Základní prvky elektrických rozvodů a instalací
Stavba elektrických zařízení nezačíná až od vstupu do objektu, ale v podstatě již počínaje napájením objektu.
Transformátor, distribuční vedení, přívod (přípojka), vstup do objektu, rozdělení na obvody, spotřebiče. Takové je asi schéma přívodu elektrické energie a jejího rozvodu v objektu ke spotřebičům.
Znalost způsobu provozování zařízení spotřebovávajících elektrickou energii, tj. „zátěže“ (ustálený odběr, rozběhové poměry, nesouběžná funkce atd.) spolu s místem a velikosti každé zátěže znázorněná na plánu objektu umožňují, aby byl vypracován seznam požadavků na dodávku silové energie. Seznam zahrnuje celkovou energii instalovaného zatížení i odhad skutečného zatížení, jemuž je třeba vyhovět. Ten je odvozen z toho, jakým způsobem jsou odběrná zařízení provozována.
Z těchto údajů se snadno zjistí výkon, který je zapotřebí dodat pro odpovídající napájení elektrické instalace. Tomu je také nutné zvolit zdroj a (pokud je toho třeba) tak i více zdrojů i s vedením pro tuto instalaci.
Rovněž je důležité znát i skladbu poplatků za dodávku elektrické energie, aby bylo možno zvolit, jakým způsobem provést elektrickou přípojku. Zda se u velkých objektů nevyplatí přivést elektrickou energii do objektu vn kabelem a tam ji teprve transformovat na nn.

Hlavní schémata distribučních sítí nn
U typických distribučních rozvodů nn začínají distribuční obvody v hlavní distribuční skříni (MGDB – Main General-Distribution Board), ze které jsou různými kabelovody, instalačními trubkami, apod., rozváděny do místních hlavních a podružných rozváděčů.
Uspořádání svazků izolovaných vodičů a způsob jejich upevnění a ochrany proti mechanickému poškození, společně s estetickým vzhledem tvoří praktickou realizaci elektrické instalace.
 
Uspořádání obvodů
Uspořádání obvodů do nezávislých částí instalace umožňuje:

• omezit následky poruchy na jeden obvod,
• jednoduše vadný obvod lokalizovat,
• provádět údržbu nebo rozšíření obvodu bez ovlivnění ostatních částí instalace.
  

Obvody se rozdělují do několika kategorií, kdy každou kategorii tvoří jeden obvod nebo skupina stejných obvodů a případně i zvláštní typ kabelů (např. pro signalizaci požáru a jištění obvodů).
Obecně se používají tyto skupiny obvodů:

• obvody pro osvětlování (obvody s největším výskytem izolačních poruch);
  
• zásuvkové obvody;
  
• obvody pro topné a/nebo klimatizační spotřebiče;
• napájecí obvody pro motorová pevná elektrická zařízení;
• napájecí obvody pomocného příslušenství (signalizace a ovládání);
• obvody pro bezpečnostní systémy (nouzové osvětlení, protipožární ochrany, obvody záložních zdrojů nepřetržitého napájení (UPS) počítačových sítí, apod.), jejichž instalace je řízena přesnými národními předpisy a praktickými postupy.
  

V následujícím textu jsou popsána nejběžnější uspořádání distribučních instalací nízkého napětí.

Radiálně větvené distribuční sítě
Tyto sítě se uplatňují prakticky univerzálně a jejich realizace se řídí obecnými dále uvedenými pravidly.
Při údržbě nebo rozšíření obvodu zůstává zbytek instalace v provozu. Průřezy vodičů lze odstupňovat (sestupně) se snižujícím se proudem směrem k posledním podružným obvodům.
Výhodou těchto sítí je, že v případě poruchy bude odpojen (pojistkami nebo hlavním jističem) pouze jeden podružný obvod. Lokalizace poruchy je zjednodušena. Kromě toho poskytují prakticky neomezené možnosti pro uspořádání kabelů, instalačních trubek, žlabů, kanálů, apod. Nevýhodou je, že porucha, která se objeví na kabelu z hlavního rozváděče přeruší napájení všech obvodů dále v instalaci.
Tyto sítě se používají v obytných budovách, hotelích, v zemědělských provozech, školách apod.


Radiálně větvené distribuční sítě s přípojnicovými rozvody (obr. 2) se používají pro elektrické instalace v průmyslu a terciárním sektoru. Jejich výhodou je možnost přizpůsobení rozvodu ve velkých, nedělených pracovních prostorech okamžitým potřebám a jejich snadné využití.


Prefabrikované přípojnicové lišty a sloupky s připravenými vodiči na koncích rozvodů (viz obr. 3).


Jednoduché (nevětvené) radiální sítě
Toto uspořádání se používá pro centrálně ovládané instalace ve zpracovatelském průmyslu zaměřeném pro specifická uplatnění, kde je důležité zajištění jejich ovládání, údržby nebo dozoru v rozvodné síti. Jejich výhodnou je, že porucha, která nebude na úrovni přípojnic, vyřadí pouze jeden obvod. Nevýhodou je velká spotřeba mědi (nebo hliníku) v důsledku většího množství a větší délky koncových obvodů. U jisticích přístrojů je nutno uvažovat s většími zkratovými proudy (blízkost zdroje).



Hlavní rozvaděč nn
Analýza rozložení zátěže podle plánů budov(y) je prvním krokem při návrhu elektrické instalace a fyzického rozmístění distribučních a podružných rozvaděčů.
Rozvodna vn/nn, záložní přístroje a hlavní distribuční rozvaděč nn by měly být, z technických i ekonomických příčin, umístěny co možná nejblíže k centru elektrické zátěže.
Je třeba zvážit i řadu jiných faktorů, zejména vyjádření dodavatele energie k otázce rozvodny vn/nn a s ní spojených stavebních a inženýrských prací. Ve skutečnosti lze poblíž centra zátěže umístit pouze hlavní rozvaděč nn, rozvodna vn/nn se staví souběžně s veřejnou komunikací.



Nepřetržitost dodávky elektrické energie
Nepřetržitost napájení lze zajistit:

• příslušným rozdělením instalace a použitím náhradních zdrojů napájení,
• použitím místních záložních generátorů,
  
• rozdělením a zálohováním důležitých obvodů,
  
• volbou typu uzemňovacího schématu (například IT),
• selektivitou jištění.
  

Vysoký stupeň nepřetržitosti napájení lze dosáhnout: rozdělením instalace; použitím více jak jednoho zdroje, např. okružní napájecí přípojky; instalací automatického záložního generátoru v důležitých provozech; podružným rozdělením obvodů; volbou uzemňovací soustavy (IT, TT, TN, apod.) a použitím selektivních jisticích přístrojů (pojistky, relé).

Rozdělení instalace a použití více jak jednoho zdroje
Nejběžnější způsob zajištění vysokého stupně nepřetržitosti napájení je vn okružní napájení a (pokud instalovaná zátěž opodstatňuje náklady) dva i více transformátory vn/nn, s možností vzájemného propojení hlavních nn rozvaděčů. Použití několika transformátorů umožňuje oddělit zátěže, které by v opačném případě způsobovaly nežádoucí rušení ostatních obvodů, například:

• výpočetní technika, která je citlivá na regulaci napětí (propady a špičky) a na zkreslení průběhu (harmonické složky);
  
• obvody generující harmonické kmity, jako jsou výbojky, elektrické měniče různých typů (tyristorově řízené usměrňovače, střídače, regulátory otáček, apod.);
• obvody, které jsou příčinou nadměrných změn napětí, například velké motory, obloukové pece, apod.
  

Tyto zátěže a řada jiných s podobnými vlastnostmi, tj. zátěže náchylné na rušení a zátěže, které jsou příčinou rušení, by měly být přednostně napájeny z různých vn/nn transformátorů. Takovým způsobem se bod společné vazby (PCC – angl. Point of Common Coupling) přenese z nn přípojnic na vn přípojnice, kde je vzájemné ovlivňování mezi skupinami zátěží podstatně nižší, a v některých případech je zcela eliminováno.


Takový případ se týká harmonických složek 3. řádu a všech jeho násobků.*

Pokud se použijí vn/nn transformátory trojúhelník-hvězda, pak se harmonické složky proudu 3. řádu na nn straně jednoho z transformátorů neprojeví v napájecích vodičích na vn straně (proudy cirkulují uvnitř, ve vinutí zapojeném do trojúhelníku) a nemohou tak ovlivnit sousední transformátory.
Mimoto, harmonické složky napětí 3. řádu, které se mohou objevit na vn přípojnicích (například z přímo připojených vn zátěží) se nebudou u transformátorů transformovat dolů na nn.

Použití záložních zdrojů napájení
Mezi příklady záložních napájecích zdrojů patří: dvě samostatné rozvodny vn/nn, soukromá elektrárna, diesel-generátorové soustrojí, statické zdroje nepřetržitého napájení (UPS).

Rozdělení obvodů
Obvody se rozdělují do skupin podle relativní důležitosti. Většinou se jedná o dvě samostatné skupiny, běžně označované jako “hlavní” a “vedlejší” zátěž, které se napájí z různých přípojnic.
Na obr. 7 je typické uspořádání systému automatického záskoku pro záložní nn napájení “hlavních” zátěží.


Přístroje výpočetní a informační technologie vyžadují nejvyšší stupeň nepřetržitosti napájení, stabilní úroveň napětí a nezkreslené průběhy napětí a proudů. Tyto požadavky splňují tzv. zdroje nepřerušovaného napájení (UPS) – příklad základního zapojení je na obr. 8.


Zdroje nepřerušovaného napájení (UPS) se také s výhodou uplatňují v aplikacích s výpočetní technikou, informační technologie, programově řízené obráběcí stroje, apod. jako ochrana před krátkodobými poklesy napětí, keré by jinak mohly způsobit ztrátu dat, a tím nenapravitelné škody.

Volba uzemňovací soustavy
Pokud je nepřetržitost napájení velmi důležitá, např. v nepřetržitých výrobních procesech, nemocničních operačních sálech, apod., používá se běžně uzemňovací soustava IT.
Tato soustava umožňuje normální (a bezpečné) pokračování provozu v případě zemního zkratu (nejčastěji při izolační poruše). Odstavení rozvodu pro manuální nebo automatickou lokalizaci poruchy a její odstranění lze provést později, v příhodné době (např. po ukončení směny, apod.).
Druhá zemní porucha (pokud se objeví na jiné fázi nebo nulovacím vodiči) však způsobí zkrat, na který bude reagovat nadproudové relé vypnutím obvodu(ů).


Typy přepětí
Přepětí se obecně rozlišují podle jejich příčiny:
Přepěťové rázy vznikající při úderech blesku mají atmosférický původ. Tato přepětí ovlivňují převážně nadzemní přenosová a distribuční vedení, venkovní příslušenství rozvoden a spínací přístroje a transformátory, atd., přímo připojené k těmto elektrickým zařízením.
Výskyt rázových vln závisí na četnosti bouřek v dané oblasti a druhu vedení, tj. podzemní kabelové nebo nadzemní. Četnost bouřek se stanovuje podle počtu dní (za rok) s hromobitím.

Provozní přepětí.
Spínání v zařízeních vysokého napětí (na vedeních, v rozvodnách, rozváděčích) může být příčinou rázových vln podobných jako u atmosférických bouřek; přepálení pojistky při poruchovém proudu v nn rozvodech může též vést k relativně nebezpečným přepěťovým rázům. Spínací přepětí při VN distribučních úrovních se potlačuje použitím standardních bleskojistek.

Přepětí v nn rozvodu v důsledku poruchy ve vn síti, například:

• přímá porucha vn/nn mezi primárním a sekundárním vinutím transformátoru, nebo dotyk vn vedení nadzemního rozvodného vedení nn, apod.,
  

průchod zemního proudu při vn poruše nebo úderu blesku uzemňovací soustavou, která je společná pro síť vn i nn. Způsoby jištění proti tomuto typu přepětí jsou uvedeny v ČSN 33 2000-4-42.

Důsledky a řešení
Veškeré přístroje, zařízení a příslušenství musí mít základní přepěťovou výdržnost. Elektrické motory jsou obzvláště citlivé na izolační poruchy vinutí při vysokofrekvenčních vn rázech. Počítačová technika a podobné elektronické přístroje jsou často vybaveny nezávislým (bateriovým) napájením, které je nejen zdrojem velice stabilního napětí bez harmonických složek, ale i účinně chrání citlivé obvody před uvedeným typem přepěťových rázů. V průmyslových instalacích je přepěťová ochrana zajištěna, pokud všechny součásti instalace při zkouškách osvědčily svoji výdržnost proti přepětím průmyslové frekvence a byla provedena níže uvedená opatření pro ochranu proti vysokofrekvenčním vn a stejnosměrným rázovým jevům.

Zkoušky při normální průmyslové frekvenci.
Dielektrické zkoušky výdržnosti při normální průmyslové frekvenci se pro většinu NN prvků provádí při 2U + 1000V po dobu 1 min (nebo podobně – v IEC stále probíhají diskuse na toto téma). V sítích IT je kvůli ochraně proti přepětím při průmyslové frekvenci, případně indukovaným přepěťovým rázům, povinné zařízení pro omezení napětí mezi nulovým uzlem napájecího transformátoru a zemí.

Opatření proti přechodným pulsním přepětím.
Tato opatření závisí, mimo základní impulsní výdržnosti izolačního materiálu, na použití bleskojistek na počátku instalace a omezovačů přepětí v citlivých bodech instalace (např. na svorkách velkých motorů). Takové soustavy jištění vyžadují pečlivou studii a je nejlépe je instalovat ve spolupráci s výrobcem.
U instalací NN přenos rázových napětí přes kapacity mezi vinutími vn/nn transformátoru podstatně snižuje nebezpečnost přepětí na straně nn ve srovnání se stranou vn. Transformátory s uzemněnými kryty mezi vn a nn vinutím jsou dalším (nákladným) efektivním způsobem k řešení těchto problémů.

• Výdržnost izolačního materiálu proti impulsním napětím.
  

Při základních zkouškách se používá normalizovaná pulsní vlna s průběhem podle základních norem na zkoušky odolnosti proti přepětí, znázorněná na obr. 9.



Jmenovitá impulsní výdržná napětí podle impulzní výdržné kategorie (podle částí instalace).

Nasazení přepěťových ochran (SPD) podle zón bleskové ochrany (jinak podle zón ochrany před přepětími).

Další údaje o ochranách před přepětími by měly být tématem dalších samostatných přednášek.