Není elektrika jako elektrika

Studentská Cena ČEZ o nejlepší diplomovou a doktorandskou práci oslavila v loňském roce svůj 10. jubilejní ročník. Za dobu konání soutěže se jí zúčastnilo 202 studentů, z toho 64 v oboru Výrobní zdroje elektrické energie, 71 v oboru Přenos a akumulace elektrické energie 67 v oboru Užití elektrické energie. Nejlepší diplomovou práci odevzdal a vítězem v této kategorii se v 10. ročníku soutěže stal Jan Šefránek z ČVUT v Praze. Jeho odborná práce naznačuje odpovědi na ryze praktické otázky: je elektrický proud ve vaší zásuvce stejně kvalitní jako ten u souseda?, nebo bude mít stejnou kvalitu i zítra? Prostě – může být takový nebo makový? Práce Kvalita elektrické energie v distribučních soustavách Jana Šefránka dokazuje, že ano.

Proč nás zajímá kvalita elektřiny?

V EU a tedy i v ČR se pohled na kvalitu elektrické energie neustále zpřísňuje. Distribuční společnosti jsou pod přísným dohledem příslušných institucí povinny dodávat konečnému zákazníkovi elektrickou energii předepsané kvality.

Posuzovat kvalitu elektrické energie je nutné od doby, kdy elektrická energie přestala sloužit pouze pro spotřebu výrobce, ale začala se distribuovat a stala se zbožím. Rozvoj techniky přitom přinesl stále častější využívání nelineárních přístrojů a zařízení s proměnlivou provozní charakteristikou (motory, usměrňovače, zářivky, impulsní zdroje, polovodičová technika, atd.). Tyto přístroje a zařízení ale při provozu daleko více zpětně ovlivňují distribuční síť., To pak může rušit i jiné přístroje a zařízení napájené toutéž sítí.
Technické normy, jako je například EN 50 160, definují kvalitu dodávané elektrické energie.Určují řadu charakteristik dodávaného proudu a hodnotí ho pomocí činitelů kvality specifikujících jednotlivá dílčí rušení. Sledují se zejména tyto veličiny:

• kmitočet sítě
  
• velikost napájecího napětí
  
• odchylky napájecího napětí od jmenovité hodnoty, a to:
  
  • rychlé změny napětí
    
  • krátkodobé poklesy napájecího napětí
    
  • krátká přerušení napájecího napětí
    
  • dlouhodobá přerušení napájecího napětí
  
  
• dočasná přepětí mezi vodiči pod napětím a zemí
  
• přechodná přepětí mezi vodiči pod napětím a zemí
  
• nesymetrie mezi fázemi třífázového proudu
  
• obsah vyšších harmonických
  
• obsah neharmonických napětí
  
• dodatečná napětí informačních signálů přítomná v napájecím napětí

Norma definuje kvalitu dodávky elektrické energie jako: „vyhodnocení odchylek technických parametrů dodávané elektrické energie ... od hodnot určených (dohodnutých nebo obecných)“.
S pojmem kvality elektrické energie, zejména s energetickým rušením v síti, úzce souvisí i to, jak jsou přístroje v síti proti rušení odolné a zda nejsou sami zdrojem rušení. Výrobci i uživatelé zařízení musí mít prvořadý zájem na tom, aby jejich zařízení byla odolná proti rušení. Vliv elektromagnetického rušení na řídicí, monitorovací, přenosová a další elektronická zařízení je možné omezit přijetím vhodných opatření. Tyto jevy studuje obor „elektromagnetická kompatibilita EMC“.

Co ovlivňuje kvalitu elektrického proudu

Vyšší harmonické

Napětí v distribučních a průmyslových sítích nemívá čistě sinusový průběh základního kmitočtu 50 Hz, ale obsahuje i jeho celistvé násobky (vyšší harmonické). Největšími zdroji vyšších harmonických napětí jsou zařízení s nesinusovým odběrem proudu. Tato zařízení můžeme rozdělit na:

• zařízení, u kterých vyvolávají nesinusové proudy prvky výkonové elektroniky (usměrňovače, pohony s frekvenčními měniči, pulsní zdroje atd.)
  
• zařízení, která sama vykazují nelineární voltampérové charakteristiky (obloukové pece, plynové výbojky, zářivky, malé transformátory atd.).
  Zařízení vystavené vyšším harmonickým nad hodnotu odolnosti proti rušení je ohroženo zkrácením životnosti, poruchami funkce, chybnou funkcí ochrany nebo i nesprávnou funkcí přijímačů pro hromadné dálkové ovládání atd.

Neharmonické

Neharmonickými složkami rozumíme všechny sinusové průběhy napětí a proudu, jejichž frekvence nejsou celočíselným násobkem frekvence sítě 50 Hz. Tato napětí způsobují přídavná zkreslení napěťové křivky. Na rozdíl od vyšších harmonických nejsou periodická s frekvencí 50 Hz.

Kolísání napětí

Kolísání napětí je rušivý jev, který vzniká při provozu elektrického zařízení s proměnlivým zatížením. Okamžitým zvýšeným zatížení vzroste i napěťový úbytek na elektrickém rozvodu, takže poklesne napětí v odběrových místech. Změny napětí způsobují u světelných zdrojů, především u žárovek, změny světelného toku (blikání, tzv. fliker). Jelikož lidské oko je na blikání velmi citlivé, je žádoucí udržet změny napětí ve velmi úzkých mezích. U konkrétních zařízení jednotlivých odběratelů je proto nutné ověřit, zda změny zátěže jimi vyvolané nepovedou k nepřípustnému blikání..

Nebezpečné jsou z tohoto hlediska obloukové pece, asynchronní motory v okamžiku spouštění, všechny spotřebiče s pulzujícím odběrem a obecně všechny velké zátěže v okamžiku spínání a vypínání. Potlačit kolísání napětí tohoto druhu lze tím, že takováto zařízení připojíme do sítě s dostatečně velkým zkratovým výkonem (zdvojíme přívody, připojíme nový generátor, připojíme do vyšší napěťové hladiny atd.) a případně použijeme statickou nebo dynamickou kompenzaci.

Nesymetrie fází

Nerovnoměrným zatížením některé fáze ovlivňujeme i napětí na fázích ostatních, a to v sítích vn i vvn. . Typickým příkladem jsou jednorázové zátěže, jako jsou indukční a odporové tavící pece, ohřívací zařízení nebo odporové svářečky atd. Jejich nežádoucí vliv lze snížit rozdělením jednorázových zátěží a rovnoměrným rozdělením mezi fázové vodiče, použitím symetrizačního zařízení, připojením přes usměrňovač (pozor na vyšší harmonické) a připojením k místům s vyšším zkratovým výkonem.

Příklady z praxe

Elektrické pece

Typickými rušivými spotřebiči jsou elektrické obloukové pece, protože mívají velké příkony (50 MVA). Obloukové pece se využívají pro tavbu kovů (např. při výrobě oceli) a využívají elektrického oblouku. Dynamický charakter tavby (velké změny proudů během tavení) způsobuje při provozu pecí fázovou nesymetrii, dynamické odchylky napětí, vznik vyšších harmonických. Pro potlačení těchto nepříznivých jevů se využívá řada opatření, např. zapojení transformátoru do Dy (pozn. autora: tj. vinutí vyššího napětí je do trojúhelníka, „D“, vinutí nižšího napětí do hvězdy, „y“), aplikace pasivních a aktivních filtrů, připojení pecí do vyšší napěťové hladiny (s větším zkratovým výkonem), atd.

Problémy s větrnými elektrárnami

Mezi výrobny elektrické energie, u kterých se vzhledem k zpětným vlivům na síť musí při připojování do distribuční sítě dbát zvýšené pozornosti, patří především větrné elektrárny. Ty mají totiž vzhledem na nestálost počasí nesnadno předvídatelný a obtížně regulovatelný okamžitý výkon, což je značný problém především u větrných farem. Navíc se zde využívají asynchronní generátory a polovodičová technika. Při úvahách zda větrnou elektrárnu připojit k síti či nikoli se proto vyhodnocuje změna napětí po připojení, blikání (fliker), vyšší harmonické a nebezpečí, že chod ovlivní zařízení pro hromadné dálkové ovládání. U větrných elektráren hrozí především blikání,, které je zvláště výrazné. Provoz větrných elektráren by tak mohl nepříznivě ovlivnit kvalitu elektrické energie. To však neznamená, že by tento obnovitelný zdroj neměl – v přiměřené směsi s ostatními zdroji elektřiny – své uplatnění.

Literatura

Šefránek J., Kvalita elektrické energie v distribučních soustavách, ČVUT – FEL, 2007
ČSN EN 50160 (33 0122): Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejné distribuční sítě
ČSN EN 61000 – Elektromagnetická kompatibilita
Kodex přenosové soustavy – Bezpečnost provozu a kvalita na úrovni PS, ČEPS, 2007
www.ceps.cz
www.eru.cz
Ing. Jan Šefránek , student doktorského studia na Katedře elektroenergetiky, FEL, ČVUT v Praze
Popisky k obr.:
Průběh napětí při blikání (fliker)
S větrnými elektrárnami je někdy kříž

---

Pořadatel soutěže Cena ČEZ – Energetická společnost ČEZ, a. s. – vypsal pro letošní rok 11. ročník. Potřebné podklady pro podání přihlášky obdrží zájemci na adresách pořadatelů soutěže, na webovských stránkách www.cez.cz/vzdelavaciprogram, http://web.cvut.cz/ctu/research/vysledky/vysledky.htm, oddil Studentske souteze, nebo na studijních odděleních příslušných vysokých škol ČR.¨

Časový plán soutěže: Vyhlášení soutěže 5.4. 2008, konečný termín na doručení soutěžních prací 31. 12. 2008, vyhodnocení leden-únor 2009, vyhlášení výsledků březen 2009.

Ceny pro každou soutěžní kategorii budou nefinanční, účelově vázané (software, odborné stáže, konference atd. - po dohodě s řešiteli oceněných prací) v hodnotě: pro diplomové práce: 1. cena 30 000 Kč, 2. cena 20 000 Kč a 3. cena 10 000 Kč; pro doktorandské práce: 1. cena 40 000 Kč, 2. cena 30 000 Kč, 3. cena 20 000 Kč.

Podrobnosti sdělí koordinátora soutěže Ing. Marie Dufková, ČEZ, a. s., sekce komunikace, Duhová 2/1444, 140 53 Praha 4, tel.: 211042 681, 602769802, e-mail: marie.dufkova@cez.cz