Circuitvorm
De draden van een circuit, zowel bij gelijkstroom als wisselstroom, hangen dwars op de lengterichting in een ruimtelijke vorm. Dit wordt de circuitvorm of configuratie genoemd.
De ruimtelijke vorm is in de ingenieurswereld van belang voor berekeningen en voor hoe de hoogspanningsmasten eruitzien. Er zijn een handvol configuraties mogelijk. Sommigen hebben een geassocieerd eigen mastmodel dat exclusief voor deze configuratie is bedoeld. Andere configuraties kunnen worden gedragen door meerdere mastmodellen die van elkaar verschillen. Op deze pagina kijken we naar de configuratie zelf. Voor de mastvormen, zie deze pagina’s.
Vlakke of horizontale configuratie
De draden worden horizontaal of bijna horizontaal naast elkaar gedragen in de breedte.
Komt voor bij mastvormen: hamerkop, tweevlaksmast, delta, portaal, H-frame, guyed V, chainette
Vlakke configuratie, links aan een zogeheten hamerkop en rechts aan een kleine deltamast. De laatste draagt maar één zo’n circuit. Foto’s door Tom Börger en Hans Nienhuis.
Het voordeel van de vlakke vorm is dat een hoogspanningslijn laag kan blijven waardoor hij weinig opvalt, minder wind vangt (lichter gebouwde masten, minder torsie op het fundament) en ook dat vogels er minder vaak tegenaan vliegen. Een ander voordeel is de eenvoudige manier waarop een vlak gedragen circuit naar de grond kan worden geleid. Ook voor gelijkstroomverbindingen (met in totaal twee draden) en bahnstrom (meestal tweemaal twee draden) kan een vlakke configuratie en een T-vormige mast met één verdieping worden gebruikt. Vlakke configuraties treffen we bij mastmodellen die hamerkoppen en tweevlaksmasten worden genoemd. Het wordt ook gebruikt voor meelifters onder combinatiemasten omdat een vlakke vorm zogeheten afstap (omlaag aftakken of opstijgen) makkelijk maakt, net als fasewisseling. Ook deltamasten voor een enkelcircuit dragen de draden in vlakke of bijna vlakke vorm. Dat komt in Nederland en België niet zelden voor, maar in andere landen is een zwaar enkelvoudig circuit aan deltamasten gangbaar. Ook schoormasten zoals H-frames en guyed V’s dragen hun circuit in de vlakke vorm.
Bij grondkabels wordt de vlakke vorm met drie draden naast elkaar veel gebruikt, met name bij de zware kabels. Het gaat dan om hoogspanningkabels van 50 kV of hoger waarbij de drie fasen aparte kabels met één geleider zijn die met enige tussenafstand naast elkaar in de grond worden gelegd.
Donauconfiguratie
Tillen we de middelste fasedraad op, dan ontstaat een driehoekige vorm met een vlakke onderzijde en de punt naar boven. Dit heet de donauvorm.
Komt voor bij mastvormen: donaumast, sommige deltamasten, portaal, guyed delta, gaffelmast, asymmetrisch enkelcircuitmasten
Donauconfiguratie in een luchtlijn met masten die hier exclusief voor zijn bedoeld (nier verrassend: die worden donaumasten genoemd). Rechts: circuits in donauvorm aan een portaal. Foto’s door Tom Börger.
Deze ruimtelijke vorm vormt een compromis. Een driehoekige vorm zorgt ervoor dat de drie draden elkaar op gelijke wijze beïnvloeden en dat twee zulke circuits horizontaal naast elkaar aan een mast kunnen worden gehangen die twee verdiepingen heeft: niet hoog en niet breed. De donauvorm zoekt overal de middenweg. De uitvoering kan met een symmetrische gelijkbenige driehoek, met een gelijkzijdige driehoek, of met een rechthoekige driehoek waarbij twee van de drie draden recht boven elkaar hangen.
Over de herkomst van de naam bestaat onduidelijkheid, zie voor achtergronden de pagina over het geassocieerde mastmodel dat -niet verrassend- een donaumast wordt genoemd. De donauvorm is niet exclusief voor alleen donaumasten. Ook bepaalde driecircuit-deltamasten en gaffelmasten kunnen één of meerdere circuits in de donauvorm dragen. Bij grondkabels kunnen de drie kabels in een driehoek strak tegen elkaar aan worden gelegd spreken we van een driehoekige vorm of een trefoil. De term donauconfiguratie wordt voor grondkabels niet gebruikt.
Verticale configuratie
Als we alle drie de draden recht boven elkaar hangen ontstaat de verticale configuratie.
Komt voor bij mastvormen: verticale mast, bipole, vlag, monomast, steile dennenboommasten, soms steile tonmasten
Verticale configuratie aan een vakwerkmast en aan een buismast. Hoge ranke masten met een smalle corridor. Foto’s door Michel van Giersbergen.
Deze heeft als voordeel dat er weinig ruimte op de grond nodig is om het circuit ergens langs te leiden. Hangen we twee zulke circuits aan een mast, dan ontstaat een hoge maar smalle mast die een smal pad van doortocht nodig heeft. Ook blijft het magneetveld aan de grond smal. Nadeel aan deze vorm is dat de hoge masten vanaf enige afstand opvallen en dat ze door hun hoogte veel wind vangen zodat sterkere fundatie nodig is. Afstap of opstijg is ook lastiger. De verticale draden naar de grond leiden betekent dat ze elkaar al snel in de weg zitten.
De verticale vorm is populair op plekken waar weinig ruimte is. Het is ook de populairste vorm voor hele zware verbindingen met twee circuits. Bij zeer hoge spanningen en transportvermogens wegen de gebundelde draden al meerdere tonnen per draad per spanveld. De verticale vorm heeft korte traversen zodat het immense gewicht van de draden dichterbij de toren wordt gedragen dan in donau- of vlakke vorm. De zwaarste verbindingen in de wereld die met twee circuits tegelijk zijn uitgerust (800 kV en 1000 kV in met name Japan en China) zijn gebouwd met masten die de verticale vorm voeren, ondanks dat ze veel wind vangen.
De verticale vorm heeft normaal gesproken de toren in het midden staan. Wat je ook kan doen is twee pylonen nemen en de twee circuits in verticale vorm zo dicht mogelijk bij elkaar hangen zonder dat er zich iets tussen bevindt. Nu komen we bij het idee van een wintrack: het uiterste opzoeken in een zo smal mogelijke corridor.
Dennenboomconfiguratie
Een variant op de verticale configuratie is de dennenboomvorm. Daarbij hangen de draden niet recht, maar schuin boven elkaar.
Komt voor bij mastvormen: dennenboommast, breed hangende verticale masten, sommige combinatiemasten
Dennenboomvorm in een hoogspanningslijn. Er is variatie in hoe ‘dennenboom’ een mast eigenlijk is. De mast links neigt aardig naar verticaal. Rechts eentje die de draden breder laat uithangen. Foto’s door Ruben Schots en Tom Börger.
Deze vorm, of eigenlijk de naam ervan, slaat pas ergens op als je twee zulke circuits in spiegelbeeld naast elkaar hangt met de mast in het midden. De vorm van de mast heeft dan veel gemeen met een kerstboom of dennenboom. De ingenieurs van een eeuw geleden dachten niet te moeilijk en het is niet verrassend dat de term dennenboomvorm of dennenboommast vrij snel gemeengoed werd. Het ziet eruit als een dennenboom, dus dennenboom it is.
De dennenboomvorm wordt als aparte configuratie onderscheiden omdat deze aan de grond een breder profiel inneemt en omdat de wederzijdse beïnvloeding van twee zulke circuits aan dezelfde mast zich iets anders gedraagt dan wanneer de draden van twee circuits recht boven elkaar hangen. Een derde reden is dat de zogeheten dans-ellipsen elkaar minder snel raken, een voordeel dat ook bij de tonvorm terugkomt. Verder heb je een grijs gebied tussen een (bijna) zuivere verticale vorm (met drievlaks- of dubbelvlagmasten) en een beginnende dennenboomvorm. Stoor je niet teveel aan waar de precieze grens ligt, zelfs civiel ingenieurs weten het soms niet. Je kan eraan rekenen en de esthetiek ervan bemopperen of beprijzen, dat is het belangrijkste.
Tonconfiguratie
Hangen we bij een verticale configuratie de middelste draad wijder bij de toren vandaan, dan spreekt men van de tonconfiguratie.
Komt voor bij mastvormen: tonmast, sommige portalen
De tonvorm is soms weinig uitgesproken, soms juist heel uitgesproken. Telkens is de middelste traverse het langste en vormen de twee circuits samen een zeshoekige vorm. Foto’s door Ruben Schots en Hans Nienhuis.
De tonvorm lijkt op het eerste gezicht onnodig, totdat we twee zulke circuits in spiegelbeeld naast elkaar hangen met de toren ertussen. Er ontstaat nu een zeshoekige vorm met een breder midden. Als we daar een omschreven lijn omheen trekken lijkt het op de vorm van een moer of van een ouderwetse houten ton. De tonvorm is net als de donauvorm een configuratie met een geassocieerd eigen mastmodel.
De langere middelste arm weegt meer, vangt meer wind en vergroot de torsie op het mastlichaam. Toch is de tonconfiguratie in de hele wereld zo populair dat deze vorm het handelsmerk van hoogspanning in cartoons, films en logo’s is geworden. Het geheim zit hem in twee verschillende dingen. De symmetrie van de zes draden ten opzichte van elkaar is de voornaamste. Een ideale tonvorm is zuiver zeshoekig. Wanneer we de zogeheten klokgetallen van de fasedraden goed kiezen zodat alle draden in hun cycli precies zo ver mogelijk tegenover elkaar zitten, ervaart elke draad op elk moment in zijn cyclus precies dezelfde invloed van de andere vijf draden. Deze ruimtelijke vorm geeft het minste transportverlies door onderlinge inductie en andere verschijnselen die tezamen de lijnimpedantie (complexe weerstand) wordt genoemd. Een tweede reden is dat dans-ellipsen (bij lijndansen in ijzel en wind) elkaar minder snel overlappen met de tonvorm dan met een verticale vorm. Met name bij weinig uitgesproken tonvormen is dit doorgaans de dominante reden boven elektrische voordelen. Meer details staan op de pagina over dit mastmodel.
Voor een tonvorm zijn minimaal zes draden nodig. Je zal deze vorm niet aantreffen met systemen die twee of tweemaal twee draden hebben. Ook is de langere middelste arm een factor bij zware verbindingen. Het vraagt meer sterkte van de mast. Bij hele zware verbindingen wordt een compromis gezocht en is de tonvorm vaak minder uitgesproken.
Driehoeksconfiguratie
Drie draden in een zigzagvorm of een ongelijke driehoek ophangen geeft een zogeheten driehoeksconfiguratie.
Komt voor bij mastvormen: driehoeksmast, bepaalde enkelcircuitmasten
Een driehoeksconfiguratie is meestal een enkelcircuitverbinding met een zigzagvorm waarvan het dan weer jammer is dat het dragende mastmodel niet gewoon een zigzagmast heet. Een soort goedkope variant op een donaumast kan ook voorkomen.
Deze verwarrende naam is geen alternatief voor de donauvorm, want eigenlijk is de driehoeksvorm in zijn oorspronkelijke versie eerder een halve tonvorm dan dat het een donauvorm is. De driehoekvorm heeft in tegenstelling tot de donauvorm geen vlakke zijde parallel met de horizon. Het wordt ook als aparte vorm behandeld omdat de invloed op de grond voor de onderste twee draden niet gelijk is, evenmin als de invloed van de draden op elkaar. Toch is er ook een variant op de driehoeksvorm die er alsnog uitziet als een donauconfiguratie met een ongelijke driehoek en waarbij de onderste twee draden naast elkaar hangen. Deze vorm kan tegelijk als donau en als driehoek worden gezien in rekenmodellen.
Interessant genoeg kan je het idee van een driehoeksconfiguratie ook bij grondkabels gebruiken. Leg je drie éénfasekabels ondergronds tegen elkaar aan, maar níet in een vorm waarbij iedere kabel de andere twee raakt, dan ontstaat bijvoorbeeld een rechthoekige driehoek of een opengevouwen driehoek die een langere derde zijde heeft. Dit komt weinig voor, maar vaak genoeg om er rekening mee te houden in computerprogramma’s als het enigst mogelijke derde scenario.
Andere configuraties
Behalve de bovenstaande onderkende configuraties die in rekenmodellen en engineering worden gebruikt zijn er nog een aantal andere vormen. Deze hebben geen officiële definities of vastleggingen. Ze resulteren soms in een specifieke mastopbouw die af en toe zelfs een eigen naam kan hebben. We gaan er een paar bij langs.
Inverse configuraties
Soms treffen we verbindingen waarbij de donauconfiguratie op de kop wordt gevoerd, dus met de punt naar beneden. Voor zover bekend heeft dat geen eigen naam. Pylon geeks in een gekscherende bui kunnen het over aunod hebben, maar dat is niet conform de boekjes. Een driehoek met de punt omlaag treffen we in sommige driecircuit-deltamasten aan als middelste circuit, maar bijvoorbeeld in Zweden zijn er ook goedkope tuienmasten met één omgekeerd donaucircuit omdat die toevallig prettig in een V-vormige mast past.
Inverse donauvorm bij een enkelcircuitlijn in Zweden (kruising tussen een guyed V en een chainette) en een inverse donauvorm in het middelste circuit van een driecircuit-deltaverbinding. Foto links door Mark van der Meer, rechts door Ruben Schots.
Een inverse dennenboomvorm komt ook wel eens voor, maar dan bij eindmasten omdat je met een langere boventraverse makkelijker de draden naar de grond kan leiden zonder dat ze elkaar in de weg zitten. Volledige lijnen met inverse dennenboomvorm? We dachten ook bij deze site dat dat onmogelijk was, totdat… only in Russia.
Inverse dennenboomvorm bij een verbinding in Rusland. Misschien van meerwaarde vanwege een smallere corridor bij het snoeien van de bosjes? Rechts: inverse tonvorm in Amerika. Wat hiervan de meerwaarde is begrijpen we ook bij HoogspanningsNet niet.
Nog zeldzamer is een inverse tonvorm. Er is ons slechts één geval bekend van verbindingen waarbij dit is toegepast (in Amerika, zie foto) en we hebben geen idee waarom dat gedaan is. Er zitten voor zover wij iets van hoogspanning afweten geen technische voordelen aan ten opzichte van de gangbare tonvorm: de dans-ellipsen en het voorkomen van problemen daarmee is identiek, maar de elektrotechnische voordelen van zeshoekige symmetrie ontbreken, plus dat je nu ook nog eens twee lange armen nodig hebt in plaats van ééntje.
Niet te beoordelen configuraties
Als er drie circuits in een mast hangen is het plotseling mogelijk om een rechthoekige drie-bij-drie gridvorm te maken. Dat is met een portaal een probleempje als je vanaf enige afstand probeert te zien hoe de circuits in de mast hangen. Is hier nou sprake van drie boven elkaar hangende vlakke circuits, of drie naast elkaar hangende verticale circuits?
Drie naast elkaar of drie boven elkaar? Zeg het eens. Foto door Hans Nienhuis, die het ook niet wist hier in de Amerikaanse Midwest.
Borden of circuitaanduidingen lezen kan helpen, maar vanaf een afstandje is het enige wat je kan doen op je verstand afgaan. Op de stations is het ingewikkelder om drie circuits van boven elkaar af te spannen dan drie naast elkaar. Die kan je immers gewoon wat opzij trekken. Ook voor onderhoud is naast elkaar verticaal makkelijker, je kan dan één zijde afschakelen en vanaf de zijkant van de mast aan het werk gaan. Alleen het circuit in het midden is dan lastig.
Een ander lastig geval zien we bij viercitcuitmasten. Wanneer er vier circuits in een mast of portaal worden gehangen ontstaat een indrukwekkend aantal draden, maar ook een probleem wanneer de mast of het portaal drie verdiepingen heeft. Waar we ons met drie circuits afvroegen of ze naast of boven elkaar hangen, kunnen we ons met vier circuits afvragen of er viermaal verticaal in hangt, of viermaal donau met tweemaal een rechte hoek, en tweemaal de inverse vorm. Ook nu is het lezen van de circuitborden en aanduidingen nodig om uitkomst te bieden.
Vier naast elkaar, of tweemaal donau en tweemaal inverse donau? Foto door Bavo Lens.
Exotische configuraties
Er zijn nog meer manieren waarop je drie draden of zes draden in een mast kan hangen. Deze mogelijkheden hebben geen naam en er wordt geen rekening mee gehouden in de engineeringswereld omdat ze zo weinig voorkomen en vanwege hun glijdende schaal, waardoor ze vrijwel onmogelijk te beschrijven zijn. Maatwerk is hier noodzakelijk.