrvačnosti J
F
Moment setrvačnosti vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa při otáčivém pohybu. Její velikost závisí na rozložení hmoty v tělese vzhledem k ose otáčení. Moment setrvačnosti můžeme vypočíst z geometrických rozměrů otáčejícího se tělesa nebo měřením pomocí rozběhové či doběhové zkoušky. Z geometrických rozměrů určujeme moment setrvačnosti na základě vztahu: J = m.R2, kde m je hmotnost rotujícího tělesa a R je poloměr setrvačnosti. Tento výpočet je u těles složitých tvarů velice náročný či dokonce nemožný bez spousty zjednodušujících předpokladů.
135
Příklad: Určete moment setrvačnosti kotouče spojky, je-li: l1 = 30 mm; l2 = 50 mm; e = 80 mm; D1 = 500 mm; D2 = 50 mm; D3 = 90 mm; D4 = 40 mm a ρ = 7 800 kg.m-3.
Celé těleso si rozdělíme na elementy J1, J2 a J3. Výsledný moment setrvačnosti je pak dán součtem momentů setrvačnosti dílů J1a J2 s odečtením šesti děr (J3, m3) v dílu J1.
Z rozběhové zkoušky určujeme moment setrvačnosti poháněného tělesa při jeho roztáčení motorem. Moment motoru je při rozběhu konstantní a je mnohem větší než moment zátěžný. Bude-li rozběh probíhat konstantně můžeme moment setrvačnosti určit ze vztahu: n T J M M S , kde MM je moment motoru (např. ss motor s cizím nS S buzením MM = Ia.c.Ф)a TS je naměřený čas při dosažené úhlové
TS 136
t
rychlosti S (odpovídá otáčkám nS). Bude-li rozběh nekonstantní pak lze říct, že známe-li pro daný bod rozběhové křivky velikost dynamického momentu (což lze určit z rozdílů momentu motoru a momentu pracovního mechanismu), lze pro daný pracovní bod určit směrnici tečny ke křivce rychlosti v tomto bodě a tak určit hodnotu celkového momentu setrvačnosti J Při doběhové zkoušce se nejdříve těleso roztočí na vyšší otáčky než jsou jmenovité a poté se zařízení odpojí od energie a dobíhá. Zároveň se vykresluje doběhová křivka. V bodě jmenovitých otáček vyneseme tečnu a ta nám vytne na ose času úsek TS, který dosadíme do
n
vztahu pro výpočet momentu setrvačnosti:
J MT
TS PM .TS , kde MT je zátěžný moment n 2n
nn
tělesa, n je jmenovitá úhlová rychlost při jmenovitých otáčkách motoru a PM je výkon motoru při jmenovitých otáčkách (změřený před
TS
t
zrychlením a vypnutím). Poloměr setrvačnosti R Je to poloměr myšlené kružnice ve které by byla soustředěna veškerá hmotnost otáčejícího se tělesa. Výkon přímočarého pohybu Je to práce potřebná pro přesun tělesa po přímočaré dráze s silou F za čas t:
P
W F.s F.v t t
Vztahy mezi P a M P = F.v = F.r. = M.
M
P
(v = r.; M = F.r)
Síla (tíha) F = m.a (G = m.g), kde m je hmotnost tělesa, a je zrychlení tělesa a g je tíhové zrychlení (závisí na geografické šířce a nadmořské výšce: na rovníku v úrovni mořské hladiny má hodnotu asi g = 9,780 m.s-², na 45° šířky g = 9,80665 m.s-², na pólu g = 9,832 m.s-², na jeden metr výšky nad mořem se g snižuje o 3·10-6 m.s-2).
137
Klidový moment Je to zátěžný moment v okamžiku pohnutí tělesa: Mkl = G.r = m.g.r Záběrný moment Je to moment motoru, který je schopen vyvodit v okamžiku zapnutí (má-li motor pohnout tělesem s klidovým momentem Mkl musí být záběrný moment motoru Mz větší - Mz Mkl). Přepočet momentu setrvačnosti při různých otáčkách Jelikož do rovnic pohybových stavů (viz dále) můžeme dosazovat jenom momenty vztažené ke stejným otáčkám respektive ke stejné úhlové rychlosti musíme u pohonů využívajících převod na jiné otáčky přepočíst momenty setrvačnosti na otáčky motoru.
J1
W2
M
M JM
1
JM 1
W1
1 J 1 12 2
1 J 2 22 2 J2
2
Oba motory se točí stejnou úhlovou rychlostí 1 a energie potřebná k jejich roztočení je tedy také stejná. Energie potřebné k roztočení těles s momenty setrvačnosti J1 a J2 jsou dány vztahy a . Při přepočtu momentu setrvačnosti nahrazujeme těleso s momentem setrvačnosti J2 (při otáčkách 2) myšleným tělesem s momentem setrvačnosti J2,1 k jehož roztočení na úhlovou rychlost 1 je potřeba stejné energie jako k roztočení J2 na úhlovou rychlost 2 (podmínka rovnosti energií): W1, 2
1 1 J 2,1 1 J 2 2 2 2
J 2,1
J 2 2 1
kde i je převodový poměr převodovky ( i
2
1 J 2 , i 2
1 ). 2
Přepočet točivého momentu při různých otáčkách Obdobně jako u přepočtu momentu setrvačnosti platí, že musíme do pohybových stavů dosazovat momenty vztažené k otáčkám motoru. Musíme tedy nahradit točivý moment tělesa M2 (při otáčkách 2) myšleným momentem M2,1 k jehož roztočení na úhlovou rychlost 1 je potřeba stejného výkonu jako k roztočení M2 na úhlovou rychlost 2 (podmínka rovnosti 138
výkonu): P1, 2 M 2,1 1 M 2 2
M 2,1 M 2
2 1 M2 . 1 i
Přepočet hmotnosti přímočaře se pohybujícího se tělesa na moment setrvačnosti Posouvá-li se některá část soustavy přímočaře musíme její pohyb přepočítat na pohyb otáčivý. Při přepočtu hmotnosti na moment setrvačnosti vycházíme z podmínky rovnosti energie. Práce potřebná pro přivedení tělesa o momentu setrvačnosti J z klidu do otáčivého pohybu s úhlovou rychlostí je dána vztahem: W
1 J 2 . 2
Práce potřebná pro přivedení tělesa o hmotnosti m z klidu do přímočarého pohybu s rychlostí v je dána vztahem: W
1 m v 2 . Dáme- li tyto rovnice do rovnosti dostaneme 2
vztah pro přepočtený moment setrvačnosti Jpř:
1 1 J př 2 m v 2 2 2 2
v J př m .
Přepočet síly přímočarého pohybu na točivý moment Pro přepočet síly působící na těleso pohybující se přímočaře na točivý moment vycházíme z podmínky rovnosti výkonů: P = F .v = Mpř .
M př F.
v .
Příklad: Vypočtěte výkon motoru potřebný pro pohon výtahu, je-li dáno: moment setrvačnosti motoru Jm = 1,5 kg.m2 ; úhlová rychlost motoru
d
h
Jm+ Jh
m = 4,14 rad.s-1; moment setrvačnosti hnacího kotouče Jhk = 2 kg.m2; průměr hnacího kotouče dhk = 725 cm; dopravní rychlost kabiny v = 1,5 m.s -1; hmotnost kabiny
mz
1/2 m l
mk = 600 kg; dovolené zatížení výtahu (užitečná hmotnost) mu = 500 kg; celková hmotnost lana ml = 140 kg; hmotnost vyvažovacího závaží mz = 825 kg. Dále vypočtěte celkový
1/2 m l mk + m u
moment setrvačnosti a točivý moment motoru. Celkový moment setrvačnosti je dán součtem momentu setrvačnosti rotujících částí a přepočteného momentu 139
setrvačnosti přímočaře se pohybujících částí: JC = Jrot + Jpř Jrot = Jm + Jh = 1,5 + 2 = 3,5 kg.m2 2
v 1,5 2065 J př m 271,08 kg.m2 4 , 14 m 2
m = mk + mu + mz + ml = 600 + 500 + 825 + 140 = 2065 kg JC = 3,5 + 271,08 = 274,58 kg.m2
M př G
v v 1,5 = 977,45 Nm mg 275 9,81 m m 4,14
m = mk + mu + 1/2ml - 1/2ml - mz = 600 + 500 + 70 -70 - 825 = 275 kg Pz = Mpř . m = 977,45 . 4,14 = 4046, 64 W minimální výkon motoru Pm = 4,1 kW Příklad: Vypočtěte výkon motoru potřebný pro pohon jeřábu, je-li dáno: moment setrvačnosti motoru Jm = 300 kg.m2; úhlová rychlost motoru m = 75 rad.s-1;moment setrvačnosti převodovky Ji = 9 kg.m2 ; převodový poměr i = 20; moment setrvačnosti navíjecího
M m
JM
bubnu Jb = 22,5 t.m2 ; průměr navíjecího
Ji
bubnu db = 3,2 m; dopravní rychlost kabiny
Jb
b
v = 6 m.s-1; hmotnost kabiny mk = 2 t; dovolené zatížení jeřábu (užitečná hmotnost) mu = 2 t; hmotnost rezervy mr = 2,1 t hmotnost jednoho metru lana
mk + mu + mr + ml
m1ml = 3,71 kg; délka lana l = 460 m. Dále vypočtěte celkový moment setrvačnosti
a točivý moment motoru. JC = Jrot + Jpř Jrot = Jm + Ji + J2,1= 300 + 90 + 56,25 = 446,25 kg.m2 2
J 2,1
1 1 J b b J b 22500 56,25 kg.m2 i 20 m 2
2
2
v 6 7806,6 49,96 kg.m2 J př m 75 m 2
m = mk + mu + mr + ml = 2000 + 2000 + 2100 + 1706,6 = 7806,6 kg ml = m1ml . l = 3,71 . 460 = 1706,6 kg 140
JC = 446,25 + 49,96 = 496,21 kg.m2
M př G
v v mg m g rb 7806,6 9,811,6 122532,39 Nm b b
Pz = Mpř . m = 122532,39 . 75 = 9189929,25 W = 9,19 MW minimální výkon motoru Pm = 9,2 MW
5.2. Pohybové stavy Každá elementární změna úhlové rychlosti dω vede k elementární změně kinetické energie soustavy motor - poháněný mechanizmus dWd. Tato změna dle zákona o zachování energie je výsledkem rozdílu elementární energie všech hnacích sil dW a elementární energie všech sil odporu dWpm. dWd = dW – dWpm. Uvažujeme-li tyto změny za čas dt, obdržíme pohybovou rovnici výkonové rovnováhy
dWd dW dWpm neboli Pd = P – Ppm a s uvažováním, že dynamický výkon soustavy P d dt dt dt 1 d J2 dWd 2 J d (tento vztah platí charakterizuje změnu kinetické energie Pd dt dt dt s uvažováním konstantního momentu setrvačnosti soustavy J). Pak z těchto vztahů můžeme odvodit základní pohybovou rovnici pro konstantní moment setrvačnosti : Pd J
d d P Ppm P Ppm J dt dt J
d M M pm dt
5.2.1. Rozběh a zrychlování Hnací moment je větší než moment zátěžný (hnací motor pohne poháněným zařízením z klidu a roztáčí jej). Mh = Mp + Ma, kde Mh je moment hnací, Mp je moment zátěžný a Ma je moment akcelerační
M a J. J.
d Mh Mp dt
5.2.2. Chod ustálenou rychlostí Hnací moment je stejně velký jako zátěžný (celé soustrojí se otáčí jmenovitými otáčkami). Mh = Mp 141
5.2.3. Zpomalování a zastavení Zátěžový moment je větší než moment hnací (zatěžovací zařízení brzdí motor na nižší otáčky až jej úplně zastaví). Rozlišujeme tři druhy zastavení: -
Doběh - přeruší se dodávka energie (Mh = 0), soustrojí se nebrzdí a zastaví se vlivem tření. Celý zátěžný moment se stává momentem zpomalovacím: Maz = Mp.
-
Zvolněné zastavení - dodávka energie se postupně snižuje a zpomalovací moment je dán rozdílem zátěžného a hnacího momentu: Maz = Mp - Mh.
-
Zrychlené zastavení - hnací moment změní svůj smysl a stává se momentem brzdným (Mb). Zpomalovací moment je pak dán součtem tohoto brzdného momentu a momentu zátěžného: Maz = Mp + Mb.
-
5.3. Definice elektrického pohonu Pod pojmem elektrický pohon rozumíme soubor elektromechanických vazeb a vztahů mezi pracovním mechanismem a elektromechanickou soustavou. Jedná-li se o točivý pohon pak na hřídeli motoru se jeho hnací síla projevuje jako tzv. točivý hnací moment a odpor proti otáčení hřídele se projevuje jako tzv. točivý zátěžný moment. =
Mezi základní části elektrického pohonu patří : - elektromotor - přenosový mechanizmus - akční člen (měnič, dnes nejčastěji polovodičový) 142
- řídicí systém - spínací a jisticí přístroje Dá se říci, že v současné době je pro správný návrh elektrického pohonu zapotřebí mít ucelený přehled z oborů elektrické stroje, výkonová elektronika a zejména s nástupem moderních regulovaných pohonů jde i o obory z oblastí řídicí, automatizační a výpočetní techniky.
5.4. Výhody a nevýhody elektrických pohonů Při základním rozhodnutí o použití elektropohonu pro konkrétní aplikaci je třeba vždy zvážit také výhody a nevýhody případného jiného způsobu pohonu. Pro orientaci jsou proto v dalším uvedeny výhody a nevýhody elektropohonu. 5.4.1. Výhody elektropohonu - je proveditelný prakticky pro libovolný výkon (elektrické hodinky - mW, přečerpací elektrárny – 0,1 GW) - je proveditelný pro široký rozsah momentů (hodinky - mNm, válcovací stolice MNm) a otáček (cementové mlýny - 15 ot.min-1, odstředivky - 1000 ot.min-1) - je přizpůsobitelný různým vnějším podmínkám (prostředí s nebezpečím výbuchu, ponornost do různých kapalin, radioaktivní prostředí) - není při své práci zdrojem splodin -
má nízkou úroveň hluku
- je prakticky okamžitě provozuschopný, má jednoduchou obsluhu a údržbu - má snadnou řiditelnost a ovladatelnost; charakteristiky pohonu lze snadno přizpůsobit různým speciálním požadavkům - má nízké ztráty naprázdno, vysokou účinnost a vysokou krátkodobou přetížitelnost - může pracovat ve všech čtyřech kvadrantech n-M diagramu. Velmi výhodné je jeho možné rekuperativní brzdění - má symetrický tvar rotoru elektromotoru a proto není příčinou vzniku pulzačních momentů a tedy i vibrací - má dlouhou životnost (20 a více let) - je jednoduše konstrukčně přizpůsobitelný zátěži (přírubové provedení, uchycení letmo)
143
5.4.2. Nevýhody elektropohonu - je závislý na okamžité dodávce elektrické energie ze sítě. (Zálohování znamená zvýšení nákladů a hmotnosti, např. záskoková baterie je 50x hmotnější, než záskokový dieselgenerátor) - má nízký ukazatel výkon/hmotnost v porovnání s hydraulickými pohony. (Příčinou je omezená možnost využití magnetického obvodu vlivem sycení a omezené elektrické využití vinutí vlivem možného způsobu chlazení.) Díky převaze výhod nad nevýhodami nalézají elektropohony uplatnění v široké oblasti technických výrobků a technologických zařízení. 5.4.3. Srovnání stejnosměrných a střídavých pohonů (výhody a nevýhody) Základní trend vývoje je přechod od stejnosměrných ke střídavým pohonům. Toto je dáno výhodami spojenými s konstrukcí a použitím střídavých motorů. Střídavé motory nemají komutátor, z čehož plyne celá řada výhod oproti motorům stejnosměrným (většina bodů spolu úzce souvisí). Mezi hlavní výhody střídavých pohonů patří: - menší rozměry, tedy menší zastavěný prostor, nižší hmotnost a cena motoru - menší moment setrvačnosti a tudíž lepší dynamika při stejném momentu motoru - v důsledku neexistence vinutí na rotoru (u asynchronních motorů nakrátko, synchronních motorů s permanentními magnety a dalších typů) máme možnost většího tepelného zatěžování - nižší nároky na údržbu stroje - vyšší životnost - vyšší spolehlivost - velká proudová i momentová přetížitelnost - možnost konstruovat motory s velkou obvodovou rychlostí - možnost konstruovat stroje s velkým výkonem (mezní výkon stejnosměrného motoru je omezen na cca 10 MW, u střídavých jsou běžné stroje řádově stovky MW) - možnost použití střídavých motorů v agresivních prostředích a v prostředích s nebezpečím výbuchu Hlavní dosavadní nevýhoda střídavých pohonů – složité a drahé řízení – s rozvojem výkonové elektroniky a zejména s prudkým rozvojem výkonných mikroprocesorových systémů (v současné době zejména s použitím signálových procesorů), který má za důsledek také snižování jejich cen, v současné době prakticky ustupuje do pozadí.
144
5.5. Druhy poháněných (mechanismů) Jak již bylo řečeno elektrický pohon je tvořen na jedné straně elektrickým motorem, na straně druhé pak daným pracovním mechanismem. Každý takovýto pracovní mechanismus je v zásadě charakterizován třemi následujícími veličinami : -
úhlovou rychlostí ωpm (s jedním nebo dvěma směry otáčení)
-
momentem pracovního mechanismu Mpm
-
momentem setrvačností pracovního mechanismu J pm
Všechny tyto veličiny jsou vzhledem k sobě vzájemně vázány a dále ještě závisí na čase, případně jiných veličinách. 5.5.1. Mechanická (zatěžovací) charakteristika pracovních strojů Další charakteristickou veličinou, podle které asi nejčastěji rozdělujeme pracovní mechanismy je jejich mechanická charakteristika. Je to závislost momentu pracovního stroje na otáčkách (úhlové rychlosti) a je dána empirickým vztahem:
M p M kl M pn M kl n
x
,
přičemž mocnitel x nabývá většinou hodnot 0, 1, 2, -1.
pm
Pro x = 0 n
M p M kl M pn M kl n
0
M kl M pn M kl 1 M pn
Mkl
Matematicky tuto rovnici můžeme vyjádřit jako rovnici y = konst.
M pm
což je rovnice přímky rovnoběžné s osou y (ω). Tato charakteristika se nazývá Jeřábová. Pro x = 1
M p M kl M pn M kl n
1
M kl M pn M kl n
M M kl M kl pn n
Matematicky: y = konst.1 + konst.2.x, což je rovnice přímky, která
pm
protíná osu x (M) v konst.1 (Mkl) a svírá s ní úhel jehož tangenta je rovna konst.2 (
M pn M kl n
n
). Tato charakteristika se nazývá
Kalandrová.
Mkl
145
M pm
Pro x = 2
pm
M p M kl M pn M kl n
M M M kl pn 2 kl 2 n 2
n
Matematicky: y = konst.1 + konst.2.x2, což je rovnice paraboly, která protíná osu x (M) v konst.1 (Mkl) a je podél osy x. Tato
Mkl
M pm
charakteristika se nazývá Ventilátorová. Pro x = -1
M p M kl M pn M kl n Matematicky: y = konst.1 +
M M kl n M kl M pn M kl n M kl pn 1
konst.2 , což je rovnice hyperboly, která x
pm
n
protíná osu x (M) v konst.1 (Mkl) a blíží se ose y (ω). Tato charakteristika se nazývá Navíječková.
Mkl M pm
5.6. Statická stabilita pohonů
Chod ustálenou rychlostí nazýváme též stacionárním chodem a platí pro něj rovnost hnacího a zátěžného momentu. Jedná se tedy o průsečík otáčkové charakteristiky hnacího motoru a zatěžovací charakteristiky pracovního stroje. Z průběhu obou charakteristik se pak dá usoudit zda je pohon v tomto bodě stabilní či nikoliv. O staticky stabilním stavu mluvíme tehdy udrží-li si tento stav i při náhlých změnách otáček. V obrázku se obě charakteristiky protínají ve dvou bodech A1 a A2 při otáčkách ω1 resp. ω2. Stacionární bod A1: Soustava se otáčí úhlovou rychlostí ω1, dojde-li k náhlému zvýšení úhlové rychlosti a soustava přejde do oblasti nad ω1 (např. na ω3). V této oblasti převládá zatěžovací moment
3 1 4
pracovního mechanizmu před hnacím momentem
5
motoru a soustava bude brzděna zpět na úhlovou
2
rychlost ω1. Dojde-li k náhlému snížení úhlové
A1
pracovní mechanizmus
6
motor A2
rychlosti pod ω1 (např. na ω4) bude převládat hnací moment motoru nad momentem zatěžovacím a
M soustava se roztočí zpět na úhlovou rychlost ω1. Jelikož se soustava při náhlém zvýšení i při náhlém snížení úhlové rychlosti ustálí zpět ve stacionárním bodu A1 při úhlové rychlosti ω1, 146
říkáme, že stacionární bod A1 je staticky stabilním bodem a soustava pracující v tomto bodě je staticky stabilní. Stacionární bod A2: Soustava se otáčí úhlovou rychlostí ω2, dojde-li k náhlému zvýšení úhlové rychlosti nad ω2 (např. na ω5). V této oblasti převládá hnací moment motoru před zatěžovacím momentem pracovního mechanizmu a soustava bude roztáčena dál až na úhlovou rychlost ω1 a ustálí se ve stacionárním bodě A1. Dojde-li k náhlému snížení úhlové rychlosti pod ω2 (např. na ω6) bude převládat zatěžovací moment pracovního mechanizmu nad hnacím momentem motoru a soustava bude zpomalovat až se zastaví. Jelikož se soustava při náhlém zvýšení i při náhlém snížení úhlové rychlosti neustálí zpět ve stacionárním bodu A2, říkáme, že stacionární bod A2 je staticky nestabilním bodem a soustava pracující v tomto bodě je staticky nestabilní.
5.7. Druhy zatížení Zvláštnost pro návrh pohonu spočívá především v tom, že elektrický motor (zvláště asynchronní) má velkou přetížitelnost a proto se může za určitých podmínek použít motor s menším výkonem než je maximální či dokonce provozní výkon poháněného zařízení. Úkolem projektanta je tedy zvolit pro dané poháněné zařízení vhodný motor, který bude právě plně využit. Pro správnou volbu motoru se podle doby nepřerušené činnosti motoru a podle velikosti dodávaného výkonu rozlišují různé druhy zatížení. Trvalé zatížení Je to provoz při stálém neproměnném nebo stálém proměnném
P Ptrv
zatížení, při kterém motor dosáhne hodnoty ustáleného oteplení (veškeré ztráty v motoru se přeměňují na teplo). t Oteplení motoru je dáno vztahem: u 1 e , kde u
t dov
okolí
je hodnota ustáleného oteplení a τ je oteplovací časová konstanta
5
t
motoru (10 min až 2 hod). Hodnota τ je v grafickém vyjádření dána jako vzdálenost mezi počátkem a průsečíkem tečny nakreslené v počátku oteplovací charakteristiky a dovoleného oteplení. Hodnota 5.τ pak představuje dobu za kterou dosáhne motor ustáleného oteplení (98 %)
147
Krátkodobé zatížení Je to provoz při neproměnném zatížení trvajícím po stanovenou
P Pkr
dobu t1, která je natolik krátká, že motor nedosáhne hodnoty ustáleného oteplení a poté následuje období klidu natolik dlouhé,
t1
t1
t
t1
t1
t
že motor ochladne na teplotu okolí. dov
okolí
Přerušované zatížení Je to provoz složený z jednotlivých opakujících se cyklů, přičemž
P Pkr
každý z cyklů se skládá z období zatížení a z období klidu. Tato období jsou však natolik krátká, že v obdobích zatížení motor
t1
t2
t1
t
t1
t2
t1
t
nedosáhne ustáleného oteplení a v obdobích klidu se motor dov
neochladí na teplotu okolí.
okolí
5.8. Volba velikosti motorů Vlastní volba elektrického motoru pro daný pohon vychází z druhu zatížení a podle způsobu řízení otáček. Motor se navrhuje vždy tak, aby oteplení vzniklé ztrátami motoru nikdy nepřekročilo hodnotu dovoleného oteplení motoru respektive jeho izolace (při překročení dovolené teploty izolace o pět stupňů se sníží její životnost až o padesát procent). 5.8.1. Volba motoru pro trvalé zatížení Je-li motor zatížen trvale neproměnným zatížením, je výpočet velice jednoduchý neboť výkon motoru musí být roven výkonu pracovního stroje. Při trvale proměnném zatížení musíme nejdříve toto zatížení přepočítat na tzv. ekvivalentní trvalé neproměnné zatížení, podmínkou je, aby oteplení od ekvivalentního oteplení bylo stejné jako oteplení od skutečného proměnného zatížení. V každém stroji vznikají ztráty přeměňující se v teplo, tyto ztráty jsou buď nezávislé na zatížení, což jsou ztráty v železe a ztráty třením (značíme je ΔPk) nebo ztráty na zatížení závislé, což jsou ztráty ve vinutí (ΔPj). Ztráty při skutečném trvalém proměnném zatížení:
W t 1 Pk Pj1 t 2 Pk Pj2 t 3 Pk Pj3 ... t n Pk Pjn W t 1 Pk t 1 R I12 t 2 Pk t 2 R I 22 t 3 Pk t 3 R I 32 ... t n Pk t n R I 2n 148
W Pk t 1 t 2 t 3 ... t n R t 1 I12 t 2 I 22 t 3 I 32 ... t n I 2n
W Pk t C R t 1 I12 t 2 I 22 t 3 I 32 ... t n I 2n
P,I
Ztráty při myšleném ekvivalentním neproměnném
Iekv
zatížení: W t C Pk Pjekv W t C Pk t C R I
P1 I1
P2
P3
I2 t1
2 ekv
I3
t2
t3
t
tC
Z podmínky rovnosti energie skutečného a ekvivalentního zatížení vypočteme ekvivalentní proud:
2 W t C Pk t C R I ekv Pk t C R t 1 I12 t 2 I 22 t 3 I 32 ... t n I 2n
2 t C R I ekv R t 1 I12 t 2 I 22 t 3 I 32 ... t n I 2n
2 I ekv
t1 I12 t 2 I 22 t 3 I32 ... t n I 2n tC
I ekv
t 1 I12 t 2 I 22 t 3 I 32 ... t n I 2n tC
Nemá-li být motor přetěžován musí být jeho jmenovitý proud větší nebo minimálně roven vypočtenému ekvivalentnímu proudu. Výkon motoru se pak vypočte jako součin ekvivalentního proudu a napětí: P m = Iekv . U Při návrhu pohonu často vycházíme ze zadaného zatížení vyjádřeného pomocí grafu momentu a proto musíme při výpočtu výkonu motoru vycházet z ekvivalentního momentu. Ten je u stejnosměrných strojů s cizím buzením, derivačních a u asynchronních strojů úměrný proudu a proto se počítá stejným způsobem jako ekvivalentní proud:
M ekv
t 1 M12 t 2 M 22 t 3 M 32 ... t n M 2n tC
Výkon motoru je pak dán součinem ekvivalentního momentu a otáček motoru: Pm = Mekv . ω Pokud se, ale otáčky ss motorů řídí odbuzováním musíme do výpočtu ekvivalentního momentu místo jednotlivých momentů dosadit zvětšený moment: M1/ M1.
. n
U ss motorů sériových je moment úměrný druhé mocnině proudu a proto se velikost ekvivalentního momentu počítá ze vztahu:
149
M ekv
t 1 M1 t 2 M 2 t 3 M 3 ... t n M n . tC
Příklad: Vypočtěte výkon stejnosměrného cize buzeného motoru pro pohon zařízení s trvalým proměnným cyklem dle obrázku, jmenovitá úhlová rychlost motoru je 4,6 rad.s-1. Řízení otáček je prováděno napětím na kotvě.
M 2000 Nm 1100 Nm 200 Nm 18 s
40 s
16 s
t
Vypočteme ekvivalentní moment:
M ekv
t 1 M12 t 2 M 22 t 3 M 32 18 2000 2 40 1100 2 16 200 2 1279 N.m tC 74
Pm = Mekv . ω = 1279 . 4,6 = 5883 W zvolili bychom motor s výkonem 6kW. 5.8.2. Volba motoru pro přerušované zatížení Pro přerušované zatížení je výpočet výkonu úplně stejný jen do celkové doby musíme započíst i období klidu. Příklad: Vypočtěte výkon stejnosměrného derivačního motoru pro pohon zařízení s cyklem dle obrázku, jmenovitá úhlová
M
-1
rychlost motoru je 6 rad.s . Řízení otáček je prováděno
1600 Nm 900 Nm
napětím.
400 Nm
Vypočteme ekvivalentní
15 s
25 s
20 s
25 s
moment:
M ekv
t
t 1 M12 t 2 M 22 t 3 M 32 15 1600 2 25 400 2 20 900 2 830,31 N.m tC 85
Pm = Mekv . ω = 830,31 . 6 = 4981,86 W zvolili bychom motor s výkonem 5kW. 5.8.3. Volba motoru pro krátkodobé zatížení Jak je patrné z obrázku, kdybychom zvolili výkon motoru stejný jako potřebný krátkodobý výkon (Pm = Pkr) ohřál by se motor za dobu provozu t 1 jen o teplotu 1/ , nedosáhl by dovoleného oteplení a byl by nevyužit. Je proto výhodnější zvolit menší motor, který bude po 150
dobu provozu t1 přetěžován a jeho oteplení 1 dosáhne právě hodnotu dovoleného oteplení ( 1 dov ).
P Pkr
Pro výpočet výkonu motoru pro použití ke krátkodobému
t1
zatížení potřebujeme vypočítat jeho teplotní a výkonové
t
přetížení. k
k Teplotní přetížení: p 1
1
1 1 e
dov
t
1
t t 1 ( u 1 e 1 e ). k
Výkonové přetížení: p P
okolí
t1
Pkr . Pn
Jelikož ztráty ve vinutí jsou úměrné druhé mocnině proudu a výkon je úměrný proudu můžeme napsat vztah mezi výkonovým a teplotním přetížením ve tvaru: p P p . Při určování potřebného výkonu motoru tedy postupujeme takto: -
vypočítáme činitel teplotního přetížení: p
1 1 e
t1
-
vypočítáme činitel výkonového přetížení: p P p
-
vypočítáme potřebný výkon: Pm
Pkr pP
Příklad: Vypočítejte jaký jmenovitý výkon musí mít motor, zatížený krátkodobě výkonem 100 kW po dobu 60 minut. Oteplovací časová konstanta motoru je 120 minut.
p
1 1 e
Pm
t 1
1 1 e
60 120
2,5
p P p 2,5 1,58
Pkr 100 10 3 63291,14 W volíme motor o minimálním výkonu 63,3 kW. pP 1,58
151
t
6. ELEKTRICKÁ VÝZBROJ MOTOROVÝCH VOZIDEL Elektrické obvody ve vozidlech se skládají ze zdrojů elektrické energie(alternátorů a akumulátorů), rozvodů elektrické energie (1 nebo 2 vodičové) a spotřebičů elektrické energie (spouštěcí obvody, zapalovací obvody, obvody elektronického vstřikování, obvody brzdových systémů, světelné spotřebiče,motorky stěračů, oken, zrcátek, obvody ventilace, klimatizace a mnoho dalších)
6.1. Zdroje elektrické energie ve vozidle Elektrická energie se ve vozidlech vyrábí při jízdě v alternátorech a zároveň se uchovává pro použití v klidu vozidla v akumulátorech. 6.1.1. Alternátory Jsou to primární zdroje elektrické energie ve vozidlech, Vyráběné napětí je střídavé, ale je hned usměrňováno usměrňovačem, který bývá uložen pod víkem alternátoru. V praxi se používají dva typy alternátorů: - s drápkovým rotorem - s rotorem tvořeným permanentním magnetem Alternátor s drápkovým rotorem je nejpoužívanější, skládá se ze statoru a rotoru,ve statoru je navinuto 3f vinutí, které je připojeno nejčastěji na šestipulzní usměrňovač umístěný ve víku alternátoru. Rotor je tvořen hřídelí na níž jsou póly magnetického obvodu, které přechází do pólových nadstavců ve tvaru drápků, které vždy zasahují do mezery mezi drápky opačného pólu.Vnutí rotoru je stejnosměrné a je z důvodu jednoduchosti, strojního vinutí a nízké ceny navinuto souose s hřídelí a je vyvedeno na kroužky. Budeme-li napájet rotor ss proudem z akumulátoru vytvoří se severní a jižní pól magnetického pole cívky, toto pole je pomocí pólových nadstavců přivedeno do oblasti vinutí statoru a při otáčeni tak vytvoří střídavě severní a jižní pól. Střídáním severního a jižního pólu se ve statoru bude indukovat střídavé 3f napětí (frekvenčně odpovídá otáčkám). Toto napětí je usměrňováno diodovým usměrňovačem. Alternátor s permanentním magnetem je obdobný jen severní a jižní póly magnetu jsou vytvořeny z permanentního magnetu.
152
6.1.2. Akumulátory Jsou to sekundární zdroje elektrické. energie ve vozidlech, je to podstatě zásobník, který energii přiváděnou z alternátoru mnění na energii chemickou. Jeho hlavní činností je dodávat elektrickou energii spouštěcímu obvodu a krýt spotřebu spotřebičů pracujících v klidu spalovacího motoru (alternátor nedodává žádné napětí). Nejpoužívanějším typem je akumulátor olovněný, dále se používají například nikl-cadmiové, nikl-železné, nebo stříbrno-zinkové Olověné akumulátory mají obě elektrody jsou z olova legovaného určitými přísadami a mají tvar mřížek.Na kladné elektrodě je činnou látkou oxid olovičitý PbO2 (červeno hnědé barvy), na záporné elektrodě je to pak houbovité olovo. Desky stejné polarity jsou propojeny můstky a jsou zasunuty proti sobě (záporných desek je o jednu více). Elektrolytem je destilovanou vodou ředěná kyselina sírová (H2SO4). Po naředění kyseliny sírové se tato rozloží na kationty vodíku 2H+ a anionty síranu SO4-. Při nabíjení akumulátoru jde elektrolytem proud od H2SO4 kladné elektrody k záporné a nese sebou kladné kationy vodíku 2H+ a ten se na záporné elektrodě váže se síranem olovnatým a přitom se vylučuje olovo a kyselina sírová se zahušťuje: PbSO4 + 2H Pb + H2SO4 Zároveň anionty síranu SO4- putují ke kladné elektrodě na které se slučuje se síranem olovnatým a tato sloučenina se vlivem přítomné vody rozpadá na červenohnědý oxid olovičitý a opět se zhušťuje kyselina sírová: PbSO4 + SO4 + 2H2O PbO2 + 2H2SO4 Při vybíjení jde proud uvnitř akumulátoru od záporné elektrody ke kladné, kde se shlukují kationty vodíku, které přeměňují oxid olovičitý na oxid olovnatý a vodu: PbO2 + 2H PbO + H2O, přičemž PbO se účinkem kiseliny sírové mění na síran olovnatý a vodu, která ředí kyselinu sírovou: PbO + H2SO4 PbSO4 + H2O Naopak k záporné elektrodě se přesouvají anionty síranů, kde se slučují s olovem na síran olovnatý: Pb + SO4 PbSO4 Napětí odebírané z jednoho článku je 2V a při vybíjení nesmí poklesnout pod 1,75V. Celý akumulátor je složen ze šesti článků a dává tedy 12V (některé motocykly mají 6V, nákladní vozidla 24V nebo 48V). Nikl-kadmiový a Nikl-železný akumulátor Jednou elektrodou je nikl a druhou kadmium nebo železo, elektrolytem je hydroxid draselný KOH. Jejich výhodou je delší životnost, odolnost proti otřesům, zkratům, proti přebíjení i proti úplnému vybití, nevýhodou je pak výrazně vyšší cena a rozdíl napětí nabité a vybité 153
baterie.Napětí jednoho članku je 1,5V. Stříbro-zinkové akumulátory Kladnou elektrodou je stříbro a zápornou zinek, elektrolytem hydroxid draselný KOH- Jejich výhodou je malý objem a hmotnost a nevýhodou vysoká cena, proto se používají především v závodních automobilech.
6.2. Spotřebiče elektrické energie ve vozidle Mezi nejdůležitější a největší spotřebiče elektrické energie ve vozidlech patří spouštěcí obvody a zapalovací obvody. Dále jsou ve vozidle obvody elektronického vstřikování, obvody brzdových systémů,světelné obvody, nevěstní obvody, signalizační obvody, různé motorky pohánějící stěrače, okna, zrcátka, obvody vyhřívání, klimatizace a další 6.2.1. Spouštěče Úkolem spouštěcího zařízení je roztočení, tedy dodání mechanické energie spalovacímu motoru pro překonání odporu proti jeho činnosti. Vznětové motory vyžadují výkonnější spouštěče a otáčky 80 až 200 ot min-1 a zážehové motory 40 až 150 ot min-1. Spouštěcí zařízení se vždy skládá ze stejnosměrného sériového elektrického motoru, který zajištuje potřebnou mechanickou energii a pomocného zařízení, které zajistí krátkodobé spojení hřídele elektrického motoru s hřídeli spalovacího motoru, nejčastěji zasouvacím pastorkem. Spouštěč se zásuvným pastorkem využívá pro rozběh ss sériového motoru a pro zasouvaní a vysouvání pastorku využívá dvouramennou páku poháněnou elektromagnetem a pružinami. Baterie přivádí přes sepnuté tlačítko (klíček) 5 proud do cívky 2, ta přitáhne kotvičku 6, která pomocí dvouramenné páky 1 zasune pastorek 3 do ozubeného kola spalovacího motoru 4. Zároveň se spojí kontakty 8, čímž je přiveden proud do budicího vinutí sériového motoru a přes kartáče a komutátor i do jeho vinutí rotoru. Sériový motor roztáčí spalovací motor po dobu sepnutí tlačítka 5, po jeho rozpojení zpětná pružina 9 vytáhne kotvičku z cívky, tím rozpojí kontakty 8 a zároveň vytáhne pomocí dvouramenné páky 1 pastorek z ozubeného kola spalovacího motoru.
154
6.2.2. Zapalování Zážehové i vznětové motory jsou založeny na spalování paliva v pracovním prostoru motoru. U vznětových motorů se zapalování provádí kompresním teplem. U zážehových motorů se jedná o zapalování vysokonapěťovou jiskrou. Zapalovací obvod vytváří vysokonapěťovou jiskru, která přeskočí mezi elektrodami svíčky ve směsi paliva a vzduchu a dojde ke vznícení této směsi. Podle způsobu získávání vysokého napětí rozlišujeme několik vysokonapěťových zapalování: - bateriové - magnetové - elektronické - piezoelektrické Bateriové zapalování Vysoké napětí pro zapalovací jiskru vzniká postupnou transformací energie z akumulátoru na elektrody zapalovací svíčky. Při sepnutí kontaktů přerušovače P prochází primárním vinutím zapalovací cívky ZC přes spojený kontakt spínače SP (klíč v poloze II) proud, který v ní vytváří stejnosměrné magnetické pole. Při přerušeni styku kontaktů přerušovače dochází k rychlému zániku magnetického pole a tím se indukuje napětí do primárního i sekundárního vinutí cívky. Vysoké napětí naindukované do sekundární cívky je přiváděno do rozdělovače R, který jej postupně přivádí k jednotlivým svíčkám S, mezi jejichž elektrodami vzniká jiskrový výboj zapalující směs paliva ve spalovacím motoru. Magnetové zapalování Princip činnosti je založen na zvláštním točivém stroji zvaném magneto, jehož rotor je permanentní magnet. Otáčí-li se rotor s permanentním magnetem 1 v magnetickém obvodu 2 s cívkou, mění magnetický tok v železném jádru svou hodnotu a při jedné otáčce dvakrát změní svůj směr. Při změně směru má tok nulovou hodnotu (přeruší se) a začne procházet přes rotor opačným směrem. Ze zákona indukce 155
vyplývá, že každá změna magnetického toku indukuje ve vstupní cívce 3 napětí. Uzavřeným vstupním obvodem prochází proud, který vytvoří magnetické pole okolo cívky. Toto pole se snaží působit proti změně magnetického toku. Krátce před samočinným přerušením magnetického toku, v okamžiku největšího proudu, přerušovač 4 přeruší vstupní obvod. Magnetický tok se přeruší a dojde ke změně jeho směru. Tím se ve výstupní cívce 5 (navinuté okolo vstupní) indukuje vysokonapěťový impuls (15 až 20 kV), který se přes rozdělovač přivádí k jednotlivým svíčkám. Elektronické zapalování Nevýhodu obou předchozích zapojení je velké elektrické namáhání kontaktů přerušovače a tím i jejich opotřebení, rozladěni předstihu a zmenšení výkonu jiskry, proto se používá elektronické zapalování, které buď odlehčuje přerušování obvodu přerušovačem nebo využívá bezkontaktní spínání. Jeden ze způsobů zapalování s elektronickým odlehčením kontaktů je na schématu. Při sepnutých kontaktech přerušovače, jsou oba tranzistory ve vodivém stavu, rozpojením přerušovače se oba tranzistory vypnou a bezkontaktně přeruší proud do zapalovací cívky, tím se naindukuje velké napětí v sekundární části cívky a to je pak přiváděné přes rozdělovač ke svíčkám. Před primární vinutí se pro omezení proudu do cívky zapojuje předřadný odpor Rp, který je však při startování musí zkratovat. Výhodou je menší cívka s menším počtem závitů. Bezkontaktní spínače využívají impulzy vhodného tvaru,vyráběné v závislosti na snímaných otáčkách, ke snímáni otáček používáme například Halovou sondu nebo fotoelektrické snímače. Snímač vytváří impulzy odpovídající otáčkám spalovacího motoru krát počet svíček, tyto impulzy jsou pak zesilovány a přiváděny na tranzistorové bezkontaktní spínání, které přerušuje proud do primární cívky a tím vytváří v sekundární cívce vysoké napětí pro svíčky. Piezoelektrické zapalování Piezoelektrické zapalování využívá piezoelektrický jev. Působíme-li na piezoelektrický krystal (zirkonát olova, titanát olova) tlakem nebo tahem ve směru piezoelektrického účinku, nastává polarizace a na obou protilehlých polohách krystalu se objeví náboj (podobný stav jako u nabitého kondenzátoru). Velikost napětí je úměrná mechanickému namáhání a činné 156
délce krystalu. Tento způsob zapalování je v podstatě kondenzátorové zapalování. Na rozdíl od předchozích indukčních zapalování, u kterých se energie shromažďuje v cívce a do vn obvodu se přenáší při rozpojení vstupního obvodu, se u kondenzátorového zapalování shromažďuje energie v kondenzátoru (tj. piezoelektrickém krystalu), ze kterého se odvede rovnou do vn obvodu. Nevýhodou je nepřesné dodržení okamžiku zážehu. Části zapalovacího obvodu Mezi nejdůležitější části zapalovacích obvodů patří zapalovací svíčka, zapalovací cívka, přerušovač a rozdělovač Zapalovací svíčka Přeskočením jiskry mezí elektrodami zapalovací svíčky se zapálí zápalná směs. Vysokonapěťová zapalovací svíčka musí splňovat stále náročnější požadavky, neboť se zvyšují nároky na dobu života při menší údržbě. Materiál svíčky musí snášet vysoké teplotní spády, odolávat chemicky velmi agresivnímu prostředí a izolátor svíčky musí bez poškození a bez velkých energetických ztrát snášet napěťové rázy až 25kV. Zapalovací svíčka se skládá ze střed ní elektrody 10, keramického izolačního tělesa 3 a z kovového pouzdra 6 nesoucího elektrodu 11 a šroubení 12. Do koncovky 1 ústí kabel vysokého napětí, který je přiveden z rozdělovače. Zápalná směs se zapálí, přeskočí-li jiskra mezi elektrodami 10 a 11. Novější materiály ze slitin železa a chrómu vyžadují sice vyšší přeskokové napětí, ale jsou odolnější vůči korozi. Pro velmi namáhavý provoz se na konce elektrod navařují slitiny wolframu, platiny nebo iridia. Střední elektroda bývá někdy i stříbrná a nejčastěji v izolátoru uchycena polovodivým křemíkovým zátavem 7. Zapalovací cívka Zapalovací cívka musí být schopna akumulovat energii do vlastního magnetického pole pomocí obvodu s nízkým napětím a předat ji s co nejmenšími ztrátami do obvodu s vysokým napětím. Dvě vinutí s různým počtem závitů a těsnou vazbou působí jako transformátor. Na obrázku je konstrukce a zapojení klasické zapalovací cívky používané u automobilových motorů. Železné jádro 5 je kvůli omezení ztrát vířivými proudy složeno z plechů navzájem od sebe
157
izolovaných a je odizolováno izolačními podložkami 8 a víčkem 3 od kovového pouzdra 7. Jádro je vodivě spojeno s jedním koncem sekundárního vinutí S s velkým počtem závitů. Silná pružina 4 vodivě spojuje jádro s kontaktem vývodu vysokého napětí 2. Ke svorce 15 se připojuje přes spínací skříňku kladný pól akumulátoru. Přerušovač Spínáním a rozpínáním kontaktů určuje přerušovač dobu, kterou je primární obvod spojen. Přerušovač se skládá z pevného nastavitelného kontaktu a z pohyblivého kontaktu ovládaného vačkou, jejíž tvar určuje počet jisker v jedné otáčce a podmínky pohybu přerušovače. Pohyblivé rameno 6 s kontaktem 3 je nasazeno na čepu 7. Na ramínku je fíbrová narážka 5, která sleduje váčku 10. Kontakt 4 je pevný avšak pomocí výstředního čepu 1 a upevňovacího šroubu 2 lze nastavit zdvih kontaktů. Když zub vačky nadzvedne narážku, ramínko se pootočí okolo čepu a rozpojí se kontakty 3 a 4.Pružina 8 přitlačuje kontakt 4 ke kontaktu 5 a zajišťuje i přívod proudu. Zdvih kontaktů bývá 0,3 až 0,5 mm. Rozdělovač V soupravách, u nichž zapalovací cívka pracuje pro několik válců, slouží rozdělovač k přepínání zdroje vysokého napětí ke svíčce, která má právě zapalovat. Rozdělovač se skládá z hlavice rozdělovače 1, ve kterém jsou zalisovány vložky 2 pro přívody k jednotlivým svíčkám. Z rozdělovacího rotoru 4, který nese rozdělovací rameno 5, a ze sběracího kartáče 6, jímž se přivádí vysoké napětí z přívodu 3 od zapalovací cívky na rozdělovací rameno.
158
POUŽITÁ LITERATURA [1] Z. Hradílek: Elektroenergetika, VŠB-TU Ostrava 1992 [2] P. Santárius: Elektrické stanice a vedení, VŠB Ostrava [3] J. Gurecký: Elektroenergetika - návody do cvičení, VŠB Ostrava [4] Učební texty, VŠB Ostrava 1982 [5] Obnovitelné zdroje Země, Propagační materiál ČEZ, a. s. [6] Encyklopedie energie, Propagační materiál ČEZ, a. s. [7] T. Čermák: Elektrické pohony, VŠB Ostrava 1982 [8] Využití elektrické energie
159
