HoogspanningsNet St(r)oomcursus

Deel 2. Spanning, stroomsterkte en vermogen

In deel 1 hebben we een blik geworpen
op wat een hoogspanningsnet eigenlijk is en hoe
het als een hiërarchisch netwerk in elkaar zit.

We gaan nu wat beter kijken naar de elektriciteit
die op de draden staat. Hoe werkt dat eigenlijk?
Wat zijn de spanning en de stroomsterkte? Hoe
bepalen deze twee grootheden het karakter van
elektriciteit? 
En hoe kan je met elektriciteit
een vermogen 
aan energie verplaatsen?

 

 

 

 

In het vorige deel maakten we kennis met de hydraulische analogie: het vergelijken van elektriciteit met water. Dat gaan we in dit deel opnieuw gebruiken, maar nu wat meer concreet.

De aanduiding grootte voor een hoeveelheid stroom is een slecht idee. Het klopt van geen kant. Als we kijken naar een waterleiding hebben we het immers ook niet over de grootte van het water. Dan gebruiken we niet één, maar twee grootheden, namelijk druk en stroming. Het aardige is dat we elektriciteit op precies dezelfde manier kunnen opvatten. Elektriciteit is niets anders dan zich verplaatsende elektronen. Ook het gedrag van elektronen kan je zien als een samenspel van druk en stroming. 

2.1. Druk en stroming, ook in een massieve draad

Iedereen weet wat druk op het water is. De tuinslang met je handen dichthouden lukt maar net. En wanneer je dat waterpistool niet van druk voorziet, kan je dat vervelende broertje of zoontje van je nooit eens laten merken wie er thuis de baas is. Druk kan zich voordoen in stromend water en in stilstaand water. We kunnen uitstekend zien en voelen wat druk doet, maar druk zelf? Dat blijft iets ongrijpbaars. 

Spanning en druk - elkaars gelijken

De 'druk' op deze hoogspanningslijn kan je op het mastbord vinden. In dit geval 380.000 volt. Wat dat precies betekent? In paragraaf 2.3 wordt het vanzelf duidelijk. 

Ook in de elektriciteitsleer kent men druk. Het wordt daar elektrische spanning genoemd. In een waterleiding kan een hoge of een lage druk op het water staan. In een draad kan dat ook: elektriciteit kan een hoge of een lage spanning hebben, of natuurlijk ook nul zijn. Laten we dan ook maar meteen het andere belangrijke begrip op tafel gooien: de stroomsterkte.
In de elektriciteitswereld worden spanning en stroomsterkte ook gekend als het voltage en het ampèrage (vernoemd naar hun ontdekkers Alessandro Volta en André-Marie Ampère). Die twee woorden heb je vast wel eens gehoord, maar op deze site blijven we in de meeste gevallen gebruik maken van de termen spanning en stroomsterkte.

Twee verschillende spanningen

Op de grote hoogspanningslijn links staat de elektriciteit onder een veel hogere druk (spanning) dan op de veel slankere hoogspanningslijn rechts. Waar die verschillen in spanning voor nodig zijn komen we in deel 4 tegen, maar het is een zichtbaar gevolg van de trappen in de hiërarchie in het hoogspanningsnetwerk.

Helaas voor zuurpruimen van natuurkundedocenten op de middelbare school, spanning en stroomsterkte, je kan het zo moeilijk maken als je wil, maar de basisbeginselen zijn buitengewoon eenvoudig. 

Als de spanning druk voorstelt, dan is de stroomsterkte de hoeveelheid water die zich in een bepaalde tijdseenheid (een seconde bijvoorbeeld) door de leiding verplaatst. Bij water bepalen de druk (geremd door de stroperigheid van de vloeistof en de wrijvingsweerstand van water in de leiding) samen met de hoeveelheid stromend water hoe snel je gootsteen vol is. Bij elektriciteit bepalen de spanning (geremd door elektrische weerstand) en de stroomsterkte samen hoeveel elektriciteit er door de draad heen loopt.

Wanneer we een normale elektriciteitsdraad beschouwen gaat de volgende regel altijd op:

Druk kan zonder stroming, stroming kan niet zonder druk.
Spanning kan zonder stroom, stroom kan niet zonder spanning.

Als de kraan dicht zit verplaatst het water in de leiding zich niet, terwijl er wel druk op staat. Andersom kan stroming niet zonder druk. Als er geen drukverschil in de vloeistof is zal het water zich niet verplaatsen omdat er dan niets is dat daar aanleiding toe geeft.

2.2. Het begrip potentiaal

Nog een vergelijking tussen water en elektriciteit: lading. Een gebied of object dat een zekere elektrische spanning draagt of vasthoudt, kan dat in principe onbeperkt volhouden als er niets weg lekt. Vergelijk het met een watertoren: als die niet lekt, blijft zowel de hoeveelheid water alsook de druk op dat water de hele dag onveranderd.

Een elektrische spanning kan actief door mensen in het voorwerp worden aangebracht. Maar het kan ook door natuurkundige oorzaken ontstaan, zoals in een statisch geladen tuinstoelhandvat, een fleecetrui of zelfs een hele onweerswolk. In de omgangstaal zeggen we dan dat een voorwerp geladen is geraakt. Dat woord klopt best aardig: het voorwerp draagt nu een stilstaande elektrische lading. In feite is dat gewoon een tekort of overschot aan elektronen in het voorwerp. Zowel voorwerpen die elektriciteit geleiden als voorwerpen die geen elektriciteit doorlaten (isolators) kunnen een zogeheten statische lading vasthouden.

geladen_tuinstoelhandvat.jpg

Allerlei voorwerpen en objecten kunnen lading dragen en voor enige tijd vasthouden. Mensen die haar op hun armen hebben kennen het effect van plastic tuinstoelhandvatten die hen letterlijk de haren recht overeind doen staan. Dat komt doordat er door wrijving een ladingsverschil is ontstaan tussen de tuinstoel en hun lichaam. Omdat de tuinstoel isoleert kan het tekort of overschot niet zomaar worden opgeheven met een vonk.

Toch houden voorwerpen er niet zo van om geladen te zijn. Ieder voorwerp streeft ernaar om dezelfde lading te hebben als zijn omgeving. Dat betekent dat het voorwerp zogezegd zijn best zal doen om een overschot aan elektronen weer kwijt te raken aan zijn omgeving, of om een tekort aan elektronen juist aan te vullen vanuit zijn omgeving. Een verschil ten opzichte van de omgeving heet een elektrisch potentiaal

Een potentiaal geldt altijd ten opzichte van de omgeving of een ander voorwerp.  

Het grappige geknetter van een wollen trui tegen je neuspunt en de enorme donderslagen die bliksems geven en die de ramen bijna uit de kozijnen laten dansen zijn dus directe familieleden: beide worden veroorzaakt door vonken, beide in een poging van het geladen voorwerp om zijn potentiaal ten opzichte van zijn omgeving op te heffen.  

Een potentiaal wordt uitgedrukt met dezelfde eenheid die we voor spanning gebruiken: volt. Het basisidee van een potentiaal kan je ook toepassen op geleidende voorwerpen en op draden. Ook een elektriciteitsdraad die aan één kant is aangesloten op een spanningsbron kan aan het andere uiteinde (dat gewoon in de lucht steekt) een potentiaal van bijvoorbeeld 10 volt hebben. Je zou het potentiaal kunnen zien als een hoeveelheid elektronen die met een spanning van 10 volt staan te popelen om zich te verdelen onder alle voorwerpen met een lager potentiaal.

2.3. Elektriciteit als combinatie van spanning en stroomsterkte

Terug naar de hydraulische analogie. Wanneer we in de waterleiding de druk verdubbelen, zal de snelheid van het water ook toenemen zodat er ideaal gesproken ook dubbel zoveel water per tijdseenheid doorheen loopt. En als we het netjes uitrekenen kan door een dikke waterleiding met een kleine stroomsnelheid dan net zoveel water als door een dunne leiding waar het water heel hard in stroomt. Een goed voorbeeld is een injectiespuit met een naald.

 

 

 

 

Hydraulica ontmoet elektriciteit: wanneer je de zuiger van de injectiespuit indrukt, wordt de vloeistof met grote snelheid uit de naald gespoten. In de analogie met elektriciteit kan je zeggen dat in de injectiespuit de spanning laag is en de stroomsterkte groot, terwijl in de naald het omgekeerde het geval is. De som is de hoeveelheid verplaatst water per tijdseenheid, en die is in beide delen van de spuit precies gelijk.

Samengevat is het belangrijk de volgende dingen te onthouden:

De spanning (uitgedrukt in de eenheid volt) is op te vatten als de druk die op een elektriciteitsdraad staat

De stroomsterkte (uitgedrukt in de eenheid ampère) is de hoeveelheid stroom per tijdseenheid 

Spanning en stroomsterkte. Samen vormen ze elektriciteit. Er bestaan talloze regels en wetten om tot in de puntjes aan deze eenheden te kunnen rekenen, compleet met weerstand, impedantie, blindstroom, capaciteiten, dissipatie van magnetische velden en.. (oh la la, het is geweldig), eh.. al dat soort moois hebben we niet nodig in deze basiscursus. Waar het hier om gaat is hoe je energie kan verplaatsen met elektriciteit. Want dat is tenslotte wat we doen met een hoogspanningsnet.

2.4. Een vermogen aan elektriciteit

In deze cursus doen we niet zoveel met formules. Maar toch kunnen we eentje op geen enkele manier negeren. Zonder deze regel kunnen we elektrische energie niet begrijpen. De formule is zo belangrijk dat hij eigenlijk kan worden opgevat als Artikel 1 van de Elektriciteitsgrondwet. En wees niet bang, het is een elegant, kort ding en zeker geen moeilijk exemplaar.

   W = V x A

    Watt = Volt keer Ampère  

Wanneer we de spanning (de letter V, van volt) en de stroomsterkte (de A van ampère) met elkaar vermenigvuldigen, krijgen we een derde getal: het elektrisch vermogen. Dat is een directe maat voor de elektrische energie die in een zekere tijdseenheid door de draad loopt. 

Energie wordt in de natuurkunde uitgedrukt in de eenheid joule, maar bij elektriciteit doorgaans in watt, een W. Deze eenheid ken je vast wel. Een gloeilampje van 60 watt – inderdaad, dat is precies dezelfde watt als die uit de formule komt rollen. (Overigens, voor wie van achtergrondkennis houdt: de watt (vernoemd naar James Watt) is stiekem direct herleid op de joule en het is niets anders dan het aantal joule per seconde dat verzet wordt.) Soms worden de V en de A in deze formule met de letters U en I geschreven, maar dat is slechts cosmetisch. De formule werkt er niet anders door.

2.5. Elektrisch vermogen in de huiskamerpraktijk

Tijd om deze drie grootheden even uit te proberen: 

Een elektrische spanning van 100 volt en een stroomsterkte van 10 ampère geeft een elektrisch vermogen van 100 x 10 = 1000 watt.

Deze som kan je ook andersom doen als juist het vermogen en de spanning bekend zijn. Je kan dan de stroomsterkte uitrekenen met een deelsom.

Een elektrisch vermogen van 2100 watt en een spanning van 300 volt geeft een stroomsterkte van 2100 / 300 = 7 ampère.

Of wanneer je juist de spanning weten wil:

Een elektrisch vermogen van 30.000 watt en een stroomsterkte van 100 ampère geeft een elektrische spanning van 30.000 / 100 = 300 volt.

Zoals je ziet is het vermogen altijd gebaseerd op vermenigvuldiging van de spanning met de stroomsterkte. Zodra je twee van de drie getallen weet (het maakt niet uit welke twee), dan is de derde altijd te berekenen. Tip voor iedereen die verder wil met elektriciteit als hobby of interesse: leer de formule uit je hoofd. Je hebt hem overal nodig.
En probeer maar eens wat meer getallen uit. Loop de keuken in, graai de mixer uit de kast en lees het stickertje:

We zien dat deze volslanke Braziliaanse keukenprinses op een spanning tussen 220 en 240 volt loopt en daarbij 200 watt energie opneemt bij het mixen van het pannenkoekbeslag. Reken maar eens uit wat de stroomsterkte door het apparaat is.

Het aardige is dat deze rekenregel ook opgaat bij veel grotere objecten dan een mixer. Ook een joekel van een elektromotor, een hoogoven en in principe zelfs de zwaarste hoogspanningslijnen ter wereld kan je op deze manier benaderen.

De bekabeling voor het lampje van de fietser op de weg houdt zich aan precies dezelfde elektrische regels als waaraan ook de oude hoogspanningslijn zich houdt. Bij de fietslamp is de som V x A = W ongeveer 5 x 1 = 5 watt. Bij de hoogspanningslijn is het 50.000 x 500 = 25.000.000 watt. En dan is dit nog maar een heel klein hoogspanningslijntje.

Verderop in deze cursus, elders op deze site en ook op andere plekken zal deze rekenregel een waardevol hulpmiddel zijn. Hij loopt als een rode draad door de elektriciteitswereld.

2.6. Het nut van een hoge spanning: dunne kabels

We hebben dus te maken met de spanning en de stroomsterkte. Beiden kunnen in principe onafhankelijk van elkaar variëren. Beiden hoog, beiden laag, alleen een hoge spanning en een lage stroomsterkte, het kan allemaal. 

Een hoogspanningslijn transporteert een zeer groot elektrisch vermogen. Daarvoor is het nodig dat minstens één van de twee waarden die samen het vermogen bepalen ook hoog is. Immers, 10 volt x 10 ampère schiet niet op (100 watt), maar 10.000 volt x 10 ampère wel, net als 10 volt x 10.000 ampère. Beiden leveren 100.000 watt.
Daar is ie weer, de waterleiding. Als er heel veel water doorheen moet kunnen, dan moet die leiding óf heel dik zijn, óf het water moet heel hard stromen. Met elektriciteit werkt dat hetzelfde: bij een lage spanning en een hoge stroomsterkte moet de draad heel dik zijn, terwijl deze bij een hoge spanning en een lage stroomsterkte veel dunner kan zijn. Je ziet hem al aankomen: waarom een enorm dikke draad gebruiken als je met een dunne draad precies hetzelfde kan, gewoon door de elektriciteit een andere verhouding tussen de spanning en de stroomsterkte te geven? 

Dat is dus precies wat men doet. Naast materiaalbesparing en een beter uitzicht zijn er nog een aantal andere mechanische en elektrische redenen (zoals transportverlies) waarom de combinatie hoge spanning bij lage stroomsterkte handiger is dan andersom. Maar de belangrijkste reden is de dikte van de draad. 

Lage spanning en hoge stroomsterkte geeft een hoog vermogen dat door een dikke draad moet.
Hoge spanning en lage stroomsterkte geeft een hoog vermogen dat door een dunne draad kan.

Hoewel in de wiskunde 10 x 1000 gelijk is aan 1000 x 10, is dat bij een elektriciteitsdraad dus niet zo. Het maakt wel degelijk uit welke waarde de grote en welke de kleine is. Door de verhouding tussen de spanning en de stroomsterkte gunstig te kiezen kan men relatief dunne draden gebruiken terwijl daar toch nog steeds een groot vermogen doorheen kan.

Elektriciteit is een vorm van energie met een enorm hoge energiedichtheid. De hoeveelheid energie op de draden van deze hoogspanningslijn is een keer of dertig zo groot als het maximale vermogen op de bovenleiding van het treinspoor. Toch zijn beide draadtypes ongeveer even dik. Het geheim zit hem in de spanning: 1500 volt op de bovenleiding, en wel 50.000 volt op de hoogspanningslijn.

2.6. Vanaf wanneer is spanning 'hoog'?

Meteen begrijpen we nu waar de naam hoogspanning vandaan komt: de hoge elektrische spanning op de draden.
Internationaal is er enige consensus over de grenswaarde 63.000 volt: alles daarboven heet het hoogspanning. België hanteert echter 28.000 volt. En in Nederland is er simpelweg geen enkel besluit over genomen. Meestal stelt men in Nederland dat een elektrische spanning groter dan 50.000 volt hoogspanning wordt genoemd, hoewel het daadwerkelijke hoogspanningsnet er pas bij 110.000 volt begint. Lagere spanningen worden tussenspanning en daaronder middenspanning en soms genoemd, met ruwweg 1000 volt als ondergrens. Nog lagere spanningen worden aangeduid als laagspanning

Nou ja, dun… De draad op de foto (voor de kenners een AMS-460) kan ongeveer 1000 ampère aan. Bedrijft men deze met een spanning van 110.000 volt en maken we dan de rekensom bij gelijkstroom (zie deel 3 van de cursus), dan blijkt dat hij meer dan 100 miljoen watt kan transporteren.

Het is laagspanning wat er uit een batterij komt, wat een fietsdynamo opwekt en wat er op onze stopcontacten staat. Het is middenspanning en tussenspanning wat er op voedingskabels voor woonwijken en bedrijven staat en die onder de grond liggen (Nederland) of boven de grond aan houten of betonnen palen hangen (België). En het is hoogspanning wat je aantreft op zware hoogspanningslijnen met metalen masten en op grote hoogspanningsstations.

Samenvatting: kan je de volgende vragen beantwoorden?

  1. Wat zijn de stroomsterkte, de spanning en het vermogen?
  2. Wat is een potentiaal?
  3. Waarom is er in het hoogspanningsnet gekozen voor een hoge spanning en niet voor een hoge stroomsterkte?
  4. Hoe heten de andere spanningsniveaus met een lagere elektrische spanning dan hoogspanning?

We weten nu hoe een hoogspanningsnet in elkaar zit, als netwerk van knooppunten en verschillende soorten verbindingen. We weten nu wat elektriciteit is en hoe je met elektriciteit zeer veel energie kan verplaatsen over een verbazend dunne draad.

Maar we weten nog niet waarom de draden bijna altijd in groepen van drie (of een veelvoud daarvan) aan de hoogspanningslijnen hangen. En we zijn ook nogal vlot over het gegeven heen gestapt dat elektriciteit op twee totaal verschillende manieren door een draad gestuurd kan worden, ondanks dat de spanning en stroomsterkte uiteindelijk identiek kunnen zijn. Tijd om naar deel drie te gaan, waar we kennis gaan maken met gelijkstroom en wisselstroom, met HVDC en met driefasenspanning. 

 


Naar het vorige deel van de Stroomcursus Naar het volgende deel van de Stroomcursus