De draden, eigenlijk de geleiders, zijn de dingen waar het in een hoogspanningsverbinding om gaat. Zij geleiden elektriciteit en transporteren het elektrisch vermogen. Wat hangt daar nou precies?

Ondanks dappere pogingen van Nikola Tesla meer dan een eeuw geleden is het de wetenschap niet gelukt om een draadloze manier uit te vinden waarmee je langdurig, gecontroleerd en veilig grote hoeveelheden energie kan transporteren. Gelukkig is elektriciteit in een draad een buitengewoon efficiënte manier om met een zeer hoge energiedichtheid een vermogen te verplaatsen. De draden kunnen los of per twee, drie, vier of nog meer samengebundeld worden gebruikt, voor zowel wisselstroom als gelijkstroom.

AMS-460 op een rolletje

Nou ja, draden… eigenlijk zijn het heuse kabels. De draad op deze foto (voor de kenners, een AMS-460) kan zo'n 700 A stroomsterkte verdragen. Voor een idee van de schaal van het geheel: de hand op de foto, hoewel wat ijl en jongensachtig, is toch echt van een volwassen persoon van 1 meter 95 en houdt een draad vast van ongeveer drie centimeter in doorsnee. Foto op de open dag van Tennet Hoogeveen in 2011 door Hans Nienhuis.

Er is een flinke variatie in het formaat en de leeftijd van hoogspanningslijnen. Precies hetzelfde geldt voor de draden. Dik, dun, gebundeld, oud, nieuw of maatwerk, er hangt van alles in de masten. En terwijl hoogspanningsmasten vaak eigen namen hebben, geldt voor geleiders dat men ze kent als families (hoofdgroepen) die worden geordend naar hun materiaaltechnische opbouw. Ze worden bijna altijd aangeduid met drie- of vierletterige afkortingen.

Enkelvoudige geleider of bundelgeleider

Enkelvoudige geleider of bundelgeleider

Draden kunnen worden als fasedraad worden toegepast in hun eentje ('single' of 'solo') of met meerdere tegelijk ('bundel'). Enkelvoudige draden zijn gebruikelijk voor lagere spanningen en bij relatief weinig transportbehoefte. Vanaf een paar honderd MVA wordt het voordeliger om meervoudige draden toe te passen. Tweebundels ('twin') komt dan het meeste voor. Bij koppelnetspanningen in Nederland zien we zwaarder geschut, namelijk driebundels ('triplets') of zelfs vierbundels ('quadruplets'). In het buitenland treffen we soms zelfs zesbundels ('sixtets') of bij extreem zware AC- en DC-verbindingen in de voormalige Sovjetunie, India, China en Japan zelfs achtbundels ('octets'). 

Het voordeel van meerdere dunne draden ten opzichte van één dikke is een betere koeling, maar vooral een groter buitenoppervlak. Omdat wisselstroom bij voorkeur aan de buitenzijde van de draad wil lopen (het skineffect) is het voordelinger om meer buitenoppervlak te hebben. Een bundelgeleider doet dat beter dan een dikke enkelvoudige draad.

Middenspanning: meestal geslagen zuiver aluminium

Dat van die afkortingen geldt nog niet voor de dunne draden voor middenspanning op houten en betonnen mastjes. Die zijn weinig fancy en doorgaans zijn ze gewoon gemaakt van geslagen aluminium. Geslagen betekent dat een handvol losse ronde vezels is samengevlochten tot een kabeltje, net als een touw. De losse vezels zijn van massief aluminum. Dat metaal geleidt elektriciteit behoorlijk goed en het is licht van gewicht. Een ander voordeel is dat het niet corrodeert of verroesten zou zoals ijzer dat doet. Aluminium vormt een beschermend oxidehuidje en daardoor stopt het oxidatieproces vrij snel. Ook een kras 'groeit dicht' op die manier. Enkelvoudige aluminium kabels zijn sterk genoeg voor middenspanningstoepassingen, betrekkelijk goedkoop en bewezen effectief.

Middenspanningslijn in Texas

Spiksplinternieuwe middenspanningslijn in Texas, met aluminium draden die nog fel blinken in de zon. Voor dit soort verbindingen is een enkelvoudige geslagen aluminium draad voldoende sterk. Men moet denken aan een transportvermogen van vijf tot tien MVA. Foto op stormchase door Hans Nienhuis.

Geslagen koperen kabels: zelfverbeterende eigenschappen

Voor de wat oudere en iets hogere spanningen wordt ook nog wel eens koper aangetroffen. Koper is een nog betere geleider van elektriciteit dan aluminium. Koper vormt eveneens een oxidehuidje, maar het heeft ook nog een ander voordeel. Als er slecht contact en vonkvorming binnenin een verbindingsstuk of mof is, dan heeft koper de neiging om te smelten waardoor het contactoppervlak vergroot wordt, de vonkvorming stopt, de smeltplas weer afkoelt en de galvanische verbinding daarna zelfs sterker is dan voorheen. Koper 'verbetert' zichzelf dus nadat het is aangelegd. Aluminium doet dat niet: bij aluminium kan een slecht contact juist materiaal doen wegvreten waardoor het probleem alleen maar verder uit de hand loopt. Koper is vergeeflijker en elektrisch gezien eigenlijk beter.

Koperen verbindingen op laagspanningsniveay

Ongeïsoleerde koperen kabels vanuit de paaltrafo's op de laagspanningsdraden. Dik koper heeft weinig weerstand (handig, zeker bij laagspanning) en het oxideert zwart als er weinig water bij betrokken is. In meer natte omstandigheden zoals op een dak wordt het groen. Foto door Hans Nienhuis.

Maar koper is zwaar: een keer of tweeënhalf het gewicht van aluminium. Verder is koper erg gewild bij het dievengilde en er is het probleem van druip van koperoxide onder het laagste punt van de draden, iets dat licht milieuverontreinigend is. Om die redenen worden koperen draden niet meer nieuw toegepast en soms ook in oude verbindingen vervangen door ACSR of een andere variant op aluminium. (Overigens gebeurt het vervangen van de draden normaal gesproken nooit: de draden gaan net zo lang mee als de mastlichamen en bij goed onderhoud is dat met gemak 70 tot over 100 jaar.)

ACSR: Aluminum Conductor Steel Reinforced

Nu bereiken we de afkortingen. Veruit de meeste hoogspanningsdraden zijn samengestelde kabels. Ze hebben een mantel van aluminium of een aluminiumlegering met in het midden een roestvrijstalen kabeltje. Die kabel binnenin zorgt voor de treksterkte, terwijl het lichtere, maar minder weerstand biedende aluminium aan de buitenzijde de elektrische geleiding voor zijn rekening neemt. Door het zogeheten skineffect wil elektrische lading bij wisselstroom liever aan de buitenzijde van de kabel zitten dan binnenin de kern, dus dat komt goed uit. Een dergelijke draad noemt men in jargon een ACSR: aluminum conductor steel reinforced. Overigens wordt ook wel eens de term ASCR gebruikt: aluminum steel core reinforced. Ook deze aanduiding (met de S en de C dus omgedraaid) is correct.

ACSR-geleiders op een aftak

ACSR-geleiders op een harde aftak, waar galvanisch contact wordt gemaakt. De draden zijn verbonden met koperen klemmen. Op deze plek voeren ze 150 kV. Een stroomsterkte van een paar honderd ampère kunnen ze met gemak de baas. Foto door Michel van Giersbergen.

ACSR-draden zijn over de hele wereld het meest gebruikte draadtype. Je hebt ze in allerlei varianten, diktes, sterktes en wat dies meer zij. En ze dragen zelfs hun eigen namen voor specifieke types. Zo vernoemt Draka (in samenwerking met Prysmian) de geleiders altijd naar vogelsoorten. In de Nederlandse hoogspanningslijnen kan je draden vinden onder de werknamen Grackle, Eagle, Sparrow, Finch, Duck en Ostrich. 

In België zien we in het 380 kV koppelnet veel tweebundel ASCR-geleiders die samen ongeveer 1400 MVA aan kunnen. In Nederland worden in de 220 kV en in 380 kV eerder driebundels toegepast met een iets dunnere draaddoorsnede, maar omdat het er eentje meer is kan er in totaal toch net iets meer stroom langs. 2500 A is gebruikelijk, wat bij 220 kV neerkomt op nominaal 953 MVA en bij 380 kV op 1645 MVA transportvermogen.

AMS: Aluminum Magnesium Silicate

Een doorontwikkeling van ACSR is de zogeheten AMS-draad. Daarbij is het aluminium vervangen door een legering van aluminium, magnesium en silicium (vandaar de afkorting AMS). Dit materiaal is familie van duraluminium (waar men vliegtuigen van bouwt) en het is taaier en lichter dan zuiver aluminium. Voor hetzelfde gewicht heb je dan een dikkere draad, of je kan bijvoorbeeld een vierbundel toepassen in plaats van een driebundel zodat een hogere transportcapaciteit mogelijk is.

AMS-620 geleiderdoorsnede op een open dag bij Tennet Hoogeveen

Demonstratiemodel van een AMS-620 geleider op een open dag van Tennet Hoogeveen in 2011. Deze geleider kan ongeveer 1000 A aan. Duidelijk te zien is de mantel van een aluminiumlegering en de kern van staal. De geleider is bijna vier centimeter in doorsnede. Foto door Hans Nienhuis.

AMS zien we in Nederland vooral in een doorsnede van 460 mm², of 620 mm². Een AMS-620 kan per draad ongeveer 1000 A stroomsterkte verdragen, zodat een circuit met vierbundel AMS-620 op 380 kV in staat is tot 4000 A, wat via wortel-3 (wisselstroomformule) bij 380 kV gelijk staat aan ruim 2600 MVA. Dat is ongeveer een gigawatt meer dan een gangbare ACSR-driebundel. De geleider zelf heeft een totale doorsnede tussen drie en vier centimeter: dikker dan de gemiddelde sleepkabel. AMS is toenemend populair en bij nieuwe verbindingen aan het veranderen in de standaard, zodat ACSR wat dat betreft gedateerd begint te raken in de koppelnetten.

Deze kolossale hoogspanningslijn in het noorden van Groningen is beter bekend als de Mammoetlijn

Deze zware hoogspanningslijn in Noord Nederland is ontworpen op vier circuits van 380 kilovolt. Deze verbinding maakt gebruik van AMS-draden, om precies te zijn vierbundels AMS-620. In totaal, bliksemdraden niet meegerekend, steken er van mast tot mast telkens 4 circuits, 12 fasedraden en 48 kabels over, met een totaal draadgewicht van circa 36 ton per mastpositie. Foto door Michel van Giersbergen

AAAC: all aluminum alloy conductor

Wanneer men een stalen kern voor treksterkte niet of net niet nodig acht (zoals voor tussenspanningen met een betrekkelijk laag draadgewicht en korte veldlengtes) kiest men tegenwoordig ook wel voor AAAC-draden. Deze missen de stalen kern en zijn daardoor goedkoper. Door het aluminium te vervangen door een legering van aluminium met magnesium of met silicium (of beide, dan heb je weer AMS) ontstaat alsnog een redelijk sterke en lichte draad die de klus prima kan klaren. 

HTLS (ACCC): High Temperature Low Sag

Het nieuwste paradepaardje in hoogspanningsland zijn zogeheten high temperature low sag geleiders. Deze zijn ook wel bekend als ACCC: aluminum conductor carbonfibre core. Het voornaamste voordeel van die draden is dat ze minder krimpen en uitzetten als de temperatuur van de draad verandert. Door de kern van carbonvezel te maken in plaats van van staal, blijft het verschil in de uitzettingscoëfficiënt van de kern en het aluminium bij verhitting veel kleiner. Door zachter aluminium te gebruiken en dat als gladde platte stroken te walsen tot een kabel, worden de tussenruimtes binnenin de draad opgevuld. De draad wordt daar efficiënter van en ook nemen de coronaverliezen aan de buitenzijde af. Het gevolg van al die maatregelen: je kan hem zwaarder belasten en veel heter laten lopen dan een traditionele AMS of ACSR voordat dezelfde doorhang wordt bereikt en dus kan je er meer vermogen overheen jagen. Een klassieke ACSR mag 90ºC worden, een HTLS mag tot 180ºC en soms zelfs tot 200ºC gaan.

ACSR en ACCC-geleiders naast elkaar

ACCC-geleider (rechts) naast een traditionele (maar vrij dunne) ACSR-geleider links. Merk op dat de kern van carbonvezel is in plaats van van staal en dat de geleider geen holle ruimtes en een gladde buitenkant heeft. Foto door Dave Bryant, zoals getoond op Wikipedia.

Dat is belachelijk heet: je zou er met gemak een hamburger op kunnen roosteren. Maar fabrikanten van deze hoogspanningsdraden buitelen over elkaar heen in superlatieven over de voordelen. Inderdaad kan het soms handig zijn om een HTLS toe te passen, met name als een bestaande verbinding een opwaardering moet krijgen en er voor hetzelfde draadgewicht (kwestie van mastlichamen) en dezelfde masthoogte (wederom kwestie van mastlichamen) alsnog meer behoefte aan transportcapaciteit is. Door een HTLS toe te passen mag de draad bijvoorbeeld dubbel zo heet worden als anders, terwijl nog steeds de grens voor de minimaal toegestane vrije ruimte tot de grond niet wordt bereikt. Dat kan met een beetje geluk zomaar 100 MVA gratis extra capaciteit opleveren bij een 150 kV-verbinding en nog wel meer bij koppelnetspanningen.

Wat fabrikanten niet noemen (maar wat wel degelijk van belang is) is dat er ook nadelen aan HTLS-draden zijn. Hoe heter de draad aanloopt, hoe groter zijn elektrische weerstand wordt. Concreet betekent het dat een tot op zijn top belaste verbinding met HTLS-draden die de temperatuur van een oven bereiken weliswaar meer vermogen de baas kan, maar dat het netverlies onderweg ook veel groter is.

Verder kunnen HTLS-draden gaan sissen als ze boven de kooktemperatuur van water komen terwijl het regent. Niet dat dat een elektrisch probleem oplevert, maar in de regen maakt een hoogspanningslijn sowieso al geluiden en liever voegen we daar niet nog teveel andere onrust aan toe. En uiteraard zijn dit soort draden per strekkende meter duurder dan een traditionele ACSR. Of je ze als netbeheerder wil toepassen is dus een kwestie van maatwerk en van een afweging die per verbinding moet worden gemaakt.