Kompenzace a zemní spojení

Měřicí přístroj ukazující účiník kapacitního nebo induktivního charakteru

Kompenzace a zemní spojení

Prvky rozvodné soustavy neustále protéká elektrický proud, a protože jejich impedance není nulová, vznikají na nich úbytky napětí a ztráty Jouleovým teplem. Celkový proud tekoucí vedením se skládá z činné složky vyrobené v elektrárně z primárního zdroje a z jalové složky, která se jen přelévá z místa na místo. Činný výkon se na rozdíl od jalového mění v koncovém spotřebiči na užitečnou práci. Jalový výkon je ovšem potřebný, z fyzikálního hlediska, pro správnou činnost některých spotřebičů – slouží především k vytváření elektromagnetických polí spotřebičů induktivního charakteru (elektromotorů, zářivkových svítidel, svářeček nebo obloukových pecí). Při vytváření magnetického pole se elektrický proud zpožďuje za napětím a vzniká fázový posun φ. Kosinus tohoto fázového posunu je definován jako účiník, hodnota kterého se může pohybovat v intervalu od 0 do 1. Čím více se účiník blíží k jedničce, tím více je přenášený zdánlivý výkon tvořen činným výkonem, jsou menší ztráty přenosem a distribuční soustava je využívána efektivněji.

Kondenzátorová baterie ze statických kondenzátorů slouží v rozvodně k účinné kompenzaci jalové spotřeby odběratelů

Kompenzace jalového proudu

Co ale dělat, když je v soustavě přebytek jalového výkonu? Řešením je jeho kompenzace prvky, které dodávají do sítě kapacitní výkon působící opačně na fázový posun. Nejčastěji jsou takovými prvky kompenzačního zařízení paralelně připojované statické kondenzátory. Kondenzátorové baterie mohou být pevné nebo regulované a v distribuční soustavě nacházejí své místo především při kompenzaci jalové spotřeby velkoodběratelů a při regulaci toku jalového výkonu starších nekompenzovaných zdrojů, jakými jsou například větrné nebo fotovoltaické elektrárny.

Někdy jsou kondenzátorové baterie ještě chráněny proti přetížení hradícími tlumivkami, jejichž indukčnost je volena s ohledem na minimální rušení signálu HDO. Kompenzace s tlumivkami se používá v částech sítě se zvýšeným harmonickým zkreslením způsobeným nelineárními spotřebiči, jakými jsou například usměrňovače, středofrekvenční pece a frekvenční měniče.

Porovnání toků výkonů v distribuční síti bez kompenzace a s instalovanou kompenzací jalového výkonu

Optimální zapojování jednotlivých kondenzátorů řídí mikroprocesorový regulátor prostřednictvím výkonových stykačů (obyčejných nebo vakuových) nebo tyristorů. Rychlá bezkontaktní tyristorová kompenzace je charakteristická pro oblast telekomunikací a oblast strojírenství s poměrně rychlou změnou proudové zátěže (jeřáby, bodovky, svářečky, řízené pohony).

Mikroprocesorový regulátor kompenzace jalového výkonu v řídicí skříni

V sítích vysokého napětí mají odběratelé zákonnou povinnost odebírat elektrickou energii s účiníkem v pásmu 0,95 až 1. Pokud skladba jejich spotřebičů posouvá odběr mimo tyto hodnoty, je odběratel penalizován za neoprávněné dodávky jalové energie do sítě distribuční společnosti.

Synchronní rotační kompenzátor, který je instalován na TR Krasíkov, je určen pro kompenzaci jalových výkonů a k regulaci napětí sítě

U odběratelů využívajících dlouhá kabelová vedení vysokého napětí se může stát, že převládá kapacitní charakter dodávky elektrické energie. Toto překompenzování sítě může být jednoduše vyváženo zapojením dekompenzační tlumivky, dodávající do sítě určitou indukčnost. Tlumivka může být do sítě zapojena samostatně, nebo pomocí regulovaných kaskád.

Jiným zařízením používaným ke kompenzaci jalových výkonů je rotační kompenzátor, obyčejně zapojovaný do terciárního vinutí výkonového transformátoru. Je to v podstatě synchronní motor pracující bez mechanického zatížení. Změnou jeho buzení lze v dostatečném rozpětí regulovat dodávku nebo spotřebu jalové energie, udržovat napětí a stabilitu sítě. Používá se často ke kompenzaci průmyslových sítí, jejichž odběr jalového výkonu je víceméně stabilní bez dynamických rázů.

K zemnímu spojení vysokonapěťových vedení může dojít při dotyku větve vedle stojícího stromu

Kompenzace zemního spojení

Zemní spojení vzniká na elektrickém trojfázovém vedení v důsledku poruchy izolace jedné z fází a jejím vodivým spojením se zemí. Místem spojení protéká jen malý poruchový proud kapacitního charakteru. Na rozdíl od zemního spojení protéká při zkratu několikanásobně větší proud, než je proud nominální (provozní).

Při zemním spojení mohou vznikat různé nežádoucí jevy. Nejzávažnějším je elektrický oblouk způsobující elektrické zkraty, destrukci vodičů, izolátorů i celých stožárů. Nestabilita oblouku způsobuje nebezpečné přepětí, zvláště pokud je zemní spojení přerušované. Aby bylo možné vysokonapěťové sítě dočasně provozovat i při zemním spojení, je nutné vzniklé zemní proudy kompenzovat pomocí různých způsobů spojení uzlu transformátoru sítě se zemí.

Nejjednodušší sítí je malá síť vysokého napětí s izolovaným uzlem transformátoru, který nemá žádné napětí proti zemi. Při zemním spojení jedné z fází klesne její napětí na nulu, uzel dostává fázové napětí a ostatní dvě fáze mají proti zemi sdružené napětí. Kapacitní proud protékající zemí je poměrně malý (5 až 10 A), takže je možné celou soustavu po nějakou dobu provozovat. V blízkosti zemního spojení je třeba dát pozor na krokové napětí. Sítě s izolovaným uzlem transformátoru jsou většinou provozovány v průmyslových závodech a v případě vlastních spotřeb tepláren a elektráren.

U vyšších napěťových úrovní (VVN a ZVN) a taky u sítí nízkého napětí se používá síť s uzemněným uzlem transformátoru. V případě zemního spojení klesne napětí poškozené fáze na nulu, ale napětí ostatních fází zůstává fázové. Zemí prochází velký zkratový proud a celá soustava musí být kvůli bezpečnosti okamžitě vypnuta.

V rozsáhlejších vysokonapěťových distribučních sítích převládá uzemnění uzlu transformátoru přes zhášecí tlumivku. Zhášecí se jí říká proto, že svým indukčním proudem kompenzuje kapacitní proud v místě zemního spojení a přispívá tím k uhašení hořícího oblouku. Indukčnost zhášecí tlumivky by měla být regulovatelná (například změnou vzduchové mezery jádra cívky) podle aktuální velikosti kapacitního zemního proudu. Soustavy s uzemňovací tlumivkou (zhášené) se mohou provozovat po určitou dobu i se zemním spojením až do jeho odstranění. Minimalizují se tím výpadky napájení bezpečnostně a ekonomicky důležitých odběrných míst. V distribučních soustavách jsou zhášecí tlumivkou vybaveny sítě napěťové úrovně 22 a 35 kV.

Odporník mezi uzlem sítě a zemí zajistí u zemního spojení v kabelové síti utlumení přepětí a rychlé vypnutí zapůsobením ochran

U kabelových sítí často přechází trvalé zemní spojení ve zkrat. Proto je u těchto sítí výhodnější propojovat uzel se zemí přes rezistor – odporník. Ten způsobí utlumení přepětí při zemních poruchách a zajištění dostatečného proudu pro činnost ochran, které rychle vypnou postižený úsek sítě.