Middenspanning: 3 t/m 23 kV

Voor het niveau tussen 24 kV en 3 kV wordt de term middenspanning gebruikt. Het is het meest uitgebreide elektriciteitsnet.

Middenspanning is een verzamelnaam voor netvlakken die de link vormen tussen hoog- en tussenspanning enerzijds en het laagspanningsnet anderzijds. Het is het meest uitgebreide net of spanningsvlak in het hele net. Er zijn honderden koppelpunten met hoog- en tussenspanning, er zijn tienduizenden trafo- en schakelhuisjes en in totaal is er meer dan 100.000 kilometer middenspanningslijn- en kabel in de Nederlandse en Belgische berm, door de woonwijken en op industriegebieden. In België soms ook bovengronds te vinden.

Verschillend per regio

Net als hoogspanning heeft ook middenspanning niet overal dezelfde spanning. Door technische, historische of financiële redenen, of soms zelfs simpelweg door botsende ego’s bij verschillende voormalige elektriciteitsbedrijven, kan je in Nederland en België in wel tien verschillende spanningen aantreffen. Het ene gebied voert 23 kV, een ander doet het op 20, 13 of 12 kV, Haarlem is een langzaam verdwijnende enclave van 6 kV en in het noordoosten van het land is ook nog 3 kV te vinden voor losse boerderijen.

   

Netstation in aanbouw, waarbij de aansluitkabels nog te zien zijn. Hier komen twee circuits van 10 kV het stationnetje binnen. Binnenin staat een 200 kVA 10/0,4 kV trafo en aan de andere zijde verlaten een aantal laagspanningskabels het station weer. Foto’s door Hans Nienhuis.

Eigenlijk is er in Nederland maar één spanning die het heeft geschopt tot een min of meer landelijke dekking en dat is 10 kV. In België is zelfs dat niet gelukt, daar is het altijd weer een ontdekkingsreis om te zien wat een trafostation precies voor spanning voert. Op de netkaart worden per hoogsopanningsstation de secundaire spanning, oftewel de afgaande middenspanning aangegeven. Ook de onderstaande tabel biedt een overzicht van de belangrijkste toepassingsgebieden.

Nederland: alles ligt in de grond

Wie in Nederland een blik wil werpen op middenspanning zal beteuterd op zijn neus kijken. Buiten enkele rails op de trafostations en één enkele Duitse 10 kV middenspanningslijn die bij Elten in de Achterhoek een piepklein stukje over Nederlands grondgebied loopt om een omweg af te snijden is in Nederland geen bovengrondse middenspanning te vinden. De bodemgesteldheid is geschikt voor het leggen van kabels en middenspanningen laten zich prima in de grond leggen. En dat was eigenlijk altijd al zo. In weerwil met wat men vaak denkt heeft in Nederland nooit een uitgebreid middenspanningsnet bovengronds bestaan. Op oude foto’s zie je bijna uitsluitend laagspanningslijnen staan.

Rond 1920 was er al een paar duizend kilometer middenspanningsnet. Reeds tijdens het verschijnen van deze netten was het al gangbaar om ze bij aanleg als grondkabels uit te voeren. Langzaam maar zeker groeide dat uit tot de standaard. Bij vervangingsprojecten of verzwaringen was de nieuwe verbinding telkens een grondkabel en op die manier verdween het middenspanningsnet uiteindelijk geheel ondergronds, nog voordat het bovengronds groot was worden.

   

Het meest zichtbare aspect van middenspanning in Nederland zijn zogeheten netstations, in de volksmond meestal trafohuisjes genoemd. Meestal zijn het aan de buitenkant niet de mooiste objecten in de publieke ruimte (en graffiti draagt daar ook niet aan bij), maar hun architectuur verraadt hun leeftijd, bouwer en eigenschappen. Foto’s door Johan Swank.

België: steeds meer ondergronds, maar afhankelijk van de omgeving

In België is middenspanning in Vlaanderen een voornamelijk ondergrondse aangelegenheid, maar niet overal. In sommige gebieden staan de verbindingen bovengronds op betonnen of houten palen. Er lijkt niet echt een logica te zitten achter of je het in Vlaanderen bovengronds of ondergronds aantreft. Er is wel een verschuiving gaande richting verkabeling. Daar is niet direct een technische reden voor, behalve een kleinere kans op schade door omvallende bomen of overlast in verstedelijkte gebieden, maar de teneur in de samenleving is nu eenmaal dat men liever geen bovengrondse draden wil zien zodat de aanleg of vernieuwing van een bovengrondse lijn tegenwoordig uitdraait op protesten en omslachtige vergunningen. Het verkorten van procedures is ook een motivatie voor netbeheerders om een grondkabel te kiezen.

Zeer forse 15 kV MS-lijn in de Condroz. Deze verbinding dient als noodachtervang voor een metaalsmelter om gecontroleerd de smelt stil te leggen als de gangbare klantaansluiting op 150 kV een storing heeft. Deze lijn is zo zwaar voor zijn soort dat hij qua transportcapaciteit zich kan meten met een lichte 70 kV-lijn. Foto door Bavo Lens.

In de Ardennen zien we de middenspanning juist vaak bovengronds. In rotsachtige gebieden is verkabeling niet eenvoudig, te kwetsbaar (lange reparatietijden, gevoelig voor aardverschuivingen) of simpelweg te duur om lonend te zijn. Daar past men bovengrondse verbindingen toe, meestal op stobiepalen of volledige betonnen palen.

Netstations met transformators

Door de uitgebreidheid van middenspanning zien we overal netstations waar schakelapparatuur of transformators staan om verschillende middenspanningen te koppelen of om er laagspanning van te maken. En andersom natuurlijk, sinds we met een veelheid aan zonnepanelen soms netto productie zien op boerderijen, woonwijken en industriegebieden. Netstations heb je in soorten en maten en hun bouw en type kan voor de kenner in een oogopslag verraden hoe oud het huisje is, wie hem heeft neergezet en wat voor vermogen er ongeveer doorheen lopen kan.

   

Nog meer netstations. Links een gemetseld exemplaar zoals die in al zijn anoniemheid in elke stad of dorp kan worden aangetroffen. Meestal zit hier nog relatief oude apparatuur van Holec, COQ of Hazemeyer in. Rechts een modernere prefab compact variant, die in zijn geheel van de vrachtwagen getakeld wordt bij plaatsing. Foto’s door Johan Swank en Hans Nienhuis.

Een aparte categorie wordt gevormd door zogeheten trafotorens. Dit is een variant op het trafohuisje die zich kenmerkt door de vorm van een toren, net zo hoog als de bovenzijde van de bovengrondse middenspanningslijnen die er ooit (of soms nog steeds) op aansloten. Die lijnen zijn dan op volle hoogte aan het gebouwtje verbonden en worden via een geveldoorvoer naar binnen geleid. Zo kan de schakelinstallatie beschermd worden voor weer en wind. Omdat de transformator een zwaar en lomp ding is liet men die doorgaans gewoon op de grond staan, onderin de voet van het torentje. De laagspanningsinstallatie zat dan naast de trafo en de afgaande laagspanningskabels gingen terug omhoog het torentje in, of ondergronds ervandaan door gaten in het fundament heen.

Netstation in Lelystad, met een transformator die nogal wat vermogen aan kan. Zulke wat grotere netstations worden ook wel (saai) MS-stations genoemd en meestal vormen ze de overgang tussen enkele middellangeafstandtransportkabels vanaf trafonstations naar een stervormig of ringvormig net dat meer een distributierol heeft. Foto door Hans Nienhuis.

Trafotorens zijn in Nederland zeldzaam en nooit echt doorgebroken omdat het MS-net van begin af aan in belangrijke mate een kabelnet was. Heel soms staat er nog een overgebleven exemplaar die bovengronds niet meer aangesloten is, zoals in Zeist aan de Driebergseweg. Maar in bijvoorbeeld Duitsland en Denemarken zijn ze tot op vandaag in gebruik en er staan er vele duizenden in soorten, maten en bouwstijlen. Van antieke, monumentale exemplaren met prachtige versieringen tot pragmatische kille maar uiterst functionele betonnen exemplaren. Het zijn er zoveel dat je er een aparte website over kan volschrijven. Dat is precies wat de collega’s van het Duitse Trafographie (trafoturm.de) hebben gedaan. Een aanrader voor wie beter wil leren kijken naar een bijzonder stukje nethistorie.

Veel standaardoplossingen

Aan de ene kant zijn de netbeheerders vooruitstrevend bezig met zelfdetectie van storingen, hele modellen voor asset management en vervangingsprojecten. Met computerberekeningen voor de loadflow en het kunstmatig intelligenter maken van stroomnetten zodat het enig zelfherstellend vermogen krijgt of zelfs een storing uit de weg kan gaan wanneer een bepaalde component te warm loopt. (Voor je het weet ontwikkelt het middenspanningsnet een mening over kinderfeesten en begint het zich begint af te vragen of het maar eens in bitcoins moet gaan beleggen.)

Aan de andere kant zijn netbeheerders juist conservatief en neigt men sterk naar vertrouwen op bewezen techniek. Een flink deel van de apparatuur in middenspanningshuisjes is relatief oud. Schakelaars dragen nog namen uit lang vervlogen tijden. COQ, Hazemeyer en Magnefix (die van de klabam!) zijn nog altijd net zulke gevleugelde namen als moderne evenknieën ABB, Eaton en Siemens. Hoewel de netbeheerders wel degelijk in de gaten houden of een installatie aan vervanging toe is, wordt dat meestal niet te vroeg gedaan. Zodoende kan een middenspanningshuisje met een wederopbouw-architectuur ook aan de binnenkant nog gewoon de apparatuur bevatten die er reeds in de late jaren 40 in is gezet. Don’t fix it if it aint broken.

Dit historische trafogebouwtje in Herenthals heeft wel iets van een kerk. Deze bouwwijze zien we vaker in die streek. In de toren kwamen de bovengrondse MS-circuits binnen. De trafo stond op de grond (kwestie van gewicht) en als je er dan een schakelruimte bij wou kom je op deze vorm uit. Het gebouw is overigens nog gewoon in gebruik, maar nu via ondergrondse kabels. Foto door Bavo Lens.

Middenspanning is enerzijds een allegaartje van fabrikanten, beheerders en componenten, maar anderzijds is het sterker gestandaardiseerd dan hoogspanning. Waar een hoogspanningsstation tot recent aan toe meestal maatwerk is en het per exemplaar wordt ontworpen en doorberekend, zien we bij middenspanning dat men kiest voor standaardoplossingen. Een voorbeeld vinden we in de vermogens van de MS/LS transformators die worden toegepast. Die zijn er voor 10 kV in de vermogens 160, 200, 250, 400, 630, 800, 1200 en 2000 kVA. En daar zijn historische redenen voor – de kenner ziet direct een grote overeenkomst met de getalwaarden van afzekering in de meterkast: 10, 16, 25, 40, 63 en 80 A. Wie een ander getal wil zal goed moeten zoeken.

Een toekomst als transportnet vraagt aanpassingen

Het hoogspanningsnet is van begin af aan ontworpen om zonder richting te kunnen werken: elektriciteit kan alle kanten op. Vermogen (de loadflow) kan zich vrijelijk door het hoogspanningsnet bewegen tussen plekken met productie en plekken met consumptie. Die richting kan per dag wisselen, afhankelijk van of het waait, of het vriest of dat er verbindingen en stations los zijn geschakeld voor onderhoud of reconstructie. Voor zo’n net is een ringennetwerk het meest efficiënt. Ringvormige netdelen vormen met een stuk of wat tegelijk deelnetten die onder een bovenliggend koppelnet hangen.

Middenspanningsnetten zijn gebouwd in een tijd waarin decentrale opwek nog niet bestond en ze zijn daardoor voornamelijk ontworpen op distributie: invoeding van bovenaf uit het hoogspanningsnet en de belasting uitsluitend op de laagspanningskant. Daardoor zijn deze netten vaker aangelegd als zogeheten radiale- of sternetten. Op de precieze eigenschappen daarvan gaan we in op de desbetreffende pagina over netvormen. Hier kijken we naar de gevolgen die deze erfenis heeft voor een toekomst waarin ook het middenspanningsnet twee kanten op moet werken.

Boostertransformators zijn een illustratief probleem van een oplossing die handig werkt bij éénrichtingsverkeer, maar die tegen je werkt als je een netwerk hebt die twee richtingen op moet kunnen werken. Deze exemplaren bovengronds staan in Colorado, maar we hebben ze ook in de MS-netten in Nederland en België. Foto door Hans Nienhuis.

Een schoolvoorbeeld probleem van waar we tegenaan lopen als we een distributienet willen veranderen in een transportnet zijn zogeheten boostertransformators. Dit zijn trafo’s met slechts een heel kleine overzetverhouding, zoals 1:1,05. We vinden ze in met name lange middenspanningsverbindingen om de effecten van spanningsval weg te poetsen. Bij lange verbindingen die bijvoorbeeld 10 kV als bedrijfsspanning hebben, treedt onderweg door impedantie en ohmse weerstand wat spanningsval op zodat op het uiteinde, na een kilometer of vijftien, er bijvoorbeeld nog maar 9,7 kV over is. Dat is soms op te lossen met een andere zogeheten tap op de 10/0,4 kV MS/LS trafo’s in de netstations, of door aan de invoedende kant 10.3 kV in te stellen, maar een andere keer lukt dat door uiteenlopende redenen niet en kiest men voor toepassing van een boostertrafo. In dit geval kan dat bijvoorbeeld 9,5/10,5 kV zijn. Die lost niet het netverlies op, maar drukt de spanning wel weer een beetje op en verandert het verlies in spanning in een verlies in stroomsterkte.

Dat werkt alleen als het vermogen in één richting loopt, zodat de boostertrafo omhoog transformeert. Ga je terugleveren over diezelfde lange middenspanningsverbinding, dan heb je hetzelfde netverlies, maar werkt de boostertrafo opeens in de verkeerde richting zodat je spanning juist extra verlaagd wordt.

Zogeheten verblinding van beveiligingen is ook een toenemend probleem. Als er in een MS-deelnet een kortsluiting ontstaat terwijl er binnen dat net ook (decentrale) productie aanwezig is, dragen deze generatoren bij aan de kortsluitstroom. Correcte detectie van de kortsluiting wordt dan ingewikkelder en soms wordt zelfs de verkeerde beveiliging aangesproken (of erger, de beveiliging wordt niet aangesproken) en dat maakt werken aan zulke netten gevaarlijker dan vroeger.

Netbeheerders zijn hiermee bezig. Liander experimenteert met 20 kV-ringnetten waarop 10 kV-strengen worden aangesloten. Stedin zet in de 13- en 10 kV-netten in op zelfherstellende netten bij storingen, iets dat futuristisch klinkt maar inmiddels operationeel in dienst is. Het komt hoofdzakelijk neer op intelligentie in het net zodat het vanzelf vermogen kan overhevelen zonder interventie van een bedrijfsvoerder. Alle netbeheerders hebben gemeen dat ze zich afvragen hoeveel verzwaringen er in de MS-netten nodig zijn als de maatschappij van het gas af wil, warmtepomp na warmtepomp installeert en ook de auto elektrisch wil hebben.