Moderní energetické zdroje a jejich vliv na transformátory

Elektrická energie reprezentuje nedílnou součást infrastruktury jednotlivých zemí a zároveň tvoří neoddělitelnou součást života všech lidí. Přenos elektrické energie ke konečnému spotřebiteli se uskutečňuje pomocí elektrizační soustavy. Tu můžeme rozdělit na dvě hlavní části: přenosovou a distribuční. Úkolem přenosové soustavy je rozvod elektrické energie z výrobních míst až do distribuční soustavy, a to často i na velké vzdálenosti. V evropských zemích je převážně reprezentována venkovními vedeními vysokého napětí o napěťových hladinách 400, 220, a 110 kV. V současnosti jsou u nás nejčastějšími, resp. nejvyužívanějšími zdroji této energie tepelné a jaderné elektrárny.

Dnešní elektrizační soustava představuje složitý systém, složený ze souboru elektrických i elektronických prvků. Každý z těchto prvků má na výslednou soustavu více či méně významný vliv. Prvky soustavy lze rozdělit na primární a sekundární. Mezi primární prvky řadíme transformátory, bleskojistky, svodiče přepětí, výkonové vypínače, odpojovače apod. Do sekundární skupiny patří různé elektronické, informační a ochranné systémy, které slouží k lokální či dálkové kontrole, monitoringu a regulaci vybraných prvků. Bezesporu mezi nejdůležitější části přenosové i distribuční elektrizační soustavy patří transformátory. Ty zajišťují jednak převod elektrické energie o požadovaných hodnotách napětí mezi jednotlivými napěťovými hladinami nízkého napětí (nn), vysokého napětí (vn) a velmi vysokého napětí (vvn) a jsou významným prvkem, který umožňuje značné úspory při přenosu energie na větší vzdálenosti. Hlavním důvodem nasazení transformátorů a sítí vysokého napětí při přenosu elektrické energie je omezení tzv. Jouleových ztrát, které jsou úměrné odporu vedení (dáno fyzikálními vlastnostmi vodičů) a kvadrátu proudu. Jelikož přenášený výkon je úměrný napětí a přenášenému proudu, „prostým" zdvojnásobením napětí při zachování přenášeného výkonu snížíme Jouleovy ztráty čtyřnásobně. Toto byl základní důvod začátku používání střídavého napětí – možnost transformace napětí.

Na základě umístění a použití se transformátory mohou dělit např. na distribuční a blokové. Distribuční transformátory slouží v přenosové soustavě k transformaci napětí mezi jednotlivými napěťovými hladinami a výkonově se pohybují od desítek kVA až po jednotky MVA.

Druhou skupinu tvoří blokové (výkonové) transformátory, které jsou umístěny v blízkosti výrobního místa - elektrárna. Výkonově pak odpovídají zdroji elektrické energie.

Důležitou součástí transformátorů z hlediska funkčnosti a spolehlivosti jsou přepínače odboček, které umožňují jak regulaci počtu odboček transformátoru a tak i pružnou reakci na změny odběru v síti (regulace napětí). Jiné, podrobnější dělení transformátorů, je založeno na jejich členění dle jmenovitého výkonu: malé (500 kVA až 7 500 kVA), střední (7 500 kVA až 100 MVA) a velké (100 MVA a více).

V roce 2010 bylo ve světě nainstalováno 40 GW, Evropa se na tom podílela 30 GW. Největší instalovaný výkon byl v Německu, které v roce 2010 nainstalovalo 17 320 MW.

Z tohoto pohledu představují transformátory velkých výkonů klíčová a zároveň finančně velmi nákladná zařízení elektrizační soustavy.

Spolehlivost a životnost transformátorů je významně ovlivňována kvalitou použitého izolačního systému. Ten musí dosahovat stabilních vlastností zejména působením různých degradačních faktorů, kterým je zařízení během svého života vystaveno. Zároveň je nutné zajistit, aby výsledný systém byl ekonomicky efektivní. Z tohoto pohledu se v praxi uplatňují dvousložkové izolační systémy. První složka (pevná) je nejčastěji zastoupena materiálem na bázi celulózy, druhou složku reprezentuje elektroizolační kapalina, kterou ve většině případů tvoří inhibovaný transformátorový olej nejčastěji minerálního původu.

Obnovitelné zdroje

Novým trendem v oblasti energetiky z hlediska dlouhodobého využití zdrojů je používání tzv. obnovitelných zdrojů. Jedná se např. o energii vodní, větrnou, sluneční a geotermální. Při samotné produkci elektrické energie výše zmíněnými obnovitelnými zdroji nevznikají žádné škodlivé emise, tento druh energie tak nepřispívá ke vzniku skleníkového efektu, zpomaluje vyčerpání neobnovitelných zdrojů a napomáhá také ke vzniku nových pracovních příležitostí.

V současné době se neustále významně zvyšuje podíl výroby elektrické energie především od fotovoltaických a větrných elektráren. Tento nárůst je znatelný například ve Španělsku, Dánsku, Itálii a hlavně v Německu, kde se tamní vláda chystá do roku 2022 odstavit všechny jaderné elektrárny a tento deficit ve výrobě se bude snažit nahradit právě produkcí z obnovitelných zdrojů. Dá se předpokládat, že přenosová soustava tak jistě zaznamená řadu změn spojených s touto energetickou politikou.

Česká republika se vstupem do EU zavázala, že do roku 2010 bude výrobou z alternativních zdrojů pokrývat 8 % výroby a do roku 2020 tento podíl vzroste na 13,5 %.

Sluneční energie

Energii ze Slunce lze využít více způsoby. V současné době je nejvíce rozšířena výroba energie pomocí solárních panelů, kde dochází k fotovoltaickému jevu a sluneční záření se přímo přeměňuje na elektrickou energii. Množství vyprodukované energie je poté ovlivňováno intenzitou slunečního záření v dané lokalitě a dobou, po kterou toto záření dopadá na povrch. V ČR se tato délka pohybuje kolem 1 500 hodin za rok, čímž je určen koeficient ročního využití, který u solárních panelů dosahuje kolem 7 %. Tento koeficient udává využití instalovaného výkonu. Jinými slovy, když má energetický zdroj koeficient ročního využití na hodnotě 20 %, lze říct, že jednu pětinu roku tento zdroj pracuje na 100 % jmenovitého výkonu a po zbytek roku je pak jeho produkce nulová.

Jinou z možností využití slunečního záření je koncentrovaná solární energie (CSP – Concentrating Solar Power), kdy jsou sluneční paprsky odráženy od parabolických zrcadel a soustředěny na olejový přijímač. Teplo se poté v centrálním výměníku přeměňuje na páru, která je použitá v konvenční parní turbíně. Výhodou této technologie je stabilnější produkce elektrické energie i ve chvílích, kdy slunce zmizí za mrakem díky tepelné akumulaci. Navíc může být sluneční ohřev tepla kombinovaný s ohřevem fosilními palivy, plynem nebo biomasou.

Větrná energie

Za energií získané z větru v podstatě stojí také sluneční energie, kdy sluneční záření dopadá na zemi, která se nerovnoměrně zahřívá. Tím dochází k tlakovým rozdílům v atmosféře, které vyrovnává proudění – vítr. Ten pak může roztáčet lopatky větrné turbíny a přes hřídel pohánět generátor.

Rozlišujeme turbíny s vertikální a horizontální osou. Turbíny s vertikální osou nejsou tak rozšířené. Jejich výhodou je však nižší rozběhová rychlost, nezávislost na směru proudění větru a možnost svedení točivého momentu až k zemi. Nevýhodou je nižší produkce energie, a to až o 50 % méně než v případě turbíny s horizontální osou. Tento druhý typ má hřídel paralelně s povrchem země a generátor je umístěn na vrcholu stožáru. Turbíny jsou závislé na směru proudícího větru, proto jsou vybaveny senzorem pro vyhledávání optimálního natočení turbíny.

Produkce (výkon) každé turbíny je popsána tzv. výkonovou křivkou (power curve). Zobrazuje závislost produkované energie na rychlosti proudícího větru. Na této křivce je vyznačena rozběhová rychlost (cut in speed), popisující při jaké rychlosti větru začíná turbína produkovat elektrickou energii. Většinou se tato hodnota pohybuje mezi 3 až 5 m/s. Dalším bodem na křivce je jmenovitý výkon turbíny při jmenovité rychlosti větru - jinými slovy je to nejnižší možná rychlost větru, při které turbína dosahuje maximálního výkonu. Poslední údaj na výkonové křivce uvádí maximální rychlost větru, do které je možno větrnou turbínu provozovat (cutoff speed). Po dosažení této hodnoty musí být turbína zabrzděna, aby nedošlo k jejímu zničení.

Seskupení několika turbín ve stejné lokaci může poté tvořit větrnou farmu, která může pokrývat území o několika stovek čtverečních metrů. V současnosti největší větrná farma se nachází ve městě Roscoe (Texas), obsahuje 627 větrných turbín a její instalovaný výkon dosahuje hodnoty 781,5 MW. Dnešní trend se však ubírá směrem k instalování větrných turbín umístěných nedaleko pobřeží (off shore windfarms). Jedna z výhod je vyšší produkce energie v porovnání s farmami umístěnými na pevnině, a to až dvojnásobná. Uvádí se, že koeficient ročního využití u větrné farmy je kolem 20 %, u farmy umístěné v pobřežních vodách se toto číslo pohybuje okolo 40 %.

Nežádoucí vlivy obnovitelných zdrojů na elektrizační soustavu

S rostoucím počtem připojených obnovitelných zdrojů do elektrizační soustavy, se zvyšuje riziko poškození izolačního systému zařízení. Důvodem jsou střídavé měniče používané u fotovoltaických i větrných elektráren pro převod stejnosměrného napětí na střídavé. Střídavé měniče nacházejí uplatnění i při nejnovějším trendu přenosu elektrické energie použitím stejnosměrných linek. S využitím principu omezení ztrát při přenosu popsaném výše, spočívá další omezení ztrát přenášením výkonu pomocí stejnosměrného proudu omezením tzv. střídavých ztrát (např. hystereze apod.) V současnosti se objevují tzv. HVDC transformátory (High Voltage Direct Current) používané pro stejnosměrný přenos elektrické energie. Tato možnost nebyla pro velké výkony v minulosti možná z důvodu neexistence spínacích součástek pro tak velké výkony a tak vysoké napětí. HVDC sítě se s úspěchem využívají např. v Austrálii, Norsku, Číně a Nizozemsku a jsou v Evropě dále plánovány, zejména z důvodu přenosu energie vyrobené z obnovitelných zdrojů na dlouhé vzdálenosti. Tento přenos v současnosti působí v evropské elektrizační soustavě značné problémy.

Negativními stránkou střídavých měničů je zejména deformace jinak sinusového průběhu napětí v síti (tzv. harmonické) a případný vznik krátkodobých přepěťových pulzů. Představené deformace závisejí na počtu stupňů střídače. Elektrické přepětí poté způsobuje v závislosti na svojí velikosti zvyšování četnosti výskytu částečných výbojů a tak i nežádoucí lokální tepelnou, mechanickou a chemickou degradaci. Při dostatečně významném překročení mezních hodnot, na které je izolační systém dimenzován, může dokonce nastat tepelný průraz izolantu. Proto se musejí stávající transformátory i s tímto novým, přídavným zatížením vyrovnat.

Dalším důležitým faktorem je proměnlivost dodávek energie do sítě, která způsobuje velké problémy provozovatelům přenosových a distribučních soustav. Výroba konvenčními zdroji se pak musí přizpůsobovat výrobě obnovitelných zdrojů. Proměnlivost dodávek elektrické energie způsobuje změny velikosti a směru toku elektrické energie v soustavě a tím vzniká problém s regulací soustavy z hlediska přenosu výkonu, ale i z hlediska regulace napětí. Na kolísání spotřeby elektrické energie reaguje soustava regulací napětí, které se mění jako důsledek úbytku napětí v závislosti na velikosti přenášeného proudu. Regulační transformátory v elektrizační soustavě pomocí přepínání odboček tyto změny napětí kompenzují. Zatímco v síti s klasickými zdroji energie dochází k takové regulaci v řádu max. několika desítek přepnutí odbočky transformátoru za den, v síti, kde je zařazen zdroj energie s kolísáním výstupního výkonu (solární či větrná elektrárna) toto číslo značně roste!

Další nevýhodou je, že se uvedené obnovitelné zdroje připojují do elektrizační soustavy především v odběrných místech, která nejsou na zpětné dodávky do soustavy dimenzována.

Do budoucna je plánováno zavádění stále většího počtu zdrojů elektrické energie pocházející z obnovitelných zdrojů. To znamená vyšší nároky na přenosovou soustavu a na transformátory jako takové. Je nutno též vyřešit problém z akumulací energie z obnovitelných zdrojů, což znamená pravděpodobně vybudování nových přečerpávacích elektráren v oblastech s výškovými rozdíly a přenos „obnovitelné" elektrické energie na tato místa.