Analýza nasazení alternativních zdrojů v sítích PREdistribuce při dlouhodobém blackoutu

• Foto

1. DEFINICE:

Alternativní zdroj
Pro účely tohoto článku je uvažován dieselgenerátor (dále DG). Podle konstrukce může být mobilní, umístěný na vlastním povozku, který je možno připojit za nákladní automobil (zde předpokládáme generátory o výkonu 100 kW, u nichž uvažované hmotnosti přesahují možnost připojení za osobní nebo dodávkové automobily), anebo převozný, zpravidla v kontejnerovém provedení, s výkonem 500 až 1 000 kW. Kontejner zaručuje možnost instalace na veřejně přístupných místech (krytí elektrických spojů, ochrana před atmosférickými vlivy, zabezpečení proti krádežím a úmyslným poškozením). Pohotovostní schopnost přemístitelných DG je výrazně snížena nutností použití těžké jeřábové techniky. DG je poháněn spalovacím motorem, který, podobně jako motor automobilu, musí být v pravidelných intervalech servisován, je nutná
výměna oleje. Tento interval se pohybuje v intervalu 10 až 20 dní nepřetržitého provozu.

Dlouhodobý blackout
Rozsáhlý výpadek v dodávce elektrickéenergie v délce 10 hodin a více.

2. ÚVOD

Jak již bylo uvedeno na začátku tohoto článku, studie popisuje možnosti zásobování vybraných objektů elektrickou energií v případě blackoutu, nasazením mobilních a převozných zdrojů – DG. Předpokládá se, že materiál bude začleněn do širších souvislostí, neřeší tedy způsob řízení jednotlivých operací, možnosti spojení, dispečerské činnosti, množství DG k dispozici apod. Ekonomické parametry, měření spotřeby energie dodané z DG, nákup pohonných hmot, pronájem, obsluha a údržba DG a podobně, přesahují rámec této práce.

3. TECHNICKÉ MOŽNOSTI PŘIPOJENÍ

Každý jednotlivý objekt je nutno posoudit samostatně, a to s ohledem na možnosti připojení na začátek elektrické instalace, možnost přístupu těžkou technikou, dopravní cesty pro zásobování palivem. Tento „pasport“ by měl být součástí havarijního plánu důležitých objektů.

Současně musí provozovatelé jednotlivých objektů mít k dispozici rozvahu, kolik elektrické energie potřebují k udržení nezbytných funkcí zařízení. Tato hodnota nemůže být odvozena od běžné spotřeby, v normálním stavu. Stanovení tohoto nouzového odběrového diagramu je zásadní pro úspěšné nasazení DG, resp. pro volbu vhodně dimenzovaného DG.

Jak bude patrno dále, uvažované DG jsou těžké stroje, s vysokými nároky na prostor, dopravu a zásobování palivem. Redundance tedy v tomto smyslu není žádoucí. Současně se jedná o tzv. měkké zdroje elektrické energie, které složitě reagují na změny zatížení.

Výkon DG se dnes optimalizuje tak, aby předpokládaná zátěž pro trvalý provoz byla na úrovni cca 70 % jmenovitého výkonu. Přetížení není žádoucí, moderní DG se v takovém případě automaticky odpojí.

Dále v článku jsou uvedeny typické případy standardního připojení objektů v síti PREdistribuce, a.s. a možnosti jejich připojení na mobilní DG:

3.1. Objekty normálně připojené z hladiny nízkého napětí přes přípojkovou skříň, umístěnou vně objektu.
Toto je nejjednodušší případ. Předpokládejme, že pro udržení životně důležitých funkcí takového objektu bude dostatečný DG o výkonu 100 kW. Tyto agregáty jsou na trhu běžně k dispozici v provedení s vlastním podvozkem, jako přívěs za nákladní vozidlo. Jejich transport na místo určení je relativně jednoduchý. Jejich výkon je možné připojit po odpojení a zajištění distribuční sítě přímo do přípojkové skříně.

Alternativou může být připojení DG do nejbližší distribuční trafostanice do rozváděče nízkého napětí. Tato varianta připadá v úvahu v místech, kde dopravní situace neumožňuje osadit DG v blízkosti napájeného objektu, nebo například pro osvětlení veřejných prostor či napájení dopravní signalizace důležitých uzlů.

V takovém případě je nezbytná ruční manipulace v distribuční síti - vypnout hlavní jistič rozváděče NN a odpojit pojistkové odpínače ostatních vývodů.

Dále je nutné odpojení ostatních odběrů v linii napájeného objektu, tj. vyjmutí pojistek z přípojkových skříní. Skříně je nutné zabezpečit, aby nedošlo k neoprávněné manipulaci na zařízení.

V případě obnovení dodávky elektrické energie z distribuční sítě bude u této varianty trvat déle, než se obnoví dodávky do vybraných zařízení, protože je nutné ručně „přemanipulovat“ síť do normálního stavu.

V obou uvedených případech je výhodou pravděpodobně malá vzdálenost mezi přípojným místem a možným umístěním DG. Pro připojení bude možno většinou využít univerzálně vodičů, které mohou být ve výbavě DG. Mechanická ochrana spojovacích kabelů bude poměrně jednoduchá.

Nemáme ale zatím jednoznačné prostředky k zabránění přístupu k živým částem elektrického zařízení laikům – přípojková skříň s připojenými kabely od DG bude muset být otevřená, takže v současnosti je možná pouze ostraha.

Protože uvažovaná přípojná místa nejsou vybavena jednoduchými spoji – zásuvkami, konektory, je kladen důraz na vysoce kvalifikovanou obsluhu (vyhl. č. 50/1978 Sb.).

Typické parametry uvažovaného DG:

• Výkon 100 kW, napětí 230/400 V.
• Objem palivové nádrže 270 l, doba provozu bez doplnění paliva 10 hodin.
• Rozměry stroje bez podvozku (d × š × v)2,8 × 1,1 × 1,5 metru.
• Hmotnost s podvozkem 2 500 kg.

3.2. Objekty normálně připojené z hladiny vysokého napětí přes vlastní, velkoodběratelskou transformační stanici (VTS).
Toto bude případ mnoha významných objektů s většími nároky na provoz a potřebou většího příkonu elektrické energie. Je složitý tím, že vhodné místo pro připojení DG bývá z pohledu řešení našeho problému naprosto nevhodně umístěno, často hluboko v budově. Cesta k přípojnému místu povede po komunikacích – chodbách, schodištích, dveře na této komunikaci nebude možno uzavřít. Vzhledem k přenášeným výkonům je svazek propojovacích kabelů objemný, viz obr. 5.

Délka připojovacího vedení bude muset být specifikována individuálně pro každý objekt. Pro uvažované objekty je referenčně zvolen DG s výkonem 1 000 kW. DG těchto výkonů se vyskytují v provedení s vlastním podvozkem poměrně vzácně. Standardně jsou v kontejnerovém provedení, převážejí se nákladními automobily, k jejich umístění k budově je nutný jeřáb, viz obr. 3.

Rozměry a váhy těchto zařízení jsou značné. Transport a manipulace je tím pádem velice náročná. Je zřejmé, že v případě objektů v centru města bude jejich instalace na hranici proveditelnosti. Zkušenost s použitím DG při povodni v roce 2013 je varovná, k zařízením protipovodňového systému často nevede odpovídající komunikace, kontejnery není kam umístit. Hlavní rozvaděče NN budov nejsou uzpůsobeny pro připojení DG, požadavky na vybudování připojovacích míst DG se nevyskytují, naopak je kladen důraz na minimální rozměry a cenu.

Ve většině případů bude nutná demontáž přívodu NN od transformátoru a připojení DG na jeho místo. U jiných řešení vzniká nebezpečí nedostatečné ochrany distribuční sítě VN v podobě zpětné transformace.

Typické parametry uvažovaného DG:

• Výkon 1 000 kW, napětí 230/400 V.
• Objem palivové nádrže 1 500 l, doba provozu bez doplnění paliva 8 hodin.
• Rozměry stroje bez podvozku (d × š × v)6 × 2,5 × 2,5 metru.
• Pohotovostní hmotnost 20 tun.

Pro ilustraci přikládáme foto z realizované akce – návoz, stěhování a umístění DG do blízkosti objektu. V tomto konkrétním případě se jednalo o návoz DG o výkonu 800 kW umístěného v přepravním kontejneru. Z obrázku 3 je patrné, že nároky na zavezení DG a jeho následné usazení jsou poměrně velké, proto je nutné brát ohledy na dopravní možnosti a přístup k jednotlivým objektům, jakož i samotný výběr místa osazení náhradních zdrojů.

Místo určené pro osazení DG by mělo být voleno s přihlédnutím na připojovací možnosti daného objektu. Z dieselgenerátoru budou vedeny propojovací kabely do rozvodny NN, viz obr. 5. V tomto konkrétním případě byly kabely vedeny po nepříliš frekventovaném chodníku v zadní části traktu obchodního centra. V případě blackoutu, kdy budou DG umístěny poblíž vybraných budov, se předpokládá umístění kabelových propojení na chodnících, což v případě omezené činnosti veřejného osvětlení může způsobovat problémy. Částečným řešením by v tomto případě bylo zakrytí kabelových tras a vytvoření kabelových lávek pro chodce.

Nakonec připojení výkonu, zde do distribučního rozváděče nízkého napětí. V našem konkrétním případě bylo zapotřebí demontovat část původního zařízení, aby byly uvolněny pozice připojení kabelových ok, viz obr. 6. Možnosti připojení DG do rozvaděčů nízkého napětí jednotlivých budov je nutné posuzovat samostatně v závislosti na daném typu a výrobci rozvaděče. Obecně se vzhledem k minimalizaci rozvaděčů nepředpokládá, že by zde byly připraveny místa pro připojení dieselgenerátorů.

3.3. Samostatnou kapitolou je elektrická trakce městské hromadné dopravy, jejíž napájecí stanice – měnírny – jsou zapojeny v síti PREdi.
S ohledem na to, že generátory s jiným výstupním napětím než 230/400 V se jako mobilní prakticky nevyskytují a napájecí stanice elektrické trakce nejsou schopny s tímto napětím pracovat, nebude možné uvažovaným systémem provoz tohoto druhu dopravy zajistit.

4. Bezpečnost provozu z hlediska ochrany před úrazem el. proudem

Technická norma platná v ČR je charakterizována takto:
Základním pravidlem ochrany před úrazem elektrickým proudem v souladu s EN 61140 je to, že nebezpečné živé části nesmějí být za normálních podmínek přístupné a přístupné vodivé části nesmějí být nebezpečné ani za normálních podmínek ani za podmínek jedné poruchy. Jak bylo řečeno, v objektech nejsou budována přípojná místa pro připojení DG, která by umožňovala práci osob bez elektrotechnické kvalifikace. To by umožňovaly pouze nezáměnné zásuvkové/konektorové spoje. Manipulace s nimi má charakter obsluhy a umožňuje provádět tuto činnost poučeným laikům.

V první řadě je tedy třeba mít k dispozici dostatečný počet osob s elektrotechnickou kvalifikací podle vyhl. č. 50/1978 Sb. Mimo vlastních zaměstnanců PREdi je možné uvažovat pouze o mobilizaci partnerských firem, které mají s prací v distribuční síti a připojováním odběrných míst zkušenosti. Nezřídka mají i znalost konkrétních VTS. Je nutné zajistit, aby DG pracovaly do naprosto ostrovního systému, všechny napájené obvody musí být pod kontrolou.

V oblasti PREdi je sice důsledně uplatňována zásada jednoho přípojného bodu pro jedno popisné číslo, u rozsáhlých objektů ale nelze vyloučit dodatečné úpravy vnitřní elektrické instalace, které nebyly s distributorem konzultovány. 

Jak bylo uvedeno, připojovací místa pro kabely z DG nebudou splňovat podmínku, že nebezpečné živé části nesmějí být za normálních podmínek přístupné.

Mimo ostrahy těchto míst budou všechny dodatečné zábrany a kryty jen provizorii bez příslušných zkoušek a atestů, jejich použití je za normálních okolností, v prostorách přístupných osobám bez elektrotechnické kvalifikace, zakázáno. Naopak samotné DG v mobilním – kontejnerovém - provedení jsou těmito prvky standardně vybaveny, a nepředstavují tedy problém.

DG představuje měkký zdroj, který nebude v mnoha případech schopen dodat dostatečný zkratový výkon v případě poruchy. V takovém případě nebude v případě poruchy správně fungovat ochrana přístupných vodivých částí elektrického zařízení před úrazem.

Toto nebezpečí je možné eliminovat jen preventivním odborným vytipováním místa, do kterého se bude DG připojovat. K tomu je nutné znát příslušné parametry DG a porovnat je s potřebami výkonu, jak je uvedeno v úvodu. Celý další systém ochrany před úrazem elektrickým proudem nebude potom nijak negativně ovlivněn.

Legislativa
Uvádění elektrických zařízení do provozu je vázáno řadou předpisů a schvalovacích procesů k zajištění bezpečnosti. To se týká samozřejmě i připojení DG a s tím související úpravy elektroinstalace.

Za normálních okolností je třeba doložit revizní zprávy, zpracované oprávněným revizním technikem podle paragrafu 9 vyhl. č. 50/1978 Sb. Součástí revizní zprávy jsou atesty příslušných výrobků, prohlášení o shodě použitých komponentů podle zákona č. 22/1977 Sb.

Lze předpokládat, že v prostředí blackoutu nebude vždy z časových a organizačních důvodů možné zajistit průběh normálního schvalovacího procesu.

Je třeba mít legislativní rámec, který by nekomplikoval resuscitaci objektů, současně zajistil přiměřenou míru bezpečnosti a nekladl nepřiměřené nároky na osoby, které se procesu zúčastní.

5. Logistika (kapacita lidí, zajištění phm)

Již jsme uvedli, že v případě řešení blackoutu bude zapotřebí množství kvalifikovaných elektrotechniků s kvalifikací podle příslušných předpisů. V prvé řadě jsou to vlastní zaměstnanci PREdi, kteří by prováděli vlastní organizaci, zajišťování pracovišť, kontrolu instalací DG z hlediska ochrany distribuční sítě.

Montážní kapacity jsou ale omezené, tuto činnost je možné zajistit pouze ve spolupráci s externími firmami, nejlépe partnery PREdistribuce. Je pravděpodobné, že by partnerské montážní firmy stejně nemohly pokračovat ve své normální činnosti, jejich kapacity by byly volné. Určitě by ale jejich zaměstnanci neměli během blackoutu pro svou práci odpovídající zázemí, ať už z pohledu odpočinku, hygieny, tak z pohledu přístupu k informacím, možnosti sepsání/kompletace dokladů k elektrickým instalacím, osvětlení ve vlastních dílnách, skladech, kancelářích a podobně. Jejich pohyb by byl omezen nedostatkem pohonných hmot, v případě náhlého výpadku by neměli příslušná povolení k vjezdu.

Nelze předpokládat, že by elektromontážní firmy v současné době byly samy na blackout jakkoliv připraveny. Další specializovanou profesí jsou strojníci – obsluha DG. U těchto osob je nutné, mimo požadované vzdělání a praxi, odborné zaškolení na příslušném typu DG. Kapacity těchto odborníků jsou evidentně přímo úměrné kapacitám vlastních DG. Dopravci představují asi nejméně problémovou skupinu. Platí zde ale stejné omezení, jako u všech předchozích profesí.

Zázemí těchto firem bude patrně zřídka budováno tak, aby bylo v případě blackoutu funkční. Doprava a umístění DG, v závislosti na požadovaném výkonu, byly dostatečně popsány. Je zřejmé, že z hlediska organizace, dopravní dostupnosti, možnosti umístění do blízkosti objektů a kapacity nutné transportní techniky představuje nemalý problém.

Přibližná data k zásobování DG pohonnými hmotami
U zdrojů pro menší objekty (100 kW) je spotřeba paliva (motorové nafty) cca 20 – 30 litrů na hodinu. Autonomie u většiny výrobků se předpokládá cca 10 hodin (mají vlastní nádrže na 200 – 300 l), je tedy třeba dopravit 3 × za den přibližně 300 litrů paliva. U velkých objektů, které je nutno zásobovat výkonem přibližně 1 000 kW, jsou DG vybaveny nádržemi o objemu 1500 l. Toto množství dostačuje na zhruba 8 hodin chodu. To znamená, že je nutné dopravit na místo určení 3 × za 24 hodin 1 500 litrů paliva.

Pro představu, velká zásobovací cisterna, jak ji známe od čerpacích stanic, pojme cca 30 až 40 tisíc litrů paliva. Většina pronajímatelů DG dokáže zajistit i servis návozu PHM, a to menšími cisternami, které jsou operativnější.

6. ZÁVĚR

Bez ohledu na fakt, že v současnosti není patrně k dispozici dostatečné množství mobilních DG, je z uvedených skutečností patrné, že nejde o jednoduchý problém. Oživení a obnova funkce důležitých objektů tímto způsobem by trvala celé dny. Celý systém s sebou nese řadu nevyřešených problémů, prioritní je otázka bezpečnosti osob.

Každý jednotlivý objekt, který má být po dobu blackoutu napájen z náhradního zdroje, musí mít stanoven návrh opatření (projektovou dokumentaci) pro danou situaci. V tomto návrhu by mělo být minimálně uvedeno, jaký výkon bude objekt potřebovat k udržení běžných funkcí zařízení, jakým způsobem bude provedeno připojení DG, umístění mobilních DG, dopravní cesta pro zajištění PHM. Uvádíme ještě pro porovnání několik stručných informací, jak fungují objekty, které z různých důvodů vlastním nezávislým zdrojem již vybaveny jsou.

Stacionární DG
Je používán pouze jako záložní zdroj. Jeho instalace má za cíl zásobovat objekty elektrickou energií při výpadku dodávky z distribuční sítě. Je připojen v hlavním rozváděči 1 kV odběratele. Při detekci výpadku sítě dochází k ručnímu nebo automatickému odpojení sítě, rozběhu DG a jeho připojení do stanovených obvodů.

Při obnovení dodávky ze sítě se DG synchronizuje se sítí, následně dochází ke krátkodobému paralelnímu chodu, DG je odpojen. Kogenerační jednotka (generátor, jenž pohání rovněž spalovací motor, uzpůsobený zpravidla ke spalování zemního plynu z distribuční sítě) není používána jako záložní zdroj, ale primárně ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla, její pořízení má pouze ekonomické cíle. V případě blackoutu ale může jednoduše plnit funkci autonomního zdroje. Výhodou je, že distribuce plynu není závislá na dodávkách elektřiny z distribučních sítí. Tyto zdroje bývají ale většinou malé (do 100 kW), protože trvalý chod větších zařízení naráží na environmentální limity.

Analysis of using alternative energy sources in pre-distribution networks during long-term blackouts
The article describes the possibilities of supplying selected objects with electric energy in case of a blackout by using mobile and transport sources of energy – DG. It does not deal with integration into a broader context and thus does not address the way in which to manage individual operations, connection possibilities, controlling activities, amount of available DG, etc. Economical parameters, measurement of consumption of energy supplied from DG, purchase of fuel, rent, operation and maintenance of DG, etc. go beyond this article.

Autoři

• Kaláb Alois
• Ing. Kohout Jaroslav