Vliv fotovoltaických elektráren na provoz distribuční soustavy

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 3

Vliv fotovoltaických elektráren na provoz distribuční soustavy The influence of solar power plant on operate the distribution system René Vápeník [email protected] ČEZ Distribuční služby, s.r.o.

Abstrakt: V nedávné době zažila Česká republika obrovský boom výstavby a připojování nových alternativních zdrojů elektrické energie, využívajících tzv. obnovitelné zdroje energie. K největšímu nárůstu instalovaného výkonu došlo u fotovoltaických elektráren, kdy řada finančních investorů využila více než štědré podpory ve formě nadstandardně stanovené a po 20 let garantované výkupní ceny elektrické energie. Na tuto situaci ale nebyla a doposud není stávající distribuční síť připravena. Distribuční síť byla budována pro jednosměrný tok elektrické energie a pouze ve velmi omezené míře přejímala výrobu z malých vodních elektráren, popř. jiných malých zdrojů. O tom co přineslo ve své podstatě neřízené připojování dalších zdrojů pojednává tento článek.

Abstract: A huge boom construction of solar power plant is fraught with problems in the distribution system operation. The distribution system is not to ready for two-way flow of electricity.

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

Vliv fotovoltaických elektráren na provoz distribuční soustavy Ing. René Vápeník ČEZ Distribuční služby, s.r.o. Email: [email protected]

V nedávné době zažila Česká republika obrovský boom výstavby a připojování nových alternativních zdrojů elektrické energie, využívajících tzv. obnovitelné zdroje energie. K největšímu nárůstu instalovaného výkonu došlo u fotovoltaických elektráren, kdy řada finančních investorů využila více než štědré podpory ve formě nadstandardně stanovené a po 20 let garantované výkupní ceny elektrické energie. Na tuto situaci ale nebyla a doposud není stávající distribuční síť připravena. Distribuční síť byla budována pro jednosměrný tok elektrické energie a pouze ve velmi omezené míře přejímala výrobu z malých vodních elektráren, popř. jiných malých zdrojů. O tom co přineslo ve své podstatě neřízené připojování dalších zdrojů pojednává tento článek.

1

Energetický regulační úřad vydal licenci. Hodnota instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren připojených do přenosové soustavy a distribučních soustav byla však ke konci měsíce února 2011 nižší a podle zatím předběžných informací se pohybovala těsně pod hranicí 1900 MW. Graf znázorňuje celkový počet aktivních licencovaných provozoven využívajících k výrobě elektřiny energii slunečního záření, a také jejich celkový instalovaný výkon [1]. Tabulka 1: Výkupní ceny a zelené bonusy pro výrobu elektřiny využitím slunečního záření [2]

Úvod

Před několika měsíci došlo k obrovskému boomu v připojování tzv. obnovitelných zdrojů reprezentovaných zejména fotovoltaickými elektrárnami. Tento boom byl zastaven na popud společnosti ČEPS a.s., která je provozovatelem přenosové soustavy České republiky. Jednotlivé distribuční společnosti následně pozastavily vydávání kladných stanovisek pro připojení nových větrných a fotovoltaických elektráren. Tato opatření následovaly urychlené změny příslušných zákonů, cenových předpisů a dalších legislativní opatření vlády a Parlamentu ČR a dalších orgánů státní správy. Obrovský rozmach v budování a připojování obnovitelných zdrojů byl zastaven možná 5 minut po dvanácté a přinesl a v budoucnu ještě přinese řadu problémů, které bude třeba řešit.

Obrázek 1: Vývoj instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren [1] Výše uvedený graf zobrazuje hodnotu instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren ke konci března 2011, na něž

Na jedné straně stojí chvályhodná snaha podporou tzv. obnovitelných zdrojů využívajících čisté energie snížit emise skleníkových plynů. Realizace toho cíle ale mnohdy zcela postrádá logiku a pomíjí základní technické aspekty. Díky nesmyslně nastavené výši garantované výkupní ceny z fotovoltaických elektráren se naše země uprostřed Evropy stala světovou velmocí ve výrobě elektrické energie ze slunečního záření. Zde je třeba zdůraznit, že ona podpora výkupních cen, resp. dotace, jak se mnohdy nesprávně uvádí, tvoří jednu z položek ve vyúčtování spotřebované elektřiny a že tuto výkupní cenu nedotuje stát ze státního rozpočtu, ale platí ji zákazníci odebírající elektrickou energii na území České republiky. Takto zvýšená cena elektrické energie zvyšuje náklady našich výrobních podniků a zhoršuje jejich pozici v mezinárodním konkurenčním prostředí. Navíc zisky plynoucí majitelům FVE nezůstanou zde v České republice, ale v řadě případů odtečou do zahraničí k zahraničním vlastníkům. Zvýšené vstupní náklady firem mohou být podnětem pro přestěhování výroby do zemí s menšími výrobními náklady s nepříjemnými dopady na místní ekonomiku. V současném globalizovaném světě je jedinou cestou pro zajištění konku-

26 – 1

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

renceschopnosti a pro realizaci zisku (neboť právě o ten v podnikání vždy jde) cesta snižování nákladů. Cenu totiž určuje poptávka, tzn. zákazník. V současném světě nelze zisk realizovat zvýšením ceny výrobků, ale zejména hledání úspor a snižováním nákladů. Na následujícím obrázku č. 2 je mapa intenzity slunečního záření. I naprostému laiku musí být z této mapy patrné, že území Střední, Východní a Severní Evropy patří mezi nejméně vhodná místa pro umístění výroben využívající sluneční záření.

přebírala výrobu z malých zdrojů, z malých vodních elektráren, popř. kogeneračních jednotek. Ale i kogenerační jednotky byly v minulosti budovány tak, aby jejich instalovaný výkon nepřekročil odebíraný výkon daného objektu, tzn., aby nedocházelo ke zpětné dodávce elektrické energie do distribuční sítě.

Obrázek 2: Mapa intenzity slunečního záření – Evropa [3] Ve slunné Itálii, která je současně jedním z největších dovozců elektrické energie by tytéž panely díky větší intenzitě slunečního záření dokázaly vyrobit mnohem více čisté energie. Tuto energii by bylo možné spotřebovávat např. k pohonu klimatizačních jednotek. K největší výrobě z FVE dochází právě v době největšího slunečního svitu, kdy je současně největší poptávka po chlazení. V našich zeměpisných šířkách ale tuto možnost nemáme.

2 Distribuční síť Účelem distribuční sítě bylo zajištění dodávky elektrické energie jednotlivým odběratelům. Byla budována k zajištění jednostranného toku elektrické energie z předávacích míst přenosové soustavy k jednotlivým odběratelům. Tomu odpovídala jak výzbroj jednotlivých kobek v rozvodnách, tak i systém chránění. Právě díky obrovskému boomu připojování tzv. obnovitelných zdrojů, které díky svému menšímu výkonu jsou připojovány do distribuční sítě (na rozdíl od velkých zdrojů připojovaných do přenosové soustavy) přichází distribuční síť o svoji roli „distribuční“ sítě a místy se z ní stává malá přenosová soustava, kde elektrická energie teče nejen k odběrateli, ale i od odběratele zpět do soustavy a tyto toky energie se v čase mění. Tento zcela nový stav vyvolává nové problémy, které je třeba při provozu distribuční sítě řešit. Vzniká zde prostor pro nové nápady a nová řešení. Jak již bylo zmíněno, distribuční soustava byla budována pro jednosměrný tok elektrické energie ze strany vyššího napětí do sítě s nižším napětím a k toku elektrické energie k jednotlivým zákazníkům. Jen ve výjimečných případech

Obrázek 3: Snímek obrazovky dispečerského řídicího systému Na předcházejícím obrázku č. 3 je snímek z dispečerského řídicího systému. Ukazuje stav v neděli 8. 5. 2011 v 14:00 na jedné z distribučních rozvoden 110/22 kV. Díky výrobě elektřiny ve FVE klesl odběr ze strany 110 kV na pouhých 0,5 MW. Zatímco ale u vedení velmi vysokého napětí jsme schopni určit směry toky energie, u vedení vysokého napětí díky neplnohodnotnému vybavení jednotlivých kobek (chybí měřící transformátory napětí) nejsme schopni určit směr toku proudů. Toto je jen jeden z mnoha příkladů nepřipravenosti distribuční soustavy na její novou úlohu. Při podrobnější pohledu zjistíme, že do rozvodny 22 kV je dodáván výkon 0,5 MW z transformátoru T102 a 2 MW z vedení FVE TUCH., ale součet „odběrů“ zbývajících vedení v celkové výši 466 A (cca 18 MW) nekoresponduje s dodávaným výkonem (2,5 MW, tzn. cca 80A). Z některých vedení 22 kV je dodávána energie do rozvodny, ale vůbec netušíme z kterého. Právě díky absenci měřících transformátorů napětí po vypnutí vedení vypínačem nemá dispečer přehled o tom, zdali na vedení zůstalo nebo nezůstalo zpětné napětí. A toto je jen jeden z mnoha problémů, které připojování nových výrobních zdrojů přináší. 2.1 Problematika distribuční sítě velmi vysokého napětí V ČR je distribuční síť velmi vysokého napětí provozována na hladině 110 kV. Napěťová hladina netvoří vzájemně propojený celek. Skládá se z lokálních, vzájemně propojitelných, ale

26 – 2

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

nepropojených soustav napájených vždy z příslušné uzlové transformovny 400/110 kV resp. 220/110 kV. Do soustavy 110 kV jsou současně vyvedeny výrobní zdroje o výkonech desítek až stovek MW. Síť je provozována jako mřížová, resp. okružní. Tomu odpovídá i systém chránění. Jednotlivá vedení jsou chráněny distančními ochranami, vedení vyvádějící výkon z elektráren navíc ochranami srovnávacími. Na jednotlivých vedeních jsou měřeny základní parametry: sdružené napětí (U), elektrický proud (I), činný výkon (P) a jalový výkon (Q). Díky současnému měření napětí a proudu jsme schopni určit směr toku nejen elektrického proudu, ale i činného a jalového výkonu. Základní podmínkou pro připojení nového zdroje do sítě vvn je zachovat jeho okružní charakter. Nový zdroj tedy je možné připojit pouze dvěma způsoby. Buď přímým vedením do nejbližší rozvodny 110 kV anebo přerušením a zasmyčkováním stávajícího vedení 110 kV do nové rozvodny 110 kV a vyvedením výkonu elektrárny do této rozvodny (buď přímým vedením nebo prostřednictvím blokového transformátoru vn/vvn). Třetí způsob, který je typický pro sítě nízkého a vysokého napětí, tzn. připojením T odbočkou ze stávajícího vedení 110 kV nelze použít, neboť by došlo k nepříznivému ovlivnění spolehlivosti stávajícího systému chránění a k narušení jeho činnosti. Přesto připojování nových zdrojů nemusí být bez problému. Připojením každého nového zdroje dochází k nárůstu zkratového výkonu v daném místě. Zatímco v síti nízkého napětí je pro dimenzování elektrického zařízení rozhodující především jeho proudová zatížitelnost provozním proudem, pro dimenzování zařízení vysokého, velmi vysokého a zvlášť vysokého napětí je rozhodující jeho dimenzování zejména z pohledu jeho zkratové odolnosti před dynamickými a tepelnými účinky elektrického proudu. Jeho dimenzování z hlediska proudové zatížitelnosti u těchto zařízení ustupuje do pozadí. U připojování nových zdrojů se musí brát do úvahy nejen přenosová schopnost vedení, ale zejména nárůst zkratového výkonu v dané oblasti. Je tedy nutné při posuzovaní možnosti připojení nového zdroje vzít do úvahy zkratovou odolnost stávajícího zařízení a posoudit, zdali nedojde k překročení jeho projektových parametrů. Teoreticky může připojení nového zdroje i o relativně malém výkonu vyvolat potřebu zásadních úprav stávajících zařízení.

Obecně ale na hladině velmi vysokého napětí nelze očekávat nějaké zásadní problémy. Výroba elektřiny v alternativních zdrojích, které jsou připojeny zejména na hladině nízkého a vysokého napětí odlehčí zatížení jednotlivých vedení vvn a případné přetoky elektrické energie z hladiny vn do hladiny vvn a odtud do přenosové soustavy na samotné hladině vvn problémy nezpůsobí. Tím ale nelze říci, že problémy nezpůsobí. Způsobí je v rámci provozu přenosové soustavy, resp. elektrizační soustavy jako celku a tyto problémy se mohou přenést i do zahraničí a nepříznivě ovlivnit provoz elektrizačních soustav okolních zemí. 2.2

Problematika distribuční sítě vysokého napětí

V ČR je distribuční síť velmi vysokého napětí provozována na hladině 22, resp. 35 kV. V malé míře jsou provozovány malé oblasti s napětím 6 nebo 10 kV. I zde napěťová hladina netvoří vzájemně propojený celek. Skládá se z lokálních, vzájemně propojitelných, ale nepropojených soustav napájených z transformoven 110/22 kV resp. 110/35 kV. Do soustavy jsou současně vyvedeny výrobní zdroje o výkonech stovek kW až jednotek MW. Na rozdíl od sítě 110 kV je tato síť provozována jako paprsková. Tomu odpovídá i systém chránění. Jednotlivá vedení jsou ve většině případů chráněna nadproudovými, časově nezávislými nesměrovými ochranami. Na této napěťové hladině se dají očekávat největší problémy spjaté s provozem výroben elektřiny, neboť právě tato napěťová hladina byla vždy provozována a navrhována pro jednosměrný tok elektrické energie z transformovny k jednotlivým odběratelům. Právě zde se nabízí velký prostor k inovacím a změnám v zažitém způsobu provozu 2.2.1 Provoz sítě Distribuční síť vn byla vždy budována jako paprsková a je tak i provozována. Díky své hustotě a konfiguraci by však bylo možné některé její části provozovat jako okružní. Okružní systém přináší celou řadu výhod a tímto způsobem je provozována jak distribuční soustava 110 kV, tak i přenosová soustava. Tabulka 2: Provoz sítě Parametr Ztráty Velikost zkratového proudu v místě poruchy Zátěž vedení průchodem zkratového proudu Nároky na systémy chránění Četnost poklesů napětí v síti Hloubka poklesu napětí v síti

Obrázek 4: Pole vývodu vedení vvn rozvodny 110 kV

Paprsková velké menší

Okružní minimální vždy větší

velká

menší

nízké menší Větší

vysoké větší menší

Ztráty při provozu dvou vedení tzv. do kruhu, což je zjednodušený případ mřížové soustavy jsou vždy minimální. Proud se rovnoměrně rozdělí do dvou větví a minimalizují se tak technické ztráty a to poměrně výrazně. Rovněž tak se zkratový proud rozdělí do dvou větví a jednotlivá vedení jsou tedy

26 – 3

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

zatěžována menším zkratovým výkonem, který ale v místě samotné poruchy může být díky menší impedanci mezi místem poruchy a zdrojem větší. Rozdělení zkratového proudu do několika větví, jimiž teče jen část zkratového proudu, vyvolává menší hloubku poklesu napětí. Průchodem zkratového proudu je ale ovlivněno více větví a tím vzrůstá četnost poklesů. Obecně se ale takto provozovaná soustava stává „tvrdší“ a odolnější vůči krátkodobým změnám. Tím ale končí výhody. Skutečnost, že se nám zkratový proud rozděluje do dvou (a více) větví klade vysoké nároky na zajištění selektivity jištění. Shrneme-li to, provoz okružní sítě sebou přináší výhody a jediným problémem pro jeho aplikaci jsou vyšší nároky na chránění, které ale není třeba vymýšlet. Jde jen o to aplikovat principy používané u vedení vvn a zvn i na vedení vysokého napětí. I ve stávající distribuční soustavě vn lze nalézt oblasti, kde lze aplikovat okružní systém provozu bez úprav, resp. s minimálními úpravami. Často se pro napájení městských aglomerací, resp. velkých průmyslových závodů využívá spínacích stanic. Právě zde je možné s minimálními úpravami realizovat změnu provozu. Poněkud jiná situace je ale v případě venkovních vedení. I zde by bylo možné změnit způsob provozu. Je ale k tomu zapotřebí do této sítě vřadit dálkově ovládané úsekové vypínače podporovanými automatizovaným systémem dispečerského řízení a systémem chránění. Musí se jednat o úsekové vypínače, ne v současnosti používané úsekové odpínače. Úsekové odpínače nejsou schopny vypnout zkratový proud. Umí vypnout jmenovitý proud, umí zapnout úsek vedení do zkratu. Zde je ale třeba dokázat v okružní síti identifikovat postižený úsek a pomocí úsekového vypínače jej vypnout, bez toho, že bychom vypínali celá vedení až v rozvodně vn, popř. využívali pro odpojení úseku vedení beznapěťové pauzy cyklu OZ. To je ale budoucnost. Závažným problémem, ke kterému již došlo je obrácený tok elektrické energie z vedení vysokého napětí do rozvoden vn. Prakticky všechny rozvodny vysokého napětí byly budovány úsporně a jednotlivé kobky jsou vybaveny jen tím nejnutnějším. Z elektrických parametrů je měřen jen proud, efektivní hodnota jeho modulu. Toto ale neumožňuje určit směr jeho toku. Ve velice krátkém čase je třeba doplnit jednotlivé kobky rozvoden vn o plnohodnotné měření (U,I,P,Q). V klasických, kobkových rozvodnách, s nemodernizovaným řídicím systémem to ale může znamenat dost razantní zásah do stávajícího technologického vybavení. Ten bude nejen finančně nákladný, ale i časově náročný a je pak otázkou, zdali nezvolit celkovou rekonstrukci. Relativně rychlým a jednoduchým řešením může být využití univerzálního monitoru MEg40, který je možné namontovat do příslušné ovládací skříně kobky vn (rozměrově jde namontovat do otvoru původně určeného a využívaného pro ampérmetr). On line měřené a průběžně zpracovávané hodnoty lze pomocí datové komunikace poskytovat přímo do dispečerského řídicího systému SCADA. A to bez nutnosti další složité kabeláže, instalace převodníků, jak je obvyklé u klasického řešení. Samozřejmě nutností je dozbrojení kobky o měřící transformátory napětí, ale to rovněž nepředstavuje nikterak zásadní zásah do technologického vybavení, byť i zde se nabízí možnost dočasného řešení „vypůjčením“ si napětí ze sekundárních vinutí MTN umístěných v kobce měření napětí na přípojnicích. Zajištění měření je jen jedním z nutných kroků,

následovat musí i výměna ochran za směrové ochrany a zde jsou rovněž potřeba MTN.

Obrázek 5: Univerzální monitoru MEg40[4] Univerzální měřicí přístroj MEg40 neslouží pouze k měření napětí, proudů, výkonů a vyhodnocování energií. Zaznamenává do nedestruktivní paměti časové průběhy měřených veličin, průměrné hodnoty, maxima i minima. Může vyhodnocovat 1/4hodinová maxima fázových proudů, zaznamenávat denní diagramy ve zvolené dny, registrovat události na napětí (poklesy, zvýšení a přerušení). Univerzální monitor MEg40 je rovněž čtyřkvadrantový elektroměr třídy B se šesticí registrů v každé fázi. Měřené údaje lze využít nejen pro potřeby dispečerského řízení, ale i pro vyhodnocení energetické bilance, zatížení a využití vedení. Některé údaje lze využít pro hodnocení kvality dodávané elektrické energie. 2.2.2 Vliv na stávající ochrany V současné době jsou jednotlivá vedení chráněny před přetížením a před zkratem ve většině případů časově nezávislými nesměrovými nadproudovými ochranami.

26 – 4

Obrázek 6: Soubor ochran vývody vedení vysokého napětí v rozvodně 22 kV

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

V dané rozvodně mají zkratové ochrany nastaven jednotný vypínací čas. Ten čas je krátký, pohybuje se v řádu stovek ms, typicky se pohybuje v rozmezí 200 až 500 ms. Nyní to ale znamená, že při zkratu na jednom z vedení nezačne působit jen zkratová ochrana daného vedení, ale mohou začít působit i zkratové ochrany na vývodech, do kterých pracují další výrobní zdroje a které dodají svůj příspěvek k celkovému zkratovému proudu. Vedení se zkratem bude zatíženo nejen zkratovým výkonem dodávaným z příslušného napájecího transformátoru vvn/vn, ale i zkratovým výkonem ze všech výrobních zdrojů pracujících do dané soustavy. Působit nebude jen příslušná ochrana vedení se zkratem, ale i ochrany na vedeních, přes které poteče další zkratový proud z výroben. Zde poteče zkratový proud z vedení do rozvodny. Vzhledem k neselektivnímu nastavení ochran může dojít k výpadku více vedení vn, nejen vedení, na kterém došlo ke zkratu. Dá se tak očekávat zvýšené množství krátkodobých přerušení dodávek elektrického proudu. Pomalu tedy přichází konec nadproudovým, nesměrovým ochranám. Jednotlivé vedení, u kterého lze předpokládat změnu toku elektrické energie do rozvodny je třeba osadit časově nezávislými, směrovými nadproudovými ochranami a to bez ohledu na skutečnost, zdali z připojených výroben dochází či nedochází ke zpětnému toku výkonu do rozvodny. Při zkratu totiž k tomu zpětnému toku výkonu dojde vždy. A to vyvolává potřebu dozbrojení jednotlivých kobek měřícími transformáty napětí. Současně bude třeba pečlivého a přesného nastavení jednotlivých systémů ochran dané rozvodny, aby byla zajištěna potřebná selektivita a spolehlivost.

Tento ionizovaný vzduch je vodivý. Je třeba určité doby k jeho rozptýlení a k obnovení izolační pevnosti běžné, okolní atmosféry. Pokud by k odpojení výrobny nedošlo vůbec, nemůže elektrický oblouk uhasnout a další automatické zapnutí bude neúspěšné. Lze tedy očekávat, že klesne úspěšnost působení automatik opětného zapínání. Řešením může být prodloužení doby beznapěťové pauzy cyklu OZ, anebo, což lze považovat za vhodnější řešení, další automatický cyklus následovaný např. 15 až 20 s po prvním. Ze setrvačnosti se někde dodržuje časová prodleva 3 minut před dalším zapnutím vedení po výpadku, resp. po neúspěšném cyklu OZ. Jde o jedno z nepsaných (možná i psaných) pravidel, které se „dědí“. Jen málokdo ale ví, proč toto pravidlo vlastně vzniklo. Tato časová prodleva představuje časový úsek, za který se výrazně sníží teplota vodičů vedení, které byly ohřáté předchozím průtokem zkratového proudu. Vypínací časy současných, elektronických zkratových ochran jsou ale výrazně kratší než vypínací časy v minulosti používaných elektromechanických ochran, obsahujících elektro-mechanická časová relé. Rovněž jejich spolehlivost je na zcela jiné úrovni. Sice díky instalaci stále větších zdrojů, transformátorů o stále větších a větších výkonech dochází současně k nárůstu zkratových výkonu, ale rychlost působení ochran včetně rychlosti vypínačů jsou zcela jinde než v minulosti. Tudíž další zapnutí do zkratu v krátkém sledu nepředstavuje výrazné riziko poškození vodičů nadproudem.

2.2.3 Vliv na úspěšnost působení automatik opětného zapínání Automatiky opětného zapínání jsou po léta prověřený způsob eliminace následků způsobených krátkodobými poruchami. Velká většina poruch je přechodného charakteru. Nedochází při nich k trvalému poškození izolace. Po vypnutí vedení působením nadproudové ochrany dojde ke zhasnutí oblouku a opětovné zapnutí tohoto vedení je úspěšné. Pro minimalizaci doby bezproudí mezí výpadkem a opětovném zapnutím se používají tzv. automatiky OZ. Ty mají za úkol po krátké, beznapěťové pouze, která je nutná pro zhasnutí oblouku v místě poruchy, vedení samočinně zapnout. Doba beznapěťové pauzy u vedení vysokého napětí bývá obvykle 1s. Doba jedné sekundy je léty prověřená. I když někdy se stane, že tak krátká doba nestačí a je třeba dalšího pokusu k úspěšnému obnovení dodávky. Nyní ale při zkratu na vedení dojde k vypnutí vedení působením příslušné nadproudové ochrany. Do vedení však budou současně dodávat zkratový proud také připojené výrobní zdroje, k jejichž odpojení rovněž musí dojít. Otázkou je působením jakých ochran a v jakém čase dojde k jejich odpojení od sítě. Tyto ochrany budou reagovat vždy s určitým zpožděním a tím zkrátí současnou beznapěťovou pauzu. I po vypnutí vedení budou po sice krátkou dobu, ale budou dodávat energii potřebnou pro udržení hořícího oblouku. Teprve po odpojení výroben dojde ke zhasnutí oblouku a může dojít k deionizaci blízkého okolí. Při hoření elektrického oblouku se vytváří nízkoteplotní plazma, dochází k ionizaci okolního vzduchu.

Obrázek 7: Úspěšnost působení automatik OZ na vedení vn [5] Cyklus rychlého a pomalého OZ by mohl být řešením tohoto problému. Jak ukazuje obrázek č. 6, i v současné době mají automatiky OZ ještě rezervy a u plných 7 % poruchy by

26 – 5

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

zapnutí dalším cyklem OZ bylo úspěšné. Při doplnění stávající cyklu rychlého OZ (1 s) o pomalý cyklus OZ (15-20 s) se výrazně zkrátí doba přerušení dodávek elektřiny z několika minut na 15 – 20 s. K obnovení dodávky dojde automaticky bez nutnosti zásahu příslušného dispečerského pracoviště. Samozřejmě platí to za předpokladu dočasné poruchy.

provést ve velice krátkém čase vymezení malého úseku poruchou postiženého vedení.

2.2.4 Zemní spojení Zemní spojení je spojení jedné fáze se zemí v síti s izolovaným, nebo nepřímo uzemněným uzlem vn transformátoru vvn/vn přes kompenzační tlumivku. Fázová napětí v nepostižených fázích se nám zvednou na úroveň sdruženého napětí, napětí v postižené fázi klesne na napětí blízké nule. Místem poruchy protéká proud daný zejména kapacitním proudem sítě, který je kompenzován induktivním proudem kompenzační tlumivky. Za ideálního stavu, tedy za přesného vyladění kompenzační tlumivky protéká místem poruchy činný proud daný velikostí svodových proudů po izolátorech v řádu několika málo ampér. Vzhledem k tomu, že veškeré transformátory vn/nn a vn/vn jsou na straně vn zapojené do trojúhelníku, nejde z hlediska samotného provozu distribuční sítě o závažný stav. Tento typ poruch se automaticky nevypíná. Mnohdy totiž není vývod postižený zemním spojením určen jednoznačně. I tento typ poruch, obdobně jako v případě zkratů, nemá ve většině případů trvalý charakter. Při likvidaci tohoto poruchového stavu se postupně vypínají jednotlivá vedení z rozvodny a to do doby, než zmizí signalizace zemního spojení v dané soustavě. Poté se vedení postupně zapínají, nepostižené vedení se zapnou a dál se provozují, u postiženého vedení se dalším zapnutím ověří, zdali zemní spojení trvá. Pak se rozhodne, zdali do doby lokalizace místa poruchy se bude toto vedení provozovat se zemním spojení či nikoliv. Vedení lze provozovat se zemním spojením po dobu několika hodin a tato doba je omezena teplotou oleje ve zhášecí (kompenzační) tlumivce, která se průchodem kompenzačního, induktivního proudu zahřívá. Avšak při vypnutí vedení vysokého napětí nemá dispečer k dispozici informaci o případném zpětném napětí, které může pocházet ze zdrojů pracujících do tohoto vedení. Při vyrovnané bilanci výroby a odběru se může toto vedení udržet v ostrovním provozu. To samozřejmě zabrání uhasnutí oblouku zemního spojení a zároveň to způsobí problémy při zapínání vedení, neboť se budou spínat dvě vzájemně nesfázované soustavy. To v lepším případě způsobí proudový ráz, v horším výpadek vedení, popř. výrobny. Při zemním spojení v síti tedy bude nutné vypínat a odstavovat z provozu zdroje pracujících do dané sítě, resp. před vypnutím vedení pro ověření zemního spojení odstavit zdroje pracující do tohoto vedení. Tento postup prodlouží dobu vyhledávání zemního spojení a bude klást větší nároky na příslušná dispečerská pracoviště. I zde se ukazuje, že absence měřících transformátorů napětí v příslušné kobce vývodu, nemožnost mít přehled o stavu na „vypnutém“ vedení je závažným problémem a to nejen z provozního, ale i bezpečnostního hlediska. Řešením, které se zde nabízí, je instalace indikátorů zemních spojení do vhodně vytypovaných míst vedení. V kombinaci s dálkově ovládanými odpínači by bylo možné

Obrázek 8: Indikátor zemních spojení a zkratových proudů MEg61[6] Rovněž i zde by ideálním řešením byla změna provozu soustavy z paprskové na okružní. Pak by bylo možné eliminovat místo poruchy s minimálním dopadem na provoz okolní soustavy a s minimálními dopady na jednotlivé odběratele. 2.3

Problematika distribuční sítě nízkého napětí

Distribuční síť nízkého napětí tvoří v České republice čtyřvodičové soustava TN – C s třemi fázovými vodiči a jedním vodičem PEN sdružujícím funkci ochranného a středního pracovního vodiče. Je provozována s napětím 400/230 V. Je provozována buď jako paprsková, popř. jako mřížová (okružní) s osazenými pojistkami slabé vazby na rozpadových místech. Zde se nechají očekávat pouze lokální problémy a to převážně ve zvýšeném počtu stížností zákazníků na kvalitu dodávané elektrické energie. Již nyní chodí stížnosti na přepětí v síti, kdy si majitel (provozovatel) malé FVE a odběratel v jedné osobě stěžuje na přepětí, které po zjištění všech okolností způsobuje provoz jeho elektrárny. Tato část distribuční soustavy, stejně jako část na hladině vysokého napětí, není přizpůsobena na obousměrný tok elektrické energie. Nebude zajištěna selektivita jištění, ale na druhou stranu je třeba konstatovat, že mnohé části distribuční soustavy nízkého napětí pochází z období soustavné elektrifikace a se selektivitou jištění jsou problémy i bez provozu alternativních zdrojů. Zvýšený počet stížností na kvalitu dodávané elektrické energie ze strany odběratelů, jistě vyvolá větší poptávku po zajištění potřebných měření. Přetrvávající lokální problémy bude možné řešit relativně finančně nenáročnými technickými opatřeními. Může se jednat např. o zvýšení průřezu napájecích

26 – 6

2011/26 – 13. 6. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

vedení, výstavba dalších posilovacích vedení, popř. výstavba další transformační stanice vn/nn.

3

Závěr

Ukazuje se, že největším problém v provozu distribuční soustavy je absence měřících transformátorů napětí v jednotlivých kobkách a polích vývodů vedení vn v rozvodnách vn. V řídicích systémech dispečinků chybí informace o směru toku elektrické energie na jednotlivých vedeních vysokého napětí. Stávající nesměrové ochrany nezajišťují potřebnou selektivitu a spolehlivost. Toto jsou v současné době nejvážnější problémy, s kterými se distribuční soustava potýká, resp. v brzké době začne potýkat. Budoucnost přinese především poptávku po inovacích a hledání nových řešení. Bude nutno zmodernizovat místy zastaralou distribuční síť a zejména její řídicí systém, který nevyhovuje současným požadavkům. Je třeba hledat nová řešení v mnoha technických oblastech. Ale nejen tam. Bude také potřeba hledat uplatnění pro „nahodilou“ výrobu elektrické energie. Hledat nové možnosti jejího uskladnění. Elektrickou energii umíme uskladnit např. pomocí přečerpávacích elektráren, kdy při nadprodukci elektrické energie ji využijeme k čerpání vody do výše položených nádrží a v době poptávky po elektřině použijeme vodu k výrobě elektřiny. Výstavba přečerpávacích elektráren ale vždy znamená výrazný zásah do krajiny a do přírodního prostředí. Přestože následný provoz přečerpávací elektrárny představuje již minimální ekologickou zátěž. Dále elektrickou energii umíme uskladnit ve formě tepelné energie v akumulačních ohřívačích vody a akumulačních kamnech. Tato uskladnění jsou pouze krátkodobá. Teplou vodu sice potřebujeme celoročně, ale akumulační vytápění potřebujeme zejména v zimním období, kdy však FVE té elektrické energie vyrobí mnohem méně než v letním období. Další možnosti uskladnění elektrické energie umožní rozvoj elektromobilů. I v tomto případě se jedná pouze o krátkodobé uskladnění. Je třeba hledat možnosti ekologické uskladnění velkého množství elektrické energie vyráběných v alternativních zdrojích. A to nejen v krátkém horizontu několika hodin, což nám současné technologie umožňují, ale zejména v horizontu dnů a měsíců. Druhou cestou je vybudování globální energetické soustavy, s dostatečnou přenosovou schopností, která by umožnila přenášet elektrickou energii z míst, kde se zrovna vyrábí do místa, kde je ji zrovna potřeba. Ale k tomu všemu ještě „zadrátovat“ Evropu dalšími vedení není ta správná cesta. Alternativní zdroje stále mají potenciál odlehčit přenosovým soustavám. Je ale třeba najít cesty, jak jimi vyráběnou elektřiny účelně spotřebovat co nejblíže místu jejich výroby a to v čase, kdy ji vyrábí. Myšlenka využít obnovitelných zdrojů k výrobě části energie je samozřejmě bohulibá. Pokud by zůstalo u malých zdrojů, umístěných na domcích, pokrývající částečně spotřebu domácností, jednalo by se bezesporu o kladnou věc. Malá rozptýlená výroba elektřiny v místě spotřeby by přispěla ke snížení technických ztrát, dokázala by odlehčit přenosové a distribuční soustavě. Při vhodné struktuře malých výrobních

zdrojů, řízení spotřeby v reálném čase, si lze představit provoz malých lokálních soběstačných soustav. Původní myšlenka nahradit centrální výrobu elektřiny decentralizovanou je dobrá. Zde se ale centralizovaná regulovaná výroba elektřiny využívající klasické formy energie nahradila centrální neregulovatelnou výrobou z obnovitelných zdrojů. Toto paradoxně vede k většímu zatížení jak distribuční, tak zejména přenosové soustavy. Nejen že nemalé finanční prostředky stojí povinný výkup takto vyráběné elektrické energie, další nemalé finanční prostředky bude nutné vynaložit na nutné úpravy distribučních a přenosových sítí včetně systémů řízení a chránění.

Literatura [1] ERÚ, Vývoj instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren, [on line], Praha 2011, [cit.2011-05-08] http://www.eru.cz [2] ERÚ, Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 2/2010, [on line], Praha 2011, [cit.2011-05-08] http://www.eru.cz/user_data/files/cenova%20rozhodnuti/ CR%20elektro/2_2010_OZE-KVET-DZ%20final.pdf [3] Šúri M., Huld T.A., Dunlop E.D. Ossenbrink H.A., [on line], 2007. Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. Solar Energy, 81, 1295–1305, [cit.2011-05-08] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_opt/PVGISEuropeSolarPotential.pdf [4] MEgA - Měřící Energetické Aparáty, a.s., Univerzální monitor MEg40, [on line], Brno 2011, [cit.2011-05-22] http://www.e-mega.cz/meg-40 [5] Vápeník R., Opětné zapínání v distribuční soustavě vysokého napětí, [on line], Brno 2010, Elekrorevue 2010/20, ISSN 1213-1539 [cit.2011-05-14], http://www.elektrorevue.cz/cz/clanky/energetika-vykonova-elektronika--elektrotechnologie/0/opetnezapinani-v-distribucni-soustave-vysokeho-napeti/ [6] MEgA - Měřící Energetické Aparáty, a.s., Indikátor zemních spojení a zkratových proudů MEg61, [on line], Brno 2011, [cit.2011-05-21] http://www.e-mega.cz/meg-61

26 – 7