Zvýšení kapacity

Vývoj elektrizační soustavy – distribuční a přenosová soustava

Přenos elektrické energie na větší vzdálenost uskutečnil Thomas Alva Edison v roce 1882 stejnosměrným proudem. V roce 1886 inicioval Nikola Tesla realizaci přenosu střídavým proudem o napětí 2000 V na vzdálenost 30 km. První elektrizační soustavy byly izolované a měly v počátku elektrifikace jednoduchou strukturu (viz obr. 1a, obr. 1b). Distribuční soustavy sloužily k dopravě relativně malých výkonů zdroje na malé vzdálenosti. S postupující industrializací stoupaly nároky na přenášení velkých výkonů do průmyslových objektů, městských aglomerací i do velkých hotelů. Zvyšovala se úroveň napětí a nyní má charakter distribuce dokonce síť s napětím 110 kV. Přenos velkého výkonu nad 1000 MW (1000 milionů wattů) na vzdálenosti i stovky kilometrů je možný jen prostřednictvím vedení velmi vysokého napětí. Původně izolované distribuční soustavy se tedy postupně propojovaly, až nakonec vznikla nadřazená přenosová soustava, síť, která má za cíl přenášet velké množství elektrické energie od mnoha zdrojů (elektráren) do regionálních distribučních sítí. V České republice jsou to vedení o napětí 220 kV, (tj. 220 000 voltů) s celkovou délkou elektrických obvodů cca 1900 km a vedení o napětí 400 kV s celkovou délkou cca 3500 km. Robustní přenosová soustava je tvořena sítí neboli mříží (anglicky grid) a propojuje regiony i státy, viz obr. 4. Jsou na ni kladeny mimořádné požadavky ohledně spolehlivosti, přenášeného výkonu i sofistikovaného řízení.

Spolehlivost přenosové soustavy je naprostou prioritou

Každý občan se s přerušením dodávky jistě setkal. Bez elektrické energie bývají ochromeny životně nutné funkce, což se radikálně projeví již do 24 hodin, kdy je ohroženo poskytování fyziologických potřeb člověka. Světla nesvítí, voda neteče, nefunguje topení a domácí zásoby jsou většinou nedostatečné. V obchodech je tma, čerpadla benzinových stanic jsou mimo provoz, lidé jsou odříznuti od informací, nejezdí tramvaje ani vlaky. Také v průmyslu hrozí velké škody, v elektrických pecích mohou např. ztuhnout vsázky roztaveného železa. Jde de facto o náhlý návrat do předindustriální doby. Místně jsou sice instalovány záložní zdroje, ovšem jen na malé výkony a nouzový provoz, například pro operační sály nemocnic. Při popisu této události se užívá anglického výrazu „black out“ čili doslova „mít výpadek“, „zhasnout“, jenž má i jistý emotivní podtext.

Nové výzvy pro přenosovou soustavu

Požadavky na přenosovou soustavu stoupají a vynořují se nové výzvy: požaduje se vyšší přenášený výkon i větší spolehlivost provozu, kterou ohrožují zejména instalace nových obnovitelných zdrojů s neřiditelnými a proměnlivými výkony. Před vědci, inženýry, ekonomy i politiky stojí několik zásadních rozhodnutí – výzev, jejichž řešení ovlivní nejen technologickou budoucnost, ale i strategické postavení států a jejich bezpečnost.

První výzva spočívá v řešení současných aktuálních požadavků v krátkodobém horizontu. Výstavba nového vedení je dlouhodobá záležitost. Celková doba realizace projektu výstavby zahrnuje projednání trasy s majiteli pozemků, administrativní přípravu, schvalovací řízení na lokálních i celostátních úřadech a vlastní výstavbu. Tento proces trvá u nás i v zahraničí minimálně 10 roků. Bylo by možné rekonstruovat existující linky, například použitím teplotně odolnějšího materiálu vodiče. Jiné řešení by spočívalo v novém závěsu vodiče s větší vzdáleností od země, jenž by dovolil zvýšení provozního napětí. Jako nejefektivnější se ukazuje využití existující elektrizační přenosové soustavy a zvýšení přenosové kapacity prostřednictvím průběžné optimalizace provozu v závislosti na konkrétních parametrech prostředí.

Druhá výzva se týká řiditelnosti toků v přenosové soustavě, jež je dosud mezinárodně „pevně“ propojena. Je třeba řešit dosud nekontrolovatelné toky velké energie přes regiony i státy, vznikající zejména v důsledku velkého vyráběného výkonu větrných elektráren. Příkladem může být přenos výkonu ze severu Spolkové republiky Německo do Polska a do České republiky a přes jejich sítě do zahraničí. Parametry zatížení některých zařízení mohou v takových případech překračovat technické limity. Tím by byla ohrožena nejen jedna přetížená linka, ale hrozil by i následný rozpad celé přenosové soustavy. Nejznámější obranou před těmito neregulovanými přetoky jsou speciální transformátory s řízeným posuvem fáze (PST – Phase Shifting Transformers) instalované v přeshraničním propojení, jež regulují protékající výkon.

Třetí výzva souvisí se strategickým rozhodnutím s dlouhodobým horizontem o budování nových supervýkonných přenosových linek (elektrických dálnic). Ty by měly sloužit pro dopravu přenášených výkonů ze vzdálených oblastí bohatých na zdroje elektrické energie do vzdálených oblastí s velkou spotřebou. Takové řešení vyžaduje úzkou spolupráci v rámci regionů a států. Jedná se o transkontinentální linky (Evropa, Afrika, Čína, Sibiř, Kazachstán atd.). Známým příkladem je třeba úvaha o využití Sahary pro fotovoltaické zdroje a následný přenos vyrobené energie do severních oblastí s menší intenzitou slunečního záření.

Uvedené příklady mají jednoho společného jmenovatele: potřebu elektrických vedení s velkou přenosovou schopností (střídavých i stejnosměrných).

Zvýšení přenosového výkonu současnými vedeními – teoretický model

Řešení spočívá ve využití teoretického modelu ohřevu vodičů linky, který modeluje dynamický ohřev vodiče v měnících se podmínkách okolního prostředí. Tento postup umožňuje dynamické určování maximálního přenášeného proudu, jenž je v převážné většině času podstatně vyšší než dosud normou dovolený. Přenosová kapacita elektrického proudu se nově nazývá ampacita (složení dvou slov ampér a kapacita).

Vodiče venkovních vedení přenosové soustavy jsou zavěšeny ve volné atmosféře na stožárech, obr. 3. Vodičem je obvykle hliníkové lano s nosným ocelovým jádrem umístěným ve středu lana. Vodičem protéká elektrický proud a ohřívá jej (Joulovy ztráty). K tomuto se přičítají další příspěvky k jeho zahřívání, jako např. energie slunečního záření. Současně je vodič ochlazován výkonem odváděným do okolí (ochlazující účinek větru). Výkonová bilance je znázorněna na obr. 5.

Maximální dovolený jmenovitý elektrický proud je v současných normách odvozen od nejvyšší dovolené teploty vodiče (obvykle 80 °C). Do této teploty nedochází ke snížení mechanických parametrů materiálu vodiče ani k jeho stárnutí a je zajištěn dlouhodobý spolehlivý provoz. Současně se předpokládá nejvyšší teplota okolí 35 °C, tedy nejnižší teplotní rozdíl 45 °C pro chlazení – odvod ztrátového výkonu do okolí. Dále se uvažují: rychlost větru 0,5 m/s, úhel vektoru rychlosti větru vzhledem k vodiči 45° a intenzita slunečního záření 1000 W/m². Pro tyto konstantní (nejméně příznivé) parametry ohřevu a chlazení je odvozeno 100% zatížení vedení jmenovitým proudem, tzn. 100% jmenovitá ampacita. Ve skutečnosti se parametry chlazení mění a při dodržení konstantní nejvyšší teploty by se pak odpovídající maximální dovolený elektrický proud také měnil. Ampacita pak není konstantou, ale dynamickým parametrem – dynamickou ampacitou.

Na zjednodušeném příkladu lze ilustrovat vliv okolní teploty na ampacitu. Při teplotě vodiče 80 °C a teplotě okolí 35 °C je rozdíl teplot vodiče pro chlazení 45 °C. Předpokládejme, že chladivost je lineárně závislá na rozdílů teplot. Jestliže bude teplota okolí minus 10 °C, pak je rozdíl teplot vodiče a okolí 90 °C a poměr rozdílů teplot 90 °C/45 °C je roven dvěma. Při uvažovaném zjednodušení je pak odváděný výkon z vodiče také dvojnásobný. Protože Joulovy ztráty průchodem vodiče jsou úměrné druhé mocnině proudu (R.I2), pak lze maximální proud zvýšit 1,41 krát, tedy o 41 % oproti normované hodnotě.

Teoretický model dynamické ampacity respektuje všechny parametry pro vodič o nekonečné délce a při stálých podmínkách chlazení. To v reálných podmínkách venkovního vedení není splněno. Předpověď počasí je sice poměrně přesná, meteorologické stanice měří parametry v prostoru čtverců s půlkilometrovou stranou, ale podél dlouhé přenosové linky mohou existovat lokální rozdíly teplot, rychlosti větru i slunečního svitu. Teoreticky to lze respektovat, ale pro praxi postačuje zjednodušený model s konstantními parametry podél linky, což bylo experimentálně ověřeno na skutečné lince společnosti ČEPS, dlouhé 60 km.

Závěry pro aplikaci v provozu

Teoretický model ohřevu vodiče přenosové linky umožňuje stanovit dynamickou ampacitu (zatížitelnost vodiče elektrickým proudem). Přesnost předpovědi ampacity je závislá zejména na přesnosti předpovědi okolní teploty. Pro praxi má velký význam předpovídání ampacity, jež může být kontinuální, a třídění do období vhodných pro dispečerské rozhodování. Na obr. 6 je příklad znázorněné ampacity v závislosti na čase pro 24 hodin (horní obr.) s jedenáctihodinovou historií (šedivá plocha), hodinovým intervalem aktuální ampacity (žlutá plocha) a desetihodinovou předpovědí budoucí ampacity (zelená plocha). Obdobně je na dolní části obrázku 6 znázorněna ampacita pro období týdne. Lze samozřejmě volit intervaly tak, aby vyhovovaly dispečerským pravidlům řízení elektrizační soustavy v normálním i nouzovém režimu i k rozhodování ekonomickému.

Na obr. 7 je ukázka statistického vyhodnocení krajních mezí ampacity v ročním období v poměrných hodnotách. Byly určeny pro vedení s jmenovitým proudem 2100 A (100% statická ampacita). Z obr. 7 je zřejmé, že ampacita 100 % je omezena na standardní hodnotu pouze v letních měsících a ve dne. V noci a mimo letní měsíce teplota okolí statisticky nedosahuje nejvyšší hodnoty a ampacita je pak vyšší, až 140 %. Tuto statistickou ampacitu je možné uvažovat jako směrné a informativní hodnoty a užít je k rozpracování dlouhodobých prognóz.

Souhrn

Elektrizační přenosová soustava je páteří elektroenergetiky, jejíž spolehlivost má pro Českou republiku ekonomický, sociální, ekologický i bezpečnostní a politický význam. Proto před vědci, inženýry, ekonomy i politiky stojí zásadní rozhodnutí – strategie její koncepce. To má srovnatelný význam jako rozhodnutí o jaderné elektrárně (přenosovou soustavu nelze substituovat, zatímco zdroje elektřiny ano). Článek uvádí řešení jednoho z problémů přenosové soustavy a navrhuje nový přístup definování maximálního přenosového výkonu prostřednictvím teoretického modelu linky – dynamické ampacity. Tato problematika byla předmětem jednání jako prioritního tématu na CIGRE 2012, kde prezentovali své výsledky i zástupci ČR.

Vše se zdá teoreticky jasné a bez rizika rychle prakticky aplikovatelné. Již zbývá „jen“, aby takto definovaná dynamická „ampacita“ byla řádně a oficiálně zahrnuta do norem.

Autoři děkují doktorandovi Ing. J. Šnajdrovi za pomoc při zpracování obrázků.