Električne mreže

Električne mreže u elektroenergetici su sastavni deo elektroenergetskog sistema. Elektroenergetski sistem obuhvata proizvodnju, prenos i distibuciju električne energije. Električna energija se proizvodi u elektranama, odakle se prenosi i distribuiše ili raspodeljuje do krajnjih potrošača. U potrošače spadaju različiti neposredni prijemnici električne energije, npr. električno osvetljenje, motorni pogoni, termički prijemnikci, prijemnici u hemijskoj industriji, domaćinstva itd.

Električne mreže obezbeđuju neprekidno napajanje potrošača električnom energijom. One predstavljaju skup međusobno spojenih postrojenja i vodova koji se nalaze na istom nazivnom naponu. Sastoje se od pravilno izolovanih električnih vodova, opremljenih apratima za njihovo uključivanje, isključivanje, merenje i zaštitu, kao i transformatora koji povišavaju i snižavaju napon u prenosu i distribuciji električne energije.

Istorija nastanka električnih mreža

Razvoj električnih mreža je usko povezan sa razvojem elektrana, koji je uslovljen razvojem električnih prijemnika. Zadnje dve decenije 19. veka bile su presudne u razvoju elektroenergetskih sistema.

Prva električna mreža

Prva električna mreža pojavila se sa prvom elektranom. Godine 1882. Tomas Edison i njegova kompanija su izgradili prvu elektranu na svetu u ulici Perl u Njujorku, koja se koristila isključivo za osvetljenje. Generatore su pokretale parne turbine. U mreži se nalazilo 59 potrošača sa oko 3000 sijalica. Elektrana je proizvodila jednosmernu struju, na naponu od 103V, a najveća udaljenost od generatora do prijemnika bila je oko 800 metara.

Daljim istraživanjem došlo se do zaključka da su u prenosu električne energije gubici aktivne snage srazmerni kvadratu jačine struje, te da je za veće udaljenosti neophodno smanjiti jačinu struje i povećati napon srazmerno udaljenosti, da bi se gubici održavali na istom nivou. Međutim, u ono vreme to je bilo nemoguće izvesti sa jednosmernom strujom.

Transformator

U Londonu iste godine Lusijen Golar i Džon Dikson Gibs predstavili su prvi transformator, čime je bila omogućena upotreba viših napona u prenosu električne energije. Praktična upotreba ovog transformatora prikazana je 1884. u Torinu, gde je on iskorišćen za osvetljavanje 40 km pruge, energijom iz generatora naizmenične struje. Međutim, ovakav sistem imao je više nedostataka, jedan od najvećih predstavljalo je povezivanje generatora na red, zbog čega njihovo opterećenje nije bilo podjednako, tako da je uključivanje i isključivanje samo jedne lampe uticalo na rad svih ostalih lampi u liniji. Nakon demonstracije, američki preduzetnik Džordž Vestinghaus odlučio je da kupi nekoliko ovakvih transformatora, kao i Simensov generator, u želji da ih njegovi inženjeri poboljšaju u budućnosti.

Jedan od Vestinghausovih inženjera, Vilijam Stenli, uspeo je da uoči problem u vezivanju na red i takođe je došao do zaključka da gvozdeno jezgro oko koga bi se namotali primarni i sekundarni namotaji, mogli da se smanje gubici usled rasipanja fluksa. Tako je konstruisan napredniji transformator, koji je u Grejt Baringtonu 1886. godine primenjen prvi put u mreži naizmenične struje. Međutim, i u ovom slučaju jedini potrošači bile su sijalice, s obzirom da tada još uvek nisu postojali električni motori na naizmeničnu struju.

Nikola Tesla

Veliki preokret u prenosu električne energije nastaje sa Teslinim pronalascima u oblasti obrtnog magnetnog polja, njegove primene na indukcioni motor i polifazne sisteme. Tesla je tokom 1887. i 1888. godine patentirao niz pronalazaka, u koje spada i patent za dvofazni asinhroni motor. Dizajn njegovog asinhronog motora, za razliku od drugih, bio praktičan za industrijsku upotrebu. Odmah potom, kompanija Vestinghaus otkupljuje prvih sedam Teslinih patenata iz oblasti polifaznih struja. U Pitsburgu (1888—1889) sa inženjerima kompanije Vestinghaus radi na praktičnoj realizaciji svojih patenata.

I ako su Teslini patenti ukazivali na velike prednosti Vestinghaus je imao problema, jer je Edison uporno radio na diskreditovanju upotrebe naizmenične struje i Teslinih izuma. Nakon dugotrajnog procesa dokazivanja i bitke na tražištu oko opredeljenja za i protiv naizmeničnih struja ili fonomena poznatog kao rat struja, 1895. odlučeno je da se kod hidroelektrane na Nijagarinim vodopadima takođe primeni Teslin sistem naizmeničnih struja. Mreža je bila naponskog nivoa do 11 kV, a vodovi su išli do Bafala.

Izgradnjom transformatora za visoke napone i primenom trofaznih struja otvorene su mogućnosti za prenos većih snaga na veće udaljenosti. U poslednjoj dekadi 19. veka proizvodnja električne energije je uzela maha. Kompanije su izgradile na hiljade električnih mreža, za jednosmernu struju i naizmeničnu struju u SAD i u Evropi.

Električne mreže u Srbiji

U Srbiji se krajem 19. veka takođe počelo sa građeno sa izgradnjom električnih mreža. U početku su pravljene samo za osvetljenje, a tek kasnije za potrebe industrije. Snage prvih elektrana bile su veoma male i preovladavala je jednosmerna struja.

Prva elektrika u Beogradu pojavila se 1880. godine u Kafani Hamburg, blizu današnje Elektrodistribucije Beograd, vlasnika Pere Jovanovića Šapčanina. Gazda Pera je tada nabavio jednu lokomobilu i elektromotor i postavio ih ispred Narodne skupštine (danas bioskop ”Odeon”), a odatle razvukao žice preko Topčiderskog druma, do svoje kafane u kojoj su se nalazile Bogen lampe.

Zatim je 9. oktobra 1884. godine uvedeno osvetljenje u čaurnici kragujevačkog Vojnotehničkog zavoda u Kragujevcu. U novoj radionici inženjer Zavoda, Todor Selesković nabavio je dinamomašinu za napajanje 30 sijalica i dve lučne lampe. Ovom događaju je prisustvovao Milan Obrenović sa kraljicom Natalijom i svojom svitom.

U elektrifikaciji Srbije veliku ulogu odigrao je Đorđe Stanojević. Uz njegovo zalaganje, odlučeno je da se izgradi električno osvetljenje u Beogradu, umesto gasnog. Međutim, i ako je Tesla već u to vreme vodio bitku za naizmenične struje, a Đorđe Stanojević bio upoznat sa njegovim radom, zbog velikih pritisaka odlučeno je da se sklopi ugovor sa ogrankom Edisonove kompanije u Parizu, preko Srpsko-francuskog društvo za osvetljenje i varoške železnice, Belgijskog anonimnog društva i Direkcije za tramvaje i osvetljenje za gradnju termoelektrane i mreže Edisonovog tipa, što će se, kasnije odraziti na kvalitet osvetljenja u Beogradu. I tako je 1892. godine počela da se gradi prva termoelektrana u Srbiji na Dorćolu, u Beogradu. Ulično osvetljenje službeno je počelo sa radom 23. septembra 1893. godine, kada je utvrđeno da je prva faza elektrifikacije Beograda završena, a da je električna centrala sa mrežom puštena u rad. Ista elektrana omogućila je i prvi tramvaj na električni pogon 1884. godine (od 1882. je radilo na konjsku vuču), koji je saobraćao na relaciji Terazije - Topčider, svega šest godina nakon što je krenuo sa radom tramvaj u Ričmondu. Centrala je 14. maja 1933. prestala sa radom, a iz nje je 1946. godine izneta sva oprema, koja će poslužiti za izgranju termoelektrane „Mali Kostolac“, prve termoelektrane u Kostolcu. Objekat postoji još uvek i njemu se od 2005. nalazi Muzej nauke i tehnike.

Ipak, nešto kasnije Đorđu Stanojeviću pošlo je za rukom da započne izgradnja elektrana po Teslinim principima naizmeničnih struja. Prva ovakva elektrana puštena je u probni rad 2. avgusta 1900. godine, na reci Đetinji u Užicu, četiri godine nakon početka rada hidroelektrane na Nijagari. Služila je za pokretanje mašina u tkačkoj radionici i električno osvetljenje. U početku je imala dva agregata od 36kW, i dalekovoda dužine 1km. Nešto kasnije, 1904. dodat je još jedan generator. Ova hidroelektrala i danas proizvodi 140 kWh energije.

Hidroelektrana Vučje, u istoimenom selu u podnožju planine Kukavice počela je sa radom 1903. na reci Vučjanki. Prvi dalekovod u Srbiji, dužine 17 km, izgrađen je od ove elektrane do Leskovca. Hidroelektrana je u pogonu i danas. Neki od generatora u elektrani rade od samog njenog postanka. U Hidroelektrani postoje tri turbine. Sve tri su „Vojt“ i sve tri imaju svoje generatore. Dva generatora su „Simens“, iz 1903. godine. Jedan generator je iz tridesetih godina prošlog veka, proizvođač je švedska firma „Asea“ koja više ne postoji. Generatora proizvode oko 20.000 kWh dnevno, odnosno 4 miliona godišnje.

Podela električnih mreža

Električne mreže mogu da se podele na više načina:

Prema naponskom nivou kome pripadaju

• mreže niskog napona (do 1kV)
• mreže srednjeg napona (najčešće 10kV, 20kV i 35 kV)
• mreže visokog napona (od 110kV i 220kV)
• mreže veoma visokog napona VVN (400kV, 750kV, 1.150kV)

Prema broju provodnika

• sa jednim provodnikom (npr. trola u tramvajskom saobraćaju, pošto se šine koriste kao povratni provodnik)
• sa dva provodnika (primeri: kod jednosmerne struje trolejbus, a kod naizmenične struje jednosmerni prijemnici )
• sa tri provodnika (primeri: kod jednosmerne struje trovodni sistem, kod naizmenične struje trofazni sistem bez nultog provodnika za napajanje motora)
• sa četiri provodnika (primeri: kod naizmenične struje trofazni sistem sa nultim provodnikom za mešovitu potrošnju)

Prema funkciji

• prenosne mreže - prenose velike snage, reda stotina ili reda hiljada MW, od izvora električne energije, na velike udaljenosti (stotine i hiljade kilometara), sve do područja potrošača. Obično se završavaju u glavnim transformatorskim stanicama (G TS) (npr. G TS 400/110kV). Ovaj prenos se realizuje na mrežama visokih i veoma visokih napona.
• napojne mreže - prenose snage (reda veličina desetine MW), na visokom naponu, idu od glavnih TS, do pojedinih jezgra potrošnje odnosno napojnih TS (npr. TS 110kv/10kV). Dužine vodova u ovom slučaju su do više desetine kilometara.
• distributivne mreže - vrše distribuciju snaga (reda veličine MW do desetine MW), unutar potrošačkih područja, sve do potrošača, odnosno njihovih uređaja za registrovanje potrošnje, na mrežama srednjeg i niskog napona.
• potrošačke mreže - direktno napajaju potrošače, odnosno razne električne aparate malih, kao npr. aparata u domaćinstvima, ili nešto većih snaga, kao što su industrijska postrojenja. S obzirom da se nalaze u dirketnom kontaktu sa korisnicima, da bi se obezbedio visok stepen zaštite, potrošačke mreže rade na niskim naponima (3 kV, 6 kV, 10 kV).

Prema vrsti struje

• mreže jednosmerne struje - prednosti: prenose nešto veću aktivnu snagu, izolacija se napreže jednolično i to naponom koji je ${\sqrt {2}}$ puta manji od naizmeničnog, nema uticaja induktiviteta, ni kapacitivnosti (postoje samo kod promjenljivih struja), lakše se postiže sinhronizam u pogonu
• mreže naizmenične struje - prednosti: lako transformisanje napona primenom elektroenergetskih transformatora, lako prekidanje velikih struja, obrtno magnetno polje

Prema topologiji

Električne mreže se predstavaljaju pomoću „izvora napajanja“ (elektroenergetska postrojenja), „deonica“ (električni vodovi) i potrošačikih čvorova. S obzirom na mogućnost smera protoka električne energije razlikuju se:

• Radijalne mreže - imaju samo jedan smer protoka i jednostrano napajanje potrošačkih čvorova
• Petljaste mreže - imaju mogućnost protoka električne energije u oba smera na određenim deonicama.

Prema konstruktivnom načinu izvođenja

• nadzemne ili vazdušne mreže - izvode se golim provodnicima, odnosno metalnim žicama bez izolacije, na stubovima, pomoću konzola i izolatora za pričvršćivanje provodnika. One su pregledne, lako se uočavaju i otklanjaju kvarovi. Izložene su atmosferskim uticajima, pa se javljaju prenaponi izazvani atmosferskim pražnjenjima. Primenjuju se kod prenosnih, napojnih mreža, kao i kod distributivnih mreža u prigragradskim i seoskim područjima.
• podzemne (kablovske) - izvode se kablovima položenim u zemlju, kroz kablovske kanale ili po zidovima. Za izvođenje su gotovo 10 puta skuplje od nadzemnih, ali su trajnije i manje se kvare.

Projektovanje

Električne mreže trebalo bi da :

• budu izvedene po važećim propisima u tehničkom smislu
• obezbede pouzdanost u pogonu i statičku sigurnost, te normalno funkcionisanje u raznim režimima rada, uključujući i najteže uslove, prilikom ispada neke od komponenata mreže
• ne predstavljaju nikakvu opasnost po okolinu
• budu što ekonomičnije

Da bi se ovi uslovi ispunili, prilikom projektovanja električnih mreža vrše se brojni proračuni i to prema postavljenim zahtevima (još u fazi planiranja elektroenergetskih sistema), važećim standardima i iskustvu, kao npr:

• termički proračun koji omogućavaju održavanje dozvoljene temperature raznih komponenti mreže
• električni proračun koji obezbeđuje održavanje postavljenih parametara mreže u ustaljenom reužimu rada, kao što su npr. napon, zadati protok snaga ili stepen iskorišćenja
• mehanički proračun bavi se mehaničkom čvrstoćom i stabilnošću delova električne mreže
• ekonomski proračun koji se bavi proračunom gubitaka energije, intenzitetom struje, potrošnjom materijala itd.
• dopunski proračuni, u koje spadaju razni drugi proračuni koji se bave kontrolom rada u najtežim uslovima pogona

Spoljašnje veze

• Tehnička škola Užice: Električne mreže, priključak električne instalacije na mrežu
• M. Mišković - Električne instalacije i osvetljenje, Građevinska knjiga, Beograd (2007)
• Električne mreže i dalekovodi za četvrti razred usmerenog obrazovanja elektrotehničke struke, Dipl. inž. Senka Branković, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva (Beograd) 9788617038128 (1996)
• Elektromreža Srbije, zvanična internet prezentacija