HoogspanningsNet - alles over hoogspanning op het het

Hoogspanningstechniek

Hoogspanning en gezondheid?

Antwoord op alle vragen vind je bij het RIVM (NL) of het Departement Leefomgeving (B).

HoogspanningsNet behandelt dit thema met opzet niet zelf. (Waarom niet?)

Geknetter en gebrom?

Geen zorgen, dat is normaal.

330 kV

29 oktober 2022 En toen ging het Russische leger in Oekraïne over op een nieuwe tactiek. Als onder de voet lopen niet lukt, dan dwing je het land op zijn knieën door in het zicht van een zware winter het elektriciteitsnet kapot te schieten. Oekraïne vraagt dringend om hulp bij oplap- en vervangingsartikelen. Kan Europa ook deze keer helpen?

Als je toevallig nog een oude 330/110 kV Sovjet-koppeltrafo op zolder hebt staan die het al jaren slecht doet op Marktplaats, grijp je kans.

De oorlog in Oekraïne is een nieuwe fase ingegaan en nu moet het elektriciteitsnet het ontgelden. Zelden was er zo'n groot tekort aan spullen voor hoogspanning als op dit moment, en dan met name aan spullen die compatibel zijn met oude Sovnet-netten. 

Afgelopen voorjaar vlak na de Russische inval is het Oekraïense hoogspanningsnet in grote haast losgenomen van Rusland en is het gesynchroniseerd met het ENTSO-E CE-netblok, waarna het via een aantal opgelapte koppelstations in Roemenië, Slowakije, Polen en een zware 400/750 kV-koppeling in Hongarije mogelijk werd om stroom tussen Europa en Oekraïne uit te wisselen. Veel stroom, het gaat om een paar gigawatt regelruimte, een nette term voor de praktisch te benutten uitwisselcapaciteit die beide kanten op kan. Koppeling met ENTSO-E CE is van belang om het Oekraïense net stabiel te houden in omstandigheden van oorlog, waarbij het zomaar kan voorkomen dat een zware centrale uitvalt door een aanval of verovering.

Een wisselstroomnet is robuuster wanneer het groter is. Dat komt omdat het effect van een losse uitvallende generator of verbinding dan relatief kleiner is. Het CE-blok van ENTSO-E is het grootste synchroon draaiende net ter wereld met 600 gigawatt roterend vermogen. Oekraïnes eigennet omvat ongeveer 50 GW aan productiecapaciteit. Wanneer in Oekraïne nu een gigawatt afvalt doordat een centrale wordt bestookt kan dat effect, dankzij een sterke koppeling met de rest van Europa, worden uitgesmeerd over een twintig keer zo groot netwerk waardoor het relatieve vermogenstekort in dat totale net dan kleiner is. Het geeft een minder scherpe afname in de netfrequentie en er zijn meer mogelijkheden beschikbaar om met FCR-vermogen de klap Europa-breed op te vangen. Een split in het net of een cascadestoring die heel Oekraïne op zwart zou kunnen zetten is daarmee een stuk moeilijker geworden. 

Dat heeft de Russische militaire top helaas ook in de gaten gekregen. Dus heeft Rusland besloten om nu maar de strategische trafo- en koppelstations en zware koppelverbindingen in het Oekraïense hoogspanningsnet te bestoken met bombardementen en kamikazedrones.

Als er maar genoeg centrales hun vermogen niet kunnen leveren omdat het koppelnet zelf kapot wordt geschoten, dan wordt Ruslands doel alsnog bereikt. Meer dan bij de grondoorlogen in de jaren 90 in de Balkan is een samenleving nu afhankelijk van elektriciteit. Betalingsverkeer, werkende brandstofpompen, distributieketens, communicatie, meer dan ooit loopt het in de soep zonder stroom. Met elke kapotgeschoten transformator of verbinding worden de problemen groter. Psychologisch is een zware donkere winter een ramp en EU-voorzitter Ursula von der Leyen heeft het bestoken van civiele infrastructuur reeds betiteld als een oorlogsmisdaad. Ukrenergo, de Oekraïense netbeheerder, heeft de tuinschuur met reserve-exemplaren inmiddels leeg. En dus is Europa om hulp gevraagd. Kan dat zomaar, hoogspanningsartikelen uitwisselen?

Stationrails, draden en isolators kan je eenvoudig elders gebruiken. Een isolator kan gebruikt worden voor iedere spanning tot en met zijn maximale houdwaarde. Desnoods gebruik je dus gewoon een exemplaar dat bedoeld is voor een hogere spanning. Schakelaars zijn meestal ook wel te gebruiken voor spanningen lager dan hun ontwerpclassificatie. De maximale stroomsterkte is belangrijker dan de precieze bedrijfsspanning. Het betekent dat een scheider of een vermogensschakelaar die ontworpen is voor bijvoorbeeld 220 kV ook met wat lapwerk wel in een 110 kV-net kan worden gebruikt.

Voor bewaakapparatuur en voor transformators is het lastiger. Niet alleen is een trafo een lomp ding, ook is hij ontworpen op een specifieke overzetverhouding. En die kan van land tot land verschillen, als erfenis van de historisch gegroeide spanningscascade. Daar is een mismatch tussen Oekraïne en ENTSO-E CE. Oekraïne heeft decennialang deel uitgemaakt van de Sovjetunie. In die tijd is het grootste deel van het elektriciteitsnet gebouwd. Een groot deel van de transformators, verbindingen en bewaakapparatuur zijn van Sovjetmakelij en het overgrote deel van het land heeft een typische Sovjet-spanningscascade met twee tot drie niveaus: 750 kV, 330 kV en 110 kV. Het grootste deel van Europa heeft juist 400 kV, 220 kV en 150/132/110 kV. Nu is 110 kV over de hele wereld populair, maar Europa gebruikt veel 220/110 kV en 400/110 kV trafo's terwijl Oekraïne juist om 330/110 kV trafo's verlegen zit. 

Helaas kan je niet hetzelfde doen als met isolators. Een 400/110 kV trafo aansluiten op een lagere spanning van 330 kV zorgt ervoor dat de secundaire zijde dan opeens 80 kV uitspuugt. Een 400/132 kV trafo, zoals ze in delen van Engeland en Scandinavië gangbaar zijn, komt met 330 kV op de primaire zijde alsnog vrij aardig bij 110 kV uit op de secundaire zijde, dus dat kan wel een oplossing bieden. Hoewel het een logistieke nachtmerrie is om zo'n gevaarte duizend kilometer te verplaatsen. Trafo's zijn mission critical, dat heeft ook Rusland goed begrepen. Naast moeilijk te transporteren zijn ze ook notoir moeilijk leverbaar op de hele wereld. Vanwege wereldwijde elektrificatie is de vraag naar zware koppeltrafo's, zeker maatwerkexemplaren, groter dan wat de fabrikanten aan kunnen zodat er zelfs in de westerse wereld forse levertijden zijn.

Vanwege zulke problemen zal Oekraïne eerst aanjkloppen bij een paar andere landen die eveneens een oud Sovjetnet hebben. De Baltische Staten en Moldavië, die in het conflict beide aan Oekraïens/Westerse zijde staan, hebben ook een cascade met 750/330/110 kV en centrales uit dezelfd tijd. Hun spullen zijn daardoor eenvoudiger te gebruiken binnen Oekraïne. Bijvoorbeeld de Baltische Staten zullen benaderd worden door Ukrenergo. Het komt nooit goed uit, maar de kans is groot dat ze binnen strategische grenzen van reservevoorraden (omdat ook zij zich zorgen maken over Rusland die hun infrastructuur kan aanvallen) zullen doen wat ze kunnen om Oekraïne aan spullen te helpen die het westen gewoon niet heeft. Toch zal ook elders in heel Europa in de tuinschuren van netbeheerders en productiebedrijven worden gekeken naar alles wat ook maar een beetje past. Meestal is hoogspanning een wereld waarin veiligheid en betrouwbaarheid weinig ruimte laat voor compromissen. Maar met een zware winter in aantocht geldt: als het werkt, dan werkt het.

Afbeeldingen: een klassiek Sovjet-ontwerp 110 kV tonmast, met de karakteristieke kegelvormige toren en zeer donkere verf. De verbinding op de foto gemaakt door Babs Sabbé (getoond met toestemming) staat daadwerkelijk in Oekraïne, maar deze architectuur zie je door het hele voormalige Sovjetgebied tot in de Baltische Staten en delen van de Balkan aan toe. Onder: Roemeense portaalmast (fasewissel) uit de Sovjet-tijd, vastgelegd door forumlid PJK. Inmiddels voert deze een spanning iets boven zijn Sovjet-ontwerpwaarde, maar de architectuur verraadt direct zijn afkomst. 

28 februari 2022 Oorlog in Oekraïne. Of eigenlijk, Oekraïne in oorlog. Over geopolitiek buigen wij ons niet, maar pylon geeks zien op beelden die uit het gebied komen met enig regelmaat hoogspanning voorbij komen. Hoe zit het net van Oekraïne eigenlijk in elkaar en hoe ziet de toekomst eruit, nu elke verbinding met Rusland letterlijk en figuurlijk gevoelig ligt? Er gaan wat geruchten over aansluiting bij ENTSO-E. Wat betekent dat allemaal? En kan dat zo snel?

Geopolitieke conflicten zijn een razend complexe nachtmerrie. Nu zit je hier op HoogspanningsNet, dus wij blijven hier maar gewoon bij wat we wél begrijpen, en dat zijn hoogspanningsnetten.

Ook Oekraïne heeft een hoogspanningsnet, dus laten we eerst kijken naar de situatie bij normaalbedrijf, zoals tot halfweg vorige week. In de tijd waarin het Oekraïens elektriciteitsnet opkwam was het gebied een Sovjetrepubliek. De erfenis van de Sovjettijd is op de dag van vandaag te herkennen in een typische Sovjet-spanningscascade. Op de netkaart (jazeker, we hebben zelfs Oekraïne) zien we een koppelnet van 330 kV, losjes gekoppeld met een bovenliggend net van 750 kV dat slechts kantjeboord een koppelnet genoemd kan worden. Eronder zien we 220 kV en 110 kV voor regionale netten. Een paar regio's middenin het land gebruiken 150 kV. Het is dus vooral 330 kV dat de landelijke ruggengraat vormt. En die spanning zien we eigenlijk overal in de voormalige USSR. Het is historisch gezien logisch. Al voor de Tweede Wereldoorlog en het ontstaan van de USSR werd 110 kV op uitgebreide schaal toegepast. Toen de transportbehoeftes toenamen in de late jaren 30 werden er verbindingen met 220 kV gebouwd, wat simpelweg een verdubbeling was die makkelijk rekent met een transformatieverhouding van 1:2. Dezelfde stap naar 220 kV met dezelfde motivatie is ook in tientallen andere landen gemaakt, waaronder Duitsland.

Vanaf de jaren 50 werd 220 kV aan de krappe kant. West Europa kon voor de volgende verzwaring leunen op pionierswerk van ASEA in Zweden, die met de verbinding Harsprånget – Borgvik een waagstuk van duizend kilometer bouwde die op maar liefst 400 kV werd bedreven: in Zweden een logische stap, want het was driemaal 132 kV en dat is in Zweden nog altijd een belangrijke spanning. De benchmark was gezet en in Europa ontwikkelde zich een koppelnet op 400 kV, een spanning die om onbekende redenen in sommige landen ook als 380 kV wordt aangeduid. In de USSR werd een andere keuze gemaakt. Men neme 220, tel er nog een keer 110 bij op en je zit op 330. Dat werd daar het nieuwe koppelnet. De verbindingen zijn meestal enkelcircuitlijnen met portaalschoren waar tweebundelgeleiders aan hangen. Met een ruime marge zijn ze rond 1000 MVA te schatten. Wanneer men twee circuits nodig heeft worden gewoon twee zulke lijnen naast elkaar geplaatst. Goedkope masten die het goed volhouden in een bruut landklimaat met snijdend koude winters, hete zomers en matige onderhoudsschema's. 

Met de opkomst van steeds zwaardere centrales, waaronder kerncentrales, bleek vanaf de jaren '70 ook 330 kV het niet te houden. Door voortschrijdende technische ontwikkeling in de netstabiliteit (bewaking, schakelen, netstabiliteit) werd het mogelijk om een paar stappen over te slaan. Er kwam geen 440 kV, maar de USSR introduceerde 500 kV en zelfs 750 kV voor de volgende verzwaring. In de decennia die volgden zijn tientallen 750 kV-lijnen aangelegd in Oekraïne. Toch is het nooit echt een sluitend koppelnet geworden. Eigenlijk kwam het vooral tijd en geld tekort, want in de late jaren tachtig lag de prioriteit in de USSR niet echt bij de verdere uitrol van een 750 kV-net. Zodoende vervult 750 kV hoofdzakelijk een rol als koppelend net tussen de zwaarste centralecomplexen, maar minder tussen normale 'centraleloze' koppelstations. Een bijzonderheid in het Oekraïense is de HVDC-verbinding Volgograd – Donbas, uit 1965. De reden om een gelijkstroomverbinding te bouwen was vermoedelijk eerder prestige dan dat het netstrategische waarde had. Reeds in 1965 waren beide eindstations al onderdeel van hetzelfde gesynchroniseerde net, zodat een verbinding voor ruim 700 MW en ruim 500 kilometer ook gewoon als een gangbare 330 kV AC-lijn had kunnen worden uitgevoerd. De huidige status van de verbinding is vanwege gebrekkig onderhoud en oorlogshandelingen in de afgelopen acht jaar niet goed bekend.

Eveneens historisch logisch is dat Oekraïne een onderdeel is van het Russische gesynchroniseerde elektriciteitssysteem. Dat wil zeggen, het elektriciteitssysteem in beheer van Ukrenergo is fysiek verbonden aan dat van Rusland en (op een kleine enclave in het westen van het land na) niet aan dat van ENTSO-E (Europa). Oekraïne wekt met een grotendeels olie- en nucleair aangedreven productiepark elektriciteit op en kan handelen met Rusland en Belarus, maar niet met bijvoorbeeld Polen omdat centraal- en west Europa onderdeel zijn van het ENTSO-E net. Dat heeft een andere synchronisatie. Twee wisselstroomnetten aan elkaar verbinden kan alleen als ze hun netfrequentie én hun synchronisatie delen. Tussen Rusland en ENTSO-E is van dat eerste wel sprake (50 Hertz), maar van dat laatste niet. Wanneer synchronisatie uit de pas loopt, zal er bij contact een enorme vermogensstroom gaan lopen door de koppelende verbindingen wanneer de golftoppen en golfdalen van de wisselstroomfunctie in de drie fasen niet gelijkop lopen. Het gevolg is al snel overbelasting, netonstabiliteit en een trippende vermogensschakelaar. Weg is je koppeling weer, gevolgd door kwaaie blikken in de controlezalen van alle ruim veertig netbeheerders die de rest van het ENTSO-E netverband vormen – en daarna een paar rapporten.

Twee niet-gesynchroniseerde netten kan je alsnog koppelen door er een zogeheten back-to-back (B2B) converter tussenin te zetten. Dat zijn twee AC/DC converters die rug tegen rug staan en die eigenlijk gewoon een heel kort HVDC-verbindingkje onderhouden. Zo kan dan alsnog vermogen van het ene op het andere net worden overgedragen. Zulke installaties zijn er bijvoorbeeld op Vyborgskara (ENTSO-E Nordic – Rusland) en op Alytus (UCTE – Litouwen). Op dit lijkt er geen sprake te zijn van een B2B-koppeling tussen een station in Oekraïne en het net van ENTSO-E, ook niet met de enclave Burshtyn. Dat betekent dat er op dit moment geen operationele verbinding is tussenbeiden en dat tenminste een aantal lijnen op de netkaart niet in gebruik zijn bij normaalbedrijf. En die enclave dan? Die is historisch zo blijven bestaan, want zo kan een stukje van het land elektrisch aan een ander land over de grens hangen wanneer de landsgrens ooit is veranderd of wanneer dat gewoon meer praktisch is. Dat laatste zien we vaak met eilanden, zoals Bornholm (Deens, maar aan het Zweedse net gehangen) of de Kanaaleilanden, waar een half jaar terug nog een relletje om was.

Oekraïne zal niets meer met Rusland te maken willen hebben, verondersteld dat het gebied zijn zelfstandigheid zou weten te behouden. In dat geval zal het land ook niet de oplossing van de Baltische Staten verkiezen. Die zijn wel lid van ENTSO-E geworden en ze werken hard aan de stap gezet om fysiek ook aan het gesynchroniseerde blok aan te takken. Op dit moment zijn er alleen HVDC-links tussen de Baltics en ENTSO-E Nordic en UCTE (HVDC-verbindingen met Finland, Zweden en via een B2B met Polen), maar ze willen in 2025 ook echt de fysieke verbindingen met Rusland los kunnen nemen. Als Oekraïne ook echt fysiek los wil van Rusland is het een vrij radicale stap. Aan de Baltics is te zien dat zoiets niet even in een middagje gaat. Inmiddels draait Oekraïne al in eilandbedrijf (je eigen gesloten systeem, waarbij je zelfvoorzienend bent en je eigen balans bewaakt) en dat zal zo blijven totdat ze zich weer aan een groter gesynchroniseerd blok verbinden en de voorwaarden daarvan accepteren. Omdat er maar één ander gesynchroniseerd blok in de buurt ligt wekt het geen verbazing dat het net van ENTSO-E lonkt.

Opmerkelijk is dat ook ENTSO-E te kennen heeft gegeven snel te willen overleggen. Het is bepaald geen sinecure om zomaar van synchronisatieblok over te stappen. Ten eerste moet je je conformeren aan de heersende normen binnen je nieuwe blok. Synchronisatie met fysieke AC-koppeling betekent nauwkeurig dezelfde frequentie (50,00 Hertz), nauwkeurige afspraken over toelaatbare cross-border physical flow, afspraken over toelaatbare afwijkingen van de spanningskwaliteit en ook zijn er verplichtingen voor wat betreft bewaking en rapportage. Je moet ook echt de afspraken na kunnen komen, want als je te weinig vermogen inbrengt (of juist te veel) kan je het hele blok waar je in opereert in de weg zitten. Verder is er ook fysieke transportcapaciteit nodig: verbindingen die er nu niet eens staan of in elk geval niet voldoende sjeu hebben om de interne slingeringen binnen het Oekraïense net te kunnen dragen wanneer daar bijvoorbeeld een kernreactor een onverwachte stop maakt. Nu zijn er voor sommige aspecten wel noodoplossingen (we zitten tenslotte met een oorlog daar), maar ENTSO-E zal niet toestaan dat de netstabiliteit in het westen in gevaar komt door overhaaste aantakking van Oekraïne.

Wanneer het land onafhankelijk zou blijven en eigen keuzes kan maken, en wanneer er zou worden besloten dat ENTSO-E open staat voor een fysieke koppeling die verder gaat dan de Baltische Staten met hun DC-verbindingen, dan nog zal het een proces van jaren zijn voordat Oekraïne werkelijk als member state of observer state (Turkije bijvoobeeld) aan het Europese net kan worden gehangen en uiteindelijk een schakelaar kan worden overgehaald. 

Afbeeldingen: een typisch Russische (USSR)-verbinding in Oekraïne: schoorportalen met 330 kV over tweebundelgeleiders. Onder: een lijn voor 750 kV, die ook met schoorportalen is gebouwd. Zulke lijnen zijn een indrukwekkend gezicht, maar hun transportcapaciteit is 'slechts' vergelijkbaar met de zwaarste 380 kV-circuits in onze streken. Ze zijn alleen veel langer. Beelden via Google Streetview.