Fasewissel   ​ Wisselmast
Transposition tower (E), Verdrillmast (D), Vekselmast (DK)

Op een fasewisselmast, meestal kortweg wisselmast of fasewissel genoemd, worden de fasedraden van fysieke positie gewisseld. Dit wordt gedaan vanwege technische redenen rond rendement en bewaking. Opmerkelijk, in België komen fasewissels niet voor in het bovengrondse net. 

Wisselmasten zijn herkenbaar aan hun doorgaans zwaardere constructie (vaak het mastlichaam van een HA hoekmast van dezelfde verbinding). Een markanter kenmerk is de wirwar van draden die in een bijna onnavolgbare knoop zitten en toch aan beide zijden van de mast hun weg vinden. De draden worden bij een wisselmast onderbroken en aan de andere kant van de mast hervat, maar nu op een andere fysieke positie. Tussen deze twee posities in worden de draden doorverbonden met korte verticale draadstukken of met gekruiste bretels. Afhankelijk van het mastmodel gaat dat bijna onzichtbaar (hamerkoppen), met enig kunst- en vliegwerk (donaumasten) of ronduit ingewikkeld en bijna onnavolgbaar (sommige tonmasten, met name die van de PNEM). 

Fasewissel op een rommelige manier in de PNEM-concessie Fasewissel in een 380 kV-lijn

Wisselmasten, zoals deze exemplaren (een tonmast en een zwaardere donau-koppelnetmast) wekken in eerste instantie de indruk van een knoop op een toren of van een ongebreideld topzwaar stuk agressiviteit. Maar wie beter kijkt ziet dat in feite de zes fasen van fysieke positie verplaatst worden en dat er verder eigenlijk helemaal niets bijzonders gebeurt. Foto's door Michel van Giersbergen.

Waarom fasewissels?

De functie van wisselmasten is om de drie fasedraden van elk circuit onderling van fysieke positie te laten wisselen. Dit wordt gedaan om het elektrisch gedrag van iedere fasedraad zo identiek mogelijk te houden. Simpel gezegd. Maar je zit hier op HoogspanningsNet en we kunnen ons voorstellen dat je meer weten wil. Trek even een blik energydrink (of Fanta) open en ga wat lekkerder zitten. 

Elektriciteit op een hoogspanningslijn met driefasenwisselstroom heeft onderweg in hoofdzaak met drie belangrijke verschijnselen te maken. 

  1. Elektrische weerstand van het materiaal waar de draad van is gemaakt
  2. Reactief gedrag van de draden t.o.v. elkaar en omliggend materiaal (lucht, grond, mastlichaam, etc.)
  3. Capacitief gedrag van de draden t.o.v. elkaar en omliggend materiaal (lucht, grond, mastlichaam, etc.)

Tekenen we dat uit, dan zien we schematisch ongeveer het volgende.

Impedantie uitgetekend

R is de weerstand van het materiaal waar de draad van is gemaakt. L is de zelfinductie (uitgedrukt in μH, microhenry). Dat zijn voornamelijk inductieverschijnselen die de drie draden op elkaar uitoefenen: een stroomvoerende geleider genereert een magneetveld en omdat de draden niet oneindig ver bij elkaar vandaan hangen vernemen ze elkaars aanwezigheid. C, de capacitieve waarde, is de belangrijkste reden voor de toepassing van wisselmasten. De draden (waar immers 100 keer per seconde een lading in wordt aangebracht) bezitten een potentiaal ten opzichte van de grond. Ze zijn daardoor geneigd is om die lading vast te willen houden, net als een condensator dat doet. Alle drie verschijnselen hinderen de elektriciteit een beetje om door de hoogspanningslijn te lopen. Samen worden ze impedantie genoemd: de complexe (of samengestelde) weerstand van de hoogspanningslijn.

De draden bevinden zich in een zogeheten configuratie: de bekende donauvorm, tonvorm, verticale vorm of in een vlakke vorm zoals hamerkoppen ze dragen. Bij die vlakke vorm is de grond voor iedere draad altijd precies even ver weg, zodat het capacitieve effect op iedere draad precies even groot is. Maar voor alle andere configuraties geldt dat er altijd één draad is die hoger hangt, of zelfs dat ze alle drie op een verschillende afstand tot de grond hangen.

De afstand tot de grond per fasedraad wisselt per configuratie

Je voelt hem al aankomen, dat zorgt er dus voor dat het capacitief gedrag van de draden onderling verschillend raakt. Daardoor wordt ook de impedantie per draad verschillend. Alleen de vlakke configuratie heeft het voordeel dat de C naar de aarde toe constant is. 

Simpelweg de draden een paar keer van fysieke positie ten opzichte van elkaar laten wisselen lost dit probleem op. Het toepassen van drie fasewisselmasten op telkens eenderde van de lengte van de hoogspanningslijn zorgt ervoor dat iedere draad precies even lang aan de beurt is op iedere plek in de configuratie. Eigenlijk zijn twee wisselmasten op 1/3e en 2/3e van de verbinding ook genoeg, maar als men de klokgetallen op beide stations aan de uiteinden gelijk wil houden (om praktische redenen) maakt men vaak van de eerste mast ook meteen een fasewisselaar. Dit schema, ook op de afbeelding hierbeneden te zien, wordt het meest gebruikt. Maar er zijn ook complexere wisselschema's met onvolledige wisselingen (slechts twee draden) waarbij men telkens om 1/6e van de totale lengte van de verbinding fasewisselt. Ook als het landschap sterk verandert (overgang van geologisch pakket) en daarmee de capacitieve eigenschappen van de grond, kan men kiezen om wat extra fasewissels toe te passen.

Schema van fasewissels en hun positie in de verbinding

Ook in een vlakke configuratie wordt fase gewisseld

Het capacitief gedrag naar de aarde toe is de belangrijkste reden om fase te wisselen. Maar zoals we al zagen, dit is niet het hele verhaal. Het reactieve beïnvloedingsgedrag van de draden naar elkaar toe is er ook nog. En daarvan heeft ook een vlakke configuratie nog steeds last. Fasewisseling op hamerkoppen en deltamasten heeft dus tot hoofddoel om juist deze andere aspecten van impedantie tegen te gaan. Door iedere draad eenderde van de tijd in het midden te hangen worden ook nu de draden identiek gemaakt in hun gedrag.

Fasewissel in een tonmast in Gelderland Fasewissel in een hamerkop in Overijssel

Fasewissel in een PGEM-tonmast en in een IJsselmij-hamerkop, Merk op hoeveel makkelijker een hamerkop het heeft met fasewisselen. Terwijl de tonmast allerlei doorverbindingen, extra isolators en vier extra armen nodig heeft, is het bij de hamerkop voldoende om gewoon een paar bretels kruislings over elkaar heen te leiden. Foto's door Ruben Schots.

Op zich gaat het bij capacitief gedrag naar de aarde slechts over betrekkelijk kleine hinderposten. Maar als de lengte van de hoogspanningslijn toeneemt kan ongelijke C ervoor zorgen dat de drie draden toch een merkbaar verschillende impedantie ontwikkelen. De draad met de hoogste impedantie heeft dan meer weerstand, waardoor de andere twee draden een grotere stroomsterkte zullen gaan voeren dan de gehinderde draad. Aan het einde van de verbinding kan dat betekenen dat één draad bijvoorbeeld 100 A minder stroomsterkte voert dan de andere twee. Dat is lastig voor bewaakapparatuur (met name oude generatie spullen die hardwarematig werkten) en ook levert het verlies van transportruimte op. Als één draad veel sneller aan zijn maximale stroomsterkte raakt dan de andere twee is deze draad de limiterende factor voor de hele verbinding. Fasewisselen droeg bij aan het voorkomen van dit soort ongemakken.

Droeg? Inderdaad. Tegenwoordig worden er in Nederland geen nieuwe fasewissels meer gebouwd of aangebracht. De opkomst van microelektronica en microprocessortechniek in beveiligingsrelais in de jaren 80 en 90 heeft ervoor gezorgd dat de hoogspanningsverbinding tegenwoordig ook elektronisch bewaakt kan worden. Ook het probleem door verschillende impedantie per draad wordt tegenwoordig op een andere manier opgelost. Door op de trafostations zogeheten compensatiespoelen en condensatorbanken toe te passen kan tegenwoordig op de stations zelf verschillende gedrag in de draden worden gecorrigeerd worden zonder dat er onderweg nog fasewisseling in de hoogspanningslijn noodzakelijk is. 

1 Wisselmast in de Betuwe

Fasewissels in een oude Noord Brabantse PNEM-mast en in een eveneens oude PGEM-drievlaksmast. Het is wat ingewikkeld, maar probeer de loop van de fasedraden maar eens te volgen. Foto's door Michel van Giersbergen en Ruben Schots. 

Fasewisselen? Niet in België

Je treft fasewissels daardoor met name aan in de wat oudere hoogspanningsverbindingen van ruwweg voor 1980. In gemoderniseerde 220 kV-lijnen zijn de wisselmasten soms niet langer als zodanig in gebruik en in de 380 kV-lijnen zijn wisselmasten alleen aanwezig in verbindingen van voor 1980. In de meeste andere landen zoals Duitsland en Denemarken denkt men daar anders over en daar worden nog steeds wisselmasten toegepast, afhankelijk van hoe de pet van de netbeheerder erbij staat. De een heeft liever condensatorbanken op het trafostation, de ander werkt liever met wisselmasten en een derde zoals Tennet doet het gewoon alle twee tegelijk in hetzelfde hoogspanningsnet.

Maar je kijkt raar op je neus wanneer je de grens oversteekt naar België. In het Belgische net zijn nooit wisselmasten gebruikt: daar nam men de verliezen door ongelijke impedantie en het lastiger bewaakedrag kennelijk voor lief, tot de opkomst van condensatorbanken een ander handvat bood. De enige wisselmasten die je in België aantreft zijn dan ook voormalige exemplaren die in de Tweede Wereldoorlog door RWE zijn gebouwd. Zodoende geldt de wisselmast in België als een beetje vreemde curiositeit waarin de Nederlanders met Duitsland zijn meegegaan en waarin de Belgen zelf nooit voldoende nut hebben gezien. (Toch wordt er wel fasegewisseld in België, maar dan alleen in grondkabels. Immers, ook daarin speelt wederzijdse beïnvloeding tussen de fasen een rol, net als bij vlakke configuraties.)

Omgeschoolde wisselmast vlakbij Vierverlaten

 Ongebruikte (verwijderde) fasewissel bij Lixhe

Wisselmasten worden tegenwoordig niet meer gebouwd in Nederland en bij opwaarderingen of grote revisies van bestaande hoogspanningslijnen wordt de wisselfunctie van wisselmasten soms verwijderd, zoals hier in de 220 kV-lijn Vierverlaten-Zeyerveen. Apparatuur op de stations heeft de rol dan overgenomen, maar de constructie van de mast verraadt nog zijn vroegere taak. Rechts: voormalige RWE-fasewissel in België, een zeldzaamheid. Foto's door Gerard Nachbar en Ruben Schots.

Schijnbare rotatierichting en onvolledige fasewissels

Wie goed kijkt naar wisselmasten waarop beide circuits worden gewisseld kan zien dat de fasewissels normaal gesproken gespiegeld lijken te zijn. Bij het ene circuit lijken alle draden een slag 'linksom' van plek te wisselen en aan de andere zijde van de mast juist 'rechtsom'. Dat is met opzet: door de beide circuits in de schijnbare richting van de draaistroom tegengesteld te laten roteren in de ruimtelijke vorm is de onderlinge beïnvloeding van beide circuits als geheel t.o.v. elkaar kleiner dan wanneer ze met elkaar mee zouden roteren in dezelfde richting.

Onvolledige fasewissel in een donaumast Later aangebrachte, verplaatste fasewissel in één circuit

Twee onvolledige fasewissels. Links zien we een donaumast waarbij slechts twee draden van positie wisselen. Voor de C naar de grond maakt dat geen verschil, maar voor de onderlinge beïnvloeding wel: de rotatierichting draait om. Rechts een fasewissel die maar één circuit pakt. Meestal zijn die pas later aangebracht, bijvoorbeeld wanneer de circuitlengte is veranderd door een inlussing. Ook de plek van de fasewissels moet dan veranderen om netjes op 1/3e te blijven. Foto's door Michel van Giersbergen.

Zoals je kan beredeneren is het voor het omdraaien van de schijnbare rotatierichting voldoende om slechts twee van de drie draden van plek te laten wisselen. Maar omdat daarmee het probleem van verschillen in capaciteit t.o.v. de grond niet (verticale configuratie) of slechts deels (donauconfiguratie) wordt opgeheven, zien we een onvolledige fasewissel in de praktijk eigenlijk alleen bij vlakke configuraties. Daar verandert de invloed van C immers niet en heeft de fasewissel alleen opheffing van asymmetrische zelfinductie als doel.

Herkenning in het veld:

  • ▫ Twee of meer fasedraden die van fysieke positie in de ruimtelijke vorm van de lijn verwisselen
  • ▫ Draden wisselen van plek altijd steeds binnen hetzelfde circuit
  • ▫ Soms gecombineerd met een hoekmastfunctie (maar daarmee is het nog geen combinatiemast)
  • ▫ Er zijn bij verticale mastontwerpen soms extra armen of uithouders nodig voor de doorverbindingen
  • ▫ De klokgetallen op de circuitbordjes (indien aanwezig) veranderen van plek