01
Základní pojmy:
Energetická soustava je soubor výroben energie (elektrické, tepelné) se zařízením pro rozvod a spotřebu. Energetickou soustavu je možno členit na elektrizační soustavu a teplofikační soustavu.
Elektrizační soustava (ES) je soubor zařízení pro výrobu, přenos, transformaci a distribuci elektrické energie včetně elektrických přípojek a přímých vedení a systémů měřicí, ochranné, řídicí, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Přehledové schéma elektrizační soustavy je na obr. 1.1.
Přenosová soustava (PS) je část elektrizační soustavy, která tvoří přenosovou cestu pro napájení velkých stanic nebo uzlů, zpravidla vyššího napětí (zvn, vvn - 400, 220, část 110 kV). Představuje páteřní rozvedení výkonu z velkých elektráren po celém území ČR. Schéma přenosové soustavy zobrazuje obr. 1.2.
Distribuční soustava soustava (DS) je část elektrizační soustavy, která slouží pro dodávku elektrické energie odběratelům. Patří sem okružní a paprsková síť vvn, vn, nn (110; 35; 22; 0,4 kV), tedy regionální a lokální distribuční soustavy pro rozvod a užití elektrické energie.
Propojená elektrizační soustava je soustava, která vznikla propojením elektrizačních soustav několika zemí se společným operativním řízením. V současné době funguje v Evropě systém UCTE (Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity), který představuje sdružení provozovatelů přenosových soustav v kontinentální Evropě. Na obr. 1.3 jsou znázorněny propojené energetické soustavy v Evropě.
Obr. 1.1: Přehledové schéma elektrizační soustavy
Obr. 1.2: Schéma rozvodné sítě v ČR
Obr. 1.3: Propojené energetické soustavy v Evropě
Zvyšováním napětí zvyšujeme přenášený výkon, aniž bychom zvyšovali ztráty přenosem.
(udávají se vždy sdružené hodnoty napětí)
V jiných zemích se pak používají i vyšší hodnoty např. 750 kV a 1 150 kV.
Sítě lze dělit dle různých hledisek.
Obr. 1.4: Schéma paprskové sítě
Obr. 1.5: Schéma okružní sítě
Obr. 1.6: Schéma mřížové sítě
Obr. 1.7: Venkovní vedení vn a nn v obci
Pro potřebu jednoznačného definování charakteru sítě a způsobu použité ochrany bylo vytvořeno mezinárodní značení, složené z písmen a číslic.
První písmeno vyjadřuje, jak je zapojen uzel soustavy. Druhé písmeno říká, jakým způsobem je v soustavě provedena ochrana neživých částí. Další písmena za pomlčkou se uvádějí pouze v síti TN a označují, jak je proveden ochranný vodič.
1. písmeno:
T - uzel sítě je přímo uzemněný
I - uzel sítě je izolovaný (nebo uzemněný přes velkou impedanci)
2. písmeno:
T - neživé části spotřebičů jsou přímo uzemněné
N - neživé části spotřebičů jsou spojené s ochranným vodičem
3. písmeno (pouze síť TN):
C - spojený (kombinovaný) ochranný a střední vodič
S - oddělený (separovaný) ochranný a střední vodič
C-S - ochranný a střední vodič jsou nejprve spojené, pak jsou rozdělené v určitém místě (už se pak nikdy nesmí spojit)
Příklad označení sítě:
3 PEN ∼50 Hz 3x230/400 V / TN-C
Jedná se o třífázovou střídavou síť NN, tři fáze a vodič PEN, 50 Hz, 230/400V. Vodič PEN plní současně funkci ochranného i středního (pracovního) vodiče.
Uzel sítě je přímo uzemněný (T), neživé části spotřebičů jsou spojené s ochranným vodičem (N). Ochranný vodič je oddělený od vodiče středního (S). Ochranný vodič se uzemňuje na řadě míst, viz kapitola 7 (Ochrany před nebezpečným dotykem). Tato soustava se dnes používá nejčastěji pro domovní i průmyslové instalace nízkého napětí. Oproti dříve používané soustavě TN-C je bezpečnější právě z důvodu oddělení ochranného vodiče od vodiče středního. Schéma sítě TN-S je na obr. 1.8, kde je znázorněno i připojení třífázového a jednofázového spotřebiče k této síti. Všimněte si také, že vodič PE, ani N, ani PEN se nikdy nejistí!
Obr. 1.8: Zapojení soustavy TN-S
Uzel sítě je opět přímo uzemněný (T), neživé části spotřebičů jsou spojeny s ochranným vodičem (N), ale ochranný vodič je zde spojený se středním vodičem (C). Toto zapojení se používalo dříve, dnes jsou v soustavě TN-C prováděny např. domovní přípojky a hlavní domovní vedení.
Síť TN-C s připojením třífázového a jednofázového spotřebiče je na obr. 1.9.
Obr. 1.9: Zapojení soustavy TN-C
Uzel sítě je přímo uzemněný (T), neživé části spojené s ochranným vodičem (N), pak následuje část sítě provedená jako TN-C (kombinovaný ochranný vodič se středním) a v určitém místě se provede rozdělení ochranného a středního vodiče, takže dále pokračuje síť TN-S. Oba vodiče se pak již nikdy nesmí spojit! Příkladem je domovní instalace, kdy až do bytové rozvodnice je rozvod proveden v síti TN-C, v bytové rozvodnici se rozdělí vodič PEN na PE a N a dále pokračuje již síť TN-S (viz. obr. 1.10).
Obr. 1.10: Zapojení soustavy TN-C-S
Uzel sítě je přímo uzemněný (T), neživé části jsou též přímo uzemněné samostatným uzemněním nezávislým na uzemněném bodu sítě. Tato síť se používá např. na staveništích. Schéma sítě TT je na obr. 1.11. Neživé části spotřebičů mohou být uzemněné buď zvlášť, nebo skupinově.
Obr. 1.11: Zapojení soustavy TT
Uzel sítě je izolován, nebo spojen se zemí přes velkou impedanci (I), neživé části jsou přímo uzemněné (T). Neživé části mohou být spojeny se zemí jednotlivě, po skupinách, nebo jsou navzájem spojeny jedním uzemněným vodičem. Sítě IT se mohou provozovat se středním vodičem, ale většinou se provozují bez něho. Jako sítě s izolovaným uzlem se provozují např. venkovní sítě vn, vvn. Zapojení soustavy IT ukazuje obr. 1.12. Velká impedance (cívka) se zapojuje do uzlu kvůli kompenzaci kapacitních zemních proudů, které u sítě IT vznikají při zemním spojení (podrobně v kapitole o poruchových stavech).
Obr. 1.12: Zapojení soustavy IT
Třífázovou soustavu lze zapojit dvěma různými způsoby - do hvězdy a do trojúhelníka. Tato zapojení se podrobně probírala v předmětu základy elektrotechniky ve 2. ročníku, proto je zde jen zopakujeme a připomeneme.
V tomto zapojení jsou konce všech tří vinutí spojeny do jednoho uzlu. Potom vzniká možnost vyvést v této soustavě z uzlu čtvrtý (střední) vodič. V této soustavě jsou pak dva druhy napětí:
− fázová napětí - mezi fází a nulou (uzlem) - Uf (UA, UB, UC),
− sdružená napětí - mezi fázemi - U (UAB, UBC, UAC).
Ve fázorovém diagramu jsou fázová napětí vzájemně posunutá o 120º. Sdružená napětí bychom dostali jako rozdíly napětí fázových, např. UAB = UA - UB atd. Mezi vektorem fázového a sdruženého napětí je vždy úhel 30º.
Vektorový součet všech tří fázových napětí musí dát nulu, podobně jako součet všech tří okamžitých hodnot fázových napětí. Schéma zapojení třífázové soustavy do hvězdy a odpovídající fázorový diagram je na obr. 1.13, kde jsou zakreslena i všechna fázová a sdružená napětí.
Z fázorového diagramu (viz pravoúhlý trojúhelník o stranách UA, UB, `\frac {U_{AB}}{2}`) lze též odvodit vztah mezi fázovým a sdruženým napětím:
`U_f = \frac {U} {\sqrt 3}`
Obr. 1.13: Zapojení třífázové soustavy do hvězdy a odpovídající fázorový diagram
Konec vinutí jedné fáze je připojen vždy na začátek následující fáze (viz obr. 1.14). Nevzniká zde tedy žádný uzel a napětí je pouze jednoho druhu. Proudy jsou ale jednak fázové, jednak síťové. Pro oba proudy platí analogický vztah jako v předchozím případě pro napětí: `I_f = \frac {I} {\sqrt 3}`
Obr. 1.14: Zapojení třífázové soustavy do trojúhelníka a odpovídající fázorový diagram
Vodiče pro silnoproudý rozvod jsou důležitou součástí elektroenergetické soustavy. Proto je musíme správně navrhnout dimenzovat a jistit.
Vodič
je elektrický materiál určený k vedení proudu. Představuje širší pojem než kabel. Každý vodič má jádro a izolaci, které dohromady tvoří tzv. žílu. Podle toho, zda je izolace pevná, či ji tvoří pouze vzduch, můžeme vodiče dělit na izolované a holé.
Kabel
se skládá z více žil, které mají ještě další společnou izolační vrstvu. Kabel pak může mít i více vrstev společné izolace, případně plášť, pancíř a další obaly.
Velmi důležitý je tvar a provedení jádra vodiče.
Obr. 1.15 Tvary jader vodičů
Skinefekt - průchodem střídavého proudu vodičem se vytvoří ve vodiči střídavé magnetické pole, které indukuje ve vodiči vířivé proudy. Vířivé proudy vytvoří vlastní magnetické pole, které působí proti původnímu proudu vodičem. Proud ve vodiči je vytlačován k povrchu vodiče. Skinefekt zvyšuje odpor vodiče a v jeho důsledku dochází k nadměrnému zahřívání izolace, což by mohlo vést k průrazu. Skinefekt se zvyšuje s větší frekvencí, při frekvenci 50 Hz je proud na povrchu vodiče přibližně o 1 % větší než uprostřed.
Obr. 1.16: Provedení jader vodičů
Příklady různých vodičů jsou na obr. 1.17, 1.18 a 1.19.
Obr. 1.17: Izolovaný pětižilový vodič s měděným plným jádrem
Obr. 1.18: Izolovaný čtyřžilový vodič s hliníkovým složeným jádrem a izolací PVC
Obr. 1.19: Kabely 110 kV se složeným hliníkovým jádrem, vnitřní izolací ze zesíťovaného PE a vnější izolací z HDPE
Obr. 1.20: Svazkové vodiče AlFe - 4 lana pro 1 fázi
Obr. 1.21: Svazkové vodiče AlFe - 3 lana pro 1 fázi
Obr. 1.22: Přípojnicový systém
Obr. 1.23: Trolejové vedení
V současné době se u nás používají dva systémy značení vodičů a kabelů.
Příklad: 1-CYKY 3Jx2,5 znamená: vodič pro nízké napětí, materiál jádra měď, izolace žíly PVC, jedná se o kabel pro pevné uložení, společná izolace je PVC, 3 žíly, barevná kombinace: černá, světle modrá, kombinace zelená se žlutou, průřez 2,5 mm2.
Označení dle tohoto systému má devět pozic, přičemž mezi V. a VI. pozicí je pomlčka:
I II III IV V - VI VII VIII IX
Příklad: H05 VVH - F3G2,5 znamená: vodič dle harmonizovaného předpisu, pro napětí do 300/500 V, izolace žíly PVC, společná izolace PVC, ploché rozdělitelné vedení, měděné jádro, z tenkých drátů pro pohyblivé uložení (šňůra), 3 žíly, má ochranný vodič, průřez 2,5 mm2.
Pro barevné značení vodičů platí norma ČSN 33 0166, ed. 2: 2002, výběr z této normy viz. tab. 1.1.
Vodič | Označení písmenem | Barva |
Fázový vodič AC - holý | L1, L2, L3 | Oranžová |
Fázový vodič AC - izolovaný | U, V, W | Černá, hnědá, šedá |
Střední vodič | N | Světle modrá |
Ochranný vodič | PE | Kombinace zelená se žlutou |
DC - kladný pól | L+ | Tmavočervená |
DC - záporný pól | L- | Tmavomodrá |
Vodič PEN | PEN | Kombinace zelená se žlutou |
Tab. 1.1: Barevné značení vodičů
Vodiče je možné ukládat různými způsoby, např. v zemi, ve zdi, v trubkách, na lávkách atd. Norma ČSN 33 2000 předepisuje tzv. referenční způsoby uložení vodičů, které se pak označují písmeny, viz tab. 3.1, kapitola 3.2.1.
[1] Elektronická učebnice - olomoucký kraj - Elektrotechnika.
Dostupné z https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne
[2] KULHÁNEK Eduard: EN3, interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
[3] BEŠTA M: Značení kabelů a vodičů.
Dostupné z http://www.mbest.cz/wp-content/uploads/2013/01/T2.1a-Kabely.pdf
[4] FENCL František: Elektrický rozvod a rozvodná zařízení, ČVUT 2003
[5] www.ceps.cz
Obr. 1.1 Přehledové schéma elektrizační soustavy: Kulhánek Eduard. EN3. Kapitola 1. Interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
Obr. 1.2 Schéma rozvodné sítě v ČR: Údaje o PS. In: ČEPS, a.s. Technická infrastruktura. [online]. ©ČEPS, a.s. 2016. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Cinnosti/Technicka-infrastruktura/PublishingImages/Mapa_siti_CZ.PNG
Obr. 1.3 Propojené energetické soustavy v Evropě: Synchronní propojené oblasti v Evropě [obrázek]. In: Přenosová soustava elektrické energie [online]. Ing. Martin Galetka, Ph.D, 11.1.2016. [vid. 6. 3. 2016]. Energetika.tzb-info. Dostupné z http://energetika.tzb-info.cz/elektroenergetika/13676-prenosova-soustava-elektricke-energie
Obr. 1.4 Schéma paprskové sítě: archiv autorky
Obr. 1.5 Schéma okružní sítě: archiv autorky
Obr. 1.6 Schéma mřížové sítě: archiv autorky
Obr. 1.7 Venkovní vedení vn a nn v obci: archiv autorky
Obr. 1.8 Zapojení soustavy TN-S: Síť TNS. [obrázek]. In: Elektronická učebnice - kraj olomoucký - Elektrotechnika - sítě TN. Síť TN-S. [online]. ELUC kraj olomoucký. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/391. Původní zdroj: KALÁB Pavel, STEINBAUER Miroslav. Bezpečnost v elektrotechnice. ©VUT Brno. 2011
Obr. 1.9 Zapojení soustavy TN-C: Síť TNS. [obrázek]. In: Elektronická učebnice - kraj olomoucký - Elektrotechnika - sítě TN. Síť TN-S. [online]. ELUC kraj olomoucký. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/391. Původní zdroj: KALÁB Pavel, STEINBAUER Miroslav. Bezpečnost v elektrotechnice. ©VUT Brno. 2011.
Obr. 1.10 Zapojení soustavy TN-C-S: Síť TN-C-S. [obrázek]. In: Elektronická učebnice - kraj olomoucký - Elektrotechnika - sítě TN. Síť TN-C-S. [online]. ELUC kraj olomoucký. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/391. Původní zdroj: KALÁB Pavel, STEINBAUER Miroslav. Bezpečnost v elektrotechnice. ©VUT Brno. 2011.
Obr. 1.11 Zapojení soustavy TT: Síť TT. [obrázek]. In: Elektronická učebnice - kraj olomoucký - Elektrotechnika - sítě TT. [online]. ELUC kraj olomoucký. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: . Původní zdroj: KALÁB Pavel, STEINBAUER Miroslav. Bezpečnost v elektrotechnice. ©VUT Brno. 2011.
Obr. 1.12 Zapojení soustavy IT: Síť IT. [obrázek]. In: Elektronická učebnice - kraj olomoucký - Elektrotechnika - sítě IT. [online]. ELUC kraj olomoucký. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: . Původní zdroj: KALÁB Pavel, STEINBAUER Miroslav. Bezpečnost v elektrotechnice. ©VUT Brno. 2011.
Obr. 1.13 Zapojení třífázové soustavy do hvězdy a odpovídající fázorový diagram: Kulhánek Eduard. EN3. Kapitola 1. Interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
Obr. 1.14 Zapojení třífázové soustavy do trojúhelníka a odpovídající fázorový diagram: Kulhánek Eduard. EN3. Kapitola 1. Interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
Obr. 1.15 Tvary jader vodičů: Kulhánek Eduard. EN3. Kapitola 2. Interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
Obr. 1.16 Provedení jader vodičů: Kulhánek Eduard. EN3. Kapitola 2. Interní materiál VOŠ a SPŠE F. Křižíka
Obr. 1.17 Izolovaný pětižilový kabel s měděným plným jádrem: archiv autorky
Obr. 1.18 Izolovaný čtyřžilový vodič s hliníkovým složeným jádrem a izolací PVC: archiv autorky
Obr. 1.19 Kabely 110 kV se složeným hliníkovým jádrem, vnitřní izolací ze zesíťovaného PE a vnější izolací z HDPE: archiv autorky
Obr. 1.20 Svazkové vodiče AlFe - 4 lana pro 1 fázi: QUINGDAO DINGXING. 400KV transmission line high voltage angle steel tower. [fotografie]. Electric Transmission Line Steel Tower. [online]. Dostupné z: http://towerdx.en.alibaba.com/product/1003505544-219014291/400KV_transmission_line_high_voltage_angle_steel_tower.html. Formát: 254x248
Obr. 1.21 Svazkové vodiče AlFe - 3 lana pro 1 fázi: archiv autorky
Obr. 1.22 Měděné přípojnice: Přípojnicový systém RiLine 60. [obrázek]. In: Přípojnicové systémy. [online]. MM průmyslové spektrum. [vid. 14. 2. 2016]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/systemove-stavebnice-pro-stavbu-nizkonapetovych-rozvadecu.html
Obr. 1.23 Trolejové vedení: archiv autorky