Česká přenosová a distribuční soustava - 1. díl: Elektrifikace a princip funkce

Tento příspěvek zahajuje miniseriál o přenosové a distribuční soustavě. V tomto díle  se dozvíte, jak byla elektrifikována naše republika během devatenáctého a dvacátého století, a také jak principiálně funguje přenosová a distribuční soustava dnes.

Elektrifikace České republiky

Když byla prvně využita elektrická energie v českých zemích, což se stalo v roce 1878 v Moravské Třebové, kde sloužila k osvětlení tkalcovny lnu pomocí obloukových lamp, nebylo přenosové soustavy zapotřebí, protože vyrobená elektřina se spotřebovávala přímo v místě výroby. Ale už od následujících let, kdy byly elektrifikovány další a další  objekty, bylo potřeba elektřinu rozvádět z místa výroby k dalším odběratelům. Sloužilo k tomu zejména vrchní vedení nejrůznějších napěťových hladin, ale stále to byl zpravidla lokální rozvod elektřiny.

Postupem času vznikaly tzv. Městské elektrárny, které elektřinu nejen vyráběly, ale i distribuovaly, a zajišťovaly zejména veřejné osvětlení obcí. Na vzniklou síť byly následně připojovány domácnosti. První takovouto elektrárnu si postavilo město Praha – Žižkov v roce 1889. Jednalo se o instalaci dynama v místní plynárně.

Všechny první elektrárny byly stejnosměrné. Až na konci devatenáctého století (1897) byl schválen projekt výstavby první elektrárny dodávající střídavý proud a v roce 1900 byl zprovozněn první třífázový generátor v pražských Holešovicích. Budova elektrárny je na dobové fotografii níže.

Při vzniku Československé republiky v roce 1918 bylo elektrifikováno 11 % měst a obcí, ve kterých žilo 34 % obyvatelstva. Nejdůležitějším impulzem ke vzniku přenosové a distribuční soustavy, tak jak je známá dnes, bylo vydání zákona č. 438/1919 Sb. „O státní podpoře při zahájení soustavné elektrisace“. Vzniklo 25 všeužitečných elektrárenských společností, které měly za povinnost zásobovat elektrickou energií na daném území každého, kdo o to požádá, s výjimkou toho, že by byla prokázána nerentabilita připojení odběratele. Bylo zvoleno síťové napětí 3x380V/220V s frekvencí 50 Hz a napětí primárních distribučních sítí 22 kV a 100 kV.

Elektrizační soustava poté od první poloviny dvacátého století směřovala k velkým, nějakým způsobem propojeným, elektrárnám. Tento trend vedl k tomu, že páteřní přenosová soustava byla prakticky dokončena v 80. letech minulého století.

Jak dnes principiálně funguje přenosová a distribuční soustava?

Elektrická přenosová soustava je systém zařízení, která zajišťují přenos elektrické energie od velkých zdrojů (elektráren) k velkým rozvodnám. Část elektrizační soustavy od těchto rozvoden k jednotlivým odběratelům se nazývá distribuce elektrické energie a slouží k ní distribuční soustava.

Alternátory v elektrárnách většinou pracují na napětích pouze několika kV. Z toho důvodu, pak u velkých bloků elektráren teče z alternátorů proud o velikosti až desítky kA . Takto velké proudy by přinesly dva zásadní problémy. První by byl ten, že vodiče pro takovéto proudy by musely mít extrémně velké průřezy a byly by mechanicky namáhány značnými magnetickými silami. Druhý problém by byl ten, že ztráty na vedení jsou úměrné druhé mocnině proudu. Z těchto důvodů je pro přenos na velké vzdálenosti výhodnější použít vyšší přenosové napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí menší proud.

Napětí alternátorů se zvyšuje pomocí blokových transformátorů, umístěných zpravidla přímo v areálu elektrárny, na vyšší napěťovou hladinu. Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě na různých velikostech napětích. O používaných napěťových hladinách v české distribuční soustavě se více dozvíte v další části této minisérie.

Elektrická energie je výjimečná tím, že ji nelze skladovat ve velkém, a proto je nezbytné zajištění rovnováhy mezi výrobou a spotřebou v každém okamžiku. Kvůli efektivitě přenosu je navíc dobré udržovat nízký fázový posuv mezi napětím a proudem, kvůli tomu jsou instalována v přenosové soustavě speciální kompenzační zařízení.

V blízké budoucnosti lze také očekávat výraznější rozvoj HVDC přenosů, které mají menší ztráty, a navíc pro stejný přenášený výkon je potřeba zabrat méně prostoru v krajině.

Problémy v přenosové soustavě bývají jednou z hlavních příčin rozsáhlých výpadků dodávek elektrické energie. Důvodem může být například poškození důležitých venkovních vedení působením nepříznivých přírodních podmínek, jako je námraza nebo silný vítr, ale i celkové přetížení soustavy. Přenosová soustava proto musí být vybavena prvky zajišťující odpojení předem definovaných odběratelů v případě, že by hrozil rozpad sítě vlivem jejího přetížení. Pokud by se tak nestalo, existovala by reálná možnost tzv. kaskádového šíření poruchy – odpojením přetíženého vedení vzroste přetížení zbytku sítě a jsou postupně odpojovány další a další prvky sítě. Poslední stadium by byl kompletní rozpad celé přenosové soustavy, kterému se také říká blackout. Z ekonomických důvodů je vhodné odpojovat nejprve ty odběratele, kde případný výpadek dodávek elektrické energie způsobí nejmenší hospodářské škody.

To je vše z krátké výpravy do historie české elektrizační soustavy a do jejího principiálního fungování. V příštím díle se můžete těšit na fakta o českých vedeních VVN, rozvodnách a na mnoho dalších věcí.

Zdroje: ČEPS a.s., ČEZ a.s., přednášky FEL ČVUT

Zdroj úvodní fotografie: www.ceps.cz