Rails: staand of hangend

De rail (of bij dubbele uitvoering: rails) vormt of vormen de centrale as van het hoogspanningsstation. Aan de rails zijn zijwaarts aansluitvelden aangesloten en de rails kunnen staan of hangen.

Rails… Nee, het gaat hier niet om het treinmomentje. De rail, of meestal de rails (want zelden is er maar eentje) vormen het belangrijkste deel van de infrastructuur op hoogspanningsstations. Het zijn telkens drie parallelle draden of staven die dienstdoen als de drie fasen. Je hebt ook verschillende bouwwijzen: staande rails, hangende rails en GIS-installaties. De plattegrond van de rails, als een of twee parallelle of U-I vormige stroken met zijwaartse aansluitvelden en waarom dat voordelig is, behandelen we op de pagina over de stationsplattegrond. Hier gaat het om de rails zelf als technisch onderdeel.

Op trafostation Diemen (380 kV-gedeelte) hebben de aansluitvelden een hangende bouw en de hoofdrails zijn staand uitgevoerd (de balken een paar meter lager, waar de railscheiders mee verbonden zijn). De aansluitvelden gaan dus bovenlangs. Tegenwoordig bij nieuwbouw is dit meestal andersom, dat is makkelijker bij onderhoud. Foto door Michel van Giersbergen.

Meestal is een station voorzien van ofwel staande rails ofwel hangende rails. GIS-rails zijn een klasse apart. Maar er zijn ook stations waar je een combinatie aantreft.

Hangende rails en/of hangende velden

Met name op oudere stations en stations voor zeer hoge spanningen tref je een bouw met hangende rails. De aanblik van portalen, honderden isolators en een wirwar van draden is onmiskenbaar. De rails zelf zijn zware bundeldraden waar soms tot wel 8 kA doorheen kan. Dat is zwaarder dan wat met normale componenten kan worden geschakeld, want daar is de limiet doorgaans 4 kA. Dat de rails zo zwaar mogen zijn komt omdat zij zelf in hoofdzaak een stilstaand geheel zijn waar niets mee gebeurt. Vermogen van verschillende inkomende aansluitvelden kan tegelijk door de rails lopen en elders weer het station verlaten. Geen enkel aansluitveld overtreft dan 4 kA, maar de vermogens van meerdere velden opgeteld kan dat wel overschrijden.

   

Hangende rails zijn bij spanningen tot 150 kV gebruikelijk op oudere openluchtstations. Het grootste probleem is maar al te zichtbaar: hoe hou je overzicht? Foto’s door Hans Nienhuis en Michel van Giersbergen.

Een bouw met hangende rails is geruime tijd de norm geweest voor openluchtstations. Hangende rails wijken maar weinig af van de bouwwijze van de hoogspanningslijnen zelf, behalve dat ze wat dikker zijn. Ze zijn goedkoop, elektrisch voorspelbaar in hun gedrag en letterlijk flexibel in gebruik. Net als bij hoogspanningslijnen met vakwerkmasten staan portalen met hangende rails het toe om snel een aanpassing te kunnen maken. Moet er een trafo, een klant of een nieuwe hoogspanningslijn worden aangesloten, dan zet je een nieuw portaal en wat stiepjes neer, je spant er draden in en klaar is de nieuwe aansluiting.

Een nadeel aan hangende rails en velden is het zwiepen in de wind. Naar verluidt ergeren stationsingenieurs zich hieraan omdat er meer vrije ruimte rondom de rails nodig is dan bij een staande installatie. Ook de onoverzichtelijkheid van hangende rails en velden is een nadeel. Zelfs voor iemand die het station van top tot teen doorheeft is het een grote verzameling draden waarbij een een foutje snel is gemaakt. Een bretel over het hoofd zien, vergeten om een aarding los te maken of net even met de hijskraan een draad aantikken. Zelfs als er geen spanning op staat is het station onoverzichtelijk. Dat heeft gevolgen voor de leveringszekerheid, maar ook voor het veiligheidsgevoel van het werkend personeel.

Eemshaven Oudeschip is een van de weinige moderne stations (gebouwd rond 2010) waarin nog hangende velden zijn toegepast. Deze manier wordt niet veel meer gebouwd en bij kleinere stations wordt het überhaupt niet meer nieuw toegepast. Foto door Ruben Schots.

Hangende rails en velden zijn daardoor op hun retour in hoogspanningsland. Plekken waar ze vandaag nog worden toegepast bij nieuwbouw beperken zich hoofdzakelijk tot legacy (uitbreidingen aan bestaande stations die om praktische redenen dezelfde bouwwijze moeten blijven gebruiken) en tot stations voor zeer hoge spanningen die dicht aan de kust staan. Zoutafzetting op staande isolators en op staande velden is een groter probleem dan op hangende componenten. Een voorbeeld van een modern station dat toch nog met hangende velden werd gebouwd is Eemshaven Oudeschip. De twee hoofdrails zijn hier wel staand uitgevoerd.

Hangende rails met massieve staven in plaats van draden kan ook. In overdekte stations kan de dakconstructie van het gebouw ook worden gebruikt als portaal of als montagepunt voor hangende rails. Dit levert een beetje een hybride op tussen een inverse staand station en een hangende opstelling. Zulke stations komen niet veel voor: meestal zijn overdekte stations gewoon staande installaties of tegenwoordig GIS-installaties. Maar in heel oude opstellingen wordt het nog gebruikt. Een fraai maar inmiddels gesloopt voorbeeld was Dordrecht Noordendijk, waar een geschiedenis met groot materiaaltekort net na de oorlog uiteindelijk resulteerde in een stenen schakelhal met één centrale rail hangend in het dak, zijwaartse aansluitvelden en de trafo’s buiten het gebouw tegen de muren in trafocellen.

Dordrecht Noordendijk was een oud overdekt 150 kV-station met door het midden een hangende rail in het dak van het stationsgebouw. Het station is inmiddels gesloopt, maar een aantal vrijwilligers achter deze site kreeg de eer om het station nog te mogen bekijken in de staat waarin het nog origineel was sinds 1952, letterlijk één dag voor de sloop zou beginnen.

Staande rails en velden

Sinds de jaren 70 en 80 zijn stations met staande rails en velden vrij snel de nieuwe standaard geworden. Eerst verschenen staande rails bij de lagere spanningen tot en met 150 kV en vanaf de jaren 90 begonnen ze ook aan hun opmars in de hoogste spanningen. Staande rails bestaan uit horizontale aluminium buizen die op verticale keramische of kunststof isolators zijn gemonteerd. Er zijn geen portalen nodig, een stel draagbokken voldoet. Ook zijn er maar amper draden nodig. Een opstelling met staande rails, zeker een openluchtstation, is een overzichtelijk terrein waarop het aangenamer werken is dan tussen de hangende rails. Een voordeel van een buis als rail (ten opzichte van een draad) is dat die extra goed overweg kan met het skineffect en dat het makkelijker is om ze te monteren. Wel hangt er nu en dan een Stockbridge-demper aan, want staande rails zijn rond en ze kunnen dus last krijgen van trillingen of resonantie in de wind.

   

Met staande rails is het overzicht prettiger en op een luchtfoto kost het weinig moeite om de rails en de velden te herkennen. Rechts zien we het 150 kV-stationsgedeelte van Lillo. De drie horizontale buizen vervullen de functie van de drie fasedraden en het station is gevrijwaard van de wirwar van draden zoals we die bij hangende rails aantreffen. Foto’s door PJK en Bavo Lens.

Een nieuw idee waren buis-of staafvormige rails niet. In overdekte stations waar minder ruimte beschikbaar is dan in de openlucht was het al langer gangbaar om voor rails op staande isolators te kiezen, of soms op dezelfde soort isolators maar dan hangend vanaf het dak. Het eerder genoemde Dordrecht Noordendijk waarvan hogerop een foto staat is hier aan voorbeeld van geweest, eigenlijk uit noodzaak geboren. Vlak na de oorlog was er een groot materiaaltekort zodat er vaak werd geïmproviseerd. Dordrecht Noordendijk had een staand station moeten zijn, maar vanwege materiaaltekort werd er uiteindelijk geïmproviseerd met een hangende installatie in de hal. Een oplossing die uiteindelijk zo goed voldeed dat deze ook na de oorlog permanent in gebruik bleef, zoals te lezen is in het drukwerkje De Grootsche Gedachte van Louis van Empelen.

Terug naar modernere tijden: buisvormige rails in openluchttoepassing op staande isolators zijn nieuwer dan hangende rails. De reden is dat er twijfels waren over de sterkte van de keramische isolators waar de rails op bevestigd zijn. Normaal gesproken loopt er een stroom van maximaal enkele duizenden ampères door de rails. Die genereert een magneetveld dat ervoor zorgt dat de rails elkaar een beetje aantrekken (wet van Ampère). Normaal gesproken zijn die krachten relatief klein, maar wanneer er ergens een harde sluiting ontstaat neemt de stroomsterkte razendsnel toe toe soms wel boven 40 kA voordat de vermogensschakelaar het welletjes vindt en de zaak afgeschakeld wordt. In die korte tussentijd (enkele tienden van een seconde) ontstaat er heel kort een magneetveld dat tientallen malen sterker is dan tijdens normaal bedrijfsgebruik. De rails zullen elkaar plotseling zeer sterk aantrekken en tegen elkaar aan willen springen. Men heeft zich lange tijd bezorgd afgevraagd of keramische staande isolators daar wel tegen bestand waren.

Staande rails voor 380 kV op Simonshaven. Merk op hoe lang de isolators zijn en hoe de rails van deze afmetingen doorbuigen onder hun eigen gewicht: de aluminium buizen met een diameter van ongeveer dertig centimeter wegen ruim een halve ton elk. Rails in het 380 kV-netvlak van deze grootte zijn momenteel het uiterste van wat er met deze wijze van stationsbouw te bereiken is. Foto door Johan Swank.

Daarmee wordt ook duidelijk waarom staande rails eerst in zwang raakten op openluchtstations van lagere spanningen. De kortsluitstromen op koppelnetstations zijn enorm groot (het hele gesynchroniseerde Europese net hangt achter de kortsluiting) en de magneetkrachten dus ook. Staande isolators zijn bij 380 kV ook nog eens veel langer dan bij 110 kV. Pas de laatste decennia zijn deze isolators sterk genoeg geworden en de vermogensschakelaars snel genoeg geworden om toepassing van staande rails op het 380 kV-niveau daadwerkelijk aan te durven. Staande rails zijn nu de norm, maar nog niet overal zijn de hangende rails verdrongen bij nieuwbouw. Op stationslocaties dichtbij zee is meer wind en ook komt er zoutafzetting voor. Mede vanwege die redenen heeft men bij de bouw van station Oudeschip nog voor hangende rails gekozen.

Het ritmisch schudden in de wind kennen we van lijndansen, maar ook staande rails hebben er last van. Precies hier is een grap geboren die in hoogspanningsland nu en dan opduikt en die demonstratief is voor verondersteld onbegrip tussen de ingenieur en de constructeur. De ingenieur slaat aan het rekenen en komt tot de conclusie dat er een aantal zorgvuldig geplaatste Stockbridge-dempers aan de buis moeten worden vastgemaakt om zo het schudden te voorkomen. De constructeur maakt al die drukte niet, kent zijn natuurkunde uit de praktijk en schuift gewoon een stuk los hoogspanningsdraad binnenin de holle buis waar die op de bodem blijft liggen. Ook daarmee wordt de gewichtsverdeling asymmetrisch zodat de buis niet meer gaat schudden.

   

110 kV-rails op station Ommen Dante. Rails verzorgen de transportfunctie op het trafostation zelf, maar heel soms kunnen ze ook gebruikt worden voor afstandstransport. Rechts zien we zo’n toepassing op station Apeldoorn-Woudhuis. Deze rails voeren middenspanning op 10 kV. Merk op hoe weinig vrije ruimte er bij 10 kV maar nodig is als de ‘geleiders’ niet kunnen zwiepen. Foto’s door Ot Lesley en Hans Nienhuis.

GIS-installatie

Een GIS-installatie is een hoogspanningsstation of schakelinstallatie waarbij niet lucht, maar een ander gas de componenten isoleert van hun omgeving. GIS-stations zijn veel compacter dan opstellingen in atmosferische lucht en technisch een stuk ingewikkelder dan luchtopstellingen, maar wanneer we hun plattegrond en bouwplan bekijken zijn ze juist weer opvallend gelijk. Ook GIS-stations bestaan uit een hoofdrail of meestal twee, uit koppelvelden en uit zijwaartse aansluitvelden. Alleen van dichtbij ziet zo’n installatie er eerder uit als een spruitstuk voor gas of water dan als een hoogspanningsinstallatie.

GIS-installatie op Lillo 380 kV. Het lijkt een kruising tussen een scheepsmotor en een spruitstuk van de lokale waterleidingmaatschappij, maar in de buizen (zie de klokgetallen) bevinden zich twee volledige rails. Zijwaarts (moeilijk zichtbaar) zijn afgaande velden aangelegd. Op het moment van de foto was de installatie opgeleverd, maar moest hij nog in dienst en kon dankzij een open dag een blik worden geworpen. Foto door Bavo Lens.

GIS-installaties zijn meestal moeilijk te fotograferen omdat ze doorgaans binnen staan en je komt er niet zomaar in als je de bel indrukt bij de poort van het trafostation. Voor dit soort inkijkjes moeten we het hebben van open dagen die soms op de jaarlijkse Dag van de Bouw of bij de opening van een nieuw station voor omwonenden en geïnteresseerden worden gehouden. Met wat geluk staat er iemand in een oranje jas naast staat die zelf betrokken is geweest bij de aanleg. Antwoorden uit de eerste hand zijn beter dan welk typeplaatje dan ook.

De vierde methode: trussen met hangende schakelaars

In Nederland en België kennen we vrijwel alleen hangende rails, staande rails en GIS-installaties. Maar er is nog een vierde bouwwijze voor stations die met name voor midden- en tussenspanning toepassing heeft gevonden, maar die we in België soms nog tegenkomen in oude 70 kV-posten en die in Angelsaksische landen zelfs nog tot vrij recent werd gebouwd. Een samengebouwd station waarbij trussen (vakwerkkokers) in kubusvormige constructies de schakelaars en rails zijwaarts hangend droegen.

Dit soort stations hebben een hoog filmisch gehalte vanwege hun volledige wirwar aan draden, bruine keramische isolators, hengels en zigzaggend vakwerk. Dat is ook meteen de belangrijkste reden waarom we al lang geleden zijn gestopt zulke stations te bouwen. Vrije ruimte of veilig onderhoud zijn bij deze opbouw bijna niet mogelijk. In Europa zou een dergelijk station bij nieuwbouw wel tien bouwnormen en veiligheidsregels met voeten treden, zodat zelfs bestaande situaties met hoog opgetrokken wenkbrauwen worden bekeken en hoog op de lijst staan van vervangingsbouw. In Amerika, waar veiligheidsregels vooral iets zijn voor op papier en voor de advocatuur, heeft men tot nog zorgwekkend recent zulke stations gebouwd.

Wie hangende rails een rommeltje vindt beleeft nog wat in Amerika, waar een compacte opbouw met vakwerkkokers of trussen veel werd toegepast tussen 1930 en 1990. Onderstation Clarendon 115/33 kV (Texas) is een nachtmerrie voor werkpersoneel en deze mate van gevaar wordt in West Europa überhaupt niet meer getolereerd. Foto door Hans Nienhuis.

Hoe zit dat bij middenspanning?

Ook bij middenspanning worden de drie fasedraden binnenin de schakelgebouwen en netstations aangeduid als rails. Daar betreft het meestal vast gemonteerde rails die kunnen staan of zelfs aan een portaal of andersoortige uithouder aan de zijkant van de schakelinstallaties langs de muur of omlaag vanaf de trafo kunnen lopen. Of ze al dan niet geïsoleerd zijn hangt af van het bouwplan en de toepassing. Voor middenspanningsrails geldt ook dat ze meestal per fase een eigen kleur dragen, in tegenstelling tot hoogspanningsrails. Daar draagt een heel circuit als geheel een kleur en dragen de fasedraden klokgetallen. Een heel andere manier van identificatie.