VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Ústav elektroenergetiky. ZKRÁCENÁ VERZE DISERTAČNÍ PRÁCE k získání akademického titulu Doktor (Ph.D

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Ústav elektroenergetiky

ZKRÁCENÁ VERZE DISERTAČNÍ PRÁCE k získání akademického titulu Doktor (Ph.D.)

ve studijním oboru SILNOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA A ELEKTROENERGETIKA Ing. Martin Belatka

ANALÝZA POUŽITÍ KABELOVÝCH ÚSEKŮ V TRASE VENKOVNÍHO VEDENÍ 400 KV ANALYSIS OF USING CABLE SECTIONS IN THE ROUTE OF 400 KV OVERHEAD LINE

Školitel:

Doc. Ing. Antonín Matoušek, CSc.

Oponenti:

Datum obhajoby:

Brno 2013

KLÍČOVÁ SLOVA kabel, venkovní vedení, přenosová soustava

KEYWORDS cable, overhead line, transmission system

Práce je k dispozici na Vědeckém oddělení děkanátu FEKT VUT v Brně, Technická 3058/10, 616 00 Brno.

2

OBSAH  

1  ÚVOD ...................................................................................................................... 5  Cíle disertační práce ...................................................................................................................... 6 

2  DOSAVADNÍ VÝVOJ ........................................................................................... 7  3  ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI ............................................................................... 8  3.1  Kombinované kabelové a venkovní vedení ......................................................................... 8  3.2  Vedení s paralelními kabely ................................................................................................. 9 

4  NÁVRH USPOŘÁDÁNÍ ...................................................................................... 11  4.1  Aplikace hygienických limitů na vložené kabelové úseky ................................................ 11  4.2  Možnosti snížení hodnot magnetického pole nad kabelovou trasou.................................. 13 

5  ŘEŠENÍ VEDENÍ 400 KV S VLOŽENÝI KABELOVÝMI ÚSEKY V PRAXI 14  5.1  Přechodová stanice venkovní vedení – kabelové vedení ................................................... 15  5.2  Prostá kopaná trasa............................................................................................................. 17  5.3  Křížení kabelové trasy se sítěmi technické infrastruktury a přírodními překážkami ........ 18 

6  ZÁVĚR .................................................................................................................. 20  7  POUŽITÁ LITERATURA .................................................................................... 27  CURRICULUM VITAE ........................................................................................... 29  ABSTRAKT .............................................................................................................. 30 

3

4

1 ÚVOD Rostoucí životní standard obyvatel s sebou přináší stoupající spotřebu elektrické energie a tím i vyšší nároky na energetická zařízení přenosové soustavy ČR. Nemalou měrou se na nutnosti modernizace, posilování a potřebě výstavby nových vedení přenosové soustavy podílí i stále rostoucí objem obnovitelných zdrojů, a to jak v České republice, tak i v sousedních zemích, zejména pak v Německu. Dalším důvodem pro rozvoj přenosové sítě je plánovaná dostavba dvou bloků v Jaderné elektrárně Temelín. Přenosová soustava musí být připravena bezpečně a spolehlivě vyvést výkon z tohoto největšího tuzemského zdroje. Výstavba sítí technické infrastruktury nevzbuzuje ve většině případů kladné ohlasy obyvatel a místních samospráv, zejména těch, kterých se bezprostředně týká. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS je stále častěji konfrontován s požadavkem nejen samospráv, ale zejména občanských iniciativ a hnutí na výstavbu nových nebo rekonstruovaných úseků vedení 400 kV formou kabelového vedení namísto venkovního vedení. Jako nejčastější argumenty jsou uváděny: narušení přirozeného krajinného rázu, zábor půdy a obava z vlivu elektromagnetického pole na zdraví člověka. Je však otázkou, která forma vedení, zda vedení kabelové nebo venkovní, je větším zásahem do životního prostředí a více ovlivní krajinu, a to jak při výstavbě, tak i následně svým provozem. V návaznosti na tuto práci vzniká v současné době 3D vizualizace postupu výstavby kabelového vedení 400 kV v reálné krajině, která si klade za cíl názorně prezentovat laické veřejnosti rozsah stavebních prací a technologickou náročnost výstavby. V České republice nejsou doposud zkušenosti s výstavbou ani provozem kabelového vedení 400 kV. Výjimku tvoří krátké úseky v uzavřených areálech energetiky, např. rozvodna Hradec u Kadaně. Tato situace dala vzniknout požadavku na vypracování materiálu, který by poskytl ucelený náhled do problematiky kabelových vedení 400 kV a ilustroval by praktický dopad potenciální výstavby a provozu vedení 400 kV formou kabelového vedení na krajinu. Zpracování této problematiky neulehčil fakt, že v ČR není v platnosti žádná norma, která by řešila problematiku kabelových vedení 400 kV. Rovněž ČSN i PNE normy, řešící problematiku jiných inženýrských sítí, neznají pojem kabelové vedení 400 kV. Ve většině případů je nejvyšší napěťovou hladinou kabelového vedení, vůči které definují vztahy příslušné sítě, hladina 110 kV. Výstupy této práce mají sloužit jako podklad pro zahájení diskuze o rozšíření PNE i o kabely 400 kV. Zabývání se touto problematikou bylo rovněž impulsem k zahájení dialogu o definování požadavků na vzájemné křížení mezi provozovatelem přenosové soustavy ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS.

5

CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE 1) Rozbor problematiky a analýza elektrických a magnetických vlastností venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. S použitím kabelu v trase vedení 400 kV scházejí české přenosové soustavě významnější zkušenosti. Cílem práce je popsat problematiku kabelových vedení 400 kV. Provozovatel přenosové soustavy nepředpokládá realizaci čistě kabelového vedení 400 kV ani v budoucnosti, reálněji se ale jeví možnost vložení jednoho nebo více kabelových úseků do trasy venkovního vedení 400 kV. Případná realizace této myšlenky přináší mnoho otázek. Nutným předpokladem pro návrh konfigurace kabelového vedení 400 kV je znalost elektrických vlastností kabelového vedení 400 kV. Práce si klade za cíl stanovit, s jakou délkou kabelových úseků je možné pro praktické realizace počítat. Dále je třeba zjistit, do jaké míry ovlivní délku úseků kabelového vedení použití kompenzace nebo paralelních kabelů. Cílem práce je také popsat možné varianty propojení plášťů kabelů, zabývat se například problematikou opětovného zapnutí (OZ) na kombinovaných vedeních, jak by měla být vybavena přechodová stanice z venkovního vedení do kabelového. 2) Návrh uspořádání kabelové trasy 400 kV z hlediska vlivu magnetického pole na okolí. Vedle elektrických vlastností je nutné při návrhu uspořádání kabelového vedení zohlednit vlastnosti magnetického pole v okolí kabelů zatížených proudem. Práce si klade za cíl optimalizovat jak vzájemné vzdálenosti jednotlivých kabelů od sebe, tak i kabelových sad mezi sebou včetně hloubky uložení kabelů tak, aby výsledná trasa dvojitého kabelového vedení s paralelními kabely vyhovovala hygienickým limitům definovaným Nařízením vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, o ochraně zdraví před neionizujícím zářením ve znění Nařízení vlády č. 106/2010 Sb., kterým bylo zrušeno Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. Dále je nutné optimalizovat uspořádání kabelů, aby vyhovělo hygienickým limitům, při všech kříženích s inženýrskými sítěmi a terénními překážkami tam, kde bude nutné vzhledem k technologii výstavby změnit konfiguraci kabelové trasy, a v případech, kde je to opodstatněné, navrhnout opatření na snížení velikosti magnetického pole (stínění). Dalším cílem práce je věnovat se problematice vlivu kabelových vedení 400 kV na jiná vedení v jejich blízkosti. 3) Řešení křížení kabelové trasy 400 kV s jinými sítěmi technické infrastruktury a s přírodními překážkami při prostupu krajinou. Stěžejním cílem práce je syntéza získaných poznatků a jejich přímá aplikace na řešení kabelové trasy dvojitého vedení 400 kV v reálných podmínkách. V trase projektovaného dvojitého venkovního vedení 400 kV budou vytipovány lokality, na kterých bude názorně ukázáno, jaké důsledky by s sebou přinesla potenciální výstavba vedení v kabelovém provedení. Cílem práce je ukázat na konkrétních příkladech, co by obnášela výstavba kabelového vedení 400 kV ve volné krajině 6

v prosté kopané trase a dále, jak lze řešit křížení se silnicí I. třídy, železnicí, dálnicí, vodní nádrží. Bude také navrženo uspořádání přechodové stanice mezi venkovním vedením a kabelovým úsekem. Každá z potenciálních ukázek bude obsahovat popis technologické proveditelnosti a odborný odhad časové a finanční náročnosti na realizaci.

2 DOSAVADNÍ VÝVOJ Jak již bylo zmíněno v úvodu, v České republice scházejí významnější zkušenosti s výstavbou a provozem kabelového vedení 400 kV. Doposud byly realizovány pouze ojedinělé instalace v uzavřených energetických areálech, jako např. v TR Hradec, kde nejsou na kabelové vedení kladeny takové nároky jako při použití ve volné krajině. Jedná se zejména o dodržení hygienických limitů ve smyslu Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, neboť v uzavřených areálech mohou být pracovníci vystaveni vyšším hodnotám modifikované proudové hustoty než běžní občané. Druhou odlišností kabelové trasy ve volné krajině je praktická nekontrolovatelnost pohybu těžkých nákladních dopravních prostředků, zejména pak zemědělské a lesní techniky, a z toho vyplývající nutnost odlišného stavebního řešení ochrany kabelů proti poškození těmito mechanizmy. Výjimečnost výstavby kabelových vedení 400 kV je podtržena faktem, že pro kabelová vedení této napěťové hladiny dosud v ČR neexistují normy a standardy pro uložení kabelů a stavební provedení tras. Proto je nutné konkrétní řešení provést podle požadavků výrobce kabelu, aby mohl převzít záruku za deklarované přenosové schopnosti kabelu. Vlastní výroba kabelu je kusová a technické řešení je vždy přizpůsobeno požadavkům na konkrétní kabelové vedení. Informace je tedy nutné hledat v zahraničních realizacích. Avšak ani mimo Českou republiku není tato forma provedení vedení 400 kV obvyklá, jedná se spíše o ojedinělé instalace. Výhody kabelového vedení 400 kV se uplatňují tam, kde je výstavba venkovního vedení prakticky technicky nerealizovatelná, např. spojení stanic v hustě zastavěných oblastech velkých aglomerací, překonání mořské úžiny, přechod přes mezinárodní letiště apod. Často se jedná o úseky v délkách stovek metrů, výjimečně pak jednotek kilometrů. Kabelové vedení je velmi často instalováno do již existujících podzemních kolektorů, které jsou osazeny i ostatními kabelovými vedeními nižších napěťových hladin. Rozdílná je i požadovaná proudová zatížitelnost kabelového vedení. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS požaduje, aby potenciální kabelové vedení mělo shodnou přenosovou schopnost jako klasické venkovní vedení 400 kV. Od požadované přenosové schopnosti se odvíjí nejen dimenze použitého kabelu, ale i konfigurace trasy, hloubka uložení a v neposlední řadě i výsledné finanční náklady na výstavbu.

7

3 ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI Základní otázka kapitol zabývajících se elektrickými vlastnostmi kabelových vedení zněla: „Je možné realizovat kabelové vedení 400 kV stejných délek, jaké má venkovní vedení, byť pouze z hlediska elektrického přenosu? Případně s jak dlouhými úseky kabelových vedení lze reálně počítat?“ Pro úplnost je třeba uvést, že nejdelší venkovní vedení v ČR - V413 Řeporyje - Prosenice - měří necelých 300 km. Úvahy jsou zaměřeny čistě na elektrické vlastnosti kabelového vedení, proto není hodnocena proveditelnost takového vedení. Odpověď na otázku je možné předznamenat již nyní: Není. Hlavním důvodem je především nesrovnatelně vyšší kapacita kabelového vedení (přibližně 18 krát), která podstatným způsobem ovlivňuje přenosové schopnosti kabelového vedení. Prvním limitem pro omezení délky kabelového vedení je jeho nabíjecí proud. S narůstající délkou vedení roste jeho kapacita a tím i nabíjecí proud. Délka, při které tento proud dosáhne jmenovité proudové zatížitelnosti, je tak prvním z řady limitů, ke kterým dospějeme. Toto omezení se ještě nezdá být příliš omezující, ale na druhé straně se zabývá pouze vedením naprázdno. Vedení je však určeno pro přenos elektrického výkonu, nikoli pro spotřebu kapacitního jalového výkonu, a tak je možné očekávat další omezení. Začneme-li kabelové vedení zatěžovat činným výkonem, začnou se přenosové poměry při zachování konstantní délky zhoršovat. Pokud budeme chtít vedení udržet v „rozumných mezích“, bude klesat jeho maximální možná délka. S přihlédnutím k reálným stavům v přenosové soustavě jsou zajímavé celkem čtyři stavy, které mají vliv na maximální délku kabelového vedení (popsány v DP.) Ve všech stavech bude záležet na tom, zda bude kabelové vedení kompenzováno či nikoli. 3.1 KOMBINOVANÉ KABELOVÉ A VENKOVNÍ VEDENÍ V přechozích odstavcích je uvažováno vedení, které by bylo provedeno v celé délce mezi dvěma rozvodnami pouze kabelem. Ve skutečnosti je však předpokládána situace, ve které (v níž) bude vedení ve většině trasy realizováno jako venkovní, a jen určité úseky budou kabelovány. Naskýtá se tedy otázka, jestli kombinace kabelových úseků a úseků venkovního vedení bude výhodnější než čistě kabelové vedení, nebo dokonce než čistě venkovní vedení. Samozřejmě nahlíženo z pohledu ustáleného stavu vedení. Venkovní vedení se naprázdno chová, stejně jako vedení kabelové, jako kapacitní zátěž. Čím více je však zatíženo, tím více převládá induktivní charakter; na rozdíl od vedení kabelového, kde díky značné kapacitě induktivní charakter nastává až při zatížení proudem, který je mnohem vyšší než proud jmenovitý. Hranice, při které se kapacitní charakter mění na induktivní, je dána přirozeným výkonem vedení. Kabelové vedení nebude schopno, ani při zatížení jmenovitým proudem, vykompenzovat samo sebe. Naopak venkovní má dostatečnou indukčnost, aby

8

rozdílem přirozeného proudu a proudu jmenovitého mohlo vykompenzovat i „určitou část“ kabelového vedení. Vzájemný poměr kabelových a venkovních úseků je podřízen konkrétnímu případu návrhu nového vedení, nelze ho volit podle výhodnosti vzájemné kompenzace. Kombinace úseků může v určitých případech zlepšit přenosové poměry oproti čistě kabelovému vedení, ale vzhledem k silné závislosti na přenášeném proudu je i zde nutné počítat s využitím kompenzačních prostředků. Hlavní výhodou tak zůstává možnost přenosu elektrické energie na delší vzdálenosti, srovnatelné s venkovním vedením, než na jaké by výkon mohl být přenesen vedením čistě kabelovým. 3.2

VEDENÍ S PARALELNÍMI KABELY

Předcházející část byla zaměřena na kabelové vedení provedené jedním jednožilovým kabelem 400 kV na fázi. Jako reálná se však také ukazuje možnost použití dvou paralelních kabelů na fázi (dále jen paralelní vedení), a to ze dvou důvodů: 1. Dostatečná proudová zatížitelnost. Je požadováno, aby jmenovitá proudová zatížitelnost kabelového vedení byla stejná jako zatížitelnost venkovního vedení, tedy 2500 A. Jmenovitý proud kabelového vedení je údaj dosti striktní a je nutné ho chápat jako reálnou mez přenášeného proudu. Přenosová schopnost skutečného kabelu je však v reálu snižována např. vlivem půdních poměrů (snížení tepelné vodivosti půdy následkem vysoušení ztrátovým teplem kabelu), vlivem konfigurace apod. Proto je nutné počítat vždy s kabelem o větším průřezu, než který odpovídá zatížitelnosti 2500 A. Podrobněji je způsob dimenzování kabelu popsán dále. 2. Snížení nároků na přepravu kabelu. Limitem realizace kabelového vedení může být přeprava kabelu na místo pokládky. Požadavkům na dopravu by mohlo lépe vyhovovat použití kabelu menšího průřezu (např. menší hmotnost). 3.2.1 Elektrické parametry vedení s paralelními kabely Rezistance na jednotku délky Rezistance kabelu je parametr závislý pouze na materiálu a průřezu vodiče a v případě AC napájení ještě na frekvenci sítě. Nezávisí na geometrii uspořádání, pro dva paralelní kabely na fázi bude tedy výsledná hodnota rezistance poloviční oproti jednomu kabelu na fázi. Kapacita na jednotku délky Provozní kapacita na jednotku délky je u kabelů s kovovým pláštěm dána pouze geometrickým uspořádáním vodič - plášť, tedy uvnitř samotného kabelu. Výsledná kapacita paralelního vedení je dána prostým součtem obou paralelních větví.

9

Indukčnost na jednotku délky Provozní indukčnost závisí na geometrickém uspořádání fázových vodičů a na počtu paralelních kabelů. Zjednodušený předpoklad, že indukčnost paralelních kabelů je poloviční, nemusí být v tomto případě zcela korektní. Výrobce udává pro výpočet indukčnosti následující vztah: 0,005

∙

0,2 ∙

/

(3.1)

kde K

součinitel závislý na uspořádání fázových vodičů K = 1 pro uspořádání do Δ K = 1,26 pro uspořádání vedle sebe d osová vzdálenost fázových vodičů r vnější poloměr kabelu Paralelní kabely lze chápat jako uspořádání vodičů do svazku. V takovém případě se do výše uvedeného vzorce bude dosazovat místo r poloměr ekvivalentní, pro nějž platí: ∙

kde n R r

(3.2)

∙

počet paralelních kabelů (vodičů ve svazku) n = 2 poloměr pravidelného n-úhelníka, do nějž jsou uspořádány paralelní kabely (svazkové vodiče) – zde se uvažuje těsné uložení paralelních kabelů, tzn. R = r vnější poloměr kabelu ∙

∙

2

(3.3)

√2 ∙

Dosazením do vztahu pro indukčnost Lk a jeho následnou úpravu obdržíme vztah pro výpočet indukčnosti pro vedení provedené dvěma paralelními kabely na fázi: ,

0,0693

/

(3.4)

Při použití paralelních kabelů klesl reálný limit délky přibližně na polovinu oproti jednoduchému vedení, při zachování přenosové schopnosti. Zmenšení průřezu paralelních kabelů nemá na délkový limit vedení, z hlediska elektrického a z hlediska ustálených přenosových poměrů, podstatný vliv. Tabulky s uvedenými maximálními délkami kabelového vedení pro jednotlivé zkoumané provozní stavy jsou uvedeny v závěru.

10

4 NÁVRH USPOŘÁDÁNÍ 4.1 APLIKACE HYGIENICKÝCH LIMITŮ NA VLOŽENÉ KABELOVÉ ÚSEKY Hygienické limity pro účely magnetických a elektrických polí nejnověji stanovuje Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, které modifikuje požadavky Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. Rozhodujícím kritériem pro posouzení škodlivých účinků neionizujícího záření na lidský organismus je tzv. modifikovaná proudová hustota v lidském těle vyvolaná vnějším magnetickým a elektrickým polem. Po přepočtení modifikované proudové hustoty na frekvenci 50 Hz lze konstatovat, že pro pole s frekvencí 50 Hz zůstává v platnosti limit hustoty 10 mA/m2 pro zaměstnance, pro ostatní osoby je limit pětkrát nižší, tzn. 2 mA/m2. Tato proudová hustota nesmí být v žádném časovém okamžiku překročena v centrálním nervovém systému (CNS). V ostatních částech lidského těla nesmí proudová hustota překročit pětinásobek uvedených proudových hustot. Proud v lidském těle je vyvoláván vnějším elektrickým i magnetickým polem. Pokud působí v daném prostoru obě pole, je při zjišťování hustoty proudu v těle nutné sečíst proud vyvolaný elektrickým polem a proud vyvolaný magnetickým polem. Pro praktické účely měření jsou stanoveny referenční hodnoty elektrického pole i magnetického pole. Není-li např. v sledovaném prostoru překročena referenční hodnota elektrického pole a nepůsobí zde pole magnetické, je tím zajištěno, že není překročena ani nejvyšší přípustná hodnota hustoty indukovaných proudů v těle exponované osoby. A stejně není-li v sledovaném prostoru překročena referenční hodnota magnetického pole a nepůsobí zde pole elektrické, je tím zajištěno, že není překročena ani nejvyšší přípustná hodnota hustoty indukovaných proudů v těle exponované osoby. Referenční úrovně platí pro pole nedeformované přítomností osob v posuzovaném prostoru. Je-li pole v prostoru silně nehomogenní, srovnává se s referenční úrovní buď intenzita pole průměrovaná přes oblast odpovídající poloze páteře nebo hlavy exponované osoby, nebo se pro srovnání s referenční úrovní uvažuje hodnota v geometrickém středu této oblasti. Protože referenční hodnoty jsou stanoveny tak, aby při jejich dodržení nemohlo dojít k překročení nejvyšší přípustné hodnoty za žádných okolností, je v konkrétních situacích zpravidla možné prokázat nepřekročení přípustné hodnoty hustoty proudu i při značném překročení referenční hodnoty. Referenční hodnota magnetického pole 50 Hz pro ostatní osoby je 100 µT a referenční hodnota elektrického pole je 5 kV/m. Pro výpočet proudové hustoty v lidském těle se používá vzorec: /

0,278

/

0,008164

(4.1)

Pokud bude v daném místě působit pouze elektrické pole, vyvolá referenční hodnota el. pole 5 kV proudovou hustotu 1,39 A/m2. Pro naplnění limitu 2 mA/m2 lze elektrické pole zvýšit na hodnotu 7,2 kV/m. Ještě markantnější je možnost překročení referenční hodnoty u magnetického pole. Samotné magnetické pole

11

s referenční hodnotou 100 µT vyvolá proudovou hustotu 0,82 mA a pro naplnění limitu je možné magnetické pole zvýšit na hodnotu 245 µT. Pro kabely se stínícími plášti uložené v zemi jsou z hlediska účinků na lidský organizmus charakteristické tyto skutečnosti: Uvnitř kabelového úseku, dostatečně daleko od přechodů vedení-kabel, vyskytuje se na povrchu země nad kabelem pouze magnetické pole, elektrické pole je nulové. Magnetické pole je nejsilnější na povrchu země nad kabelem, s výškou nad povrchem intenzita pole klesá. Rychlost klesání pole s výškou je dána konfigurací kabelů v zemi. Je-li prostor nad kabelem přístupný veřejnosti, je nutno předpokládat i pohyb dětí nebo různé aktivity, při kterých se CNS osob nachází blízko země. V intencích výše popsaných pravidel pro určování hodnot polí je nutné mít pod kontrolou hodnoty magnetického pole ve výšce 20 cm nad zemí a výše. Pro kontrolu magnetického pole v prostoru nad kabelovou trasou je možné vytvořit dva následující požadavky: Požadavek 1 (přísnější) V prostoru 0,2 m od povrchu země a výše nad kabelovou trasou nesmí hodnota magnetického pole překročit referenční hodnotu 100 µT. Protože je zájem ukládat kabely poměrně mělce, vychází velikost magnetického pole na povrchu tak velká, že výrazně překračuje referenční hodnotu. Snížení hodnoty pole na povrchu pod referenční hodnotu je dosahováno za cenu poměrně nákladných a technicky komplikovaných opatření. Z těchto důvodů je rozumné uvažovat o možnosti přiměřeného překročení referenční hodnoty 100 µT v prostoru nad kabelem s tím, že bude zaručeno dodržení závazného limitu pro proudovou hustotu J = 2 mA/m2. Navrhovaný způsob přípustného překročení je formulován jako požadavek 2. Požadavek 2 (méně přísný)Magnetické pole 0,2 m nad povrchem země a výše menší než 150 µT Magnetické pole 1 m nad povrchem země a výše menší než 120 µT Magnetické pole 1,5 m nad povrchem země a výše menší než 100 µT Obě podmínky platí pouze v těch místech kabelové trasy, která jsou mimo dosah elektrického pole v okolí přechodu vedení do kabelu, neboli v místech, kde elektrické pole je zanedbatelně malé (menší než 0,2 kV/m). V místech blízkých přechodu vedení-kabel je nutné zajistit, aby v žádném místě nebyly překročeny hodnoty proudové hustoty 2 mA/m2, vypočítané podle vzorce (4.1). Rovněž je nutné řešit místa křížení kabelové trasy s jinými vedeními, která přispívají elektrickým i magnetickým polem. Vzhledem k složitosti skládání polí od kabelů a vedení je vhodné řešit problém případ od případu výpočty a provedením

12

lokálních opatření na kabelové trase zvyšujících potřebným způsobem útlum vnějšího magnetického pole kabelu. Neřešitelná se v rámci přenosové soustavy jeví podmínka z výše citovaného nařízení vlády, že proudová hustota nepřekročí stanovený limit - v žádném okamžiku. To platí pro nízkofrekvenční pole (jako je právě 50 Hz), u nichž se nepříznivý účinek na organizmus považuje za okamžitý. Je-li magnetické pole v určitém místě na svém limitu 100 µT pro ustálený maximální proud 2500 A, je v případě 3f zkratu 10 kA tento limit překročen 4 krát, tzn. po dobu průběhu několika period dosáhne hodnoty 400 µT. Ještě vyšších hodnot pole dosáhne při nesymetrických zkratech. Nárůst pole oproti ustálenému stavu je tím větší, čím více je pole v ustáleném stavu vybalancováno symetrií uspořádání. V takovém případě může dojít i k desetinásobnému překročení limitu, ovšem na dobu několika period. Toleranci pro krátkodobá překročení ovšem nařízení vlády neřeší. 4.2 MOŽNOSTI SNÍŽENÍ HODNOT MAGNETICKÉHO POLE NAD KABELOVOU TRASOU K zeslabení magnetického pole se využívají tři principy. Obecně magnetické pole existuje uvnitř a v okolí permanentních magnetů nebo je uvnitř a v okolí proudovodičů a je vyvolané tekoucím proudem. V tomto případě, tzn. u kabelů, se jedná o magnetické pole v okolí proudovodičů. Magnetické pole v prostoru bez magnetických materiálů je nejsilnější u proudovodičů a slábne se vzdáleností od proudovodiče, rychlost slábnutí záleží na geometrickém uspořádání proudovodičů a jejich fázování. Pokud se v okolí proudovodičů nacházejí jiné proudovodiče uzavřené do smyček nebo tvořící přirozeně smyčky, magnetické pole v těchto tzv. pasivních proudovodičích indukuje proud. Tento proud vytváří vlastní magnetické pole, které zeslabuje pole budící. Pole může být zeslabováno i pomocí aktivních proudovodičů, tzn. např. vodivých smyček s vnuceným vnějším proudem, jehož časový průběh je volen tak, aby došlo k zeslabení původního pole. Pokud se v okolí proudovodičů vyskytují útvary z magnetických materiálů (materiály s vysokou permeabilitou µ), pole se deformuje, tzn. v magnetických tělesech se magnetické křivky zahušťují - pole se zesiluje na úkor okolního prostoru, kde se tím pádem pole zeslabí. Výše popsané tři principy tvoří základ dále uvedených metod zeslabení pole nad kabelovou trasou: 1. Hloubka uložení kabelů - se vzdáleností klesá velikost pole 2. Geometrie uložení kabelů - určuje rychlost klesání pole se vzdáleností 3. Stínící vodivé smyčky - indukované proudy tlumí budicí pole 4. Stínění vodivými deskami - indukované proudy tlumí budicí pole 5. Stínění feromagnetickými deskami - mění tvar pole

13

6. Použití paralelních kabelů - volbou konfigurace a geometrie kabelů se pole jednotlivých žil kompenzuje 7. Kombinace dvou nebo více metod U metod 1., 2. jde jejich uplatnění proti požadavku na dobrý odvod tepla z kabelů. Čím jsou žíly hlouběji uloženy, nebo čím jsou blíž k sobě, tím je sice pole nad zemí slabší, ale tím horší je i odvod tepla, a snižuje se tedy i zatížitelnost kabelu. Metody 4., 5. a 6. pak znamenají dodatečné náklady a u deskových stínění též značné požadavky na vhodná antikorozní opatření v složitém prostředí indukovaných proudů s možností vzniku korozivních jevů na principu elektrolýzy. Je nutné zmínit se také o teoretické možnosti zeslabení pole proudy indukovanými v pláštích kabelů. Pokud se uzemní pláště kabelu na obou koncích kabelu, protéká jimi indukovaný proud řádově srovnatelný s proudem žil a snižuje významným způsobem magnetické pole vně žil. Indukovaný proud v pláštích je vyšší u konfigurace žil v rovině než v konfiguraci do trojúhelníku. Tento proud však zvyšuje tepelné ztráty kabelu a značně snižuje proudové využití kabelu. Proto se u kratších kabelů vvn uzemňuje pouze jeden konec pláště, takže pláštěm neteče žádný proud, a nevzniká tím pádem žádný efekt eliminace magnetického pole od proudu žíly. Při rozpojení pláště na jednom konci se však do pláště indukuje napětí úměrné délce kabelu a to svou narůstající velikostí s délkou limituje použití tohoto způsobu zapojení plášťů pro delší kabely. Proto se u delších kabelů používá vykřížení plášťů (cross-bonding) po sekcích, které způsobuje vynulování proudů indukovaných v pláštích a zároveň se tím udrží indukované napětí plášťů v bezpečných mezích. Znamená to, že také při použití vykřížení plášťů k žádnému zeslabení magnetického pole žil nedochází.

5 ŘEŠENÍ VEDENÍ 400 KV S VLOŽENÝI KABELOVÝMI ÚSEKY V PRAXI Veškeré výpočty a úvahy provedené a popsané v práci měly za cíl poskytnout co možná nejvíce informací, které je nutné znát při návrhu kombinovaného vedení 400 kV. Pro větší názornost bylo rozhodnuto, že návrh kabelových úseků bude proveden v trase konkrétního vedení 400 kV přenosové soustavy České republiky. Bylo zvoleno vedení, které je ve fázi projektových prací, protože byly k dispozici aktuální informace o terénu a inženýrských sítích v trase. Dalším významným důvodem byl fakt, že v průběhu projednávání trasy tohoto vedení byl mnohokrát vznesen požadavek na kabelizaci části trasy ze strany místních samospráv, zejména pak od různých občanských sdružení a iniciativ. Rovněž v dokumentaci pro EIA bylo nutné se touto variantou zabývat. Při rekognoskaci trasy byly vytipovány lokality, ve kterých trasa vedení křižuje jiné sítě technické infrastruktury nebo přírodní překážky, a u kterých by se daly očekávat komplikace při realizaci křížení s trasou kabelu. Návrh stavebního uspořádání měl být řešen pro tyto situace, vybraná křížení a překážky:

14

      

Přechodová stanice venkovní vedení kabelové vedení Prostá kopaná trasa v běžném terénu a spojkovací komora Křížení silnice I. třídy a železnice Křížení železniční tratě v zářezu Křížení tranzitního produktovodu Křížení dálnice Překonání vodní nádrže

Způsoby, jak tato křížení řešit, byly následující:  Protlak, řízené vrty  Kabelový most  Uložení kabelu v chráničkách ve dně vodní překážky  Tunel V lokalitách, kde se nabízelo řešení více způsoby, bylo zvoleno to, které se jevilo jako ekonomicky méně nákladné. 5.1 PŘECHODOVÁ STANICE VENKOVNÍ VEDENÍ – KABELOVÉ VEDENÍ Aby bylo možné převést venkovní vedení do kabelového, je nutné vybudovat přechodovou stanici venkovní vedení – kabelové vedení, a to na obou koncích kabelového vedení. Způsobů provedení této přechodové stanice se nabízí několik a i v zahraničí se můžeme setkat s pestrou paletou řešení. Důležité je podotknout, že hlavním objektem zájmu této práce je popsat možnosti stavebního řešení pro vložení kabelového úseku do dvojitého venkovního vedení 400 kV, přičemž je toto kabelové vedení navíc tvořeno dvěma paralelními kabely na fázi. Jednou z možností je provedení přechodu venkovní vedení – kabel přímo na stožáru. Způsobů provedení přechodového stožáru je několik. Součástí stožáru je plošina s kabelovými koncovkami a svodiči přepětí. Provedení a umístění této plošiny je různé. Stožár je nutné oplotit (plocha o rozměrech cca 20×10 m) a vybudovat příjezdovou cestu. Nelze pominout estetické hledisko - oplocený stožár bude svojí mohutností působit rušivě. Druhou variantou je vybudování přechodové stanice rozlohou a uspořádáním podobné poli rozvodny 400 kV. Venkovní vedení přichází na portál. Je důležité, aby odpor uzemnění 3., 4. a 5. stožáru před přechodem do kabelu byl nižší než 15 Ω a odpor uzemnění 2. stožáru méně než 10 Ω. První stožár v provedení portál bude připojen na zemnící síť přechodové stanice, jejíž odpor by měl být menší než 1 Ω. Zemní mřížová síť musí být vybudována v souladu s příslušnou technickou normou ČEPS. K zemnící síti budou dále připojeny omezovače přepětí a pláště kabelů buď přímo, nebo přes svodiče přepětí podle zvoleného zapojení plášťů. Propojení fázových vodičů bude z kotevního izolátorového závěsu na portálu dvojsvazkovými klesačkami na omezovače přepětí a z omezovačů na kabelové koncovky.

15

a)

b)

Obr. 1 Možné řešení ř přecchodu ven nkovní ved dení – kabeel [16] ozpětí před přechoddem do kaabelu byl Doporručuje se, aby miniimálně v pprvním ro dodržen velmi nízký n stín nící úhel zemnícícch lan. Portál budde navíc vybaven ochrannýými jímači. V prááci jsou poosouzeny územní nnároky na přechodo ová místa venkovní vedení kabel a kabel - veenkovní vedení. v Úzzemní náro oky jsou pro p oba přřechody v podstatě stejné, nneboť je počítáno see svodiči přepětí naa obou přřechodechh a také s použitím odpojovaačů se dvvěma zem mnícími nnoži, rovn něž na ob bou přechhodech. Minimální M prostorovvé nárokyy, viz ob brázek 2 (pro ved dení1x400 kV s paaralelními kabely), předpoklládají zábbor území o rozsahhu cca 47× ×32 m pro o jedno kkabelové vedení v se dvěma pparalelním mi kabely na fázi. V tomto o odhadu není zahhrnuta plo ocha pro případnoou realizacci objektů ů domků ochran prro tato přřechodováá místa a odstavné nebo sklaadovací pllochy.

Obrr. 2 Návrh řešení přeechodu veenkovní veedení – kab belové veddení (půdo orys)

16

Provozzovatel přenosové p soustavyy ČEPS preferujee pro pot otenciální realizaci provedenní přechoddového místa m vedenní - kabell jako přeechodové stanice. Tento T typ uspořádáání se z hlediska h provozu a údržby jeví jako výhodnějšší než přeechodový stožár s pplošinou. 5.2

ROSTÁ KOPANÁ K Á TRASA PR

Trasa kabelů je složena z vedení V V407 se saadami A a B a V4066 se sadam mi C a D, přičemž vedení V407 V je sittuováno vvpravo a V406 V vlev vo při pohhledu ve směru s od TR Kočíín do TR Mírovka. Každá saada je slo ožena ze 3 kabelů. Osové vzzdálenosti jednotlivvých kabellů v sadě jsou j 500 m mm, mezi krajními kabely k sadd 2000 mm m. Osová vzdálenoost obou kabelových k h vedení jje 13 m. Každá K kab belová sadda dále ob bsahuje 2 zemnící vvodiče a k plášti kaabelů jsou přiložena optická vlákna v pro snímání teploty. t Podél tras jsou komunik kační prosttory a meezi kabelo ovými veddeními je obslužná komunikkace. Řez kopanou trasou dvvojitého kaabelového o vedení uukazuje ob brázek 3. Prostor ppotřebný pro p výstav vbu dvojiitého kabeelového veedení 4000 kV je páás v šířce min. 55 m m. Kabelyy budou uloženy v hloubcee cca 180 00 mm do o lože, tvvořeného speciální betonovoou směsí. Složení této t směssi bude naavrženo ve v spoluprráci s dod davatelem kabelů na základě údajů o zttrátovém tteple vznikajícím přři provozuu kabelu. Pro zzodolnění kabelové trasy před pošškozením zeměděllskými a lesními mechanismy budoou kabely y zakryty betonovými deskam mi. Deskyy budou zasypány štěrkem ve vrstvě cca 200 mm, na kkterou bud de položen na výstražžná ochran nná folie. Provedenní a způsoob uloženíí folie je sstanoven ČSN Č 73 6006. 6 Zbyylý prostorr bude do úrovně teerénu zasyypán půvo odní zeminnou.

Obr. 3 Ř Řez kopanou rasou V příppadě nutnoosti změnit směr traasy je nuttno vycházzet z miniimálního poloměru p ohybu kaabelu, kterrý je udáv ván výrobccem a obvykle se po ohybuje okkolo 3 m. Změnuu směru trasy je nejvhodnnější prov vádět ve spojkovišštích, avšaak lze ji provádětt i mimo, a to jak v horizontáálním (zm měna směru u), tak i vvertikálním m (změna

17

sklonu) směru při dodržení minimálních parametrů, daných výrobcem a upravených (zvětšených) podle technologických požadavků daných způsobem pokládky a tažení. Přesun hmot Při výstavbě kopané trasy dvojitého kabelového vedení 400 kV bude docházet k přesunu velkého objemu zeminy. Pro výkop nutné vybagrovat a uložit na mezideponii 25 000 m3/km kopané trasy. Sejmutá ornice bude uložena na mezideponii a po výstavbě zpětně rozprostřena. Přibližně 55% z tohoto objemu bude po pokládce kabelů použito pro zpětný zásyp. Přebytečnou zeminu je nutno uložit na skládku. Budu nutné dovézt cca 7 000 m3/km kopané trasy speciální betonové směsi pro kabelové lože a přibližně 5 000 m3/km štěrku, který bude tvořit 0,4 m silnou vrstvu nad kabelovým ložem. Také je nutné počítat s dopravou betonových desek, které budou uloženy do štěrkové vrstvy a budou tvořit ochranu kabelu proti mechanickému poškození zemědělskou a lesní technikou nebo při provádění výkopových prací. Doprava kabelů na staveniště bude neméně komplikovanou záležitostí. Kabely jsou vyráběny a dodávány na bubnech průměru cca 4,5 m v délkách okolo 800 m. Podle typu kabelu se váha jednoho bubnu pohybuje do 25 t. Ke každému místu v trase, kde budou kabely spojeny, bude nutné dopravit minimálně 12 ks těchto bubnů. Tento fakt bude vyžadovat pečlivé plánování transportní trasy a na staveništi vybudování zpevněné, dostatečně únosné příjezdní komunikace a manipulační plochy pro složení bubnů. 5.3 KŘÍŽENÍ KABELOVÉ TRASY SE SÍTĚMI INFRASTRUKTURY A PŘÍRODNÍMI PŘEKÁŽKAMI

TECHNICKÉ

V práci jsou dále řešena křížení kabelové trasy s jinými sítěmi technické infrastruktury nebo přírodními překážky. Konkrétně se jedná o podchod kabelové trasy v protlaku pod železnicí a silnicí I. třídy, o přechod kabelovým mostem přes železniční trať, o podchod tranzitního plynovodu, podchod dálnice dvoukomorových kabelovým tunelem a uložení kabelu ve dně vodní nádrže. Vzhledem k velmi omezenému prostoru v tomto textu zde nejsou zmíněná řešení popisována. Pro názornou ukázku jsou prezentovány snímky z vytváření 3D animace vizualizace výstavby kabelového vedení. Podrobnější popis jednotlivých řešení je v disertační práci. Na obrázku 4 je vidět výstavbu kabelové trasy a kabelového mostu přes železnici. Na následujícím obrázku 5 je zachycena výstavba kabelového vedení, při přechodu vodní nádrže. Kabely jsou uloženy ve dně v chráničkách pod vrstvou zásypu. Na obrázku 5 jsou v popředí vidět spojkovací komory. Na hladině plave korečkový vodní bagr hloubící ve dně rýhu pro kabely.

18

Obr. 4 Výstavba kabelového vedení a kabelového mostu přes železnici

Obr. 5 Přechod kabelového vedení přes vodní nádrž Na obrázku 6 je znázorněna manipulační plocha a kabelové bubny v místě vstupu kabelů do protlaku pro železnici a silnici I. třídy.

19

Obr. 6 Kabelové trasa v protlaku pod silnicí a železnicí

6 ZÁVĚR Potřeba elektrické energie má z dlouhodobého hlediska jednoznačně stoupající tendenci. Vyskytují se samozřejmě období, kdy je zaznamenán krátkodobý pokles, například kolem roku 2009 způsobený finanční krizí a následnou hospodářskou recesí. V horizontu roku 2050 však predikce stále počítají s nárůstem spotřeby elektřiny. Velká očekávání, ale i otázky, vyvolává například rozvíjející se sektor elektromobilů. I nadále tedy bude přenosová soustava ČR hrát z hlediska stability sítí dominantní roli a bude vystavena novým výzvám, ať už je to rychlý nárůst instalovaného výkonu obnovitelných zdrojů, a nebo budoucí výstavba velkého zdroje, jakým beze sporu bude dostavba jaderné elektrárny Temelín nebo uvažované rozšíření jaderné elektrárny Dukovany o jeden reaktorový blok. Přenosová soustava musí být připravena zajistit vyvedení výkonu z těchto zdrojů. Modernizace a rozvoj přenosové soustavy ČR je tak v současné době aktuálním tématem. Je nutno konstatovat, že její rozvoj lehce zaostává za stavem, který by byl optimální, což je způsobeno zejména zdlouhavým procesem projednávání a schvalování, ať se jedná o proces EIA, nebo následné stavební řízení. Jedním z argumentů, který stále častěji zaznívá při veřejných projednáváních záměrů na výstavbu nebo modernizaci vedení přenosové soustavy ze strany jejích odpůrců, je, že výstavbou dojde ke změně krajinného rázu, a je vznesen požadavek na kabelizaci vedení. Protože v České republice prozatím chybí významnější praktické zkušenosti s výstavbou a provozem kabelových vedení 400 kV, byl ze strany provozovatele přenosové soustavy vznesen podnět k vypracování materiálu, který by poskytl ucelený pohled na problematiku možnosti využití kabelových vedení v síti 400 kV

20

v podmínkách přenosové soustavy ČR. Tato potřeba se stala hlavním impulzem ke vzniku této práce, jejíž snahou bylo předložit ucelený pohled na problematiku výstavby kabelového vedení 400 kV v podmínkách ČR. Následně je vytvářena 3D vizualizace, která má za úkol názorně ukázat laické veřejnosti, jaké dopady na krajinu s sebou přináší výstavba kabelového vedení 400 kV. Zpracování této problematiky neulehčil fakt, že v ČR není v platnosti žádná norma, která by řešila problematiku kabelových vedení 400 kV. Ani ČSN ani PNE normy, řešící problematiku jiných inženýrských sítí, neznají pojem kabelové vedení 400 kV. Ve většině případů je nejvyšší napěťovou hladinou kabelového vedení, vůči které definují vztahy příslušné sítě, hladina 110 kV. Výstupy této práce budou sloužit také jako podklad pro zahájení diskuze o rozšíření PNE o kabely 400 kV. Práce na této problematice byla rovněž impulsem k zahájení dialogu o definování požadavků na vzájemná křížení mezi provozovatelem přenosové soustavy ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS. Cíle disertační práce a jejich naplnění 1) Rozbor problematiky a analýza elektrických a magnetických vlastností venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Aby bylo možné provést návrh uspořádání trasy kabelového vedení 400 kV vloženého do venkovního vedení, bylo nutné se nejprve zabývat elektrickými vlastnostmi kabelového vedení 400 kV. Byly provedeny výpočtykteré ukázaly, že není možné realizovat kabelové vedení obdobných délek, jako je tomu u vedení venkovních, vzhledem k jeho vysoké kapacitě. Byly také provedeny výpočty demonstrující vliv použití kompenzačních prostředků na potenciální délku kabelového úseku. V následující tabulce jsou uvedeny maximální délky kabelového vedení v km pro jednotlivé provozní stavy. Tučně jsou zvýrazněny hodnoty, se kterými lze reálně počítat. I2 = 2000 A

bez kompenzace

s kompenzací

-

Qkomp = 100 MVAr

Qkomp = 200 MVAr

cos ϕ2 = 1; cos ϕ1 = 1

nelze

9,8

19,59

cos ϕ2 = 1; cos ϕ1 = -0,95

44,8

-

-

cos ϕ2 = 0,9; cos ϕ1 = 1

57,0

-

-

cos ϕ2 = 0,9; cos ϕ1 = -0,95

95,4

-

-

cos ϕ2 = 1; Q1MAX = -50 MVAr

4,9

14,69

24,49

cos ϕ2 = 1; Q1MAX = -100 MVAr

9,8

19,59

29,41

Tab. 1. Maximální délky (v km) kabelového vedení pro jednotlivé provozní stavy Dále byl stejný výpočet proveden pro vedení s paralelními kabely. Použití paralelních kabelů na fázi je výhodné zejména z logistických důvodů a pro snížení počtu spojek. Při použití paralelních kabelů je možné pro požadovanou přenosovou

21

schopnost kabelového vedení použít kabel menšího průřezu, kterého je možno navinout na buben více. Zároveň je možno použít bubnů menších průměrů a hmotností, což zjednoduší přepravu bubnů s kabely na staveniště. Použití paralelních kabelů má však vliv na další snižování délky potenciálního kabelového vedení, jak ukazuje následující tabulka. bez

s kompenzací

kompenzace -

Qkomp = 100 MVAr

Qkomp = 200 MVAr

I2 = 0 A (naprázdno) 3x1x2500 mm2

123

-

-

2

60,82

-

-

2

64,5

-

-

-

-

-

29,41

-

-

-

13,82

3x(2//1x2500 mm ) 3x(2//1x1600 mm ) I2 = 2000 A

3x1x2500 mm2 cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr

4,9

cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr

2

3x(2//1x2500 mm ) cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr

2,31

cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr

2

3x(2//1x1600 mm ) cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr

2,51

-

-

cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr

-

-

15,03

Tab. 2. Maximální délky (v km) kabelového vedení s paralelními kabely pro jednotlivé provozní stavy V dalších kapitolách se práce zabývá účinky atmosférických přepětí na přechod venkovního vedení do kabelového. Jsou popsány přechodné děje, které vznikají v kabelovém vedení při úderu blesku do zemnících lan nebo do fázových vodičů. V grafech z provedených simulací jsou ukázány napěťové průběhy při těchto dějích. Na základě těchto poznatků byly učiněny níže uvedené závěry a doporučení: 1. Pokud není kabel chráněn omezovači přepětí, samo-ochranný účinek kabelu proti atmosférickému přepětí od blízkého úderu do vedení je tím větší, čím je kabel delší. 2. Je nutné chránit kabely omezovači přepětí na obou stranách kabelu. Přitom uvnitř kabelu se vyskytují přepětí až 1000 kV u krátkých kabelů (pod 1 km), u dlouhých kabelů jsou přepětí nižší (800 až 900 kV). 3. Je nutné chránit každý vložený úsek samostatně, to znamená, že každý vložený kabel musí mít dvě sady omezovačů. 4. Omezovače musí být připojeny co nejblíže ke kabelovým koncovkám.

22

5. Není nutné kabely rozdělovat a vkládat další omezovače mezi úseky kabelu. 6. Stožáry v blízkosti přechodu (5 stožárů) do kabelu by měly mít co nejnižší odpor uzemnění. Vyhovující je hodnota 5 Ω, jednotlivé stožáry mohou mít maximálně 15 Ω. Tyto stožáry nesmí zůstat bez zemnících lan, proto je nutné realizovat účinná opatření zabraňující krádeži zemnících lan. 7. Plášť kabelu na koncovce musí být uzemněn s co nejnižším odporem uzemnění, i kdyby byl oddělen omezovačem. Vyhovující hodnota je 1 Ω. 8. Poslední stožár a kabelová koncovka by měly být uzemněny samostatně každý zvlášť a zemnící lana by se neměla propojovat na plášť kabelu, aby nemohly bleskové proudy při úderu do stožáru nebo zemnících lan pronikat přímo do pláště. 9. Doporučuje se vést souběžně s kabely zemnící pásky, a to zejména v případě, že není možné z jiných důvodů dodržet bod 8. Pokud se nedodrží více než jeden požadavek z bodů 6 až 9, hrozí průrazy pláště kabelu do země v délce kabelu s následným pronikáním vlhkosti a korozí pláště. V kapitolách věnovaných magnetickému poli v okolí kabelů jsou uvedeny možnosti odstínění magnetického pole a snížení jeho účinku na osoby a zařízení v jeho blízkosti. Tyto poznatky jsou následně aplikovány na konkrétní řešení v reálné trase. V práci jsou také popsány možné varianty propojení a uzemnění plášťů s uvedením výhod a nevýhod jednotlivých variant provedení. Pro kabely o délce do 500 m lze použít jednobodové připojení plášťů. U delších kabelů se použije rozdělení kabelu na sekce, mezi nimiž se provede vykřížení plášťů, místa s vykřížením se chrání svodiči přepětí. S kabely se vedou souběžné vodiče. Pro způsob uspořádání a propojení není možné stanovit obecně platná pravidla, ale návrh musí být proveden u každého konkrétního vedení pomocí výpočtů na příslušných modelech vedení s vloženým kabelem. S tímto tématem velmi úzce souvisí problematika opětovného zapnutí (OZ) venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS požaduje zachování OZ i na kombinovaných vedeních. Tomuto požadavku je přizpůsoben návrh uspořádání kabelové trasy. Kabely jsou uloženy v rovinném uspořádání s dostatečnou vzájemnou vzdáleností, aby při případné poruše kabelu nedošlo vlivem OZ k poškození i dalších fází. Ve spojkovacích komorách jsou z tohoto důvodu spojky vzájemně odděleny betonovými deskami. Požadavek na zachování OZ i na kombinovaných vedeních je však v rozporu s ustanovením normy ČSN 33 3051 “Ochrany elektrických strojů a rozvodných zařízení“, která povoluje provozování automatiky opětného zapnutí u kombinovaných vedení (venkovní vedení-kabel) pouze tam, kde kabel tvoří velmi krátký úsek nacházející se jako celek na území elektrické stanice (např. vývody

23

z transformátorů, reaktorů, zapouzdřených rozvoden apod.). Tento rozpor lze řešit výjimkou, nebo spíše úpravou příslušné normy. 2) Návrh uspořádání kabelové trasy 400 kV z hlediska vlivu magnetického pole na okolí. Na základě výpočtů magnetických polí a indukovaných napětí a proudů byl proveden návrh optimálního uspořádání dvojitého kabelového vedení 400 kV se dvěma paralelními sadami kabelů v každém vedení s maximálním provozním proudem 1250 A na jednu sadu kabelů, tj. 2500 A na jedno vedení, zejména z hlediska vlivů kabelového vedení na okolí v různých částech trasy. Výpočty byly provedeny pro kabelové vedení s cyklickým vykřížením plášťů po úsecích se stejnou délkou. Uspořádání kabelů v prosté kopané trase 0,5-0,5-2-0,5-0,5 m Bylo doporučeno uspořádání fází L1-L2-L3---L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako vyhovující z hlediska magnetického pole nad kabelovým vedením (nepřekračuje hodnotu 100 T při hloubce uložení kabelů 1,8 m). Uspořádání kabelů v protlaku pod silnicí a železnicí 1-1-2-1-1 m Doporučuje se uspořádání fází L1-L2-L3---L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako vyhovující z hlediska magnetického pole nad kabely (nepřekračuje 100 T při hloubce uložení kabelů 1,8 m). V kopané trase i v protlaku se doporučuje použít alespoň dvě zemnící lana na každou sadu kabelů, umístěná vně krajních fází a dimenzovaná na trvalý proud až 500 A. Výpočet proudů pro dimenzování ZL je nutné zpřesnit při návrhu s konkrétním typem kabelů. Uspořádání kabelů v kabelovém mostě Doporučuje se dvoudílný kabelový most s prostřídaným uložením fází. L3 L1 L3 L1 L2 L2 L2 L2 L1 L3 L1 L3 Magnetické pole v okolí mostu Byla vypočtena zóna v okolí mostu, v níž je magnetické pole vyšší než referenční hodnota 100 T. Tato zóna sahá maximálně 1,4 m od boku mostu. Zóna 100 T by neměla zasahovat do volně přístupného prostoru, proto je nutné použít vhodné zábrany (oplocení). V místech, kde z jakýchkoli důvodů nelze potřebný prostor vymezit, je možné magnetické pole snížit dvěma způsoby: - pomocí stínících feromagnetických desek - přiložením zemnících lan po jednom ke každému kabelu

24

Vzhledem k tomu, že zemnící lana budou ve vloženém kabelovém vedení zcela jistě použita, doporučuje se nezávisle na způsobu jejich vedení v trase vést souběžně s každým kabelem zemnící lano (směrem do chodby) a dosáhnout tím snížení magnetického pole vně mostu o cca 30 %. Magnetické pole uvnitř mostu – v chodbách V těsném okolí kabelu je výrazně překročena referenční hodnota pro zaměstnance 500 T. Limitní hodnota proudové hustoty pro zaměstnance je 10 mA/m2. Vzhledem k velmi slabému elektrickému poli v okolí kabelů odpovídá limitu 10 mA/m2 hodnota magnetického pole cca 1200 T, takže tuto hodnotu lze pro zaměstnance považovat za přípustnou. Pro hodnotu 1200 T bude limitní vzdálenost pro přiblížení obsluhy ke kabelu přibližně 15 cm od povrchu kabelu. V případě požadavku na dodržení referenční hodnoty 500 T pro zaměstnance je nutné vymezit koridor v ose chodby široký 1 m. Uspořádání kabelů v křížení s tranzitním plynovodem 1-1-2-1-1 m Pro křížení s tranzitním plynovodem je voleno shodné uspořádání fází L1-L2-L3--L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako u protlaku pod železnicí s tou odlišností, že kabelové vedení vstupuje až do hloubky 5,2 m a v této hloubce křižuje potrubí. Vzhledem k hloubce uložení nebude nutné dělat žádná opatření pro omezení vlivu kabelového vedení na osoby na povrchu. V tomto případě bude nutné se zaměřit na možné vlivy na potrubní systémy. Je nutné, aby dál pokračoval nedávno zahájený dialog mezi ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS o možných rizicích a možnostech jejich omezení. Uspořádání kabelů v kabelovém tunelu V dvoudílném kabelovém tunelu bude zvoleno stejné prostřídané rozložení fází jako v kabelovém mostě, tedy: L3 L1 L3 L1 L2 L2 L2 L2 L1 L3 L1 L3 V kabelovém tunelu není třeba řešit vliv magnetického pole kabelu na okolí, protože tunel prochází pod povrchem v dostatečné hloubce. Z hlediska vlivu magnetického pole na pracovníky uvnitř tunelu v chodbě se předpokládají stejná opatření jako v kabelovém mostě, a sice že bude vymezen 1 m široký koridor pro pohyb pracovníků provádějících pochůzkovou kontrolu kabelu. Obecné doporučení minimálních vzdáleností při souběhu a křížení s jinými kabely – bezpečná napětí (ČSN 33 2160) Vzhledem k limitu pro indukovaná napětí 230 V by měla být dostatečná minimální vzdálenost souběhu 2 m (vzdálenost mezi krajním kabelem a vedením

25

v souběhu) při délce souběhu 1 km za předpokladu použití zemnících lan v kabelové trase. Vzhledem k rozptylu hodnot parametrů, které mají vliv na výsledné hodnoty, se doporučuje dodržovat u souběhů s délkami řádu stovek metrů bezpečnější vzdálenost minimálně 4 m. U kratších souběhů může být vzdálenost menší. Toto doporučení lze použít i pro úhlová křížení. Indukovaná napětí z hlediska funkce zařízení Druhým posuzovaným kritériem při hodnocení vlivů kabelů na souběžná vedení je vliv kabelu na funkci zařízení připojených na souběžná nebo křižující vedení. Mezní hodnoty jsou závislé na mnoha faktorech, je tedy nutné je řešit případ od případu. To se týká i kabelů drážních sdělovacích a zabezpečovacích zařízení. 3) Řešení křížení kabelové trasy 400 kV s jinými sítěmi technické infrastruktury a přírodními překážkami při prostupu krajinou Hlavním cílem práce bylo převedení teoretických poznatků o vlastnostech a chování venkovních a kabelových vedení do praxe. Výsledkem jsou návrhy konstrukčního a stavebního uspořádání přechodu venkovního vedení do kabelového, prosté kopané trasy, řešení křížení kabelové trasy s jinými sítěmi technické infrastruktury a překonání přírodních překážek. Navržená uspořádání jsou výsledkem optimalizací elektrických a magnetických vlastností kabelových vedení na jedné straně a proveditelných stavebních řešení a postupů na straně druhé, a to vše v rámci akceptovatelné ekonomické a časové náročnosti. V současné době vzniká ve spolupráci s grafickým studiem 3D vizualizace postupu výstavby kabelového vedení. Autor této práce se na její tvorbě podílí jako technický konzultant zodpovědný za technickou správnost vizualizovaných stavebních činností. Tato animace si klade za cíl názorně ukázat laické veřejnosti postup výstavby dvojitého kabelového vedení s paralelními kabely, rozsah stavebních prací a šíři pásma zasaženého výstavbou. V době odevzdání této práce byly vizualizace ve fázi rozpracování. V konečné fázi má vzniknout krátký snímek dokumentující výstavbu kabelového vedení. S jeho využitím je počítáno zejména při veřejných projednáváních tras nových vedení nebo modernizaci stávajících vedení tam, kde bude vznesen požadavek kabelizace úseku vedení 400 kV.

26

7

POUŽITÁ LITERATURA

[1]

CIGRÉ, Working group B1. Statistics of AC underground cables in power networks [online]. Paris: CIGRÉ, 2007[cit. 2013-07-27]. ISBN 978-2858730-261. CIGRÉ, Work Group B1. Update of service experience of HV underground and submarine cable systems [online]. Paris: CIGRÉ, 2009[cit. 2013-07-27]. ISBN 978-285-8730-667. CIGRÉ, Working Group B1. Third-party damage to underground and submarine cables [online]. Paris: CIGRÉ, 2009 [cit. 2013-07-27]. ISBN 978285-8730-858. JUDENDORFER, T.; PACK, S.; MUHR, M. Aspects of High Voltage Cable Sections in Modern Overhead Line Transmission Systems. 2008. DOI: 10.1109/ICHVE.2008.4773876. Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon). EGU - HV LABORATORY. Uspořádání dvojitého kabelového vedené 400 kV. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2011. EGU - HV LABORATORY. Technické řešení vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky 2. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2008. EGU - HV LABORATORY. Přepětí na vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2006. EGU - HV LABORATORY. Technické řešení vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2007. ÚJV ŘEŽ. Kabely 400 kV - posouzené přechodných dějů a jejich účinků, studie proveditelnosti. ÚJV ŘEŽ, 2006. ÚJV ŘEŽ, a.s. Elektrické vlastnosti kabelu 400 kV, studie proveditelnosti. 2006. BERMANN, J. Možnosti přechodu linka - kabel - linka 110 kV. Praha: ABB, 2002. BELATKA, M. a kol. V406/407 Kočín - Mírovka, Studie použití kabelu v trase vedení. Praha: ELEKTROTRANS, 2010. BELATKA, M. a kol. V406-407 - použití kabelu v trase vedení. Praha: ELEKTROTRANS, 2011. BELATKA, M. a kol. Studie na použití kabelu v trase vedení 400 kV V406/407. Praha: ELEKTROTRANS, 2012. CIGRÉ. General Guidelines for the integration of a new underground cable system in the network

[2]

[3]

[4]

[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]

27

[17]

[18]

[19] [20] [21]

[22] [23] [24] [25] [26]

[27] [28] [29] [30] [31] [32]

[33]

28

ČSN 37 5711 ed 2. Drážní zařízení – Křížení kabelových vedení se železničními dráhami. Praha: Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví, 2009. ČSN 75 2130. Křížení a souběhy vodních toků s dráhami, pozemními komunikacemi a vedeními. Praha: Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví, 2011. ČSN 73 6005. Prostorové uspořádání sítí technického vybavení. Praha: Český normalizační institut, 1994. Nařízením vlády č. 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením, ve znění nařízení vlády č. 106/2010 Sb. CIGRÉ, Work Group B1. Update of service experience of HV underground and submarine cable systems. Paris: CIGRÉ, 2009. ISBN 978-285-8730667. JENSEN, C.; ARGAUT, P. 400 kV Underground Cables in Rural Areas. Paris: CIGRÉ, 2006. AANHAANEN, G. L. P. a kol. Modern installation techniques of high voltage cable systems in the Netherlands. Paris: CIGRÉ, 2004. GESCHIERE, A.; WILÉN, D. Optimizing Cable Layout for Long length. High Temperature Superconducting Cable systems. Paris: CIGRÉ, 2008. SAKUMA, S. Experience on 400-500 kV XLPE Insulated Cables and Their Accessories. New York: IEEE, 2000. Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů. Zákon č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním úřadu (stavební zákon), ve znění pozdějších předpisů. ČSN 33 3051. Ochrana elektrických strojů a rozvodných zařízení. Praha: Federální úřad pro normalizaci a měření, 1992. ČEPS. 3D vizualizace kabelové trasy ČSN 73 75 08. Železniční tunely. Praha: Český normalizační institut, 2002. Zákon č. 44/1998 Sb., o ochraně a využití nerostného bohatství (horní zákon), ve znění pozdějších předpisů. ČSN 33 2160. Elektrotechnické předpisy. Předpisy pro ochranu sdělovacích vedení a zařízení před nebezpečnými vlivy trojfázových vedení VN, VVN a ZVN. Praha: Český normalizační institut, 1993. Zákon č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů

CURRICULUM VITAE Jméno:

Martin Belatka

Vzdělání: 2006 – nyní

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky. Postgraduální studium. Státní zkouška složena v roce 2008.

2001 – 2006

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky. Magisterské studium zakončené státní zkouškou v červnu 2006.

Jazyk: Angličtina

29

ABSTRAKT Tématem práce je použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV přenosové soustavy ČR, navržení uspořádání kabelové trasy a návrh řešení křížení kabelového vedení s jinými sítěmi technické infrastruktury nebo přírodními překážkami. Práce ukazuje, co obnáší, v České republice dosud nerealizovaná, výstavba kabelového vedení 400 kV v trase venkovního vedení v praxi. V první, obecné části je věnována pozornost elektrickým vlastnostem jak kabelových vedení, tak kombinovaných venkovních vedení s vloženými kabelovými úseky, z čehož vyplynou omezení maximální realizovatelné délky kabelových úseků. Další kapitoly se zabývají rozborem magnetického pole kabelového vedení, jeho vlivu na okolí a možnostem jeho odstínění. Na základě těchto znalostí je provedena optimalizace navrhovaného uspořádání kabelové trasy tak, aby vyhověla hygienickým limitům. Na vytipovaných lokalitách ve skutečné trase venkovního vedení 400 kV je v další části názorně ukázáno, co by obnášela realizace výstavby kabelových úseků vložených do trasy venkovního vedení 400 kV. Součástí návrhu je i odborný odhad časové a finanční náročnosti výstavby.

30