De stationsplattegrond

Stations vormen de knopen in het net. Hun opbouw en plattegrond bestaat telkens uit een of meer rails en uit aansluitvelden.

Het zou het eenvoudigst zijn als we alle componenten in één keer aan elkaar konden vastmaken. Maar om een hoogspanningsnet bedienbaar te houden moet er verschakeld en getransformeerd worden, anders kunnen netvlakken niet verbonden worden om vermogen tussen die twee over te dragen. Verbindingen moeten ook bewaakt en onderhouden worden, waarvoor ze spanningsloos moeten worden gezet. En dat moet allemaal veilig en bedrijfszeker gebeuren, want het licht mag niet uitgaan.

Luchtfoto van station Vaassen 150/10 kV, van Tennet en Liander. Dit station heeft een zogeheten U-I plattegrond met zijwaarts inkomende velden, twee trafo’s achter scherfmuren en 10 kV MS-gebouwen. Klassieker dan deze vorm gaat het niet worden. Dronefoto door PJK.

Een stationsplattegrond is net een meterkast

Een typisch hoogspanningsstation (we gebruiken op deze pagina openluchtstations omdat je die gemakkelijk kan bekijken) lijkt veel op een uit zijn krachten gegroeid binnenwerk van een meterkast. In je meterkast zit een zogeheten rail die een verbindende functie vormt voor aangesloten groepen. De rail is een metalen strip waarop groepen zijn vastgemaakt met stoppen of schakelaars. Sommige groepen sluiten een specifieke verbruiker aan zoals de warmtepomp of een opwekker zoals de zonnepanelen op het dak. Anderen bedienen een hele verdieping of woonruimte. Deze groepen staan meestal haaks op de rail van de meterkast.

Voor een hoog- en middenspanningsstation is het vergelijkbaar, al bestaat de rail daar telkens uit drie subrails omdat we met driefasenstroom te maken hebben. Elke fase heeft zijn eigen subrail. Met zijn drieën tegelijk worden ze nog steeds als enkelvoud aangeduid, [een] rail. Meestal zijn ze dubbel uitgevoerd zodat de aangesloten groepen (op een station velden genoemd) van rail kunnen worden overgeheveld door schakelhandelingen. Zo kan een rail spanningsloos worden gemaakt voor onderhoud zonder dat het onderbreking geeft.

Net ietsje groter dan Vaassen is station Diemen. Grote openluchtstations waar meerdere netvlakken zijn verbonden zijn indrukwekkende agglomeraties waarbij een luchtfoto beter overzicht geeft dan een foto van achter het hek. Zonder een drone waren dit soort afbeeldingen (veilig gemaakt ver buiten de exclusiezone die om zulke stations hangt) onmogelijk geweest. Foto door PJK.

Een station opbouwen

Net als je meterkast gaan we een station opbouwen vanaf het simpelste begin. Vanzelf wordt duidelijk waarom een opbouw met rails en velden een logisch gevolg is dat voortkomt uit de eigenschappen waarvan we willen dat het station ze bezit. De drie fasedraden vormen daarbij niet alleen de rode draad maar op deze pagina ook de gele en de blauwe draad. De tekeningen worden er duidelijker van. Eigenlijk is het toekennen van kleuren aan individuele fasen vooral gebruikelijk bij middenspanning, want hoogspanningscircuits dragen in hun geheel dezelfde circuitkleur.

Directe inkomende verbinding 

Men neme een hoogspanningslijn met één circuit en vermogenstrafo T1 die achter zijn scherfmuur staat te brommen. Achter T1 hangt het plaatselijke middenspanningsnet. Wanneer we de verbinding en T1 rechtstreeks op elkaar aansluiten krijgen we de meest simpele opbouw die er bestaat: geen schakelaars, geen andere apparaten. Dit wordt een hard verbonden component genoemd. Dat betekent dat als de verbinding spanningsloos raakt, de transformator dat direct ook raakt en de stroom uitvalt. Schakelen moet aan de andere kant van de hoogspanningslijn gebeuren. Deze situatie is de simpelste variant van een zogeheten transformator op een steeltje. De geschetste situatie volledig zonder schakelaars zien we vrijwel nooit. Het geldt amper als een station en handig of veilig is het ook niet. Beter voegen we wat schakelmogelijkheden toe.

Inkomende verbinding met schakelaars

We laten wat schakelaars aanrukken en plaatsen deze tussen trafo T1 en de hoogspanningslijn. Nu kunnen we de hoogspanningslijn en de transformator los schakelen. Niet dat dat veel zin heeft: er is nog steeds maar één circuit en één trafo. Geen sprake van reserve, een omweg of welk plan B dan ook. Als men de schakelaars opent staat trafo T1 direct in zijn hemd.

Station Steenwijk Onna bestaat in feite uit twee trafo’s op hele lange steeltjes. Ze staan naast elkaar, maar ze kunnen elkaar niet helpen bij een issue in de 110 kV-circuits.

Deze situatie, eigenlijk nog steeds een transformator op een steeltje, wordt een enkelvoudige steeklijn genoemd. Bij elke simpele storing is het meteen einde oefening. Ook onderhoud is niet eenvoudig. Zelfs een noodverbinding zou niet aan te sluiten zijn zonder uitval. Dit soort situaties zien we soms op een provisorium dat slechts tijdelijk dienst doet, bijvoorbeeld als noodoplossing. Voor permanent bedrijf is een trafo op een steeltje meestal onhandig. Het vraagt om extra maatregelen in de vorm van rails.

Inkomende verbinding met rail en schakelbaarheid

We laten een constructeur komen die een setje rails met railscheiders monteert. Op de tekening zien we de rail verschijnen: de drie horizontale lijnen in de fasekleuren. Er ontstaat nu een piepklein stationnetje. Door de aansluiting op de trafo en de hoogspanningslijn via deze rail met railscheiders te laten lopen (de knijpervormige icoontjes op de tekening), kan men T1 losnemen van de rail zonder dat de rails zelf spanningsloos raken.

Windpark Blauw is een klantstation. Er zijn twee trafo’s, maar slechts één rail en één grondkabel. Voor invoeding is dat niet zo erg: bij uitval staat je windpark op zwart. Vervelend voor de windboer, maar het licht in de rest van het land gaat niet uit en het is deerlijk goedkoper in aanleg. Dronefoto door PJK.

De aansluiting van de trafo met de hoogspanningslijn is opgeknipt in twee aansluitingen en een gedeelde rail. De aansluitingen heten vanaf deze situatie velden. Er is een transformatorveld waar T1 op staat en er is een lijnveld voor de inkomende hoogspanningslijn. Het werken met twee velden kan soelaas bieden bij problemen. Als T1 er geen zin meer in heeft kan men een tijdelijke trafo T2 optrommelen en daarmee de stroomvoorziening veilig stellen totdat T1 gerepareerd is. T2 kan dan tijdelijk met de rails worden verbonden.

Een opzet zoals deze is aantrekkelijk voor klantstations (vooral als er sprake is van productie) en bij de wat serieuzere provisoria. Maar nog steeds is het nut betrekkelijk: op afroep een trafo laten opdraven doet men niet in een minuutje en nog steeds kan de zaak niet spanningsloos worden gemaakt voor onderhoud. Het wordt tijd voor steviger maatregelen: storingsreserve.

Enkelvoudige storingsreserve 

Men huurt er wat grond bij en we laten de constructeur weer komen. Men voorziet de hoogspanningslijn van een tweede circuit en legt een tweede lijnveld aan. Trafo T1 krijgt nu permanent gezelschap van identieke collega T2, inclusief zijn eigen transformatorveld en een vaste opstelplaats. Alle velden en componenten zijn nu dubbel aanwezig. Harde sluiting in een circuit? T1 die zijn dag niet heeft? T2 kan dan zonder problemen de zaak in zijn eentje af totdat T1 gerepareerd is. In tussentijd kan men de defecte component door middel van schakelaars veilig los nemen van de onder spanning staande delen zodat reparaties kunnen plaatsvinden en onderhoud geen haastklus is. Bij een kortsluiting treedt geen uitval meer op.

Dedemsvaart is een stations met twee inkomende circuits, twee trafo’s en één rail(tje) die in dit geval eigenlijk tegelijk ook een koppelveld is. Handig van de omstandigheden gebruik maken. Dronefoto door PJK.

Storingsreserve is de norm in de meeste hoogspanningsinstallaties in Nederland en België. Toch is er nog één zwakke schakel over: wat als er zich een probleem voordoet in de rail zelf? Dan hebben beide circuits en trafo’s alsnog het nakijken en zitten we toch weer in het donker. Ook daar is wat aan te doen: tijd voor redundantie.

N-1 redundant trafostation

Weer bellen we de constructeur en we laten hem deze keer ook de rail verdubbelen. Nu is het station volledig dubbel uitgevoerd. In principe kunnen een trafo, een circuit én een set rail allemaal tegelijk uitvallen en dan nog blijft de levering van stroom gehandhaafd. Deze bouwwijze wordt N-1 redundantie genoemd. N-1 (spreek uit: N min één) betekent dat van alles wat er staat er probleemloos één exemplaar kan uitvallen of kan worden gemist bij onderhoud, zonder uitval.

Een schoolvoorbeeld dubbelrailstation (Zwolle Frankhuis 110/10 kV, van Tennet en Enexis). Spot de kabelvelden, de transformators en het koppelveld. Dronefoto door PJK.

Normaal zijn de rails en de aansluitvelden zo geschakeld dat de redundantie verdeeld is. Het inkomende circuit links op de tekening zit dan op de bovenste rail aangesloten (railscheiders met de onderste rail staan dan open) en voor het andere inkomende circuit is dat precies omgekeerd. Tript een van de circuits of treedt er een storing op in een rail, dan laat dat de redundante zijde ongemoeid. Soms kan het nodig zijn om beide rails toch te koppelen. Daarvoor zijn koppelvelden bedoeld. Koppelveld K staat onder normale omstandigheden geopend: een koppeling tussen de twee rails doet men alleen als het nodig is en het liefste zo kort mogelijk. Het koppelen van rails vergroot de storingsgevoeligheid tot zelfs een grotere waarde dan wanneer er één rail niet eens beschikbaar zou zijn. Dat komt doordat bij een railkoppeling het aantal rechtstreeks aangesloten componenten, circuits en kilometers verbinding bijna dubbel zo groot is als in het geval van twee niet-gekoppelde rails.

Door de rails en aansluitingen zodanig te schakelen dat telkens redundantie aanwezig is kan een enkelvoudige storing probleemloos optreden. Vervolgens kan men verschakelen om vermogen om te leiden en de defecte component fysiek los te schakelen van alle rails, zodat er op ieders gemak reparatie kan plaatsvinden terwijl het licht intussen aan blijft.

Groter redundant trafostation met parallelle rails

Dat klinkt leuk, maar er is een probleem aan deze opbouw: het ruimtebeslag van een redundant station met parallelle rails is aanzienlijk.

We zien hierboven dat het uit de hand begint te lopen wanneer we het station uitbreiden met twee extra hoogspanningscircuits, een aansluitveld voor transformator T3, een enkelvoudige klantaansluiting en een tijdelijk ongebruikt veld. Het station wordt steeds langer en omdat er tussen de aansluitvelden telkens een hoeveelheid vrije ruimte nodig is groeit het station rap het scherm uit, of in werkelijkheid van het terrein af.

Daar zit de netbeheerder niet op te wachten. Hier moet wat anders op gevonden worden. In plaats van de constructeur (die inmiddels watertandend op ons zit te wachten) bellen we nu eerst een ingenieursbureau waarna de oplossing komt in de vorm van een U-I station.

De U en I hebben hier niet met de internationale afkortingen voor spanning en stroomsterkte te maken, maar wel met de vorm die de rails van bovenaf lijken te hebben. Door een van de rails om de andere heen te vouwen wordt het station breder, maar ook korter. Doordat de aansluitvelden in een zigzagpatroon geplaatst worden blijft de benodigde schakelruimte compacter. Het station op de tekening heeft precies dezelfde vier hoogspanningscircuits, drie trafo’s, de klantaansluiting, het dwarskoppelveld en het ongebruikte veld als het station in parallelle opstelling als op de afbeelding met het parallelle railplan, maar de hele schakeltuin samen met alle velden is compacter doordat de railscheiders efficiënter geplaatst zijn.

Een station met een U-I plattegrond (Renkum 150/10 kV) is ruimtebesparend. Hier lopen vier kabels binnen, er zitten vijf trafo’s aangesloten en er is een dwarskoppelveld rechtsonder. Dronefoto door PJK.

De ruimtebesparing gaat bij grotere stations en bij hoge spanningen (waar de rails verder uit elkaar moeten staan) flink aantellen, zoals we zien in het voorbeeld hierbeneden.

We zien hier een station met acht inkomende circuits, vijf transformatorvelden, een dwarskoppelveld en twee ongebruikte velden. Een heel normaal station. En uit de lucht gegrepen is dit voorbeeld niet…

   

…welkom op station Zwolle-Hessenweg 110 kV.

Verschillende velden naar hun doel

In totaal onderscheidt men in de schakeltuin zes soorten velden wanneer men ook aansluitvelden voor compensatiemiddelen (spoelen of condensators) apart benoemt.

• Lijnveld. Hierop is een bovengronds hoogspanningscircuit aangesloten.
• Kabelveld. Hierop is een grondkabel aangesloten
• Transformatorveld. Hierop is een vermogenstransformator aangesloten. Dat kan een koppeltrafo zijn in beheer en bezit van de netbeheerder zelf, maar soms is het een step-up trafo waarachter een generator staat, of een klanttrafo in bezit van een grote afnemer
• Dwarskoppelveld. Hiermee kunnen twee of meer rails worden gekoppeld wanneer dat nodig is
• Langskoppelveld. Dit type veld zien we wat minder vaak. Met een langskoppelveld kunnen twee rails worden gekoppeld die in elkaars verlengde staan (in het lang met de rails mee)
• Spoelenveld of condensatorveld. Hier staan compensatiemiddelen zoals spoelen of condensators waarmee men het net stabiel houdt en de spanningskwaliteit in orde houdt. Zie de betreffende pagina’s voor meer informatie over deze middelen

Het hele terrein wordt een schakeltuin genoemd. Soms wordt ook de term schakelveld gebruikt, maar omdat dat verwarrend kan zijn met de losse aansluitvelden verdient de term tuin de voorkeur. Soms ligt er grind, maar oudere schakeltuinen zijn soms van echt gras voorzien zodat tuin als woord lang niet gek is.

Wie heeft de hond losgelaten in de schakeltuin? Foto door Gerard Nachbar.

Hier zien we de volledig geïdealiseerde situatie voor een volwaardig trafostation conform de N-1 opbouw. Twee boogvormige dwarskoppelvelden (DK) en een langskoppelveld (LK) maken alle manieren van verschakelen mogelijk terwijl alle lijnvelden en trafovelden op iedere rail kunnen worden gehangen. Ga de mogelijkheden maar na in je hoofd: door slim te schakelen kan men alle drie rails, elke combinatie van twee rails en ook elke rail afzonderlijk onder spanning brengen, maar ook spanningsloos maken, terwijl telkens alle aansluitvelden in dienst en onder spanning kunnen blijven.

Twee dwarskoppelvelden en een langskoppelveld maken het mogelijk een compact U-I station redundant te bedrijven (soms zelfs N-2 redundant), terwijl ook de koppelvelden zelf veilig spanningsloos kunnen worden gemaakt voor onderhoud. Ook de gehele I-rail in het midden kan spanningsloos gemaakt worden, zodat onderhoud aan het dwarskoppelveld veilig mogelijk is. Dit is de ideale situatie – een situatie die in de praktijk zelden mogelijk is, maar die wel wordt nagestreefd als er mogelijkheden toe zijn. Wie bijvoorbeeld op luchtfoto’s naar Franse trafostations in het koppelnet kijkt, kan soms de ideaalsituatie daadwerkelijk aantreffen.

   

Kabelvelden (links) zijn eigenlijk hetzelfde als velden voor luchtlijnen. Het verschil is dat de kabels hier de grond in gaan zodat een portaal met opstijgpunt ontbreekt. Rechts een transformatorveld voor een flinke vermogenstrafo. Foto’s door Michel van Giersbergen.

Kijken met kennis

De U-I configuratie is veel toegepast in Nederland en in iets mindere mate in België. Parallelle configuratie is in beide landen populair. Er zijn drierailsystemen die in Duitsland en in de koppelnetspanningen toenemend populair zijn. Soms tref je een L-vorm aan. Er zijn ook stations waarbij de U-vorm aan de andere kant ook is gesloten zodat een theta ( Θ ) ontstaat. En tenslotte zijn er indrukwekkende gevallen van maatwerk waarbij soms de hoofdrails over elkaar heen worden geleid om maar tot het gewenste resultaat te komen. Het hangt dan af van hoe groot het station is en of het op de tekentafel is ontworpen of dat het historisch (of hysterisch) is gegroeid. Bij hangende rails moet je wat meer moeite doen om de vorm en de velden te herkennen. Vlot overzicht is een van de belangrijkste redenen om tegenwoordig voornamelijk met staande rails te werken.