Rozvodny a transformační stanice

V praxi se často jednotlivé typy elektrických stanic kombinují a na jednom místě jsou třeba dvě rozvodny, transformovna a kompenzační stanice. A celé to nese zjednodušené označení rozvodna.

Vnější provedení rozvodny je typické pro sítě 110 kV a výš. Jednotlivé prvky takové rozvodny jsou rozloženy na venkovním prostranství, které zabírá poměrně velkou plochu. Je to z důvodu dodržení izolačních vzdáleností mezi vodiči pod napětím ve vzduchu. Pro nejvyšší napětí jsou to řádově metry. I když existuje alternativní způsob vnitřního modulového (zapouzdřeného) provedení rozvodny velmi nebo zvlášť vysokého napětí, převažující většina těchto rozvoden je venkovních, protože jsou přehlednější a levnější.

Vícenásobné systémy přípojnic se používají spíše výjimečně pro dosažení vyšší spolehlivosti a flexibility zapojení. Někdy se k hlavním přípojnicím přidává ještě jedna pomocná přípojnice, která umožňuje provozovat vybranou odbočku i při revizi nebo poruše jejího hlavního vypínače. Pomocná přípojnice je totiž napojena na odbočku až za výkonovým vypínačem, kdežto hlavní přípojnice před ním. Vícenásobné systémy přípojnic jsou vždy ještě vybaveny příčnými spínači, vzájemně propojujícími jednotlivé přípojnice. Manipulace přepojení vývodu odbočky na jinou přípojnici se v rozvodnách provádí dálkově z centrálního nebo místního dispečinku, bez přerušení provozu a dodávky elektřiny.

Při větších a delších rozvodnách jsou všechny přípojnice děleny i podélně. Malé rozvodny, obsahující jen 2 vývodová pole a 2 pole pro transformátory s jedním příčným propojením, se často zapojují do tvaru písmene H.

Zapouzdřené provedení se využívá u všech napěťových úrovní od vysokého napětí až po zvlášť vysoké napětí. Úspora místa je patrná například z porovnání šířky jednoho pole rozvodny zvlášť vysokého napětí. Zatímco pole venkovní rozvodny s lanovými přípojnicemi má šířku kolem 30 metrů, pole stejné zapouzdřené rozvodny, které tvoří jeden modul s několika sekcemi, je široké jen 4 metry. Celková zastavěná plocha vypovídá o minimalizaci ještě přesvědčivěji – zapouzdřená rozvodna je 40krát menší než klasická venkovní rozvodna. Zhuštění a zapouzdření rozvodny mnohdy navozuje dojem, že se nejedná o elektrické zařízení, ale rozvodna spíše připomíná parní a vodní potrubí nějaké elektrárny.

Prvky zapouzdřené rozvodny se montují již ve výrobním závodě, takže vynikají velkou spolehlivostí, dlouhou životností a krátkou dobou kompletace na místě instalace. Všechny živé části elektrických vedení pod napětím jsou hermeticky uzavřeny v přetlakových pouzdrech bez možnosti náhodného dotyku, co činí zapouzdřené rozvodny dostatečně bezpečné pro obsluhující personál. Přítomnost izolačního plynu SF6 umožňuje provádět rychlé a efektivní manipulace podle potřeb přenosového nebo distribučního dispečinku. Zatím jedinou nevýhodou zapouzdřených rozvoden je vyšší cena, spojená s přesnou výrobní technologií, hermetičností všech zařízení a složitější, i když méně častou údržbou. Z ekologického hlediska může být ještě problematický izolační plyn SF6, který patří do kategorie tzv. skleníkových plynů ohrožujících ozonovou vrstvu.

Na nejvyšší napěťové úrovni 400 kV existují v České republice zatím jen tři zapouzdřené rozvodny. Dvě vlastní provozovatel přenosové soustavy ČEPS, a. s. na pražském Chodově a v transformovně v Chotějovicích, třetí je ve vlastnictví společnosti ČEZ, a. s. a nachází se u přečerpávací elektrárny Dlouhé Stráně v Jeseníkách. Rozvodna v Praze využívá část zapouzdřených komponent původně určených pro vodní dílo Gabčíkovo-Nagymaros, kde se z důvodu omezení výstavby nevyužily. Chotějovická rozvodna vznikla při požadavku vyvedení výkonu Nového zdroje v Ledvicích do sítě 400 kV. Zapouzdřená 400 kV rozvodna u elektrárny Dlouhé Stráně se skládá z dvou polí a slouží k vyvedení výkonu elektrárny do blízké rozvodny Krasíkov. Rozvodna je spojena s dvojicí blokových transformátorů umístěných v podzemní kaverně kabely zvlášť vysokého napětí.

Zapouzdřené rozvodny nižších napěťových úrovní se používají častěji a většinou při výstavbě nových rozvoden se volí právě zapouzdřené provedení. Při životnosti kolem 50 let a minimální obsluze je to výhodná investice do budoucna.

Kioskové transformační stanice patří k moderním prvkům distribuce. Samotný transformátor, rozvaděče vysokého a nízkého napětí i řídicí elektronika jsou uzavřeny v prefabrikovaném kiosku, chránícím tato technologická zařízení před nepřízní počasí a zamezujícím přístup nepovolaným osobám. Materiálem kiosku je většinou beton, ale používají se i montované plechové nebo zděné kiosky. Velkou výhodou kioskových trafostanic je jejich montáž ve výrobním závodě, takže na místě určení mohou stát již za několik dní a po připojení k elektrickým rozvodům jsou ihned plně funkční. Vzhledem k jednoduchosti, použité technologii a dálkovému ovládání jsou kioskové trafostanice prakticky bezúdržbové, minimální jsou i jejich náklady na provoz. Modulární skladba kioskové trafostanice umožňuje zvolit z velkého množství variant přesnou konfiguraci vnitřního uspořádání podle konkrétního odběrového místa. Částečně volitelný je i tvar a barevné provedení DTS.

Podle účelu se transformační stanice dělí na distribuční, odběratelské a dodavatelské. Distribuční trafostanice slouží k napájení veřejných rozvodných sítí nízkého napětí směřujících do měst a obcí nebo k napájení menších podnikatelských subjektů. Jsou ve vlastnictví distribučních společností. Větší odběratelé mají zpravidla vlastní lokální distribuční soustavu s odběratelskou trafostanicí, která jim patří, a jsou připojeni přímo k distribuční síti vysokého napětí. Specifickým typem kioskových transformačních stanic jsou dodavatelské trafostanice určené pro vyvedení menších výkonů lokálních zdrojů elektrické energie (fotovoltaických, větrných nebo malých vodních elektráren do cca 600 kW) do distribuční úrovně vysokého napětí.

Sloupová, příhradová nebo věžová transformační stanice

Venkovní sloupové transformační stanice jsou nejpoužívanějším a nejlevnějším typem distribučních prvků, které převádějí vysoké napětí na poslední stupeň standardního nízkého napětí 400/230 V. Nízkonapěťová soustava distribučních společností dále již jen rozvádí elektrickou energii odběratelům. Jak název napovídá, nejčastěji se u těchto stanic jedná o menší distribuční transformátor umístěný na konzole sloupu nadzemního elektrického vedení.

Sloupové trafostanice najdeme ve všech částech republiky na odbočkách nebo koncích vysokonapěťových paprskových vedení. Z ekonomického hlediska je vhodné vést elektrickou energii vysokonapěťovými linkami až k potenciálnímu místu spotřeby a tam umístit převodní transformátor.

Historicky nejstarší jsou zděné věžové trafostanice – štíhlé domky v obci nebo krajině s rovnou nebo sedlovou střechou, od kterých se rozbíhají vedení nízkého napětí do všech obydlených koutů. Vysoké napětí je k věžové trafostanici přivedeno v horní části jedné ze stěn, ostatní tři strany slouží většinou jako startovací body paprskových nízkonapěťových čtyřvodičových nadzemních rozvodů. Alternativou samozřejmě mohou být nízkonapěťové vývody zemními kabely.

Věžová trafostanice je pomyslně po výšce rozdělena na tři části. V horní třetině se na vnější straně nachází izolátory k upevnění vstupních a výstupních vedení a bleskojistka, chránící vedení vysokého napětí před přepětím způsobeným bleskem. V prostřední části jsou na vnitřním sestupném vysokonapěťovém vedení proudové pojistky. V dolní části trafostanice je na úrovni země postaven distribuční transformátor a naproti němu na zdi je umístěn rozvaděč nízkého napětí. Pro případ poruchy je pod transformátorem vybudována jímka pro zachycení uniklého oleje. Věžové trafostanice mívají často malá okýnka se žaluziemi, sloužící k odvodu tepla a odvětrávání vnitřního prostoru stanice.

Dalším typem malých stožárových trafostanic jsou ocelové příhradové trafostanice. Jejich typická konstrukce vychází z dříku svařeného z válcovaných L profilů a montované konzoly, ve výšce přibližně 4 metry, pro uložení transformátoru. Vedení vysokého napětí je k transformátoru vedeno přes pojistky soustavou krátkých vodičů na izolátorech. Součástí přívodu může být ještě omezovač přepětí nebo třífázový odpínač. Zařízení vysokého napětí musí být z důvodu bezpečnosti umístěna minimálně 5 metrů nad zemí.

Nejčastěji se v příhradových trafostanicích používají olejové transformátory s výkonem 160, 250, 400 a 630 kVA. Transformované nízké napětí je kabelovým svodem v ochranné trubce svedeno do spodní plechové skříně s rozvaděčem NN. V rozvaděči se nachází hlavní jistič a jističe všech vývodů nízkého napětí, případně přístroje pro měření celkového odběru elektrické energie. Materiálem stožárů příhradových trafostanic je ocel, která je ve venkovním prostředí náchylná ke korozi. Proto jsou tyto konstrukce pravidelně kontrolovány a ošetřovány ochrannými nátěry. V porovnání s věžovými trafostanicemi mají ty příhradové menší náklady na výstavbu, ale vyšší nároky na pravidelný servis.

Nejlevnější a taky nejčastěji používané jsou sloupové distribuční trafostanice. Roli stožáru nesoucího vedení i transformátor zastává obyčejný sloup z předpjatého betonu ukotvený v betonovém základu (v odlehlých místech se lze setkat ještě s historickými dřevěnými sloupy). V horní části sloupu se nachází příčné rameno s izolátory pro přívodní vysokonapěťové vedení. Nejběžnějším typem je vedení holými vodiči nebo splétanými AlFe lany. V poslední době se ovšem i u nadzemního vedení prosazují izolované vodiče nebo slaněné závěsné kabely. Na střední části sloupu je přimontována ocelová konzole pro uložení distribučního transformátoru. Mezi přívodem a transformátorem jsou bezpečně vysoko, stejně jako u příhradové trafostanice, umístěny pojistky vysokého napětí.

Jednosloupové trafostanice bývají primárně osazeny jedním transformátorem s olejovým chlazením do výkonu 400 kVA. Transformátory zajišťující ještě větší dodávky elektrické energie se kvůli stabilitě obvykle umisťují na vícesloupové stanice, které tvoří dva, tři nebo čtyři betonové sloupy spojené ocelovými konzolami. Standardem pro dvousloupovou trafostanici je olejový transformátor s výkonem 630 kVA. Nízkonapěťovou část sloupových trafostanic zastupuje masivní skříňový rozvaděč umístěný hned nad zemí a odolávající nepříznivému počasí i mechanickému poškození. Rozsah a charakter výzbroje jednotlivých sloupových trafostanic je obdobný.

Podle místa použití rozeznáváme vývodové a přípojnicové odpojovače. Vývodové odpojovače slouží k viditelnému odpojení daného vývodu od rozvodny. Po plném rozpojení je většinou odpojovač uzemněn pomocí zemnícího nože a tím se vedení a zařízení vývodu spojí s potenciálem země a jsou připravena k případné revizi nebo práci na daném zařízení. Druhým typem odpojovačů jsou přípojnicové odpojovače. Jak již název napovídá, slouží k vnitřnímu propojení přípojnic a zpravidla nebývají osazeny systémem uzemnění.

Podle mechanického provedení se odpojovače dělí na čtyři skupiny. První jsou rotační odpojovače, často používané ve venkovních rozvodnách velmi vysokého a vysokého napětí. Při odpojování se ramena zařízení otočí v horizontální rovině o 90°, čímž se kontakty od sebe dostatečně oddálí. Principem podobné jsou sklápěcí odpojovače, u kterých se ramena pohybují ve vertikální rovině. Ve spojeném stavu jsou ramena vodorovně a v prostředku se dotýkají, po rozpojení se kontakty zvednou a ramena se dostanou do vertikální polohy. Třetí skupinou jsou jednodušší nožové odpojovače, používané především ve vnitřních rozvodnách vysokého napětí. V nich je nožový pohyblivý kontakt zasunut mezi dva pružné kontakty. V případě odpojení je nožový kontakt viditelně vysunut z těchto kontaktů. Poslední skupinou jsou nůžkové neboli pantografické odpojovače. Používají se ve venkovních rozvodnách a podobají se tramvajovým pantografům. Při zapojování se obě ramena jako nůžky vysunou nahoru a spojí se s kontaktem přípojnice.

Pohonem všech typů odpojovačů je elektromotor, stlačený vzduch nebo u odpojovačů menšího významu je to izolovaný pákový mechanizmus ovládaný obsluhou ručně.

Podobným zařízením jako odpojovače jsou odpínače, které jsou mechanicky uzpůsobeny k odpojení zatíženého vedení. Jsou schopny vypínat protékající proudy až do hodnoty jmenovitého vypínacího proudu odpínače. Velké zkratové proudy vypnout nedokáží, ale musí je přenášet bez poškození.

Mimo rozvodnu lze třífázové odpínače spatřit na sloupech a stožárech vysokého napětí, kde plní funkci úsečníků, dělících venkovní vedení na několik kratších úseků. Při ručním rozpojení pomocí táhla jsou nejdříve rozpojeny hlavní kontakty a jejich funkci přebírají opalovací kontakty (ve formě růžků). Jejich dalším oddálením vzniká elektrický oblouk, který se působením elektrodynamických sil pohybuje směrem nahoru ke koncům růžků, natahuje se a postupně uhasíná.

Modernějším typem venkovního odpínače s možností dálkového ovládání a prvky řídicí automatizace je recloser. Tento ochranný prvek je vlastně vysokonapěťovým jističem s integrovanými napěťovými a proudovými senzory, který v případě přechodných poruch automaticky odpojí a znovu připojí postiženou větev vedení. Pokud se na určitý počet pokusů nepodaří postižený úsek znovu připojit, zůstává recloser v blokovaném rozpojeném stavu. K vypínání proudů používají reclosery nejčastěji vakuové vypínače nebo vypínače plněné plynem SF6. Kromě dálkového ovládání je u většiny recloserů zachována i možnost ručního místního vypnutí nebo zapnutí. Reclosery se stále častěji používají na odbočkách vysokonapěťových vedení, při realizaci venkovních spínacích stanic a rozpadových míst při připojování malých zdrojů do distribuční soustavy.

Nejdůležitějším zařízením spínací techniky je výkonový vypínač. Jeho primárním úkolem je vypnutí daného pole v rozvodně, pokud se objeví nějaké přetížení nebo zkratová situace na vedení, případně jiném prvku sítě. Vypínač tak dokáže vypínat nebo zapínat libovolné provozní proudy, včetně těch zkratových. Při každém takovém vypnutí dochází k vytvoření elektrického oblouku, který musí být spolehlivě a bezpečně uhašen. Základní dělení mechanické konstrukce a principu výkonových vypínačů je proto podle způsobu zhášení elektrického oblouku.

Mnohem nebezpečnější jsou krátkodobá vnější přepětí, způsobená úderem blesku do vedení. Důsledkem těchto přepětí by mohly být poškozeny především výkonové transformátory, proto se musí každé vedení proti úderu blesku chránit. Nejjednodušším a nejúčinnějším způsobem je natažení zemnícího lana nad venkovní fázová vedení. Zemnící lano je na každém stožáru uzemněno, takže příležitostní zásah bleskem okamžitě svedou do země. Přepětí ale úplně neodstraní. To je nutné uskutečnit dalšími způsoby. Jednoduchý způsob například spočívá v umístění uzemněné elektrody v určité vzdálenosti od živých vedení. Při větším přepětí nastane mezi elektrodou a vedením průraz a přepětí je svedeno do země. Tomuto zapojení se říká ochranné nebo koordinační jiskřiště. Velkou nevýhodou použití ochranného jiskřiště je neschopnost vypnutí při opětovném poklesu napětí. Vypnutí přes jiskřiště zkratovaného vedení musí provést vypínač. Jiskřiště se v zapojení rozvoden často používají společně s bleskojistkami jako záložní řešení likvidace přepětí.

Trubkové bleskojistky jsou vyrobeny z trubky z plynotvorného materiálu, ve které je umístěna tyčová elektroda a zhášecí dutina. Při výrazném přepětí dochází k přeskoku mezi elektrodami bleskojistky a prostřednictvím oblouku je vedení zkratováno se zemí. Z plynotvorného materiálu se přitom uvolňuje plyn, který proudí dutou elektrodou a pomáhá hasit elektrický oblouk. Cesta pro svedení přebytečného náboje do země se tak uzavře.

Ještě lepším způsobem svedení nebezpečného přepětí je využití ventilové bleskojistky. Když se nebezpečně zvýší napětí v síti, tato analogie pojistného ventilu v tlakové nádobě omezí vzniklé přepětí svedením přebytečného náboje do země. Pak se jako ventil uzavře a čeká na své další zapůsobení. Ventilová bleskojistka se skládá ze sériových jiskřišť a napěťově závislých nelineárních odporů. Při průchodu rázové přepěťové vlny je dosaženo zápalného napětí jiskřiště bleskojistky, nastane průraz a bleskojistkou začne téct proud. Napětí se sníží na úbytek napětí na pracovním odporu. Po svedení přebytečného náboje do země odpor začíná růst a proud klesá až na hodnotu následného proudu, který je v jiskřišti přerušen při prvním průchodu proudu nulou.

Existují i bezjiskřišťové omezovače přepětí, využívající nelineární VA charakteristiku bloků specifických odporů (například ZnO). Při normálním provozním napětí jsou odpory zavřené a protéká jimi jen malý kapacitní proud kolem 1 mA. Když napětí vzroste v řádu desítek procent, nelineární odpory se podobně jako polovodiče otevřou a teče jimi velký proud (v řádu kA). Tato vlastnost nelineárního omezovače je využívána při eliminaci nebezpečného přepětí. Velkou výhodou nelineárních odporů je okamžitá reakce na vzniklé přepětí – proud jimi začne protékat již za několik nanosekund.