Přenosová soustava elektrické energie

Obr. 1 – Elektrizační soustava

Elektrizační soustava slouží k přenosu a rozvodu elektrické energie z místa výroby do místa spotřeby. Elektrizační soustavu tvoří elektrické stanice, výrobny elektrické energie a elektrické sítě. Elektrizační soustavu dělíme na přenosovou a distribuční soustavu.

Přenosová soustava je v České republice sestavena ze sítí 400 a 220 kV a tvoří páteř elektrizační soustavy. Slouží k přenosu výkonů na velké vzdálenosti, zajišťuje propojení elektrizační soustavy se soustavami zahraničními a dále slouží pro vyvedení výkonu z velkých systémových elektráren.

Obr. 2 – Schéma přenosové soustavy České republiky

Distribuční soustava slouží k distribuci výkonu k odběratelům. V České republice je tvořena sítěmi 110 kV a všech nižších napěťových úrovní. Přenáší výkon na kratší vzdálenosti a jsou do ní připojeny elektrárny nižších výkonů. V některých případech zajišťuje přeshraniční propojení, které však slouží pouze pro napájení vydělených oblastí.

Hlavním rozdílem mezi distribuční a přenosovou soustavou je kromě velikosti napětí také zapojení obou sítí. V přenosové soustavě jsou až na provozní výjimky všechna vedení a transformátory mezi hladinami 400 a 220 kV propojeny, tzn. jedná se o propojenou síť připomínající pavučinu, ve které se všechny prvky vzájemně elektricky ovlivňují. Při vypnutí jednoho či více vedení a transformátorů převezmou jejich zátěž ostatní prvky, které zůstaly v provozu. Provozovatelem přenosové soustavy v české republice je společnost ČEPS, a.s.

Distribuční soustavu tvoří vzájemně nepropojené oblasti, které jsou napájeny z přenosové soustavy jedním nebo více transformátory zapojenými paralelně (viz obr. 1).

Jednotlivé oblasti distribuční soustavy se svým zapojením vzájemně neovlivňují, protože nejsou propojeny a přenosovou soustavu ovlivňují zejména svým odebraným či dodaným elektrickým výkonem, pokud je v oblasti nadbytek výroby. Oblasti se propojují pouze krátkodobě, za účelem převádění jednotlivých částí z jedné oblasti do druhé a naopak.

Při vypnutí vedení či transformátoru v distribuční soustavě převezme jeho zátěž paralelní vedení či transformátor, pokud je k dispozici.

V případě, že paralelní prvek není k dispozici, musí se napájení zajistit z jiné oblasti, jinak by došlo k přerušení dodávky odběratelům.

V distribuční soustavě české republiky tvoří výjimku dvě oblasti, které jsou trvale napájeny ze dvou rozvoden přenosové soustavy. Tvoří tak paralelní cestu přes síť 110 kV k vedením přenosové soustavy a kromě napájení svých odběrů mohou také sloužit pro přenos výkonů – jsou tedy v podstatě součástí soustavy přenosové. Jedná se o propojené oblasti mezi rozvodnami Výškov a Chotějovice v severních Čechách a dále mezi rozvodnami Dasný a Kočín v jižních Čechách.

Provozovatelem distribuční soustavy v České republice jsou podle územního rozdělení společnosti ČEZ Distribuce, a.s., E.ON Distribuce a.s. a PREdistribuce, a.s.

Přenosovou soustavu České republiky tvoří 3 510 km vedení 400 kV a 1 909 km vedení 220 kV. V majetku společnosti ČEPS, a.s., je také 6 vedení 110 kV o celkové délce 84 km.

Uzly přenosové soustavy tvoří rozvodny, kterých je 26 na hladině 400 kV a 14 na hladině 220 kV. V majetku ČEPS, a.s., je také jedna rozvodna 110 kV (Kočín). Tyto rozvodny se nacházejí v 33 elektrických stanicích.

Vedení v přenosové soustavě můžeme podle jejich typu určení rozdělit na dvě základní skupiny:

• Vedení bloková – přes tyto vedení jsou do přenosové soustavy připojeny elektrárenské bloky a slouží k vyvedení jejich výkonu
• Vedení přenosová – spojují rozvodny a slouží k přenosu výkonu v soustavě

Vedení přenosové soustavy vždy spojují pouze dvě rozvodny, tzn. mají pouze dva konce. Jedinou výjimkou je vedení V226 mezi Hradcem a Výškovem, které je tzv. T-kusem a je k němu připojena ještě třetí rozvodna VTŽ Chomutov.

Každá rozvodna přenosové soustavy je napájena minimálně dvěma přenosovými vedeními. V tuto chvíli je v přenosové soustavě ČR několik výjimek, kdy jsou rozvodny napájeny pouze jedním přenosovým vedením. To je ve většině případů dáno rozdílnou dobou výstavby vedení, kdy se rozvodna zprovoznila již při dostavbě prvního z nich. Do dostavby druhého vedení tak musí být rozvodna napájena pouze jedním vedením.

Přenosová soustava České republiky je součástí přenosové soustavy kontinentální Evropy a propojuje ji se zahraničím celkem 17 hraničních vedení – 5 se Slovenskem a po čtyřech vedeních s každým dalším okolním státem.

Na území kontinentální Evropy jsou přenosové sítě synchronně propojeny v jednu propojenou síť.

Přenosové soustavy se propojují buď synchronně, tzn. jsou propojeny přímo vedeními, anebo je propojení soustav provedeno asynchronně pomocí stejnosměrných spojek. Synchronně propojené soustavy mají shodný kmitočet střídavého napětí, protože kmitočet je celosystémová veličina, která je dána rovnováhou činného výkonu mezi výrobou a spotřebou v celé propojené soustavě. Asynchronní soustavy mají kmitočet navzájem odlišný a jsou na hodnotách svých kmitočtů nezávislé. I když jmenovitá hodnota kmitočtu může být u asynchronních soustav stejná, okamžitý kmitočet je vždy alespoň o trošku rozdílný. Stejnosměrné propojení totiž odděluje spojované sítě od vzájemné kmitočtové závislosti, protože se elektřina nejdříve usměrní a následně znovu rozstřídá na kmitočet nový.

Stejnosměrné propojení se využívá zejména v případech spojení soustav s odlišným kmitočtem nebo jeho odlišnou regulací a také u dlouhých podmořských kabelů, kde je z důvodu jejich vysokého kapacitního charakteru vhodnější použít stejnosměrné napětí.

Kromě synchronního a asynchronního spojení se pro výměnu elektrické energie mezi dvěma nepropojenými soustavami používá napájení či odběr elektřiny z vydělených ostrovů nebo celých oblastí druhé sítě. Pro realizaci takové výměny se musí obě sítě krátkodobě synchronně propojit (zesynchronizovat) a dané oblasti se přepojí z jedné sítě do druhé. Následně se soustavy opět rozpojí. Pro krátkodobé spojení obou soustav musí být splněny tzv. synchronizační podmínky, kdy rozdíl kmitočtu a velikosti napětí musí být v předepsaných mezích. Pokud nejsou synchronizační podmínky splněny, používá se tzv. převedení na tmu, kdy se odběry nebo výroby v převáděné oblasti odstaví od staré sítě (přeruší se dodávka elektrické energie) a připojí se na napětí ze sítě nové (obnoví se dodávka elektrické energie).

Synchronní propojení soustav přináší zejména následující výhody:

• Zpravidla vyšší kapacita exportu a importu elektřiny než v případě stejnosměrného spojení, kde je kapacita propojení omezena výkonem stejnosměrné spojky. U střídavého propojení je kapacita daná počtem vedení mezi soustavami.
• Snižuje se potřeba rezervních výkonů – rezervní výkon potřebný pro zajištění spolehlivého chodu individuální soustavy může být sdílen s ostatními synchronně propojenými soustavami.
• Snížení ztrát vlivem paralelního zapojení sítí a optimálního rozdělení toků výkonů podle Ohmova zákona. To však může způsobit přetoky velkých výkonů v určité části propojené soustavy, které mohou negativně ovlivňovat bezpečnost provozu.
• Propojená síť je vlivem vyššího instalovaného výkonu tvrdší, tzn. kmitočet je stabilnější. To umožňuje instalovat elektrárenské bloky vyšších výkonů.
• Využití mezisystémového efektu daného rozdílným průběhem zatížení v jednotlivých soustavách a lepší vzájemné doplňování rozdílných typů zdrojů podle primárního paliva (jádro, uhlí, voda, vítr, slunce atd.). Tato výhoda však platí i u stejnosměrného propojení.

Mezi nevýhody synchronního propojení patří zejména vzájemné ovlivňování sítí vlivem zapojení soustav, ale také importy a exporty elektrické energie mezi soustavami, které mohou mít za následek vznik přetoků velkých výkonů ohrožující bezpečnost provozu.

V minulosti se synchronní propojení soustav využívalo pro vzájemné výpomoci za účelem vyšší spolehlivosti provozu. V současnosti se propojení soustav využívá především za účelem výměn elektrické energie z komerčních důvodů a také častějších výměn energie z důvodu vyššího podílu obnovitelných zdrojů.

Pro omezení neplánovaných toků přes synchronně propojené soustavy se využívají různá zařízení pro regulaci toků výkonů, zejména transformátory s příčným posuvem fáze (Phase Shift Transformers). Tyto transformátory se sériově zapojují k vedení, ve kterém je potřeba regulovat tok výkonu. Transformátor velikostí příčného přídavného napětí ovlivňuje úhel mezi vstupním a výstupním napětím, což umožňuje snižovat či zvyšovat průtok činného výkonu.

Obr. 3 – Synchronní propojené oblasti v Evropě

V Evropě máme následující synchronně spojené přenosové sítě (viz obrázek 3):

1. Systém kontinentální Evropy, jehož součástí je i přenosová soustava ČR
2. Systém Severní Evropy (Finsko, Švédsko, Norsko a východní část Dánska)
3. Systém IPS/UPS – systém Ruska a bývalých sovětských států včetně Pobaltí
4. Systém Anglie, Walesu a Skotska
5. Systém Irska a Severního Irska

Systém kontinentální Evropy tvoří sítě 30 států. Jak již vyplývá z jejího názvu, tvoří tuto síť státy kontinentální Evropy, dále Turecko, západní část Ukrajiny (Burštýnský ostrov), západní část Dánska a přes Gibraltar jsou k ní také připojeny africké státy Maroko, Alžírsko a Tunis. Východní část dánské přenosové soustavy je synchronně připojena do systému severní Evropy a soustava Ukrajiny mimo Burštýnský ostrov je součástí ruského systému IPS/UPS. Burštýnský ostrov připojuje do systému kontinentální Evropy elektrárnu Burštýn a zároveň propojuje soustavy Slovenska, Maďarska a Rumunska.

Obr. 4 – Hlavní stejnosměrná propojení v Evropě

Systém kontinentální Evropy je tvořen vedeními napěťových úrovní 400 kV a 220 kV. V Burštýnském ostrově na Ukrajině je součástí systému také několik vedeními 330 kV a jedno vedení 750 kV. V některých státech jsou dále k systému paralelně připojeny vedení nižších napěťových úrovní 150 kV a 110 kV.

Dále je propojen pomocí stejnosměrných kabelů s Velkou Británií a systémem severní Evropy (viz obrázek č. 4). Jedno stejnosměrné propojení existuje také uvnitř systému – jedná se o podmořský kabel mezi Řeckem a Itálií.

V současnosti probíhá výstavba stejnosměrného propojení mezi Polskem a Litvou, která se plánuje zprovoznit do konce roku 2015 a dále se zpracovávají studie na synchronní připojení soustav Moldavska a zbytku Ukrajiny do systému kontinentální Evropy (tyto soustavy by tak opustily systém IPS/UPS).

Použitá literatura

• [1] Kolcun M. – Riadenie elektrizačných sústav, VŠT Košice 1988
• [2] Kolektiv autorů – Řízení a stabilita elektrizační soustavy, Praha 2013
• [3] ENTSO-E, Electricity in Europe 2014
• [4] ENTSO-E, Statistical Factsheet 2014