HoogspanningsNet St(r)oomcursus voor beginners

Hiërachie en een getrapte opbouw zijn essentieel om het net te kunnen bedrijven. Samen met een blik op de netkaart gaan we het elektriciteitsnet opbouwen. Verder gaan we leren hoe je woorden geeft aan wat je ziet. Hoe spreek je 1.450.000.000 watt nu het beste uit?

4.1. Trap

Nee, dit gaat niet over wat je wel eens van je broer hebt gekregen. Ook niet over dat ding in huis waar altijd boeken en een kat op in de weg liggen. Trap, of netjes uitgedrukt vertrapping, kwamen we in deel 1 al tegen als een van de fundamenten van het elektriciteitsnet. Nu gaan we kijken wat het betekent in de praktijk.

Het is een mooie dag en je moet een flink stuk reizen. Vanuit de trein, je auto of vanaf de fiets loer je over de velden heen. Gegarandeerd dat je nu en dan een hoogspanningslijn tegenkomt. En hoewel de meeste mensen er niet bij stil staan is iedereen wel eens hetzelfde opgevallen: die hoogspanningslijnen zijn er eigenlijk wel in héél veel ontwerpen, soorten en maten.

Hoogspanningslijnen zijn net snoep: je hebt ze in allerlei smaken en van heel bescheiden tot megaformaat.

Je hebt van die kolossale lijnen die al vanaf enige afstand de aandacht trekken en waarbij de uiteindelijke onderdoorgang (die nog kilometers op zich laat wachten) ronduit indrukwekkend is. Maar er zijn ook hele kleine lijntjes, soms zo klein dat je onwillekeurig de neiging krijgt tot bukken als je onder de draden door wil. Daarnaast kunnen twee hoogspanningslijnen die qua afmetingen en dikte van de draden veel op elkaar lijken soms een heel ander ontwerp hoogspanningsmasten hebben. Ondergronds in de verbindingen voor middenspanning gaat de variatie gewoon door.

De transportcapaciteit is de maximale hoeveelheid energie die een verbinding per tijdseenheid kan verzetten. Die verschilt per verbinding en wordt al bepaald bij de aanleg. De daadwerkelijke getransporteerde energie is niet de hele dag constant. De netspanning wel: deze wordt altijd vrijwel gelijk gehouden en wordt ook bij de aanleg al bepaald. Het betekent dat de stroomsterkte de parameter is die kan variëren.

4.2. Netten en netvlakken in Nederland en België

Er zijn meerdere spanningsniveaus in gebruik in Nederland en België. Zo’n niveau wordt een netvlak genoemd. Er zijn netvlakken van bijvoorbeeld 10.000 volt, 50.000 volt en 110.000 volt. Ieder net of netvlak kan een transportfunctie hebben, een distributiefunctie, of een combinatie van beide.

Over het algemeen worden de verbindingen en stations steeds groter en belangrijker als ze in een hoger netvlak zitten en op een hogere spanning worden bedreven. De grootste en zwaarste verbindingen en stations vinden we in het hoogspanningsnet. Wat daar gebeurt heeft invloed op alles eronder. Wij gaan het pad andersom volgen en we werken ons van beneden af, vanaf je stopcontact, een weg naar boven door het elektriciteitsnet heen om de spanningen en gebruikte netvlakken te leren kennen.

Het laagspanningsnet: 400 en 230 volt

De spanning op een stopcontact bedraagt 230 volt. Dit is het onderste niveau van het stroomnet. Zwaardere stopcontacten voor zogeheten krachtstroom bieden 400 volt en daar zien we al een driefasensysteem. Deze spanningen zijn in heel Nederland en België gelijk. Ook in andere landen in West Europa worden 230 en 400 volt gebruikt. Circuits vanaf een stroomhuisje of wijkverdeelstation lopen naar huizen, naar bedrijven en ook naar dingen zoals een gemaal, een rioolpomp of de openbare verlichting. Dat wordt met een net woord distributie genoemd. Het laagspanningsnet is dus een distributienet.

   

Laagspanning is niet het meest spannend voor wie van groot elektriciteitstransport houdt. Slechts een enkele verbinding is bovengronds te vinden en het meest zichtbaar zijn de ontelbare stopcontacten in onze huizen en gebouwen.

Eigenlijk is het geen echt netvlak. Het zijn telkens losse uitlopers of kleine lusjes. In de stroomhuisjes en netstations staat een transformator (formaat wasmachine tot brommobiel) die een middenspanning van bijvoorbeeld 10.000 volt of 20.000 volt omlaag transformeert naar 400 volt. Van zulke huisjes zijn er in Nederland en België vele tienduizenden. Vanaf zo’n huisje lopen dan tientallen kabels ondergronds of soms bovengronds naar de eindaansluitingen. Deze draden worden niet gebruikt om onderling elektriciteit uit te wisselen, maar zuiver om elektriciteit aan een klant (de aangeslotene) te leveren of opgewekte stroom door zonnepanelen te kunnen terugvoeren.

Het middenspanningsnet: 3.000 volt tot en met 23.000 volt

Een netvlak boven de laagspanning bevindt zich middenspanning. Dit netvlak vormt wel een echt net, waarbij ook transport het doel is. De precieze spanning die op een middenspanningsnet wordt gebruikt kan van plek tot plek variëren. In Nederland is 10.000 volt de meest gebruikte keuze, maar er zijn ook plekken waar 13.000 volt of 20.000 volt wordt gebruikt. In België is 11.000 volt populair en we zien er ook 15.000 volt in de Ardennen. Vaak is dat het gevolg van een historisch gegroeide standaard of anders wel van een praktische keuze. Een net van 20.000 volt kan meer vermogen aan dan eentje van 10.000 volt, maar het was wel duurder in aanleg.

   

Middenspanningshuisjes of netstations – er zijn er misschien wel honderdduizend in Nederland en België en hun ontwerp en afmeting zegt veel over hun bouwjaar, eigenaar en wat er daarbinnen gebeurt. Er zijn zelfs eigen websites over, zoals de (enigszins) collega’s van trafoturm.eu bewijzen. Serieus, voor je het weet heb je er weer een hobby bij.

In Nederland is alle middenspanning ondergronds aangelegd. In België de meerderheid ook, maar niet overal. Soms tref je een bovengrondse lijn aan voor middenspanning, vooral op plekken waar rotsen in de grond het moeilijk maken om grondkabels te leggen. Sommige plekken hebben één middenspanningsniveau, andere plekken zijn er twee niveaus aanwezig waarbij het ene netvlak op zijn beurt weer onder een ander, hoger netvlak hangt. Het hoogste middenspanningsniveau wordt dan gebruikt om het lagere middenspanningsniveau her en der te versterken. Je hebt dan al twee netvlakken boven elkaar, zogezegd. Een gevolg is dat er ook hiërarchie verschijnt: bijvoorbeeld 20.000 volt dicteert wat er in het onderliggende netwerk van 10.000 volt gebeurt. 10.000 volt krijgt dan wat meer een distributiefunctie en 20.000 volt wat meer een transportkarakter. In werkelijkheid moet er voor het karakter worden gekeken naar wat het netvlak op een zekere plek doet (vooral transport of vooral distributie) en of het ook echt een net vormt: een aaneengeklonken netwerk van verbindingen met alternatieve wegen, knooppunten en doorreismogelijkheden voor elektriciteit.

   

Verbindingen voor middenspanning, wanneer ze bovengronds zijn gebouwd, zijn een van de meest iconische kenmerken van deze tijd in de wereldgeschiedenis. De houten of betonnen ‘powerline’ met drie draden. Nederland met zijn volledig ondergrondse net is uniek op de wereld. Eigenlijk ook wel weer jammer voor geïnteresseerden.

Middenspanning is een echte alleskunner. Je kan ermee transporteren in een vermaasd net met alternatieve routes, maar het kan ook via lange kabels naar het volgende dorp. Je kan het als distributienet gebruiken in een zogeheten stervormig net (zie de pagina over netopbouw) of om grote klanten rechtstreeks op aan te sluiten die aan 400 volt niet genoeg hebben. Een bedrijfspand of een middelbare school heeft niet zelden een eigen 10.000/400 volt transformatorhuisje.

Het tussenspanningsniveau: 25.000 tot en met 66.000 volt, soms 70.000 volt

De stap pal boven middenspanning is een lastige wanneer we het een naam willen geven. Kleine verbindingen van 30.000, 36.000, 50.000 en tot en met 66.000 volt vormen een schemergebied tussen middenspanning en hoogspanning in. Van 36.000 volt is nog met enig fatsoen te zeggen dat het kan worden gezien als uit zijn krachten groeiende middenspanning. Voor 70.000 volt (een spanning die alleen in België wordt gebruikt) geldt dat het juist aan de onderste rafelrand van hoogspanning bungelt. Ooit was 70.000 volt een echt transportnet, maar het raakte achterhaald door nog hogere spanningen. Inmiddels wordt het door netbeheerder Elia nog net gezien als hoogspanning, maar de rol van dit net lijkt meer op die van tussenspanning. We moeten het ergens behandelen en hebben maar voor tussenspanning gekozen.

50.000 volt, in Nederland in met name het westen en midden aanwezig, is echt iets dat overal tussenin valt, zelfs in de IEC-normen. Voor dit niveau wordt door de netbeheerders de term tussenspanning gebruikt. Openbare verbindingen voor tussenspanningen zijn meestal vrij kort en niet erg groot. Ze kunnen een dorp of een klein stadje in het net hangen en ze ogen gemoedelijk. Meestal zijn ze gebouwd met kleine metalen masten of buispalen die weinig opvallen. Een typisch transportvermogen voor dit soort lijnen is 20 tot 60 miljoen watt.

   

Verbindingen van 50.000 volt in Nederland liggen voor het overgrote deel ondergronds. Wat er nog bovengronds staat is meestal behoorlijk oud. Rechts zien we een zogeheten driehoeksmast voor 70.000 volt bij Brume. Deze kleine verbindingen vallen niet echt op en ze geven een landelijk tam gevoel.

Lang geleden was 50.000 volt indrukwekkend . Later kwamen nog hogere spanningen in gebruik en zo werd 50.000 volt een stapje omlaag gedrongen in de hiërarchie. Van een langeafstands-transportnet werd het meer een lokaal net waarmee de brug werd gemaakt tussen middenspanning van 10.000 volt en het nieuw verschenen, bovenliggende net van 150.000 volt. Op 50.000 volt treffen we soms klanten die niet genoeg hebben aan een aansluiting op 10.000 volt. Zulke klanten kunnen windparken zijn, smelters, kleine centrales of laboratoria (KEMA, RU Magnetenlab). Verbindingen van 50.000 volt liggen voor het overgrote deel ondergronds. Wanneer je er toch eentje bovengronds tegenkomt is het doorgaans een oude verbinding. Nieuwe aanleg op dit netvlak gebeurt uitsluitend ondergronds.

In België heeft men een vergelijkbaar net. Daar staat er 70.000 volt op. Verbindingen voor deze spanning zijn vaker bovengronds te vinden dan in Nederland, maar de geschiedenis en ook de rol van dit net is vergelijkbaar. Ooit was 70.000 volt een machtig landelijk koppelnet, maar na het verschijnen van 150.000 volt moest het een stapje terug doen in belangrijkheid. In sommige delen van België zijn ook netten van 36.000 volt aanwezig. Deze netten zijn eigenlijk overblijfsels van oude lokale stadsnetten, maar op plekken waar een fatsoenlijk net van 36.000 volt ligt was het meestal niet nodig om ook 70.000 volt aan te leggen. Vandaar dat deze netten van 36.000 volt, hoewel eigenlijk relicten, nog steeds actief worden gebruikt en soms zelfs uitgebreid worden. Voor deze netten zijn er vele honderden stations en het netvlak vormt de brug tussen 150.000 volt en 11.000 volt. In Zuid Holland en in de Botlek ontstond al vroeg in de geschiendenis 25.000 volt. Dit net werkte goed en voorkwam de noodzaak tot 50.000 volt, zodat tot op heden tussen 10.000 en 20.000 volt enerzijds, en 150.000 volt anderzijds, het net van 25.000 volt een brug slaat.

Op netkaarten worden de verbindingen van dit spanningsniveau ingetekend met verschillende kleuren, maar het meest gebruikt wordt geeloranje voor alles van 50.000 tot en met 70.000 volt. Lila voor 36.000 en 25.000 volt is een arbitraire keuze op onze eigen netkaarten omdat die kleur nog niet in gebruik was.

Het regionale transportnet: 110.000 en 150.000 volt

Een niveau hoger bevinden zich de netten van 110.000 volt (in het noorden van Nederland) en 150.000 volt (in de rest van Nederland en in principe in geheel België). Ook 70.000 volt kan nog een beetje tot het regionale transportnet worden gerekend, vooral in de Ardennen omdat daar amper 110.000 en geen 150.000 volt is aangelegd. Verbindingen van 110.000 en 150.000 volt zijn op te vatten als de provinciale wegen. Ze hebben dikkere draden en kunnen aanmerkelijk meer vermogen aan dan de verbindingen 50.000 volt: meestal vijf tot tien keer zoveel. Verbindingen en stations op deze spanning vormen de onderste niveaus van het daadwerkelijke hoogspanningsnet.

   

110.000 volt (links) treffen we alleen in het relatief dunbevolkte noorden van Nederland aan. De rest van Nederland en geheel België gebruikt in principe 150.000 volt (rechts) waar net iets meer vermogen overheen kan. De netten van deze spanningen zijn uitgebreid en de decennialange ontwikkeling ervan is vereeuwigd in het ontwerp van de hoogspanningsmasten. Razend interessant voor iedereen die van nethistorie houdt.

Deze netvlakken, die overigens niet samen in hetzelfde gebied voorkomen omdat ze dezelfde rol hebben (en elkaar dus niets bieden dat de ander niet heeft), bestaan meestal uit ringvormige netwerken met publieke stations op de knooppunten. Slechts af en toe is er een uitzondering, want hele zware klanten zoals datacenters of hoogovens hebben zoveel elektriciteit nodig dat ze rechtstreeks op het hoogspanningsnet worden aangesloten. Zo’n verbinding naar een klant is in zekere zin alsnog een distributieverbinding. Ook een aansluiting van een centrale is in feite een uitloper naar een klant, maar dan is die klant geen consument maar een producent. Op die manier hebben de netvlakken van 110.000 en 150.000 volt een rol die voor het grootste deel uit transport bestaat en op sommige plekken ook nog uit een vorm van distributie.

Een zichzelf respecterende verbinding van 150.000 volt kan een elektrisch vermogen transporteren dat rond 250 miljoen watt ligt, hoewel de variatie tussen verbindingen heel groot kan zijn. Verbindingen met deze spanningen worden op netkaarten met zwart (110.000 volt) en blauw (150.000 volt) ingetekend. ENTSO-E gebruikt zwart gebruikt voor alle spanningen tussen 72.000 en 170.000 volt. Ze zijn minder talrijk dan de verbindingen van 50.000 en 70.000 volt, maar in Nederland valt dat niet op. Omdat ze vaker bovengronds zijn uitgevoerd dan de verbindingen van 50.000 volt lijkt het of er meer van zijn, maar dat is dus niet waar. Voor deze spanningen zijn in Nederland en België opgeteld honderden stations waar deze netten de onderliggende tussen- en middenspanning koppelen.

Het koppelnet: 220.000 en 380.000 volt

De bovenste trap van het hoogspanningsnet en het hoogste niveau van het hele elektriciteitsnet wordt gevormd door stations en verbindingen die een netspanning van 220.000 volt hebben (het noorden van Nederland en in Wallonië) of zelfs 380.000 volt (geheel Nederland en België). Deze verbindingen vormen de snelwegen in het hoogspanningsnet.

   

De zwaarste hoogspanningslijnen in Nederland en België worden bedreven op 380.000 volt en ze domineren het landschap vanaf enige afstand. Deze verbindingen zijn zo zwaar dat ze per stuk hele landsdelen van stroom kunnen voorzien. Links een verbinding van 220.000- en 380.000 volt bij Zwolle en rechts 380.000 volt bij transformatorstation Van Eyck in België, gefotografeerd door Peter Schokkenbroek.

Het zijn grote zware hoogspanningslijnen die hele landsdelen met elkaar verbinden en ook hun stations zijn indrukwekkend. De circuits van deze lijnen hebben een transportcapaciteit die in miljarden watts loopt. Voor Nederlandse 220.000 volt zijn capaciteiten tot bijna een miljard watt gangbaar en de zwaarste verbindingen van 380.000 volt kunnen in Nederland en België zelfs ruim 2,5 miljard watt aan. Dat is genoeg vermogen zijn voor een heel landsdeel of een stad met meer dan een miljoen inwoners.

220.000 volt en 380.000 volt zijn een zuiver transportnet. Er zitten vrijwel geen afnemers op. Wel centrales, zeer grote windparken en strategische aansluitingen zoals noodsystemen voor koeling van kernreactors die een zo hoog mogelijke betrouwbaarheid moeten hebben. Er zitten ook centrales op 110.000 volt en kleinere opwekkers zitten op het middenspanningsnet of zelfs op de laagspanning (de zonnepanelen op je dak). 220.000 en 380.000 volt heeft een rol als bovenliggend of overkoepelend koppelnet voor alles wat eronder hangt en waarmee enorme vermogens kunnen worden verplaatst van het ene naar het andere landsdeel. Of naar andere landen, want op dit niveau zijn ook grensoverschrijdende verbindingen gebouwd.

Het net van 220.000 en 380.000 volt is vrijwel altijd bovengronds aangelegd. Er zijn een paar plekken waar grondkabels worden gebruikt, maar vanuit verschillende motivaties zoals kosten, strategie (langere reparatietijden bij een probleem), grotere netverliezen en ingewikkeld gedrag op het elektriciteitsnet (hou je vast: impedantie, transiënten en reactantie) is het de voorkeur van de netbeheerder om deze netten bovengronds aan te leggen.

4.3. Netvlakken, netopeningen, koppelstations

Een elektriciteitsnet zal vanzelf vermogen transporteren van plekken met opwek naar plekken waar verbruik is. Maar hoe voorkom je dat een verbinding meer vermogen te verwerken krijgt dan hij aankan? Hoe voorkom je doortransport, het verschijnsel dat een kleine verbinding in een lager netvlak als een sluipweggetje kan fungeren voor een vermogen dat daar veel te groot is voor is en dat eigenlijk over een zwaardere lijn in een hoger netvlak moet lopen? En hoe voorkom je dat een stroomstoring door het hele net heen groeit en een enorm gebied in het donker zet? De oplossing bestaat uit netvlakken, netopeningen en koppelstations.

De termen zijn al gevallen in hoofdstuk 4.2. Het leuke is dat we ze ook kunnen uittekenen.

Een schematisch hoogspanningsnet met hiërarchische netten, deelnetten en netopeningen.

We zien een schematisch hoogspanningsnet met een aantal netvlakken. Horizontale balkjes zijn stations, verticale lijnen zijn verbindingen en de snijdende cirkeltjes zijn de transformators, de apparaten waarmee twee verschillende netvlakken aan elkaar zijn verbonden en waarmee elektrische energie tussen beide netten wordt overgedragen, zowel omhoog als omlaag. De kleuren komen overeen met de standaard die in paragraaf 4.2 is uitgelegd. Kijken we naar de hiërarchische opbouw, dan zien we het volgende:

Een net(vlak) is meestal een koppelnet voor onderliggende netten van een lagere orde, en een deelnet gezien vanuit een bovenliggend net van een hogere orde.

Er zit een grens aan de maximale omvang die je een deelnet wil geven. Die grens wordt bepaald door hoeveel vermogen in het net aanwezig is. Om overbelasting van losse verbindingen binnen het net of overschrijding van het zogeheten veilig stationsvermogen te voorkomen en om bij storingen de schade beperkt te houden tot een los station, losse verbinding of in het ergste geval het deelnet zelf, maakt men deelnetten liever niet te groot.

Wanneer een deelnet op meer dan één plek verbinding maakt met een bovenliggend koppelnet, kan vermogen dat door de verbindingen van het bovenliggende koppelnet zou moeten lopen stiekem een sluipweg nemen door het deelnet eronder. Soms gaat dat vanzelf goed als de weg van de minste weerstand door de zware verbinding loopt zodat automatisch het meeste vermogen in het bovenliggende net blijft. In dat geval kan je een deelnet met twee of zelfs nog meer koppelingen veilig bedrijven zonder dat dit zogeheten doortransport een probleem is. Maar een andere keer zit alles geografisch dusdanig in elkaar dat het sluipweggetje te populair wordt.

Daarom bevat een deelnet netopeningen. Verbinding B wordt ‘open gezet’, getoond met het oranje vlaggetje. Op normale dagen wordt deze verbinding niet gebruikt en verloopt de koppeling via het bovenliggende netvlak. Bij calamiteiten of onderhoud aan een van de transformators die de netten van 150.000 volt aan het net van 380.000 volt koppelen kan de netbeheerder via verschakeling en overheveling alsnog gebruik maken van B. Ook bij C, D en E hebben we een paar van zulke netopeningen getekend. (Check voor jezelf eens: hebben die zin, en waarom wel of niet?) Door met hun plek en status te spelen kan men vermogen overhevelen tussen stations. Zo kan de bedrijfsvoerder door operationele maatregelen spelen met wat nodig is voor afschakelingen bij onderhoud, problemen of nieuwbouw. Soms kunnen zelfs twee deelnetten tijdelijk worden gekoppeld om een andere koppellocatie te ontzien.

Dit eeuwigdurende spel van beheer en verstandige keuzes maken wordt de bedrijfsvoering of netbedrijf genoemd. Het is specialistenwerk dat in de controlezaal van de netbeheerder plaatsheeft.

Nu in de praktijk, op een echte netkaart. De netopening  tussen de 150 kV-stations Teersdijk en Cuijk voorkomt sluipverkeer van vermogen door de blauwe lijn tussen Dodewaard en Boxmeer; vermogen dat nu door de zwaardere rode lijn heen zal moeten. De verbinding tussen Cuijk en Teersdijk staat dus gewoonlijk open, maar stel dat tussen Boxmeer en Cuijk iets mis gaat in de blauwe lijn, dan verplaatst men de netopening en wordt Cuijk tijdelijk vanuit Dodewaard aangesloten.

Wat de maximale omvang kan zijn van een deelnet hangt af van hoe robuust het net is, wat de spanning is en of er alleen stroomvraag of ook stroomproductie is binnen het deelnet. Er is niet zomaar een getal aan te hangen. Maar wie vaker met netkaarten of netschema’s in de weer is krijgt er vanzelf gevoel voor.

Een driefasenstroomkring tussen twee stations is een circuit.
Met één of meer circuits maak je een verbinding.
Verbindingen en stations van dezelfde spanning in een netwerk met meerdere wegen en paden is een deelnet.
Deelnetten zijn aan elkaar verbonden door een net van hogere orde: een koppelnet.
Om alles onder controle te houden, mogen deelnetten telkens niet te groot worden.
Door netopeningen, verschakeling en overheveling, operationele maatregelen geheten, kan de bedrijfsvoerder het net besturen.

Ziezo. Heel deel vier samengevat in een paar zinnen. Wat een gemak toch weer.

Nog een voorbeeld, nu op een schematische netkaart. Een deelnet (hier twee 50 kV-deelnetten, Arnhem en Vijfhuizen) vormt als het ware een net dat onder een ander net hangt. Deze deelnetten maken via een strategisch geplaatst station contact met het provinciale net van 150.000 volt. Onder ieder 50.000 volt-station herhaalt zich een soortgelijke opbouw voor 10.000 volt middenspanning.

We zien hoe sterk het hoogspanningsnet lijkt op het wegennet. Het verschil is dat doortransport bij een wegennet wel mogelijk is: je kan ook via de kleine weggetjes naar de andere kant van het land komen. (Sterkte daarbij, maar dat terzijde.) Deze wijze van sluipverkeer kan niet op een hoogspanningsnet. Wil je van Zeebrugge naar Enschede, dan moet je een groot stuk daarvan via de koppelnetverbindingen van 380.000 volt reizen. Een andere weg is er niet.

Op een elektriciteitsnet zitten klanten en producenten niet allemaal onderaan in de laagspanning. Opwekkers en afnemers van stroom zitten ook rechtstreeks aangesloten op middenspanning en soms op hoogspanning. Zo zijn in een complex net in ieder netvlak of spanningsniveau opwekkers en afnemers tegelijk actief, terwijl de netvlakken zelf over elkaar heen liggen en op strategische plekken aan elkaar zijn verbonden om vermogen uit te wisselen via bovenliggende koppelnetten met andere deelnetten en andere netvlakken. Uiteindelijk is via dit getrapte en vermaasde netwerk alles en iedereen verbonden en kan het via operationele maatregelen (netopeningen, overheveling, verschakeling) worden bediend door de netbeheerder.

4.4. Herken het netvlak in de praktijk

Okee, trek je laarzen, je jas of je T-shirtje met Ton Mast maar weer aan en neem de cola, fanta en wat brood mee. We gaan op powersafari in de weilanden.

Ook zonder mastborden kan je zien met welk netvlak je te maken hebt. Het formaat van de masten en stations, al dan niet gebundelde draden, het mastontwerp en de dikte van de draden zegt al veel. Maar met name de lengte van de isolatorkettingen zijn een goede maat voor de netspanning.

De isolators zijn de groene of grijze kettingen waarmee de stroomdraden aan de stalen masten hangen. Ze dragen de draden, maar er kan geen stroom doorheen – ze isoleren de draden dus van het geleidende, metalen mastlichaam. Hoe hoger de spanning op de draden, hoe meer isolatie er nodig is en hoe langer de isolatorkettingen zijn.

Iedereen die het kunstje kent kan direct zien wat de spanning ongeveer is. Kijk eens naar de foto van de masten bij Zwolle in de alinea over het landelijk koppelnet van 220.000- en 380.000 volt. Als het goed is zie je drie verschillende lengtes isolatorkettingen: de kortste kettingen dragen draden voor 110.000 volt (aan de onderste armen van de combinatielijn links), de langste kettingen dragen 380.000 volt en de andere hoogspanningslijn rechts heeft isolatorkettingen die er qua lengte min of meer tussenin zitten: die dragen draden voor 220.000 volt.

Meer oefenen? Probeer het eens uit met andere foto’s in deze cursus of op deze site.

4.5. Grote getallen een kopje kleiner maken

De spanning op het middenspanningsnet en het hoogspanningsnet is zo hoog dat het grote getallen zijn met van die lange rijen nullen. In de praktijk is dit lastig en werken we met een factor. Je gewicht druk je ook niet uit in gram. ‘Ik wil vijftienduizend gram afvallen’ klinkt indrukwekkend, maar je zal het zelden horen. ‘Ik wil vijftien kilogram afvallen’ is heel normaal. (Je lijvige buurvrouw zegt het immers iedere nieuwjaarsdag opnieuw.) Kilo staat in dit geval voor duizend, net zoals een kilometer of, precies, een kilovolt. 150.000 volt wordt dus geschreven als 150 kV. Spreek uit: honderdvijftig kilovolt of nog korter, ‘honderdvijftig kaa vee’.

Een spanning van 380.000 volt wordt in de praktijk vaak afgekort en uitgesproken als driehonderdtachtig kaa vee. De afkorting kV gaat voor alle netspanningen op.

Niet alleen voor netspanning kennen we een afkorting. 300.000.000 watt is ook vrij lang. Maar de factor 1000 (erg handig om 150.000 volt af te korten naar 150 kV) is in dit geval nog niet eens genoeg. 300.000 kW (“driehonderdduizend kilowatt”) heeft weinig geholpen. Nog steeds is het een draak van een getal. Gelukkig kunnen we onze toevlucht nemen tot nog zwaardere afkortingen, zoals een factor miljoen. Je krijgt dan 300 MW (megawatt).

Een vermogen van 953.000.000 watt kan ook worden uitgedrukt als 953 MW, spreek uit 953 megawatt.

Links in beeld staat een hoogspanningslijn die in het netvlak van 150.ooo volt zit en waaraan twee circuits hangen. Dit is een provinciale weg die steden of gebieden kan verbinden en hij bevindt zich in een 150 kV-deelnet. Rechts staat een zwaardere verbinding van het landelijk koppelnet van 380.ooo volt, dus 380 kV. Ook deze draagt twee driefasencircuits.

4.6. Van MW naar MVA

De vermenigvuldiging van de spanning en de stroomsterkte brengt ons het vermogen in watt (of bij een miljoen watt, megawatt). Maar de aanduiding MW wordt bij elektriciteitstransport meestal geschreven als MVA (mega-volt-ampère), waarbij de W als het ware nog als zijn losse componenten volt en ampère wordt opgevat.

De reden daarvoor is dat er op het hoogspanningsnet verschijnselen bestaan die ervoor zorgen dat het zogeheten effectief vermogen (waar je als eindgebruiker wat aan hebt) wat lager is dan het totaal getransporteerde vermogen. De oorzaak, blindstroom door reactief en capacitief gedrag, valt buiten de basisstof van deze cursus. Gelukkig zijn die verschillen relatief klein zodat het in deze cursus nog wel kan om als vuistregel aan te nemen dat een MVA gelijk is aan een MW. We schrijven het echter al wel gescheiden.

4.7. Load, loadflow en het probleem van loop flows

Lopend vermogen in een verbinding wordt aangeduid met een echt jargonwoord, de load. Het betekent zoiets als last of vracht. Je zou het kunnen zien als de vracht elektrisch vermogen die op een zeker moment wordt getransporteerd. Transporteert een verbinding veel vermogen, dan is de load op deze verbinding hoog. Staat ie er echter een beetje werkloos bij omdat hij geen handige route vormt voor het lopend vermogen tussen twee gebieden, dan is de load laag. Aangezien de spanning (het voltage) op een verbinding constant wordt gehouden, wordt de load bepaald door de stroomsterkte.

De load is het vermogen dat door een circuit wordt getransporteerd. De loadflow is de grootschalige geografische richting waarin vermogen door een verbinding of een netwerk van verbindingen en stations loopt.

Het hoogspanningsnet is een transportnet. Lopend vermogen heeft daardoor geen constante richting. Sterker nog, het kan volledig van richting veranderen als dat nodig is en dat is zelfs de essentie van een transportnet. Het kan naar alle richtingen gebruikt worden. Als er op de ene dag veel vermogen naar het zuiden van het land moet worden getransporteerd terwijl het de volgende dag juist andersom moet, dan kan dat via het koppelnet van 220 en 380 kV. Via interconnecties met andere landen kan vermogen ook de landsgrens oversteken, zoals we al in het eerste deel zagen en in het volgende deel nog uitgebreider tegen zullen komen.

De slimmeriken zullen inmiddels een probleempje hebben gespot. Als deelnetten niet al te groot mogen worden, hoe zit het dan eigenlijk met het allerhoogste netvlak, waarvoor geen bovenliggend koppelnet meer is? Als dat inderdaad verbonden is met andere netten over de grens, dan is het dus niet opgeknipt zodat het supergroot is en dan ontstaat toch een soort eh.. 380 kV super-mega..giga-koppelnet, zo groot als heel Europa?

Het antwoord is inderdaad ja. Op het hoogste netvlak kan je niet nog eens omhoog grijpen naar een bovenliggend koppelnet, zodat het bovenste netvlak enorm groot wordt. Worden dan niet alsnog de afstanden, de netafmetingen en het aangesloten vermogen eigenlijk naar verhouding veel te groot?

Veellanden in Europa en ook de grotere eilanden hebben hun koppelnetten verbonden tot een Europees superkoppelnet, het ENTSO-E Interconnected Supergrid. Op dit net is ruim 600 GW productievermogen gekoppeld. Die kop koffie heb je niet meer nodig wanneer je 600.000.000.000 watt vermogen op je in laat werken… (Zelf op de kaart kijken? Dat kan hier.)

Meestal hebben we een pasklaar antwoord paraat. Deze keer niet. Inderdaad blijkt in de praktijk op het Europese gekoppelde hoogspanningsnet dat er soms problemen ontstaan door langeafstandstransport van vermogen dat duizenden kilometers verderop is opgewekt en dat ook pas duizend kilometer verderop nodig is. Dit vermogen reist dwars door het vermaasde koppelnet van een tussenliggend of naastgelegen land heen en neemt onderweg veel transportruimte in waar het land zelf geen gebruik meer van kan maken.

Dit is geen doortransport via een onderliggend net. Het is eerder te vergelijken met zwarte zaterdag op de Franse snelwegen. Iedereen wil erlangs op doorreis en elke route wordt gepakt, ook de omweg door Duitsland. De plaatselijke bewoners hebben last van drukte waar ze zelf niks aan hebben. Langeafstandstransporten die zich een pad door het net banen en die onderweg in meerdere landen transportruimte in beslag nemen worden loop flows genoemd.

Loop flows op koppelnetten zijn op dit moment een van de belangrijke vraagstukken in het Europese gekoppelde netwerk.

Er zijn gelukkig wel methodes om loop flows te beperken, zoals de toepassing van dwarsregeltransformators. Met die apparaten kan men op ingewikkelde wijze de schijnbare weerstand van een verbinding aanpassen (meestal verhogen) waardoor de aantrekkelijkheid ervan verandert. Verhoog je de schijnbare weerstand, dan zal een groter deel van het vermogen dat erlangs wil liever een omweg nemen. Op die manier kan vermogen in Duitsland worden gedwongen om vooral via Duitsland zelf naar het zuiden te lopen, en minder via een verbinding met Nederland. Maar deze maatregelen kennen grenzen en het zijn geen wondermethodes, want ze belemmeren ook vrije handel en wanneer er ergens onderhoud is moeten ingewikkelder afspraken worden gemaakt tussen de netbeheerders over hoeveel en waar er geknepen wordt met de dwarsregelaars.

4.8. De spanningscascade

Nu we het toch over grenzen hebben… tijd om er een paar over te steken. Volg het koppelnet, we gaan verder op powersafari in het buitenland.

De netspanningen die we in Nederland en België op het elektriciteitsnet gebruiken (150 kV, 70 kV, 20 kV, enzovoorts) zijn niet universeel in de wereld. Vergelijk het met de toegestane maximumsnelheden op het wegennet, dat verschilt ook per land. De netvlakken die in een bepaald gebied de volgorde en de definitiewaarde van de koppelnetten, transportnetten, distributienetten en uiteindelijk de stopcontacten thuis vormen, worden tezamen de spanningscascade genoemd.

Een spanningscascade wordt altijd omlaag benoemd. Hij begint dus met de spanning op het zwaarste koppelnetvlak. In grote delen van het westen en zuiden van Nederland is de cascade 380 – 150 – 50 kV – MS (middenspanning, 25 kV tot 3 kV). In het Westland en Brabant is het 380 – 150 kV – MS. Daar ontbreekt een tussenspanningsnet van 50 kV. Het oosten van het land doet het met 380 – 110 kV – MS. Het noorden heeft zowel 380 kV als 220 kV als koppelnetspanning en voert daardoor het Duitse systeem. In België is 380 – 220/150 – 70/36/30 kV – MS de gangbare situatie, hoewel er op sommige plekken niveaus weggelaten zijn. Ook Denemarken en Frankrijk kennen meerdere systemen in één land en het wisselt per landsdeel wat je aantreft.

Ook daar is een netkaart goed voor: de kleuren tonen eigenlijk geen exacte spanning, maar een netvlak waarbinnen die spanning valt. Zo kan je zien hoe het bovenste deel van de spanningscascade in een bepaald gebied in elkaar zit en waar de netten met elkaar verbonden zijn. We zien dat de regio Luik en de regio Aken verschillende cascades hebben die alleen 380 kV delen.

In grote landen waar de afstanden en vermogens van centrales groter zijn treffen we spanningen en netvlakken aan die nog hoger zijn dan 380 kV. Je kan daar ook 500 kV of zelfs 750/765 kV aantreffen, zowel in wisselstroom als in gelijkstroom. En het kan nog hoger: in China en Japan zijn enkele verbindingen van maar liefst 800 kV en 1000 kV in dienst. China heeft sinds 2018 de eerste gelijkstroomverbinding van 1100 kV in gebruik genomen, met een transportcapaciteit van 12 GW. (Raap je onderkaak maar weer van de grond, als het over hoogspanning gaat is niet Amerika maar China is het land waar alles groter is.) De allerhoogste spanning vinden we in Kazachstan, waar tussen Ekibastuz en Kokchetav één lange, zeer zware verbinding staat die ontworpen is voor 1150 kV als bedrijfsspanning. India is van voornemen om vanaf 2020 de eerste operationele verbindingen van 1200 kV in dienst te stellen, maar daar is enige vertraging in gekomen zodat deze lijn tot nader order 400 kV voert. Er is wel een testopstelling in Bina in bevestigde dienst.

Soms is het lastig om te zeggen of een spanning echt in de cascade zit en of het eigenlijk wel een netvlak mag heten. Een netvlak is (tja) gedefinieerd als een echt net waarin meerdere gelijkaardige stations via meerdere wegen zijn verbonden, zodat het net een voorzieningsgebied heeft in de X-en Y-richting en een koppelfunctie vervult voor alles dat eronder hangt. De buitenlandse superverbindingen in China en India zijn vooralsnog losse toepassingen die point-to-point twee stations verbinden, maar geen gesloten netvlak vormen. Alleen 1000 kV in China is inmiddels zo ver dat er voorzichtig van een verschijnend koppelnet gesproken kan worden.

Samenvatting: kan je de volgende vragen beantwoorden?

▫Welke netspanningen kan je vinden in het landelijk koppelnet van Nederland en België?

▫Wat betekenen de termen ‘220 kV’ en ‘900 MVA’ en hoe spreek je ze uit?

▫Wanneer (en ten opzichte van wat) is een net een deelnet of juist een koppelnet?

▫Wat zijn doortransport, netopeningen, load of loadflow?

▫Wat is een spanningscascade?

Omhoog kijken zal nooit meer hetzelfde zijn… maar we zijn er nog niet. Wat we nog steeds niet hebben gedaan is kijken naar hoe ervoor gezorgd wordt dat er in totaal altijd precies de juiste hoeveelheid elektrisch vermogen in het net aanwezig is: de netbalans. Leer erover in het volgende deel van de cursus.

---

Naar het volgende deel