Het landelijk koppelnet: 380 kV en 220 kV

Verbindingen en stations van 380 en 220 kilovolt vormen de snelwegen van het hoogspanningsnet.

Hoogspanningslijnen van 380 kilovolt (rood) en 220 kilovolt (groen) zijn de zwaarste en grootste hoogspanningslijnen die in Nederland, België en West Europa voorkomen. Het zijn grote masten met gebundelde kabels die vanaf enige afstand een plek in het landschap innemen. Verbindingen van deze spanning hebben over het algemeen een grote lengte en een transportcapaciteit die vrijwel altijd meer dan 800 MVA tot zelfs over 2500 MVA bedraagt. Ook hoogspanningsstations voor deze spanning zijn grote indrukwekkende installaties met forse componenten.

Een koppelnet dwars door heel Europa

Via 380- en 220 kilovolt (kV) vindt groot vermogenstransport plaats. Het koppelnet koppelt in binnen- en buitenland talloze regionale netten die een stap lager in de hiërarchie staan. De 380- en 220 kV hoogspanningslijnen verbinden landsdelen met elkaar en ze steken zelfs de grenzen over, zodat er internationaal kan worden gehandeld in elektriciteit, dwars door heel Europa. Net als snelwegen en spoorlijnen zijn deze grote hoogspanningsverbindingen van politiek en strategisch belang in de ontwikkeling en positie van grote steden en industriegebieden.

Zware 380 kV-verbindingen domineren het landschap vanaf enige afstand. Hier zien we de 380 kV-lijn Zwolle-Meeden. De masten zijn allemaal tussen 54 en 62 meter hoog en de circuits zijn ontworpen op nominaal 2635 MVA transportcapaciteit. De 110 kV-circuits aan de onderste traversen, zogeheten meelifters, zijn bedoeld voor lokaal gebruik.

De aanwezigheid van een paar zware, betrouwbare 380 kV verbindingen en transformatorstations is voor een stedelijk- of industriegebied net zo belangrijk als een goede aansluiting op snelwegen, waterwegen en spoorwegen. Een betrouwbare elektriciteitsvoorziening maakt het gebied aantrekkelijk voor investeerders. Onvoorziene uitval van een 380 kV-verbinding kan een aanzienlijk vermogenstekort tot gevolg hebben en een grote stroomstoring veroorzaken wanneer er ter plekke niet genoeg capaciteit is om het tekort op tijd op te vangen. Het kan zelfs leiden tot een cascade-effect, ook wel bekend als een rolling blackout.

Storingsbestendig en in principe bovengronds

Voor koppelnetten geldt het credo: hij moet het vooral gewoon doen. Storingen in dit net moeten zoveel mogelijk voorkomen worden.

Daarom is het koppelnet bewust zo ontworpen dat de kans op storingen zo klein mogelijk is. Alle koppelverbindingen in het Nederlandse net zijn in principe redundant (dubbel) uitgevoerd. Dat houdt in dat er altijd tenminste twee circuits met in totaal zes draadbundels zijn opgehangen in een verbinding. Ook de meeste koppelverbindingen in België zijn redundant uitgevoerd, maar niet allemaal. Ook met ringvormen van enkelvoudige circuits kan storingsbestendigheid worden bereikt.

Grote Belgische 380 kV-verbindingen in de buurt van Tihange, gefotografeerd door Tom Börger. We zien het typische ontwerp zoals dat in België gangbaar is voor koppelnetverbindingen: dubbelvlagmasten met een bliksembok op het topstuk. In Nederland zou dit een drievlaksmast worden genoemd. Beide verbindingen dragen twee draadstellen of circuits. In het midden staat een kleinere 150 kV-verbinding.

380- en 220 kV verbindingen zijn bijna altijd bovengronds aangelegd. De hoge spanning en het enorme vermogen dat op deze lijnen staat maakt het technisch ingewikkeld om ze als grondkabel aan te leggen. Natuurkundige eigenschappen (ingewikkelde dingen zoals reactief/capacitief gedrag, opslingering en grotere impedantie) en de betrouwbaarheid van grondkabels voor 380 kV zijn anders dan die van luchtlijnen. Verder leveren grondkabels meer zogeheten netverlies op en er zijn compensatiespoelen nodig om het gedrag van kabels onder controle te houden.

Reparatiezekerheid

Een andere belangrijke reden om koppelnetverbindingen bovengronds aan te leggen is zogeheten reparatiezekerheid. Een grondkabel kent een langere reparatietijd bij storingen: vaak liggen kabels in het grondwater zodat bemaling nodig is. Ook aanleg van een verbindingsmof is specialistenwerk dat meer tijd in beslag neemt dan een noodmast neerzetten en betrekkelijk eenvoudige bovengrondse draden weer aan elkaar persen.  Daardoor is grondkabelaanleg voor deze spanning aanzienlijk duurder en riskanter dan een bovengrondse verbinding. Vanwege de meerprijs, maar vooral door de belangen die afhangen van het zo betrouwbaar mogelijk functioneren van het 380 kV-net legt men deze verbindingen in principe bovengronds aan, tenzij het echt niet anders kan.

Redundantie en ringvormen als norm

Bij de meeste verbindingen zie je zes gebundelde fasedraden aan de masten hangen, in twee groepen (circuits) van drie draden. Op een normale dag is het te transporteren vermogen netjes over beide zijden verdeeld. Wanneer een van de twee circuits uit dienst moet voor onderhoud of uitvalt door een storing, zal het circuit aan de andere kant direct op volle kracht springen zodat nog steeds dezelfde hoeveelheid vermogen kan worden getransporteerd. Om dat mogelijk te houden zal de netbeheerder het onder normale omstandigheden daarom nooit toestaan dat de verbinding zwaarder wordt belast dan het volle vermogen van één zo’n circuit. Zo wordt de kans zo klein mogelijk gemaakt dat de verbinding alsnog overbelast kan raken.

Niet altijd is dit principe helemaal te handhaven. Bij onderhoud in een andere verbinding kan het voorkomen dat vermogen moet worden omgeleid via een andere route, zodat de lijn tijdelijk meer dan ’tweemaal de helft’ moet verzetten. Bij zulke situaties zal uitval van een van de twee circuit dan wel resulteren in een probleem. Dit is een variant op N-1 bedrijf (niet-normale toestand) en men zal dit dan ook niet langer doen dan technisch strikt noodzakelijk is. Zo snel als het kan wordt het normaalbedrijf met storingsreserve hersteld.

Op het kaartje bovenaan de pagina zijn ringstructuren te zien. Netstrategen en netbeheerders zijn daar dol op. Ringen vergroten de leveringszekerheid. Als een ring op één punt wordt doorsneden kan het vermogen nog steeds ieder station op de ring bereiken door via de andere kant rond te lopen. Stations met meer dan één inkomende koppelnetlijn raken daardoor nooit onbedoeld spanningsloos bij een enkelvoudige storing.

Op een netschema kan je verbindingen en stations bekijken in een grafisch versimpelde weergave. De lijnen met getallen zijn verbindingen of circuits. We zien hier een stukje van het netschema van Nederland. De koppelverbindingen in beeld zijn telkens dubbel uitgevoerd en meestal vormen ze ook ringvormen. Bekijk het volledige netschema hier.

Bovengrondse lijnen zijn zo ontworpen dat ze wat overbelasting kunnen verdragen. Overbelasting tot circa 15% is meestal toegestaan als het niet te lang duurt. Bij koeler weer is dat voor de verbinding zelf weinig problematisch, maar het veroorzaakt in de schakelaars en transformators meer hitte en snellere slijtage als er geschakeld moet worden zodat het niet de voorkeur heeft.

Ongelukken met deze zware verbindingen zijn erg zeldzaam. Tussen 2001 en februari 2014 vond er in Nederland zelfs geen enkel incident of ongeplande uitval van een 380 kV-verbinding plaats. (De storingen van 1997, 2003 en 2015 vonden allemaal plaats op de trafostations en niet in de verbindingen zelf.) In België trad in recente tijden alleen in 2010 een storing op door het bezwijken van twee 380 kV-masten tijdens een valwind. Over het algemeen geldt een opvallende wetmatigheid: hoe groter en zwaarder de hoogspanningslijn, hoe groter de gehanteerde marges en hoe kleiner de kans dat er iets mis mee gaat.

Het koppelnet is strategisch zeer belangrijk. Zelfs bij werkzaamheden die langer dan een paar dagen duren streeft men ernaar om de verbinding in werking te houden. Hier zien we bij Amsterdam twee noodmasten staan die tijdelijk de draden dragen terwijl men op de achtergrond aan een nieuwe hoekmast sleutelt. Zo is er zelfs tijdens werkzaamheden verbinding. Foto door Gerard Nachbar.

Koppelnetstations in de meeste landen dragen nonchalant en onverschillig de naam van de geografische plaats waar ze staan, waardoor ze vernoemd zijn naar de buurdorpjes (Meeden, Borssele, Ens), naar straten (Hessenweg) of zelfs een hoekje boerenland (Langerak, Vierverlaten, Simonshaven). In België is men duidelijk trotser op de grote koppelnetstations. Daar zijn een aantal van de 380 kV-stations (of posten) vernoemd naar grote Belgen uit de geschiedenis. Mercator, van Eyck, Gramme, Stevin en in de toekomst ook André Dumont. Hun namen sieren in ringvorm trots de netkaart van het land en dat zegt wel iets over hoe belangrijk men deze stations acht.

Hoek- en afspanmasten zijn doorgaans sterker gebouwd dan draagmasten. In het 380 kV-net is dit welhaast het duidelijkst terug te zien door het grote gewicht van de draden. Bij 380 kV-afspanmasten van het dubbelvlagtype zien we een plomper en zwaarder mastlichaam en dubbele afspanisolators. foto door forumlid Powerlion.

220 kV het sneue broertje van 380 kV?

220 kV is ouder dan 380 kV. In 1923 werd in Duitsland voor het eerst een verbinding met 220 kV onder spanning gebracht terwijl 380 kV pas in 1954 in Zweden het licht zag. Spoedig daarna bleek het 380 kV-niveau (met een hogere transportcapaciteit) een veel snellere vlucht te nemen en het overvleugelde 220 kV als Europese koppelnetspanning voordat 220 kV groot genoeg kon worden om heel Europa te kunnen verbinden. Gehinderd door de Tweede Wereldoorlog en rechts ingehaald door 380 kV werd het als het ware in de knop gebroken. In zekere zin klopt de titel van deze paragraaf, maar in werkelijkheid is 380 kV de jongere broer die zijn oudere voorganger voorbij streefde.

Omdat bestaande verbindingen van 220 kV prima werken en op sommige plekken (waar geen groei wordt voorzien) een goedkoper en kleiner alternatief vormt, heeft 220 kV nog wel degelijk een rol als koppelnetspanning. Maar Europabreed is 220 kV tanende als netvlak. Er vinden op land nog maar weinig uitbreidingen plaats. Als we de zee opgaan wordt alles anders. 220 kV blijkt een zeer geschikte spanning om grote windparken mee te verbinden: kabels voor 220 kV zijn nog net te hanteren in zowel omvang als elektrische effecten onder water. In de Europese zeeën is 220 kV juist bezig aan een opmars.

220 kV-lijn met vier circuits tussen Schildmeer en Delfzijl Weiwerd. Het zijn net als 380 kV grote verbindingen met gebundelde draden. Vier circuits zoals hier zijn zeldzaam. Foto door Ole Nielsen.

Alleen in Ierland en in Frankrijk heeft 220 kV (definitie van RTE: 225 kV) het geschopt tot een landelijk koppelend net. In Ierland omdat simpelweg geen vermogen nodig was dat 400 kV vereiste, zodat 220 kV perfect in de koppelrol paste. In Frankrijk had men het voor elkaar gekregen om reeds vóór de opkomst van 400 kV al een landelijk dekkend koppelnet op 220 kV uit de grond te stampen, zodat het pas later door 400 kV werd overvleugeld. In streken zoals Wallonië, noordelijk Nederland, het Rührgebiet en de zuidelijke helft van Zweden is 220 kV naast 380 kV blijven bestaan zodat daar sprake is van twee koppelnetniveaus die gebroederlijk samen worden gebruikt.

Er zijn ook landen en streken die nooit aan 220 kV zijn begonnen. In het midden en westen van Nederland en in Vlaanderen is deze spanning niet toegepast. Italië kent alleen aan de rafelranden met de Alpen enkele losse 220 kV-verbindingen en Noorwegen en Engeland hebben hun eerste koppelnet met 275 kV of 300 kV gebouwd, voordat ook daar 400 kV zijn intrede deed. Denemarken heeft in 2020 zijn laatste bovengrondse 220 kV-lijn vervangen door een 400 kV-lijn zodat deze spanning daar verdween.

380, 400 of 420 kV: het ENTSO-E koppelnet en de IEC-norm

Hoe nauwkeurig komt het met de spanningin het zogeheten 380 kV-netvlak? Minder precies dan je zou denken.

De spanning op de mastborden is de zogeheten effectieve spanningswaarde van wisselstroom tussen de fasedraden. Het is een misvatting dat die waarde exact 380.000 volt bedraagt. In de praktijk is er sprake van een interval waarbinnen verbindingen en stations kunnen opereren. Het Europese koppelnet kan met elke spanning tussen 365 kV en 420 kV overweg. Meestal wordt de spanning opzettelijk zo hoog mogelijk opgedrukt om de transportverliezen verder te beperken. Dat is immers het hele idee van elektriciteitstransport met hoogspanning.

Verbindingen kunnen een typeplaatje dragen van 380 kV, 400 kV of zelfs 420 kV, maar dat is in feite slechts erfenis van de definitiewaarde die lang geleden per land werd gesteld. Voor heel Europa tegelijk spreekt men doorgaans over ’the 400 kV supergrid’ omdat de meeste landen het naamplaatje 400 kV voeren. Frankrijk sprak ooit ook van 380 kV, maar is op een gegeven moment van 400 kV gaan spreken. Nederland, België en Duitsland hebben het altijd bij 380 kV gehouden op de borden. Noorwegen noemt het zelfs 420 kV. In werkelijkheid is er tussen al die landen geen enkel verschil: het IEC heeft voorgeschreven dat alle componenten in dit netvlak tot en met 420 kV kunnen worden gebruikt. In de praktijk voert het hele net een effectieve spanningswaarde die zo’n beetje rond 415 kV zwabbert.

Dit universele systeem van verbindingen die gezamenlijk iets boven 400 kV schommelen verbindt bijna alle Europese landen alsof het een snelwegennet is. Daardoor kan er gehandeld worden in elektriciteit en kunnen gebieden elkaar helpen bij overschotten of tekorten. Nederland en België maken deel uit van het gesynchroniseerde net van ENTSO-E (vroeger UTCE genoemd) waarin bijna alle Europese landen deelnemen. De elektriciteitsmarkt is sinds het begin van deze eeuw vrijgegeven voor marktwerking.

Hoogspanningsstation Eindhoven Oost maakt deel uit van het 380 kV-net. Hier staan vermogensschakelaars om circuits in- en af te schakelen, zodat de netbeheerder kan bepalen waar het vermogen langs loopt. Buiten beeld staan transformators waarmee 150 kV wordt gemaakt voor het onderliggende deelnet. Zie de St(r)oomcursus voor een nadere toelichting over hoe het net grootschalig in elkaar zit. Foto door Michel van Giersbergen.

Dat het hoogspanningsnet letterlijk grenzen oversteekt is belangrijk, want een net dat zich over een groot aantal landen uitstrekt vergroot de leveringszekerheid. Het ENTSO-E net is het op één na grootste gekoppelde netblok ter wereld: alleen China heeft nog een groter gekoppeld net. Producenten kunnen daardoor zo efficiënt mogelijk omgaan met productiecapaciteit, met name van hernieuwbare bronnen. Wind- en zonvermogen zijn relatief onvoorspelbaar. Als er in een bepaald gebied zoveel windvermogen wordt geproduceerd dat het de stroomvraag overstijgt is het belangrijk dat deze energie kan worden getransporteerd naar een gebied ver achter de horizon waar juist vraag naar stroom is zodat de windturbines niet stil hoeven te staan.

Met een uniform transportnet kan het effect van een plotseling uitvallende centrale of hoogspanningslijn opgevangen worden door omleiding of uitwisseling met het buitenland en door de enorme schaal van het gekoppelde net, waardoor individuele opwekkers per stuk een kleinere rol hebben en minder hoge rimpelingen veroorzaken. Als in een net met 600 GW productievermogen een centrale van 1 GW uitvalt ben je procentueel veel minder vermogen kwijt dan in een net van 60 GW. Zo helpt de grote schaal van het net om effecten te dempen. We kopen als het ware reactietijd. Door internationale koppeling kan het net in het ene land bijspringen om de gevolgen van een storing in het buurland te beperken, of andersom.