De belangrijkste functie van een hoogspanningsstation is verbinden. Verschillende circuits, verschillende deelnetten, verschillende spanningen en netvlakken.

Het zou eenvoudig zijn wanneer we gewoon alles aan elkaar vastmaken. Maar om een hoogspanningsnet bedienbaar te houden moet er verschakeld kunnen worden. Ook moet er getransformeerd worden, want anders kunnen twee netvlakken niet verbonden worden en kan er geen vermogen worden overgedragen. Verbindingen moeten worden gekoppeld, bewaakt en onderhouden worden. En dat moet allemaal ook nog veilig en bedrijfszeker gebeuren, want het licht mag nooit uitgaan.

Aansluitvelden: uit hun krachten gegroeide groepen in de meterkast

Een station voor driefasenwisselstroom (dat zijn bijna alle stations) moet verschillende functies combineren. Dat heeft zijn weerslag op de plattegrond van het station en op de componenten die je erop aantreft. Zie de pagina over een station in vogelvlucht voor een overzicht van de componenten die je aantreft. Op deze pagina gaan we dieper in op de stationsplattegrond en op het hoe en waarom van zogeheten aansluit- en koppelvelden. Deze dingen vormen samen met het railsysteem de basis van ieder hoogspanningsstation. En ook bij middenspanning is het eigenlijk weinig anders.

Aansluitveld met een transformator

   Trafostation met vrijschakelbare componenten

 

 

 

 

 

 

 

 

Een aansluitveld voor een vermogenstransformator. Er bestaan verschillende soorten aansluitvelden, te onderscheiden naar de functie ervan. Ook zijn er zogeheten koppelvelden waarmee intern op het station rails kunnen worden gekoppeld of juist ontkoppeld. Beide velden zijn van essentieel belang voor het bedienen van een station. Foto door Michel van Giersbergen.

Het nut van velden en een railsysteem

Het lijkt een vervaarlijke wirwar van draden en buizen, maar een station leren begrijpen is niet moeilijk. We gaan een hoogspanningsstation opbouwen vanaf het simpelste begin en we eindigen bij moderne grote stations zoals we die buiten in het veld kunnen aantreffen, of zoals die op de animatie staan op de pagina over een station in vogelvlucht. Vanzelf wordt duidelijk waarom zo'n opbouw een logisch gevolg is dat voortkomt uit de dingen en eigenschappen die we willen dat het station bezit.
De drie fasedraden, ons welbekend, vormen daarbij niet alleen de rode draad, maar op deze pagina ook de gele en de blauwe draad. De tekeningen worden er duidelijker van. (Eigenlijk is het toekennen van kleuren aan individuele fasen vooral gebruikelijk bij middenspanning, want hoogspanningscircuits dragen in hun geheel dezelfde circuitkleur.)

Directe inkomende verbinding 

Men neme een hoogspanningslijn met één circuit en vermogenstrafo T1 die achter zijn scherfmuur staat te brommen. Achter T1 hangt het plaatselijke middenspanningsnet. Wanneer we de verbinding en T1 rechtstreeks op elkaar aansluiten krijgen we de meest simpele opbouw die er bestaat: geen schakelaars, geen andere apparaten, een zogeheten hard verbonden component. Dat betekent dat als de verbinding spanningsloos raakt, de transformator dat direct ook wordt en de stroom uitvalt. Schakelen moet hier aan de andere kant van de hoogspanningslijn gebeuren. Deze situatie is in feite de allersimpelste variant van zogeheten transformators op steeltjes. De geschetste situatie (zonder schakelaars) zien we vrijwel nooit. Het geldt amper als een station en handig is het ook niet. Beter voegen we wat schakelmogelijkheden toe.

Inkomende verbinding met schakelaars

Steeklijn

We laten wat schakelaars aanrukken en monteren deze tussen trafo T1 en de hoogspanningslijn in. Nu kunnen we de hoogspanningslijn en de transformator van elkaar los schakelen. Niet dat dat in deze situatie veel zin heeft: er is nog steeds maar één circuit en één trafo. Geen sprake van reserve, een omweg of welk plan B dan ook. Als men de schakelaars opent, staat T1 direct in zijn hemd. Deze situatie, eigenlijk nog steeds een vorm van een transformator op een steeltje, wordt ook wel een enkelvoudige steeklijn genoemd. Bij een simpele storing is het dan meteen einde oefening. Ook onderhoud is niet eenvoudig. Zelfs een noodverbinding zou niet aan te sluiten zijn. Dit vraagt kortom om wat extra maatregelen in de vorm van rails.

Inkomende verbinding met rails en vrijschakelbaarheid

Trafostation met vrijschakelbare componenten

We laten een constructeur komen die een setje rails met railscheiders monteert. Op de tekening zien we de rails verschijnen: de horizontale lijnen in de fasekleuren. Er ontstaat nu een piepklein stationnetje. Door de aansluiting op de trafo en de hoogspanningslijn via deze rails met individuele railscheiders te laten lopen (de kleine knijpervormige icoontjes op deze tekening), kan men T1 losnemen van de rails, zonder dat de rails zelf spanningsloos raken.

De aansluiting van de trafo met de hoogspanningslijn is nu als het ware opgeknipt geraakt in twee aansluitingen op een gedeeld setje rails. De aansluitingen heten vanaf deze situatie velden of aansluitvelden. Er is nu een zogeheten transformatorveld aanwezig waar T1 op staat en er is een lijnveld aanwezig voor de inkomende hoogspanningslijn. (Er zijn in totaal zes soorten velden, daar gaan we verderop nader op in.) Het werken met twee zulke velden kan enig soelaas bieden bij problemen. Als T1 er geen zin meer in heeft, kan men een tijdelijke trafo T2 optrommelen en daarmee de stroomvoorziening veilig stellen totdat T1 gerepareerd is. T2 kan dan tijdelijk met de rails worden verbonden. Maar nog steeds is het nut ervan slechts zeer betrekkelijk: op afroep zomaar even een trafo laten opdraven doet men niet in een minuutje en nog steeds kan de zaak niet spanningsloos worden gemaakt voor onderhoud. Het wordt tijd voor steviger maatregelen: storingsreserve.

Enkelvoudige storingsreserve 

Trafostation met enkelvoudige reserve

Men huurt er wat grond bij en laat naast de constructeur nu ook een fabrikant voor transformators komen. Men voorziet de hoogspanningslijn van een tweede circuit en legt een tweede lijnveld aan. Ook krijgt trafo T1 gezelschap in de vorm van identieke collegatrafo T2, inclusief zijn eigen nieuwe transformatorveld. Alle velden en componenten zijn nu dubbel aanwezig. Harde sluiting in een circuit? T1 die zijn dag niet heeft? T2 kan dan zonder problemen de zaak in zijn eentje af totdat T1 gerepareerd is. In tussentijd kan men de defecte component door middel van de scheidingsschakelaars en vermogensschakelaars veilig los nemen van de onder spanning staande delen, zodat reparaties kunnen plaatsvinden en onderhoud geen haastklus is.

Deze zogeheten enkelvoudige storingsreserve maakt een hoogspanningsnet robuuster en meer storingsvast. Het is de norm in de meeste hoogspanningsinstallaties in Nederland en België. Maar toch is er nog één zwakke schakel over: wat als er zich een probleem voordoet in de rails zelf? Dan hebben beide circuits en beide trafo's alsnog het nakijken en zitten we toch weer in het donker. Ook daar is wat aan te doen: tijd voor zogeheten N-1 redundantie.

N-1 redundant trafostation

Redundant trafostation met koppelveld

Weer bellen we de constructeur en we laten hem deze keer ook de rails verdubbelen. Een schijnbaar kleine aanpassing, maar nu is het station volledig redundant. Alles is dubbel uitgevoerd. In principe kunnen een trafo, een circuit én een set rails allemaal tegelijk uitvallen en dan nog blijft de levering van stroom gehandhaafd. Deze bouwwijze wordt N-1 redundantie genoemd. 

Normaal zijn de rails en de aansluitvelden zodanig geschakeld dat de redundantie verdeeld is: het inkomende circuit links op de tekening zit dan bijvoorbeeld op de bovenste rail aangesloten (railscheiders met de onderste rails staan dan open) en voor het andere inkomende circuit is dat precies omgekeerd. Klapt een van de circuits of treedt er een storing op in een van de rails, dan laat dat de redundante zijde ongemoeid. Maar soms kan het voorkomen dat beide rails toch moeten worden gekoppeld. Daarvoor zijn zogeheten koppelvelden bedoeld. Op de afbeelding zien we een koppelveld aangeduid met een K. Dit is een zogeheten dwarskoppelveld: dwars op de rails kunnen ze worden gekoppeld. Koppelveld K staat onder normale omstandigheden vrijwel altijd geopend: een koppeling tussen de twee rails doet men alleen als het nodig is en daarna wordt deze zo snel mogelijk weer verbroken omdat een storing op een van de rails anders onmiddellijk leidt tot uitschakeling op alle rails, zodat er dan alsnog een totale storing zou ontstaan.

Door de rails en aansluitingen zodanig te schakelen dat telkens redundantie aanwezig is, kan een enkelvoudige storing probleemloos optreden. Vervolgens kan men verschakelen om vermogen om te leiden en de defecte component fysiek los te schakelen van alle rails, zodat er op ieders gemak reparatie kan plaatsvinden terwijl het licht intussen altijd aan blijft. 

Redundant trafostation met parallelle rails

Redundant trafostation met parallelle rails en dwarskoppeling

Dat klinkt goed, maar er is een klein probleem aan deze stationsopbouw. Of eigenlijk eerder een groot probleem, want je ziet het al aan de tekening. Het ruimtebeslag van een redundant station met parallelle rails is aanzienlijk.
Wanneer er alleen velden voor een redundante verbinding en twee afgaande trafovelden op aangesloten zitten valt het nog wel mee. Maar we zien hierboven dat het al snel uit de hand begint te lopen wanneer we het station uitbreiden met twee extra binnenlopende hoogspanningscircuits, een aansluitveld voor transformator T3, een niet-redundante klantaansluiting en een tijdelijk ongebruikt veld. Het station wordt al snel steeds langer en omdat er tussen de aansluitvelden telkens een zekere hoeveelheid vrije ruimte nodig is, groeit het station in een rap tempo het beeld uit (of in werkelijkheid van het terrein af).

Daar zit de netbeheerder niet op te wachten. Hier moet wat anders op gevonden worden. In plaats van de constructeur (die inmiddels al gretig op ons zit te wachten) bellen we nu eerst een ingenieursbureau, waarna de oplossing komt in de vorm van een zogeheten U-I station.

Redundant trafostation met U-I rails

Trafostation met U-I railopbouw en koppelveld

Met name in Nederland past men veelvuldig zogeheten een U-I railplan toe. Die U en die I hebben niks met de internationale afkortingen voor spanning en stroomsterkte te maken, maar des te meer met de vorm die de rails van boven lijken te hebben. Door een van de rails als het ware om de andere heen te vouwen wordt het station breder, maar dat betaalt zich uit doordat het nog sneller veel korter wordt. Doordat de aansluitvelden in een zigzagpatroon geplaatst kunnen worden, blijft de benodigde schakelruimte compacter. Het station op de tekening hierboven heeft precies dezelfde vier hoogspanningscircuits, drie trafo's, de klantaansluiting, het dwarskoppelveld en het ongebruikte veld als het station in parallelle opstelling als op de afbeelding met het parallelle railplan. Maar de hele schakeltuin samen met alle velden is een stuk compacter doordat de railscheiders efficiënter geplaatst zijn.

Door het zigzaggen wordt telkens per aansluiting enkele meters ruimte bespaard. Dat gaat bij grotere stations en bij hoge spanningen (waar de rails verder uit elkaar moeten staan) flink aantellen, zoals we zien in het voorbeeld hierbeneden.

Groot trafostation met U-I opbouw en dwarskoppeling

We zien hier een station met acht inkomende circuits, vijf transformatorvelden, een dwarskoppelveld en twee ongebruikte velden. Een heel normaal station zoals we het op veel plekken kunnen aantreffen. En uit de lucht gegrepen is dit voorbeeld niet…

Hessenweg-110 met intekeningZwolle-Hessenweg 110 kV

…welkom op station Zwolle-Hessenweg 110 kV. 

Het betere veldwerk: de zogeheten schakeltuin

We hebben nu een idee gekregen van het nut van velden en van rails. En we zijn van nul tot aan een volwaardig trafostation gegaan. De meeste soorten velden zagen we al genoemd. In totaal onderscheidt men in de schakeltuin zes soorten velden, wanneer men ook aansluitvelden voor compensatiemiddelen (spoelen of condensators) apart benoemt.

  • Lijnveld. Inkomend of afgaand. Hierop is een bovengrondse hoogspanningscircuit aangesloten.
  • Kabelveld. Inkomend of afgaand. Hierop is een hoogspanningscircuit aangesloten dat is uitgevoerd als een grondkabel.
  • Transformatorveld. Hierop is een vermogenstransformator aangesloten. Dat kan een koppeltrafo zijn waarmee een hoger netvlak is verbonden aan het station, maar het kan ook een exemplaar xijn dat juist met zijn primaire zijde op de schakeltuin is aangesloten en waarmee een net van lagere orde aan zijn andere zijde heeft hangen, zoals een middenspanningsnet. Wanneer het een trafo betreft die uitsluitend vermogen in één richting levert (invoeding, zoals een step-up van een centrale) spreekt men ook wel eens van een invoedend trafoveld, maar dit is niet verplicht.
  • Dwarskoppelveld. Hiermee kunnen twee of meer rails worden gekoppeld wanneer dat nodig is. (Rail U en I worden dan één elektrisch geheel. Bij parallelle rails zijn beide dan verbonden. En bij een zogeheten drierailsysteem zijn zelfs drie dwarskoppelvelden nodig.)
  • Langskoppelveld. Dit type veld zien we wat minder vaak. Met een langskoppelveld kunnen twee rails worden gekoppeld die in elkaars verlengde staan (in het lang met de rails mee). Soms gebruikt men een langskoppelveld ook in de onderzijde van de U van een U-I station, om de U alsnog op te kunnen delen en samen met een extra dwarskoppelveld een drierailsysteem te combineren met de voordelen van een U-I systeem.
  • Velden voor compensatiemiddelen. Deze worden niet apart besproken op deze pagina, maar compensatiemiddelen zoals spoelen en condensators (waarmee men het net stabiel houdt) zijn ook aangesloten met aparte velden. Die velden lijken qua constructie op gewone trafovelden en worden zelfs wel eens in die categorie geschaard. Eigenlijk is dat onjuist en zouden deze beter kunnen worden aangeduid met een eigen veldnaam- en categorie, maar dat gebeurt niet altijd.

Als we weer kijken naar het station dat hier als voorbeeld dient (Hessenweg-110), dan zien we verschillende soorten velden. Kijk goed naar de luchtfoto. Rechtsboven beginnend en tegen de klok in treffen we de volgende velden aan.

– 2x lijnveld: luchtlijn naar Ommen-Dante, Coevorden en Veenoord.
– 2x trafoveld: 110/10 kV transformator
– 1x reserveveld: waarschijnlijk vroeger bezet geweest, zie de fundaties
– 2x lijnveld: redundante luchtlijn naar Zwartsluis
– 1x reserveveld: waarschijnlijk vroeger in gebruik geweest
– 1x lijnveld: enkelvoudige luchtlijn naar Zwolle-Weteringkade
– 1x lijnveld: enkelvoudige luchtlijn naar Harculo (trafostation)
– 2x lijnveld: redundante luchtlijn naar Harculo-IJsselcentrale
– 1x trafoveld: koppeltrafo 220/110 kV (vanaf het naastliggende station Hessenweg 220 kV)
– 2x reserveveld: geen fundaties, vermoedelijk op de groei
– 1x dwarskoppelveld (om de U- en de I-rail te koppelen)
– 2x trafoveld: nog een koppeltrafo 220/110 kV (ook nu vanaf het naastliggende Hessenweg 220 kV)
– 2x reserveveld (waarvan één gedeeltelijk voorzien van fundaties)

Het hele terrein van verschillende aansluitvelden met portalen, trafo's en koppelingen, wordt een schakeltuin genoemd. Soms wordt ook de term schakelveld voor het gehele station gebruikt, maar omdat dat verwarrend kan zijn met de losse aansluitvelden, verdient de term schakeltuin de voorkeur. Soms ligt er grind, maar soms ook echt gras, zodat de term tuin lang nog niet verkeerd is.

Gegraven in de schakeltuin

Wie heeft de hond per ongeluk losgelaten in de schakeltuin? Foto door Gerard Nachbar.

Op het moment van de luchtfoto is er geen kabelveld voor grondkabels aangesloten op dit station. In de praktijk van vandaag de dag is dat reeds wel het geval, want de luchtlijn richting Ommen-Dante, Coevorden en Veenoord is inmiddels over zijn eerste paar honderd meter verkabeld vanwege een netverzwaring die de oude mastjes niet konden dragen. Een langskoppelveld of een veld voor compensatiemiddelen is niet aanwezig op dit station, maar elders kunnen ze wel voorkomen.

Het ideale trafostation?

De opstelling van het koppelveld in het voorbeeld van Hessenweg-110 heeft als nadeel dat het onderhoud eraan wat lastig is omdat je tussen de beide rails werkt, waarvan er altijd eentje spanning voert. Eigenlijk is dat niet erg veilig. Daarom worden koppelvelden bij parallele rails (dus bij dwarskoppelvelden) meestal náást de rails gebouwd. Je krijgt dan ook in de koppelvelden zelf een typische U vorm zoals die op Hessenweg 220 en 380kV te herkennen is. Deze bouw vraagt echter wel wat meer ruimte.

Ideale situatie: dwarskoppeling, langskoppeling, U-I opbouw en heel veel redundante velden

Hierboven zien we de volledig geïdealiseerde situatie voor een volwaardig trafostation conform de N-1 opbouw.
Twee boogvormige dwarskoppelvelden (DK) en een langskoppelveld (LK) maken alle manieren van verschakelen mogelijk, terwijl alle lijnvelden en trafovelden op iedere rail kunnen worden gehangen. Ga de mogelijkheden maar na in je hoofd: door slim te schakelen kan men alle drie rails, elke combinatie van twee rails en ook elke rail afzonderlijk onder spanning brengen, maar ook spanningsloos maken, terwijl telkens alle aansluitvelden in dienst en onder spanning kunnen blijven.

Twee dwarskoppelvelden en een langskoppelveld maken het mogelijk een compact U-I station redundant te bedrijven (soms zelfs N-2 redundant), terwijl ook de koppelvelden zelf veilig spanningsloos kunnen worden gemaakt voor onderhoud. Ook de I-rail in het midden kan spanningsloos gemaakt worden, zodat onderhoud aan het dwarskoppelveld veilig mogelijk is. Dit is de ideale situatie – een situatie die in de praktijk niet altijd mogelijk is, maar die wel wordt nagestreefd als er mogelijkheden tot zijn.

Inkomend kabelveld

Kabelvelden zijn eigenlijk hetzelfde als velden voor inkomende of afgaande luchtlijnen. Het verschil is dat de kabels hier de grond in gaan zodat een portaal met opstijgpunt ontbreekt. Maar als we kijken naar hoe een grondkabelaansluiting verschakeld dient te worden op het station, dan is er geen enkel verschil. Foto door Michel van Giersbergen.

Kijken met kennis

Zowel met staande rails als met hangende rails is de U-I configuratie veel toegepast in Nederland, en in iets mindere mate in België. Parallelle configuratie is in beide landen ook populair. Er zijn drierailsystemen, welke in Duitsland vrij populair zijn. En er zijn nog meer configuraties denkbaar. Soms tref je een L-vorm aan, al dan niet redundant. Er zijn ook stations waarbij de U-vorm aan de andere kant ook is gesloten zodat er een soort Theta ontstaat. En tenslotte zijn er ook nog indrukwekkende gevallen van maatwerk te bespeuren, waarbij soms zelfs de hoofdrails over elkaar heen worden geleid om maar tot het gewenste resultaat te komen. Het hangt dan af van hoe groot het station is en of het op de tekentafel is ontworpen of dat het historisch is gegroeid door er steeds een nieuw uitbouwtje aan vast te maken. Hoe het is geregeld met vrijschakelbaarheid en redundantie verschilt dan per situatie.

Soms tref je hybride stations aan waarbij beide constructiewijzen en meerdere configuraties tegelijk zijn toegepast. Een voorbeeld daarvan is het 110 kV-station Veenoord, waar een 65 jaar oud deel met hangrails in parallelle configuratie gezelschap heeft gekregen van een nieuw gedeelte uit 2011, met moderne, staande rails in U-I configuratie.

Veenoord-110 met een oud en een nieuw stationsdeel

Luchtfoto van station Veenoord, waar een oud deel met hangende rails aan portalen grenst aan een zestig jaar later gebouwd deel met staande rails.

Alle configuraties zijn zowel met staande als met hangende rails mogelijk, hoewel je bij hangende rails duidelijk meer moeite moet doen om de vorm en de velden goed te herkennen. In feite is vlot overzicht zelfs een van de redenen om tegenwoordig voornamelijk met staande rails te werken, maar meer daarover kan je vinden op de pagina over rails.

 


Omhoog