Prístup k elektrickej energii sa stal neodmysliteľnou súčasťou našich životov. S narastajúcou spotrebou a komerčnou výrobou elektrickej energie vznikala čoraz väčšia potreba bezpečne a spoľahlivo ju ovládať. S približovaním sa ku koncovému odberateľovi sa vykonáva transformácia napätia z vyšších napäťových úrovní na úrovne vysokého napätia. Zvládnutie technológií komponentov vysokého napätia preto bolo kľúčovou súčasťou spoľahlivej distribúcie elektrickej energie.

Základnými prvkami v procese distribúcie elektrickej energie sú elektrické stanice prepájajúce elektrické siete rôznych prúdových a napäťových sústav. V súčasnosti sú novobudované elektrické stanice vysokého napätia (vn) vybavované krytými rozvádzačmi s požadovanou napäťovou úrovňou. Prostredníctvom moderných rozvádzačov je v porovnaní s minulosťou naplnenie podstaty funkcií elektrických staníc jednoduchšie. Nasadzovanie rozvádzačov vysokého napätia má dnes široké spektrum aplikácií, najpočetnejšie využitie majú v inštaláciách distribučných a odberateľských transformačných staníc.

Vzhľadom na nové materiály a procesy vo výrobe množstva rozvodných zariadení prechádzajú rozvádzače vysokého napätia od predchádzajúceho kvantitatívneho nasadzovania k ich dnešnej kvalitatívnej výmene. Značný technický pokrok v oblasti priemyselnej informatiky a automatizácie sa podpísal na dnešných vlastnostiach a dizajne rozvodných zariadení. Rozvodné zariadenia vn sa aj naďalej vyvíjajú. Vynakladá sa tiež snaha o nahradenie zhášadla SF6 ekologickejšími rovnocennými alternatívami v budúcnosti.

Rozvádzače vysokého napätia

Podľa literatúry sú rozvádzače vn definované ako zostavy spínacích a riadiacich zariadení zahŕňajúce spínacie prístroje a ich kombinácie s pridruženými riadiacimi, meracími, ochrannými, ovládacími a regulačnými zariadeniami. Zostavy obsahujú aj príslušné prepojenia, príslušenstvo, kryty a nosné konštrukcie týchto zariadení (STN EN 62271-1: 2009).

História rozvádzačov vysokého napätia

Na základe realizácií prvých vysokonapäťových prenosových liniek na striedavý prúd z minulého storočia sa začali objavovať dnešné známe prenosové a distribučné siete. Za 120 rokov, od začiatkov experimentovania s technológiami na prenos a rozvod jednosmerného a striedavého prúdu, sa dnešné distribučné siete vyvinuli do takej miery, že pre prvých priekopníkov by boli na nepoznanie. Prvé zmienky o inštaláciách vysokonapäťových elektrických staníc sú spomenuté v literatúre z roku 1900. Spočiatku bolo ich vyhotovenie veľmi jednoduché a zamerané výhradne na technickú funkcionalitu. Bezpečnostné požiadavky a plocha ich pôdorysu boli na okraji záujmu (Raitakovski – Rytoft, 2014).

S rastúcimi prevádzkovými skúsenosťami sa optimalizácia parametrov a vyhotovenie elektrických staníc výrazne menili. Jednou zo zmien bolo zavedenie krytu elektricky vodivých častí z oceľového plechu na úrovni vn s cieľom ochrany operátorov pred živými časťami stanice a ohrozením vyplývajúcim z porúch na zariadeniach. Tie sa časom vyvinuli do dnešného štandardu rozvádzačov s kovovým krytom odolným proti vnútornému oblúku. Ďalším významným krokom bolo použitie porcelánu (neskôr epoxidu) ako izolátora. Jeden aspekt, ktorý sa časom zmenil len veľmi málo, je izolačné médium. V súčasnosti je väčšina inštalovaných rozvádzačov vo svete stále izolovaná vzduchom.

Plynom izolované rozvádzače (SF6) predstavila v 80. rokoch 19. storočia spoločnosť Siemens v jednofázovom vyhotovení. Riešenie izolácie plynom v puzdre všetkých troch fáz súčasne je v porovnaní s jednofázovým vyhotovením rozmerovo kompaktnejšie. Z toho dôvodu výrobcovia túto technológiu aplikujú najčastejšie. Dnešné či už vzduchom, alebo plynom izolované rozvádzače sú vysoko optimalizované s ohľadom na bezpečnosť obsluhy, funkčnosť, spoľahlivosť a pôdorysné rozmery. Voľba izolačného média rozvádzača závisí od prevádzkových podmienok a špecifických požiadaviek zákazníka (Raitakovski – Rytoft, 2014).

Vývoj spínacích prístrojov pre vysoké napätie umožnil bezpečne pripojiť viacero výrobných jednotiek a väčšie odbery na jedno elektrické vedenie. Na začiatkoch boli preferované spínacie zariadenia vn konštruované na princípe zhášania elektrického oblúka prúdom vzduchu. Druhým štádiom technologického vývoja bolo používanie krytých olejových vypínačov v aplikáciách vn. Príklady pôvodne používaných olejových vypínačov sú zobrazené na obr. 2.

Ďalším stupňom vývoja vypínačov vn bolo použitie technológie zhášania oblúka, založenej na elektronegatívnom plyne SF6. Prvý patent na vypínač s plynom SF6 bol podaný vo Westinghouse v roku 1951. Trvalo približne ďalších 10 rokov, kým sa vypínače s technológiou SF6 dostali na trh. Dnes najmodernejšie a dominantné sú vypínače založené na technológii využitia vákua (Raitakovski – Rytoft, 2014; Oulton, 2012).

Rovnako ako vypínače mal na súčasnom stave rozvádzačov svoju zásluhu aj vývoj všetkých ostatných zariadení a softvéru. V posledných niekoľkých desaťročiach nastal veľký pokrok vo vývoji technológie chránenia zariadení pred poruchami. Pôvodné elektromechanické relé sú dnes nahradené modernými digitálnymi ochranami s viacerými funkciami. Vývojom prechádzajú aj spôsoby merania prúdu a napätia, ktoré sa dnes v závislosti od účelu a druhu komponentu, na ktoré sú meracie zariadenia pripojené, postupne nahrádzajú elektronickými senzormi (Raitakovski – Rytoft, 2014).

Prechod od kobkových rozvodní k rozvádzačom

Odbočky tvoriace kobkové rozvodne vn sú medzi sebou oddelené nehorľavými stenami. Úlohou týchto stien je zabrániť preskoku elektrického oblúka medzi susednými odbočkami (kobkami). Rovnakú úlohu majú aj vodorovné alebo šikmé priečky, ktoré v jednotlivých kobkách oddeľujú prípojnice od prístrojov. Kobkové rozvodne sa riešili podľa rozsahu vybavenosti odbočiek ako dvojpriestorové alebo jednopriestorové. Praktické usporiadanie prívodov a vývodov vyžadovalo hlavne pri vonkajších vedeniach časté použitie nástenných polokobiek. Kobkové rozvodne s jednoduchými prípojnicami sú obvykle riešené v nástennom vyhotovení (Janíček a kol., 2012).

Historický nárast spotrebovanej elektrickej energie spôsobil, že parametre vn rozvodu narastali vo výkone aj v počte odbočiek. Z hľadiska hospodárnosti situácia vyžadovala, aby sa rozvodné stanice situovali pokiaľ možno v centre spotreby elektrickej energie. Klasické kobkové rozvodne vn túto požiadavku nespĺňali. Prvé rozvádzače vn sa svojím technickým vyhotovením takmer zhodovali s kobkovými rozvodňami. Pole, resp. kobka, boli zabezpečené plechovými dverami a krytmi. Prístrojové osadenie bolo totožné ako v kobkových rozvodniach.

Použitie špeciálnych prístrojov prispôsobených iba skriňovým rozvádzačom a nahradenie vzduchovej izolácie prípojníc pevným izolantom (epoxidové živice, mechanické izolovanie prípojníc) bolo rozhodujúcim krokom v konštrukčnom vyhotovení skriňových rozvádzačov. Vyvinuli sa nové vyhotovenia výkonového vypínača s výsuvnými kontaktmi, takže v daných aplikáciách nahradili odpojovače a zostrojili sa prístroje s viacerými funkciami. Začali sa využívať káblové koncovky s integrovanými prístrojovými transformátormi prúdu, ktoré zároveň plnia funkciu spodného výsuvného kontaktu. Inováciami sa dosiahli značné úspory potrebného priestoru, čo malo za následok zmenšenie celkových rozmerov samotných rozvádzačov. Vývoj spínacích prístrojov s malými požiadavkami na údržbu znížil potrebu častých kontrol niektorých ich súčastí, ktoré sú vystavené erózii vplyvom elektrického oblúka (Varga – Ilenin, 2007; STN EN 62271-200, 2012).

Na obr. 4 je znázornený historický prehľad vývoja dizajnu rozvádzačov vn, zľava: Belledonne, Fluair, Venus a MCset.

Výhody skriňových rozvádzačov vn oproti kobkovým rozvodniam sú tieto:

  • dlhá bezporuchová prevádzka najmä vďaka presnej sériovej výrobe v továrni, typovým skúškam, skratovej odolnosti, deklarovaným hodnotám zaťažiteľnosti a zaručeným izolačným vlastnostiam,
  • zvýšená ochrana pred vznikom oblúka a úrazom elektrickou energiou,
  • možnosť umiestniť rozvádzač priamo v prevádzke,
  • malý objem jednotlivých skríň,
  • jednoduchá preprava,
  • kusové skúšky sú vykonávané vo výrobnom závode,
  • pomerne krátky čas montáže,
  • možnosť jednoduchého rozšírenia v prípade rozšíriteľných rozvádzačov (Varga – Ilenin, 2007).

Oproti kobkovým rozvodniam majú rozvádzače vn nasledujúce nevýhody:

  • komplikácie v súvislosti s pripojením vzdušných vedení,
  • problematická kontrola častí vn rozvádzača (tento problém čiastočne rieši výsuvné vyhotovenie výkonového vypínača),
  • nižšia prehľadnosť inštalovaných zariadení,
  • obmedzené možnosti pri nevšedných aplikáciách,
  • eventuálna vyššia cena (Varga – Ilenin, 2007).

Súčasný stav vysokonapäťových rozvádzačov

Moderné rozvádzače vn sú určené pre širokú oblasť aplikácií distribúcie elektrickej energie a priemyselného použitia pri plnení požiadavky na prevádzku bez údržby (Meravý a kol., 2012). Pri zachovaní spoľahlivej a bezpečnej distribúcie elektrickej energie sa moderné rozvádzače vn opierajú o viacero technológií zabezpečujúcich spoľahlivú a bezpečnú súčinnosť všetkých spínacích, ochranných, riadiacich a meracích zariadení (Raitakovski – Rytoft, 2014). Variabilita vyhotovenia elektrických staníc je dosiahnutá ich modulárnosťou. Na jej základe možno vyšpecifikovať ľubovoľnú zostavu polí. V distribúcii elektrickej energie sa najčastejšie používajú kombinácie polí kompaktných rozvádzačov predstavujúce polia s vývodom na transformátor (s poistkovým odpínačom alebo vypínačom s ochranou a prúdovými transformátormi) a prívodné polia s odpínačom (príp. s vypínačom) (Meravý a kol., 2012). Na obr. 5 je znázornený príklad usporiadania elektrických prvkov v poli rozvádzača vn a jeho hlavná elektrická schéma.

Nasadzovanie moderných rozvádzačov vysokého napätia

Rozvádzače vn sa dnes používajú vo všetkých odvetviach energetiky a priemyslu. Okrem početného zastúpenia v distribučných staniciach sa rozvádzače vn používajú aj v niektorých špeciálnych aplikáciách.

Potreba zabezpečenia elektrickou energiou efektívne, rýchlo a často na ťažko prístupných miestach si vyžiadala existenciu elektrických kontajnerových staníc. Takto riešené stanice umožňujú znížiť časovú náročnosť výstavby a maximálne optimalizovať technologicky zastavanú plochu (Šindler, 2017). Kompletné stanice sú kompaktné, továrensky integrované a testované celky umožňujúce bezpečnú distribúciu elektrickej energie. Takto riešené rozvodne zväčša obsahujú všetky potrebné technológie klasických rozvodní (transformátory, rozvádzače vn s prístrojmi riadenia motora a dátového prenosu, vzduchotechniku, klimatizáciu, UPS, riadiace a kontrolné systémy budov a pod.).

Elektrické rozvodne integrované do kontajnerových blokov sú ideálnym riešením pre projekty energeticky ťažko prístupných priemyselných miest, ako sú napríklad ropné plošiny, odľahlé inžinierske siete a veľké FVE. Výhody rozvodní umiestnených v kontajneroch vyplývajú z vlastností použitých certifikovaných kontajnerov ISO (Schneider Electric, 2015). Na distribúciu elektrickej energie v lodnej doprave na úrovni vn sa využívajú špeciálne prispôsobené rozvádzače navrhnuté na použitie v námorníctve. Dizajn rozvádzačov vn využívaných v lodnej doprave sa vyznačuje nasledujúcimi vlastnosťami:

  • menšie vonkajšie rozmery oproti klasickým kompaktným vn rozvádzačom (väčšinou iba dve napájacie skrine pre vn sieť),
  • možnosť automatického prekonfigurovania siete vn po detekcii poruchy,
  • zvýšená ochrana osôb,
  • odolnosť proti vibráciám,
  • vyhovuje normám pre lodnú dopravu IACS,
  • nízko umiestnené ťažisko,
  • odolnosť zariadenia proti vonkajším vplyvom, obzvlášť v prostredí s agresívnou atmosférou (Schneider Electric, 2016).

Na obr. 6 sú príklady konfigurácie zabezpečenia napájania elektrických rozvodov vn plavidiel a) zaslučkovaním vedení vn, b) lúčovitým rozvodom.

Vďaka malým rozmerom rozvádzačov izolovaných plynom sú dnes montované do obmedzených priestorov. Na obr. 7 je zachytený proces montovania kompaktného rozvádzača vn izolovaného plynom priamo do obmedzeného priestoru v stožiare veternej turbíny.

Záver

V príspevku bola stručne prezentovaná dôležitosť efektívneho prenosu, distribúcie a rozvodu elektrickej energie. Boli vymenované základné komponenty prenosového reťazca elektrickej energie s poukázaním na dôležitosť elektrických rozvádzačov. Samostatné časti príspevku sa venovali histórii vývoja vysokonapäťových rozvádzačov, súčasnosti a zároveň boli v stručnosti prezentované aktuálne výzvy súvisiace s touto problematikou. Záver príspevku bol zameraný na aplikačné oblasti rozvádzačov vysokého napätia.

Poďakovanie

Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt Zvyšovanie energetickej bezpečnosti SR, ITMS 26220220077, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra

[1] JANÍČEK, František – ARNOLD, Augustín – ŠEDIVÝ, Juraj a kol.: Elektrické stanice. Bratislava: STU 2012. 189 s. ISBN 978-80-227-3678-7.

[2] MERAVÝ, Ján – HERMAN, Martin – JUDINY, Vladimír – SUROVÝ, Peter: Elektrotechnická spôsobilosť pre elektrikárov na vysokom napätí. Trenčín: Ing. Ján Meravý 2012. 283 s. ISBN 987-80-89576-01-2.

[3] OULTON, Richard. 2012. High-voltage products. [online]. In: The corporate technical journal ABB Rewiew special report, 2013, pp. 6. Citované 24. 1. 2017. ISSN 1013-3119. Dostupné na: www.abb.com/abbreview.

[4] RAITAKOSKI, Sami – RYTOFT, Claes. 2014. [online]. Medium-voltage products. In: ABB Rewiew, The corporate technical journal – special report, 01/2014, pp. 7 – 11. Citované 24. 1. 2017. ISSN 1013-3119. Dostupné na: www.abb.com/abbreview.

[5] SCHNEIDER ELECTRIC: Medium voltage Switchgear & Products on MV Network 2015. [online]. Citované 19. 9. 2016. Dostupné na: http://www.schneiderelectric.co.kr/documents/Catalogue/Medium_Voltage_Distribution_Catalogue_2015.pdf.

[6] SCHNEIDER ELECTRIC: Rozvádzač pre priebežný rozvod RM6. [online]. Citované 2. 11. 2016. Dostupné na: http://www.schneider-electric.sk/sk/download/document/S1301/.

[7] SCHNEIDER ELECTRIC: Medium Voltage Distribution, MCset 17,5 kV 2009. [online]. Citované 3. 12. 2016. Dostupné na: http://www.schneider-electric.sk/sk/download/document/NRJED312404EN/.

[8] SCHNEIDER ELECTRIC: Vzduchem izolované rozváděče s vakuovými spínacími prvky, PIX, 2014. [online]. Citované 3. 12. 2016. Dostupné na: http://www.schneider-electric.sk/sk/download/document/S1453/.

[9] STN EN 62271-200. 2012. Elektrotechnické predpisy STN. Vysokonapäťové spínacie a riadiace zariadenia. Časť 200: Rozvádzače s kovovým krytom na striedavý prúd a na menovité napätia nad 1 kV do 52 kV vrátane.

[10] STN EN 62271-1. 2009. Elektrotechnické predpisy STN. Vysokonapäťové spínacie a riadiace zariadenia. Časť 1: Spoločné špecifikácie.

[11] ŠINDLER, Marek: Návrh rozvádzačov vysokého napätia v distribučnej sústave. Diplomová práca. Bratislava: FEI STU 2017. 191 s.

[12] VARGA, Ladislav – ILENIN, Stanislav: Rozvodné zariadenia. Košice: Redakcia a sadzba PRO, s. r. o., 2007. 145 s. ISBN 987-80-89057-17-7.

  

prof. Ing. František Janíček, PhD.
frantisek.janicek@stuba.sk

Ing. Marek Šindler

Ing. Milan Perný, PhD.
milan.perny@stuba.sk

Slovenská technická univerzita
Fakulta elektrotechniky a informatiky, ÚEAE
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava