Geleiders
De draden, met een net woord geleiders, transporteren het elektrisch vermogen. En die draden zijn er in veel, heel veel soorten.
Ondanks dappere pogingen van Nikola Tesla (en ondanks allerlei complottheorieën) is het nog niet gelukt om een draadloze manier uit te vinden waarmee je langdurig, gecontroleerd en veilig grote hoeveelheden elektrische energie kan transporteren. Gelukkig is een draad alsnog een sterk efficiënte manier.
Nou ja, draden… het woord kabels is eigenlijk voor ondergrondse toepassing voorbehouden, maar je zou met deze draad met gemak een vliegtuigje uit de modder kunnen trekken. Deze draad is een centimeter of drie in doorsnede en bevat een stalen kern binnen een aluminium mantel, waarmee het een type is dat binnen de noemer ACSR valt.
Het formaat en de leeftijd van hoogspanningslijnen verschilt. Hetzelfde geldt voor de draden. Dik, dun, gebundeld, fabrieksspul of maatwerk, er hangt van alles in de masten. Net als mastenfamilies geldt voor de geleiders dat ze in bepaalde groepen of families zijn in te delen. Bepalend is het materiaal en de technische opbouw.
Enkelvoudige draden of bundelgeleiders
Draden (als zijnde: geleiders) kunnen enkelvoudig als fasedraad worden toegepast of met meerdere tegelijk als bundel. Enkelvoudige draden zijn gebruikelijk voor lagere spanningen en bij relatief weinig transportbehoefte. Vanaf een paar honderd MVA transportvermogen en vanaf spanningen vanaf ongeveer 220 kV wordt het voordeliger om bundeldraden toe te passen. Tweebundels komen dan het meeste voor. Bij koppelnetspanningen in Nederland zien we zwaarder geschut, driebundels of zelfs vierbundels. In het buitenland treffen we soms zesbundels of bij zeer zware AC- en DC-verbindingen in de voormalige Sovjetunie, India, China en Japan zelfs achtbundels. Gebundelde draden verminderen corona-effecten en zorgen voor afname van netverliezen en geluidsproductie, al komt die laatste met een keerzijde: drie draden per fase betekent wel meer geloei en gefluit in harde wind.
Het voordeel van meerdere dunne draden ten opzichte van één dikke is een gemakkelijkere aanleg, maar ook wat minder corona-effecten. Ook koelt het beter als de verbinding zwaar wordt belast.
AAC: geslagen zuiver aluminium
Dunne draden voor middenspanning op houten en betonnen palen zijn technisch niet zo spannend. Ze zijn meestal gewoon van geslagen aluminium. Geslagen betekent dat een handvol losse ronde vezels spiraalvormig is samengevlochten tot een kabel, net als een touw. De losse vezels zijn van massief aluminium en zo’n draad wordt een AAC genoemd: all aluminium conductor. Aluminium geleidt elektriciteit goed, het is licht (slechts tweevijfde van het gewicht van koper) en het corrodeert of verroest niet zoals ijzer doet. Aluminium vormt een beschermend oxidehuidje en daardoor stopt het oxidatieproces. Ook een kras raakt snel onschadelijk en groeit niet door. Enkelvoudige aluminium kabels zijn sterk genoeg voor middenspanning, ze zijn betrekkelijk goedkoop en bewezen effectief.
Een splinternieuwe 11 kV MS-lijn in Texas. Zulke verbindingen worden typisch met AAC-draden uitgerust zoals het dunne exemplaar links. De afstanden en het gewicht zijn klein genoeg om met aluminium toe te kunnen. Foto door Hans Nienhuis.
ACU: koper, zelfverbeterende eigenschappen
Voor iets hogere spanningen en vooral in hele oude lijnen wordt wel eens koper aangetroffen. Deze draden hebben soms de afkorting ACU of gewoon CU, maar meestal is er überhaupt geen afkorting voor. Koper is een betere geleider dan aluminium en het vormt eveneens een oxidehuidje, maar het heeft nog een ander voordeel. Als er slecht contact en vonkvorming binnenin een verbindingsstuk of mof is, dan heeft koper de neiging om te smelten waardoor het contactoppervlak vergroot wordt, de vonkvorming stopt, de smeltplas juist weer afkoelt en de galvanische verbinding daarna sterker is geworden dan voorheen. Koper verbetert zichzelf dus nadat het is aangelegd. Aluminium doet dat niet, bij aluminium kan een slecht contact juist materiaal doen wegvreten waardoor het probleem alleen maar verder uit de hand loopt. Koper is vergeeflijker en elektrisch gezien eigenlijk beter.
Ongeïsoleerde koperen draden vanuit de paaltrafo’s op de laagspanningsdraden. Dik koper heeft weinig weerstand (handig bij laagspanning) en het oxideert in een zwarte huid. Het is niet eens een kabel eigenlijk, het zijn gewone koperen staven. Even de knie erin en buigen maar. Foto door Hans Nienhuis.
Koper heeft ook nadelen. Het is zwaarder, duur en daardoor is koper gewild bij het dievengilde. En er is het probleem van druip van enigszins giftig koperoxide onder het laagste punt van de draden. Aluminium doet dat niet. Om deze redenen worden koperen draden niet meer nieuw toegepast en ook in oude verbindingen geleidelijk vervangen door ACSR of een andere variant op aluminium wanneer een revisie nodig is. Overigens gebeurt vervangen van de draden normaal gesproken nooit als er geen aanpassing van de transportcapaciteit nodig is: de draden gaan net zo lang mee als de masten, bij goed onderhoud met gemak 70 tot over 100 jaar.
Geslagen koperen kabel (en een oudje). Het idee is gelijk aan de volledig aluminiumkabel, maar dan is eenvoudigweg koper gebruikt.
ACSR: Aluminium Conductor Steel Reinforced
Nu komen we bij de meest populaire hoogspanningsdraad op de wereld. De meeste hoogspanningsdraden zijn samengesteld uit twee materialen. Ze hebben een mantel van aluminium of een aluminiumlegering, met in het midden een stalen kabeltje. Die zorgt voor de treksterkte terwijl het lichtere, maar minder weerstand biedende aluminium aan de buitenzijde de elektrische geleiding voor zijn rekening neemt. Door het zogeheten skineffect wil elektrische lading bij wisselstroom liever aan de buitenzijde van de kabel lopen dan binnenin de kern, dus dat komt goed uit en het is een van de zeer weinige gevallen waarin het skineffect als natuurkundige hinderpost toch nog eens nut heeft omdat je sterkere kabels kan maken zonder dat de weerstand echt toeneemt.
Een dergelijke draad noemt men een ACSR: aluminum conductor steel reinforced. Je ziet ook wel eens ASCR: aluminum steel core reinforced. Beide aanduidingen met de S en de C omgedraaid zijn even correct. Voor deze draden wordt in Angelsaksische gebieden en ook in oudere Nederlandstalige documentatie de aanduiding ST/AL en dan twee getallen ook gebruikt, zoals 48/7. Dat betekent Staal/Aluminium 48 vezels 7 vezels, waarbij een stalen kern van zeven ronde vezeltjes is omgeven door achtenveertig vezels aluminium. Bij dunnere of dikkere draden kunnen die getallen variëren, maar altijd is er meer aluminium dan staal.
ACSR-geleiders. De buitenzijde is aluminium, de kernvezels (iets donkerder) zijn van staal. Foto’s door Hans Nienhuis.
ACSR-draden zijn over de hele wereld het meest gebruikte draadtype. Je hebt ze in allerlei varianten, diktes, sterktes en wat dies meer zij. En net als mastenfamilies dragen ze soms zelfs hun eigen namen voor specifieke types. Zo vernoemt fabrikant Draka (tegenwoordig onder één dak met Prysmian) hun geleiders altijd naar vogelsoorten. In de Nederlandse hoogspanningslijnen kan je draden vinden onder de werknamen Grackle, Eagle, Sparrow, Finch, Duck en Ostrich. Allemaal zijn het ACSR-draden of anders een enkele OPGW.
In België zien we in het 380 kV koppelnet veel tweebundel ASCR-geleiders die samen ongeveer 1400 MVA aan kunnen. In Nederland worden in de 220 kV en in 380 kV eerder driebundels toegepast met een iets dunnere doorsnede, maar omdat het er eentje meer is kan er in totaal toch net iets meer stroom langs. 2500 A is gebruikelijk voor driebundels, wat bij 220 kV neerkomt op nominaal 953 MVA en bij 380 kV op 1645 MVA transportvermogen.
AMS: Aluminum Magnesium Silicate
Een doorontwikkeling van ACSR is de zogeheten AMS-geleider. Daarbij is het aluminium in de mantel vervangen door een hoogwaardiger legering van aluminium, magnesium en silicium, ofwel AMS. Dit materiaal is familie van duraluminium, de legering waar men vliegtuigen en raketten van bouwt. Het is taaier en lichter dan zuiver aluminium. Voor hetzelfde gewicht heb je dan een dikkere draad, of je kan een vierbundel toepassen voor min of meer het gewicht van een driebundel ACSR zodat een hogere transportcapaciteit mogelijk is.
Demonstratiemodel van een AMS-620 geleider op een open dag van Tennet Hoogeveen in 2011. De geleider is bijna vier centimeter in doorsnede en biedt 620 mm² AMS-doorsnede. Het is daarmee een van de dikste populaire draadtypes in de markt. In het centrum zien we de stalen kern. Foto door Hans Nienhuis.
AMS zien we in Nederland vooral in een doorsnede van 460 mm² of 620 mm². Een AMS-620 kan per draad 1000 A stroomsterkte aan, zodat een circuit met vierbundel AMS-620 op 380 kV in staat is tot 4000 A, wat bij normaal bedrijf (380 x 4 x wortel 3) ruim 2635 MVA transportvermogen geeft. Dat is een gigawatt meer dan een gangbare ACSR-driebundel. De geleider zelf heeft een totale doorsnede van vier centimeter. AMS is toenemend populair in nieuwere verbindingen.
Hoewel AMS minder weegt dan ACSR is het ook weer niet zo dat de draad vederlicht is. Een AMS-620 weegt 1,7 kilo per meter, waardoor een span vierbundel van vierhonderd meter tussen twee mastposities ruim 2,7 ton weegt. Daar komen de afstandhouders nog bij zodat drie ton een redelijke aanname is voor het drooggewicht.
Deze zware hoogspanningslijn in Noord Nederland is ontworpen op vier circuits van 380 kilovolt. Deze verbinding maakt gebruik van AMS-620. In totaal, bliksemdraden niet meegerekend, steken er van mast tot mast telkens 4 circuits, 12 fasedraden en 48 geleiders over, per mast wordt ongeveer 36 ton draadgewicht getorst. Foto door Michel van Giersbergen.
AAAC: all aluminum alloy conductor
Wanneer een stalen kern niet per se nodig is, zoals voor tussenspanningen met een laag draadgewicht en korte veldlengtes, kiest men tegenwoordig graag voor AAAC-draden, all aluminium alloy conductors. Door puur aluminium te vervangen door een legering van aluminium met magnesium of met silicium (of beide) is hij sterker dan een pure aluminiumdraad, zodat alsnog een redelijk sterke, lichte draad ontstaat die sterker is dan zijn voorouders. In feite is een AAAC-geleider een soort AMS zonder versterkte kern.
Dit kan voordelen hebben omdat de hele draad precies dezelfde uitzettingscoefficiënt heeft. AAAC-geleiders waren met oudere legeringen vooral bedoeld voor relatief licht werk, maar AMS is van zichzelf een behoorlijk sterke legering (je kan er immers vliegtuigen mee bouwen) zodat AAAC zich heeft doorontwikkeld tot een draad die ook in zwaardere bundels voorkomt zonder stalen kern. In Nederland zien we deze draad onder andere in de Randstad Noordring in de wintracks.
Een ontwikkeling die we vooral bij AAAC zien is de toepassing van Z-strands aan de buitenzijde. Deze speciaal gevormde vezels haken in elkaar in de spiraalvorm. Dat zorgt er niet alleen voor dat de uitzetting van de draad niet zorgt voor lossere vezels, maar ook wordt de effectieve doorsnede er beter van. Er zit tussen ronde vezels veel ruimte die tussen Z-strands dicht is. Zo kan de draad iets dunner blijven. Een derde voordeel is dat deze geleiders iets minder vervuild raken en net wat minder knetteren, althans op papier.
AAAC begon zijn loopbaan als draadtype voor kleine en lichte verbindingen, maar met sterkere aluminiumlegeringen ontwikkelde het draadtype zich door naar steeds zwaardere types. Hier zien we een AAAC-geleider die waarschijnlijk is gemaakt van 100% AMS. Rechts: eenzelfde draad maar dan met Z-strands in de mantel.
HTLS (ACCC): High Temperature Low Sag
Het nieuwste snufje in hoogspanningsland is de zogeheten high temperature low sag geleider, ook bekend als ACCC: aluminum conductor carbonfibre core. Het is een ingewikkelde draad die de sterke punten van verschillende andere types combineert. Een extra lichte mantel van aluminium of AMS, en het toepassen van carbonvezel in de draadkern om extra treksterkte te verkrijgen met minder gewicht dan een stalen kabel. Nog belangrijker dan een lager gewicht is de uitzettingscoëfficiënt van carbonvezel. Staal en AMS, of staal en normaal aluminium, hebben een verschillende coëfficiënt en hoe warmer de draad wordt, hoe dieper hij zakt en hoe groter het verschil wordt. Dat is niet goed voor de structuur van de draad.
HTLS-geleiders zakken eerst ook door, maar boven een bepaalde temperatuur gaat de trekkracht steeds meer richting de carbonkern en boven een temperatuur van een graad of 60 neemt de kern zelfs de volledige trekkracht op. Het aluminium zakt dan niet verder en de carbonkern zet nauwelijks nog uit als hij heter wordt. Door verder aluminium-of AMS-strands als als gladde platte stroken (trapezium- of Z-strands) te walsen tot een kabel worden de tussenruimtes binnenin de draad volledig opgevuld. De draad wordt daar nog efficiënter van.
Het gevolg van die opsmuk is dat een HTLS-draad heel weinig weegt, zwaarder kan worden belast, en veel heter mag aanlopen dan een traditionele AMS of ACSR-geleider. Boven een bepaalde grens stopt het verder doorzakken bijna volledig. Een klassieke ACSR mag 80ºC worden, daarboven zakt hij te diep door of krijgt het conservatievet op de stalen kern problemen. HTLS-geleiders hebben die beperking niet en mogen zelfs tot 200 of zelfs 240ºC gaan.
Moderne ACCC-geleider (rechts) naast een vrij dunne ACSR-geleider. Merk op dat de kern van carbonvezel is in plaats van van staal en dat de geleider geen holle ruimtes en een gladde buitenkant heeft. Foto door Dave Bryant, zoals getoond op Wikipedia (CC BY-SA).
Tweehonderd graden is belachelijk heet. Je zou er met gemak een hamburger op kunnen grillen.
Fabrikanten van deze hoogspanningsdraden buitelen over elkaar heen in superlatieven over voordelen van HTLS-geleiders. Inderdaad kan het handig zijn om een HTLS toe te passen, met name als een bestaande verbinding een opwaardering moet krijgen en er voor hetzelfde draadgewicht (kwestie van mastlichamen) en dezelfde masthoogte (wederom kwestie van mastlichamen en ook van normen over toegestane doorhang) meer behoefte aan transportcapaciteit is. Door HTLS toe te passen wordt het probleem van doorzakken verminderd en kan de draad meer vermogen verstouwen. Dat kan zomaar 100 MVA extra capaciteit opleveren bij een middenmoot 150 kV-verbinding en nog meer bij koppelnetspanningen. Voor de huidige lijnverzwaringen in het koppelnet in Nederland is HTLS intussen een voorkeursdraad van Tennet geworden. Als je de masten niet hoeft te verzwaren is een opwaardering sneller klaar.
Drie geleiders naast elkaar. Rechts een traditionele ACSR, in het midden een AAAC met zogeheten Z-strands die de buitenkant gladder en dichter maken zodat de effectieve doorsnede beter is dan met ronde vezels. Links het huidige neusje van de zalm, een HTLS met carbonkern. Foto door Hans Nienhuis.
Wat fabrikanten niet noemen is dat er ook nadelen aan HTLS-draden zijn. Binnen de sector staan ze ook bekend als hogeverliesgeleiders. Hoe heter de draad aanloopt, hoe groter zijn elektrische weerstand wordt. De netverliezen in een zwaarbelaste verbinding met HTLS-draden zijn fors hoger dan in een vergelijkbare verbinding met dikkere niet-HTLS draden. Hete draden kunnen ook gaan sissen als ze boven de kooktemperatuur van water komen terwijl het regent. Niet dat dat een elektrisch probleem oplevert, maar in de regen maakt een hoogspanningslijn al genoeg geluiden en liever voegen we daar niet nog teveel andere onrust aan toe. Voor je het weet krijgen mensen echt zin in die hamburger.
De carbonvezelkern van HTLS-draden is niet door te verbinden met een normale persmof. Er zijn speciale klemmen en methodes nodig als er onverhoopt een keer een noodreparatie moet plaatsvinden. Verder ontstaan er breukjes in carbonkernen als je ze te strak door de bocht trekt. Bij het inlieren en afspannen van zulke draden zijn voorzieningen nodig die ervoor zorgen dat de draad nooit in een krappere bocht wordt gebogen dan op de haspel van de fabrikant. Voor lijnwerkers zijn HTLS-draden met een carbonkern een pijntje in de bips.. eh.. uitdagend.
Dit soort high-performance draden zijn per strekkende meter duurder dan een traditionele ACSR of een AMS. Of je ze als netbeheerder wil gebruiken is een kwestie van maatwerk, budget, of er haast bij is, of de mastlichamen verbouwd moeten worden of juist niet, kortom, het is maatwerk, elke opwaardering opnieuw.
ACIR, ACSS, TAL, ZCACIR…
Zelfs binnen de genoemde afkortingen is de ene ACSR de andere niet. Wanneer we in tabellen gaan kijken naar wat er allemaal op de markt is, dan gaat het je duizelen van de afkortingen voor allerlei sub-sub-subtypes geleiders met combinatieafkortingen en een hele vogelgids voor de Draka ACSR-sectie.
Bij de AAC-draden van Draka zien we in de tabellen geen vogelnamen maar plantennamen staan. En er zijn allerlei combinaties denkbaar, waarbij in de afkortingen soms ook een S of een Z wordt gebruikt, bijvoorbeeld voor dingen als Z-vormige elementen, stranded, en in heel fancy gevallen zelfs milliken, al is dat bijna uitsluitend iets voor grondkabels. Kortom, het aantal afkortingen is schier eindeloos en zelfs ingenieurs kunnen niet alle subtypes dromen. Wel kunnen de afkortingen in grote lijnen worden ontcijferd. ACSR, hoewel een grote verzamelgroep, is altijd een aluminium geleider met een stalen kern. De doorsnede en vorm van de strands kan variëren, maar in grote lijnen weet de ingenieur waar hij aan toe is. Vergelijk het met bijvoorbeeld het mastmodel: donaumasten heb je in talloze soorten en maten, maar de ingenieur weet wel meteen in hoofdzaak waar hij mee te maken heeft.