Wisselmast

Fasewissel, wisselmast ( n/a )
Transposition tower  Verdrillmast  Vekselsmast  fasewissel

Op een fasewisselmast worden de draden van fysieke positie gewisseld. Dit wordt gedaan vanwege elektrische redenen. Niet elke verbinding heeft zulke fasewissels.

Wisselmasten zijn herkenbaar aan hun zwaardere constructie (vaak wordt het mastlichaam van een HA hoekmast of afspanmast gebruikt) en in de mast zie je fysiek de fasedraden van plek verwisselen. De draden worden daarbij onderbroken en aan de andere kant van de mast hervat op een andere positie. Tussenin worden de draden doorverbonden met korte verticale draadstukken, een caravelle of met gekruiste bretels. Afhankelijk van het mastmodel gaat dat soepel en bijna onzichtbaar (hamerkoppen), met enig kunst- en vliegwerk (donaumasten) of ronduit ingewikkeld en bijna onnavolgbaar (sommige tonmasten en verticale masten).

   

Wisselmasten, zoals deze exemplaren (een tonmast en een donaumast) wekken in eerste instantie de indruk van een knoop op een toren. Wie beter kijkt ziet dat in feite de zes fasen van fysieke positie verplaatst worden. De mastfunctie is daarbij noodzakelijk gecombineerd met afspanning. Foto’s door Michel van Giersbergen.

Waarom fasewissels?

De functie van wisselmasten is om de fasedraden binnen de circuits onderling van fysieke positie te laten wisselen. Dit wordt gedaan om het elektrisch gedrag van iedere fasedraad zo identiek mogelijk te houden. Dat heeft twee redenen. Je zit hier op HoogspanningsNet, dus trek een blik energydrink open en slinger die benen even op de bijzettafel.

Elektriciteit op een hoogspanningslijn, met wisselstroom op drie fasedraden per circuit, heeft te maken met verschillende vormen van weerstand.

▫ De ohmse materiaalweerstand van het materiaal waar de draad van is gemaakt (een vaste waarde per strekkende meter)
▫ Reactief gedrag (spoelwerking, op te vatten als “traagheid” van een eenmaal lopende elektrische stroom)
▫ Capacitief gedrag (condensatorwerking, ladingen trekken elkaar aan of stoten af)

Zouden we een hoogspanningslijn versimpeld weergeven, dan ziet het zogeheten vervangingsschema van een lange verbinding er per span als volgt uit:

R is de ohmse materiaalweerstand van het materiaal waar de draad van is gemaakt. Die speelt zowel bij gelijkstroom als wisselstroom. L is de zelfinductie (uitgedrukt in μH, microhenry). Wanneer de draden van het circuit zich op niet-oneindige afstand van elkaar bevinden (wat bij een grondkabel en ook bij een luchtlijn het geval is), zitten ze in elkaars invloedssfeer. Inductie of spoelwerking is te vergelijken met traagheid: een elektrische stroom die eenmaal loopt verandert niet graag van grootte of richting als gevolg van koppeling met zijn eigen elektromagnetisch veld. Nu heeft dat veld een zekere ruimtelijke omvang om de draad heen en bij een hoogspanningslijn hangen de draden in elkaars inductieve invloedssfeer.

C, de capacitieve waarde, is de belangrijkste reden voor de toepassing van wisselmasten. De draden waar precies honderd keer per seconde een lading in wordt aangebracht bezitten een potentiaal ten opzichte van de grond en van elkaar. Tegengestelde ladingen, of ook verschillende ladingen (zoals 0 V en 100.000 volt) trekken elkaar aan en willen daardoor bewaard blijven in elkaars nabijheid, precies zoals een condensator dat doet. Ook hoogspanningsdraden ten opzichte van de grond hebben deze condensatorwerking en het gevolg is dat het moeilijker is om de draad te op- en ontladen tijdens zijn wisselstroomcyclus als deze dichter bij de grond hangt.

We zien dus dat de draden zich bij wisselstroom als het ware verzetten tegen iedere verandering van spanning en stroomsterkte. Dit verzet levert een schijnbare, extra weerstand op bovenop de ohmse materiaalweerstand. Dit wordt impedantie genoemd: de complexe (of samengestelde) weerstand van de hoogspanningslijn. Het ligt voor de hand dat netbeheerders de impedantie van een verbinding graag zo laag mogelijk houden. Ook is het belangrijk dat alle drie de fasedraden onderling zoveel mogelijk dezelfde impedantie hebben, zodat de lopende stroom in een circuit alle drie de draden even zwaar belast. Een zwaarder belaste draad wordt warmer en krijgt meer weerstand zodat het lijnverlies omhoog gaat.

Om de draden zoveel mogelijk van dezelfde impedantie te voorzien moet worden geprobeerd om zowel hun onderlinge invloed op elkaar (reactief en capacitief) alsook de invloed van de grond (capacitief) zo gelijk mogelijk te maken. Kijken we echter naar een hoogspanningslijn, dan zien we bijvoorbeeld dit:

We zien uitgetekend het capacitief gedrag van de drie fasen naar de grond (telkens aan de linkerzijde van de mast geschetst) en het capacitief gedrag van de draden naar elkaar (rechts). In werkelijkheid spelen beide natuurlijk tegelijk, maar niet op gelijke wijze. De vorm waarin het circuit hangt maakt een belangrijk verschil.

In een vlakke configuratie (midden) is voor elke draad de invloed van de grond gelijk. Dat is mooi, maar helaas veroorzaakt diezelfde vorm ook een situatie waarbij je twee ‘buitenste’ draden en een ‘binnenste’ draad hebt die tussen de andere twee in hangt. Daardoor heeft de binnenste draad meer last van de andere twee dan de buitenste draden. Gevolg: een onderling verschil in elektrisch gedrag en dus in impedantie. Hangen we de draden in de donauvorm (en dan bij voorkeur eentje in een perfecte driehoek), dan is de onderlinge invloed van de draden op elkaar juist gelijkgetrokken, maar nu hangt één draad hoger boven de grond dan de andere twee zodat de invloed van de grond nu juist ongelijk raakt. Daar hebben we ons probleem omgekeerd, maar nog steeds niet opgelost. En hangen we de draden in een verticale vorm, dan zijn zowel de invloed van de grond als de onderlinge invloed verschillend per draad en wordt alles nog vervelender.

Als we de draden niet onpraktisch ver bij elkaar vandaan kunnen hangen is fasewisseling de oplossing. Bij een vlakke vorm zorgen we er dan voor dat iedere fase 33% van de tijd in het midden hangt. Bij een donauvorm roteren we de driehoek een paar keer een slag door. Op die manier wordt het verschil in gedrag van de draden onderling uitgemiddeld en reageert het hele circuit uiteindelijk met een zo gelijk mogelijke impedantie, waardoor de drie draden een zo gelijk mogelijke stroomsterkte voeren op dezelfde wijze.

Zo. Dat stukje kennis heb je maar mooi op zak als je de volgende keer een fasewissel tegenkomt.

Driemaal fasewisselen per circuit

Het toepassen van fasewissels gebeurt meestal drie keer in een circuit op telkens eenderde van de circuitlengte. Het zorgt ervoor dat iedere draad precies even lang aan de beurt is op iedere plek in de configuratie. Eigenlijk zijn twee wisselmasten op 1/3e en 2/3e van de verbinding ook genoeg, maar als men de klokgetallen op de beide stations aan de uiteinden gelijk wil houden (om praktische redenen, het voorkomt spaghetti op het afspanportaal) maakt men vaak van de eerste mast ook meteen een fasewissel.

Het wisselschema hierbeneden wordt het meest gebruikt voor drie fasewissels.

Niet altijd zal je ook echt netjes drie wisselmasten per verbinding aantreffen. Er zijn ook complexere wisselschema’s in bijvoorbeeld dubbelcircuitlijnen met een inlussing zodat de circuitlengte van beide circuits verschillend is geraakt. Wat ook voorkomt is een onvolledig wisselschema (slechts twee draden die van plek wisselen) waarbij men dan telkens om 1/6e van de totale lengte van de verbinding een ‘halve’ fasewissel toepast. In combinatielijnen met circuits met verschillende begin- en eindstations waarin de circuits ook elkaars fasedraden beïnvloeden kan een ingewikkelder maatwerkfasewisseling nodig zijn om nadelige effecten zoals onbalans of impedantieverschillen zoveel mogelijk uit te compenseren.

Nog weer een andere reden die in het buitenland voorkomt is dat een lange verbinding een ander geologisch blok binnenkomt, bijvoorbeeld wanneer een verbinding na tientallen of honderden kilometers vlakke, natte zand- en veengrond de voetheuvels van een gebergte nadert en de hoogte in gaat op granietrotsen. Die verschillende geologische pakketten reageren niet hetzelfde op de draden. Dan kan het nodig zijn om extra te fasewisselen om het verschillend effect weer weg te poetsen.

   

Fasewisselen gaat makkelijker in de vlakke configuratie. Terwijl de tonmast allerlei doorverbindingen, extra isolators en een caravelle nodig heeft, is het bij de hamerkop voldoende om gewoon een paar bretels kruislings over elkaar heen te leiden. Foto’s door Ruben Schots.

De draad met de hoogste impedantie heeft dan meer weerstand, waardoor de andere twee draden een grotere stroomsterkte zullen gaan voeren dan de gehinderde draad. Aan het einde van de verbinding kan dat betekenen dat één draad bijvoorbeeld 100 ampère minder stroomsterkte voert dan de andere twee. Dat is lastig voor bewaakapparatuur (met name oude generatie spullen die mechanisch werken) en ook levert het verlies van transportruimte op. Als één draad veel sneller aan zijn maximale stroomsterkte raakt dan de andere twee is deze draad de limiterende factor voor de hele verbinding.

Later aangebrachte fasewissel in een steunmast. Dit is meestal een indicatie dat er iets aan de lengte van het circuit is veranderd. De fasewissels zitten dan niet meer op de juiste afstanden en moeten verplaatst worden. Vaak is dat een kwestie van improviseren, zoals hier in Limburg en een zeer oude lijn. Foto door Michel van Giersbergen.

De opkomst van micro-elektronica en microprocessortechniek in beveiligingsrelais in de jaren 80 en 90 heeft ervoor gezorgd dat circuits tegenwoordig elektronisch bewaakt worden. Zulke bewaakapparatuur kan beter omgaan met impedantieverschillen. In koppelnetverbindingen uit de jaren 80 en 90 tref je dan ook geen fasewissels aan. Door op de trafostations zogeheten compensatiespoelen en condensatorbanken toe te passen kan tegenwoordig op de stations zelf verschillende gedrag in de draden worden gecorrigeerd worden zonder dat er onderweg fasewisseling in de hoogspanningslijn noodzakelijk is.

   

Fasewissels in een oude Noord Brabantse PNEM-mast en een PGEM-dennenboommast. Verschillende mastmodellen vereisen een andere aanpak. Foto’s door Michel van Giersbergen en Ruben Schots.

Toch lijkt fasewisseling in Nederland terug te komen. In de nieuwe golf lijnenbouw worden wel weer fasewissels gebouwd, en ook enkele bestaande lijnen uit de jaren 80 en 90 worden er alsnog mee uitgerust. Men kan op trafostations wel compenseren voor het verschil in capacitief en reactief gedrag, maar ook die spullen leveren netverlies op, ze zijn duur, moeten onderhouden worden en ze kunnen kapot. Een paar keer fasewisselen is een passieve handeling, wat dat betreft eenvoudiger en een slim geplaatste fasewissel kan elektrische beïnvloeding van een hoogspanningscircuit op een lange parallel lopende buisleiding bijvoorbeeld ook verminderen.

Fasewisselen? Niet in België

In het Belgische net zijn nooit wisselmasten gebruikt. Men nam kennelijk een hoger netverlies en ingewikkelder bewaking voor lief tot de opkomst van condensatorbanken een ander handvat bood. De enige wisselmasten die je in België aantreft zijn voormalige exemplaren die in de Tweede Wereldoorlog tijdens de bezetting door het Duitse RWE zijn gebouwd. Zodoende geldt een wisselmast in België als een vreemde curiositeit. Toch wordt er wel fasegewisseld in België, maar dan alleen in grondkabels. Immers, ook daarin speelt wederzijdse beïnvloeding tussen de fasen een rol, net als bij vlakke configuraties in een luchtlijn.

   

Tussen halfweg jaren 90 en 2020 werden geen nieuwe wisselmasten toegepast in Nederland en dat betekende ook dat bij een lijnrenovatie de wisselfunctie soms kwam te vervallen. De constructie van de mast verraadt nog zijn vroegere taak. Rechts: voormalige RWE-fasewissel in België, een zeldzaamheid in België. Foto’s door Gerard Nachbar en Ruben Schots.

Fasewisselen in het spanveld in plaats van in een mast

Fasewissels zijn we in Nederland, Duitsland en Denemarken gewend in de vorm van een wisselmast. Soms gaat dat elegant, een andere keer is het een gedoetje, maar telkens is het een functionaliteit die op één mastpositie wordt verricht. In andere landen hoeft dat niet altijd zo te zijn. Fasewisseling in een deltamast met vlakke configuratie is best lastig omdat de vork of gaffel van de mast in de weg zit voor schuine bretels, en de kattenoren voor eventuele bovenlangsgeleidingen. Men kan ervoor kiezen om de verbinding van één exemplaar van een ander mastmodel te voorzien waarop een fasewissel makkelijker gaat. Of wat ook voorkomt, men kan twee portalen gebruiken en het circuit tijdens een spanveld laten roteren. In Frankrijk en Amerika, twee landen waar ruimte niet echt een factor is, kan je dan ook fasewissels aantreffen die wel een kilometer lang kunnen zijn en twee afwijkende portalen nodig hebben.

Fasewisseling in de spanvelden in plaats van op een mastpositie, in dit geval in Frankrijk. De beide masten worden alsnog fasewissels genoemd. Foto door Tom Börger.

Herkenning in het veld:

▫ Twee of meer fasedraden die van fysieke positie in de ruimtelijke vorm verwisselen
▫ Draden wisselen van plek binnen hetzelfde circuit
▫ Soms gecombineerd met een hoekmastfunctie (maar daarmee is het nog geen combinatiemast)
▫ Er zijn bij verticale mastontwerpen soms extra armen of uithouders nodig voor de doorverbindingen
▫ De klokgetallen op de circuitbordjes (indien aanwezig) veranderen van plek