Transmissie van elektrische stroom

Transmissie van elektrische stroom

Transmissie van elektrische energie is een proces waarbij de elektrische energie die in elektriciteitscentrales wordt geproduceerd, in grote hoeveelheden over lange afstanden wordt getransporteerd voor uiteindelijk gebruik door consumenten. Elektriciteit wordt via transmissielijnen van elektriciteitscentrales naar de eindverbruiker gestuurd. Transmissielijnen worden, wanneer ze met elkaar zijn verbonden, transmissienetwerken.

Dit transmissienetwerk staat samen met elektriciteitscentrales en onderstations bekend als 'transmission grid' of gewoon 'grid'. Een typisch transportnet is weergegeven in figuur 1. De transportnetwerken die op landelijk niveau met elkaar zijn verbonden, staan ​​​​bekend als 'Landelijk net'. Energie wordt meestal overgedragen binnen een net met driefasige wisselstroom (AC). Vanwege de grote hoeveelheid elektrisch vermogen en vanwege de eigenschappen van elektriciteit, vindt transmissie over lange afstanden normaal gesproken plaats bij hoogspanning (33 kV of hoger). Elektriciteit wordt meestal getransporteerd naar een onderstation in de buurt van het verbruikspunt, dat ofwel een bevolkt gebied of een industrieel complex is. Op het onderstation wordt de hoogspanningsstroom omgezet in lagere spanningen die geschikt zijn voor gebruik door de consument, en vervolgens naar de eindgebruikers getransporteerd via een laagspanningsdistributielijn

Fig 1 Typisch transmissienet

Transmissie-efficiëntie en transmissieverliezen

Het verzenden van elektriciteit met hoge spanning vermindert de fractie van energie die verloren gaat aan weerstand, die varieert afhankelijk van de specifieke geleiders, de stroom die vloeit en de lengte van de transmissielijn. Voor een bepaalde hoeveelheid vermogen vermindert een hogere spanning de stroom en dus de weerstandsverliezen in de geleider. De transmissie-efficiëntie wordt verbeterd door de transmissiespanning te verhogen met behulp van een step-up transformator die tot gevolg heeft dat de stroom in de geleiders wordt verminderd, terwijl het overgedragen vermogen bijna gelijk blijft aan het opgenomen vermogen. De verminderde stroom die door de geleider vloeit, vermindert de verliezen in de geleider en aangezien, volgens de wet van Ohm, de verliezen evenredig zijn met het kwadraat van de stroom, resulteert een halvering van de stroom in een viervoudige afname van transmissieverliezen. Verminderde stroom betekent minder I ² R (kwadraat van de stroom I vermenigvuldigd met de geleiderweerstand R) verlies in het systeem, minder dwarsdoorsnede van de elektrische geleiderkabel betekent minder kapitaalbetrokkenheid en verminderde stroom veroorzaakt een verbetering van de spanningsregeling van het stroomtransmissiesysteem en een verbeterde spanningsregeling geeft kwaliteit aan stroom. Om deze drie redenen wordt elektrische stroom voornamelijk op hoogspanningsniveau overgedragen.

Vandaar dat elektrische stroom om efficiënt over lange afstanden te worden getransporteerd, hoge spanningen nodig heeft. Deze spanning kan 33 kV, 66 kV, 110 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV of zelfs hoger zijn. De generatorspanning van een elektriciteitscentrale varieert meestal van 11 kV tot 25 kV. De opgewekte elektrische stroom wordt eerst van de generator naar een transformator bij de energiecentrale getransporteerd. De transformator verhoogt de spanning tot de spanning van het net. De generator wordt vervolgens gesynchroniseerd met het net en het opgewekte vermogen wordt naar de verbruiker gestuurd. Aan het einde van het verbruikspunt zijn de transmissielijnen verbonden met een onderstation. Hier veranderen de transformatoren van het onderstation de spanning van de elektrische stroom van hoogspanning naar een lager niveau. Van onderstation wordt elektrisch vermogen van lagere spanning gedistribueerd naar de verbruikers van het elektrische vermogen via distributielijnen.

De belangrijkste componenten van een elektriciteitsnet zijn als volgt.

Onderstation

Substations transformeren de spanning van hoog naar laag, of omgekeerd, of voeren een van de andere belangrijke functies uit. Substation varieert in grootte en configuratie. Tussen het opwekkingsstation en het verbruikspunt kan elektrische stroom door verschillende onderstations op verschillende spanningsniveaus stromen.

Een transmissiestation verbindt twee of meer transmissielijnen. Het eenvoudigste geval is dat alle transmissielijnen dezelfde spanning hebben. In dat geval bevat het onderstation hoogspanningsschakelaars waarmee lijnen kunnen worden aangesloten of geïsoleerd voor het oplossen van storingen of onderhoud. Een transmissiestation heeft normaal gesproken transformatoren om tussen twee transmissiespanningen om te zetten, spanningsregeling, vermogensfactorcorrectie-apparaten zoals condensatoren, reactoren of statische VAR-compensatoren en apparatuur zoals faseverschuivende transformatoren om de stroomstroom tussen twee aangrenzende voedingssystemen te regelen.

Transmissiesubstations kunnen variëren van eenvoudig tot complex. Een klein 'schakelstation' bestaat normaal gesproken uit een bus plus enkele stroomonderbrekers. De grote transmissiesubstations zijn meestal ondergebracht in een groot gebied (meerdere hectaren) en hebben meerdere spanningsniveaus, veel stroomonderbrekers en een grote hoeveelheid beveiligings- en regelapparatuur (spannings- en stroomtransformatoren, relais en SCADA-systemen). Moderne onderstations worden geïnstalleerd volgens internationale normen zoals IEC-standaard 61850.

Substations variëren in grootte en configuratie, maar kunnen meerdere hectaren beslaan; ze zijn ontdaan van vegetatie en meestal opgedoken met grind. Ze zijn normaal omheind en bereikbaar via een permanente toegangsweg. Over het algemeen omvatten onderstations een verscheidenheid aan constructies, geleiders, afrasteringen, verlichting en andere kenmerken die resulteren in een 'industriële' uitstraling.

Zendmasten

Zendmasten  zijn het meest zichtbare onderdeel van het krachtoverbrengingssysteem. Ze worden gebruikt in AC- en DC-hoogspanningssystemen. Een zendmast is normaal gesproken een hoge stalen constructie. Zijn functie is om de hoogspanningsgeleiders (stroomleidingen) gescheiden te houden van hun omgeving en van elkaar. Er bestaat een grote verscheidenheid aan torenvormen, -afmetingen en -ontwerpen die over het algemeen een open traliewerk of een monopool gebruiken, maar over het algemeen zijn ze erg hoog met een hoogte van 15 m tot 55 m en dwarsarmen tot 30 m breed. Naast staal kunnen andere materialen worden gebruikt, waaronder beton en hout.

Er zijn vier hoofdcategorieën van zendmasten. Ze zijn opschorting, terminal, spanning en omzetting. Sommige zendmasten combineren deze basisfuncties.

De torens moeten ontworpen zijn om drie (of veelvouden van drie) geleiders te dragen. De torens zijn meestal gemaakt van stalen roosters of spanten. De isolatoren zijn glazen of porseleinen schijven die zijn geassembleerd in snaren of lange staven waarvan de lengte afhankelijk is van de lijnspanning en de omgevingsomstandigheden.

Meestal worden een of twee aardingsdraden, ook wel 'bewakingsdraden' genoemd, bovenop geplaatst om bliksem te onderscheppen en onschadelijk naar aarde om te leiden. Torens voor hoge en extra hoge spanning zijn meestal ontworpen om twee of meer elektrische circuits te dragen.

Verzendlijnen

Elektrisch vermogen wordt overgedragen op hoogspanning (110 kV of hoger) om de energie die verloren gaat bij transmissie over lange afstand te verminderen. Stroom wordt meestal overgedragen via bovengrondse hoogspanningslijnen. Ondergrondse krachtoverbrenging heeft aanzienlijk hogere kosten en grotere operationele beperkingen, maar wordt soms gebruikt in stedelijke gebieden of gevoelige locaties.

Transmissielijnen gebruiken normaal gesproken driefasige hoogspanningswisselstroom. High Voltage Direct Current (HVDC)-technologie wordt gebruikt voor meer efficiëntie over zeer lange afstanden (meestal enkele honderden kilometers). HVDC-koppelingen worden ook gebruikt om te stabiliseren tegen besturingsproblemen in grote stroomdistributienetwerken, waar plotselinge nieuwe belastingen of stroomuitval in een deel van een netwerk anders kunnen leiden tot synchronisatieproblemen en cascadingstoringen.

Over het algemeen worden voor elk elektrisch circuit meerdere geleiders op een zendmast gespannen. Geleiders zijn voornamelijk gemaakt van gedraaide metalen geleiders. Bovengrondse hoogspanningsgeleiders worden niet door isolatie afgedekt. Het geleidermateriaal is meestal met aluminium geleiderstaal versterkt (ACSR), een specifiek type gevlochten geleider met hoge capaciteit en hoge sterkte. De buitenste strengen zijn gemaakt van hardgetrokken aluminiumdraad, vervaardigd van niet minder dan 99,5% zuivere elektrolytische aluminiumstaven van EG-kwaliteit en een kopergehalte van niet meer dan 0,04%. Aluminiumlegering met een hoge zuiverheid wordt gekozen vanwege de uitstekende geleidbaarheid, het lage gewicht en de lage kosten. De middelste strengen zijn van staal voor de sterkte die nodig is om het gewicht te dragen zonder het aluminium uit te rekken vanwege zijn rekbaarheid. Dit geeft de geleider een algehele hoge treksterkte. Koper werd eerder gebruikt voor bovengrondse transmissie, maar aluminium is lichter, levert slechts marginaal verminderde prestaties op en kost veel minder.

Voorrechten en toegangswegen

De rechten van overpad (ROW) voor een transmissiecorridor omvatten land dat is gereserveerd voor de transmissielijn en bijbehorende faciliteiten, die nodig zijn om het onderhoud te vergemakkelijken en om het risico op branden en andere ongevallen te voorkomen. Het biedt een veiligheidsmarge tussen de hoogspanningslijnen en de omliggende structuren en vegetatie. Om veiligheids- en/of toegangsredenen kan enige begroeiing nodig zijn. Een RIJ bestaat over het algemeen uit inheemse vegetatie of planten die zijn geselecteerd op gunstige groeipatronen (langzame groei en lage volwassen hoogten). In sommige gevallen vormen toegangswegen echter een deel van de ROW en bieden ze een gemakkelijkere toegang voor reparatie- en inspectievoertuigen. De breedte van een ROW varieert afhankelijk van de nominale spanning van de transmissielijn. Toegangswegen tot transmissielijnstructuren voor zowel de aanleg als het onderhoud van de lijn zijn normaal gesproken vereist en kunnen verhard of grind zijn.