Transport en distributie van elektriciteit

In een elektriciteitscentrale wordt via een stoomturbine of op andere wijze een generator aangedreven, die – afhankelijk van het type – een driefasige wisselspanning E opwekt met een netfrequentie van 50 hertz ( Hz ), variërend van 6000 volt ( = 6 kV ) kV tot 25 kV bij een vermogen P tot 400 megawatt (= 400 • 10 ⁶ watt = 400 MW).

• De frequentie van 50 Hz houdt in, dat de spanning ( E ) en de stroom ( I ) 50x per seconde van richting en grootte veranderen, zoals in bijgaande afbeelding is weergegeven.

Na het via de machinetransformatoren - die meestal step- up transformatoren worden genoemd - omhoogvoeren van de relatief lage spanning van de generatoren tot een bruikbare driefasige transportspanning, wordt het opgewekte vermogen P verder naar de verbruikers getransporteerd via bovengrondse lijnen van het hoogspanningsnet of via kabels.

• Er zijn nog enkele andere manieren om energie van enige omvang op te wekken. Deze worden aan het eind van deze verhandeling nader besproken.

Driefasenspanning

De in de centrales opgestelde generatoren bevatten drie gescheiden wikkelingen, die ten opzichte van elkaar 120 ⁰ zijn geplaatst en die drie spanningen opwekken. Aangezien de wikkelingen ruimtelijk 120 ⁰ zijn verschoven, zullen ook de opgewekte spanningen, niet gelijktijdig op hun maximum zijn of door nul gaan, zoals de afbeelding laat zien.
In de afbeelding is het beeld voor de spanning E gegeven. Voor de stroom I geldt zo’n zelfde afbeelding. De spanning E ₁ legt in één periode een hoek van 360 ⁰ af. Dit geldt ook voor de twee andere spanningen E ₂ en E ₃. Het enige verschil is, dat E ₂ een hoek van 120 ⁰ later hiermee begint en E ₃ een hoek van 240 ⁰ later, zodat de onderlinge faseverschuiving 120 ⁰ is.

Hoogspanningsnet

<<<Vereenvoudigd voorgesteld hoogspanningsnet>>>

Het hoogspanningsnet bestaat uit een transportnet en een distributienet.

Transportnet

Het transportnet is nodig om de in de centrales opgewekte elektriciteit te transporteren naar de afnemers. Het transport van grote hoeveelheden elektriciteit wordt bij een hoge driefasige spanning uitgevoerd, aangezien bij hoogspanning de verliezen in de leidingen beperkt blijven. Om dit te verwezenlijken, wordt de betrekkelijk lage spanning van de step-up transformatoren, met behulp van vermogenstransformatoren omgezet naar de gewenste hoge spanning, waarna een directe invoeding van een of meer productiemiddelen naar een aantal hoogspanningsstations tot stand wordt gebracht.

Koppelnet

Door de genoemde directe invoeding naar de hoogspanningsstations, komt een koppeling tot stand tussen alle centrales. In Nederland zijn voor dat doel twee met elkaar verbonden ringvormige koppelnetten aanwezig met een spanningsniveau van 380 kV en 220 kV. Het 380 kV-net ligt in het midden en het zuiden van Nederland. Het 220 kV-net ligt in het noordoosten van het land.
Via de bijbehorende hoogspanningsverbindingen wordt deze spanning verder getransporteerd. Deze verbindingen zijn voor bijna 100% bovengronds aangelegd met behulp van hoogspanningslijnen die via masten naar de plaats van bestemming worden geleid. De meeste van deze verbindingen zijn als dubbelcircuit uitgevoerd om bij calamiteiten te kunnen overschakelen op het andere circuit. Ook voor onderhoudswerkzaamheden is een dubbelcircuit noodzakelijk.
Het koppelnet met de twee genoemde spanningniveaus vormt de noodzakelijke ruggengraat voor de gehele elektriciteitsvoorziening in Nederland.

Hoofdtransportnet

De 380 kV- en 220 kV–verbindingen vormen samen het hoofdtransportnet. Deze verbindingen zijn bestemd voor grootschalig, bovenregionaal transport. In de eerste plaats dient het koppelnet er voor om alle producenten in staat te stellen van elkaars reservevermogen gebruik te maken in geval er een centrale uitvalt. Zodoende kan er in de dagelijkse bedrijfvoering op worden gerekend, dat het grootste productiemiddel kan uitvallen, zonder landelijk in problemen te raken door te lang en te veel onwillekeurig vermogen uit het buitenland te betrekken.
Door de mogelijkheden elders stroom te betrekken en door de toenemende importprogramma's met het buitenland, hebben de koppelnetten meer en meer het karakter van een transportnet gekregen.

Buitenlandse verbindingen

Het Nederlandse elektriciteitsnet is - door middel van dubbele circuits - op een aantal plaatsen met het Belgische en het Duitse net verbonden en sinds enkele jaren ook met het net van Noorwegen. Door deze koppelingen met het buitenlandse net maakt Nederland duidelijk deel uit van het West-Europese elektriciteitsnet. Daarmee is het mogelijk betrouwbaar en economisch bedrijf te voeren. Betrouwbaar, in de zin van stabiliteit en veiligheid door gebruik te kunnen maken van elkaars reservevermogen. Economisch, door de inkoop van voordelige elektriciteit en van groene stroom. Zo kan Nederland bijvoorbeeld gebruik maken van elektriciteit uit Zwitserland, die wordt opgewekt met het smeltwater uit de Alpen, en elektriciteit die via een onderzeese kabel uit Noorwegen wordt gehaald.

<<<<< Hoekmast 150 kV >>>>>

Hoogspanningsstations

In de eerder genoemde hoogspanningsstations is altijd een bedieningsgebouw aanwezig, waarin lessenaars staan opgesteld, waarmee schakelaars kunnen worden bediend van railsystemen en van de afgaande hoogspanningslijnen. Normaal geschiedt de bediening hiervan gecoördineerd vanuit landelijke of regionale centra. Verder is in dit bedieningsgebouw ook de beveiligingsapparatuur opgesteld, waarmee de installaties worden beveiligd tegen kortsluitingen en tegen onder meer de gevolgen van blikseminslagen op de hoogspanningslijnen.
De in de stations opgestelde transformatoren, vormen de verbinding met de achterliggende transportnetten. Deze zorgen voor de regionale verspreiding van de elektriciteit, en zijn verbonden zijn met het distributienet.

Spanningsniveau

Het spanningsniveau van de transportnetten is 110 kV in het noordoosten en 150 kV in de rest van het land. Op verschillende plaatsen kunnen ook lagere spanningsniveaus voorkomen, bijvoorbeeld 50 kV of nog lager. Ook deze transportnetten zijn hoofdzakelijk bovengronds uitgevoerd.

• Het nutsbedrijf TenneT in Arnhem is verantwoordelijk voor het onderhoud en beheer van het gehele transportnet van 380 kV tot 110 kV. Ook is Tennet verantwoordelijk voor een goed en betrouwbaar elektriciteitsnet, zowel onder- als bovengronds.

Distributienetten

Betreedbaar transformatorhuisje in een woonwijk

Via de transportnetten wordt verbinding gemaakt met de distributienetten. Deze verbindingen vormen dus de schakel tussen de transportnetten en de verbruikers, en verzorgen de voeding van de middenspanningsruimten.
De distributie van elektriciteit is in twee categorieën te verdelen, namelijk de middenspanningsdistributie van 10 kV tot ca 30 kV en de laagspanningsdistributie van 400 V en 231 ¹⁾ V. De laagspanningsdistributie wordt vanaf de middenspanningsruimten verder naar de gebruikers geleid. Dit geschiedt via een uitgebreid, geheel ondergronds gelegd kabelnet, wat uniek is in vergelijking met een aantal andere landen, waar nog veel verbindingen via kwetsbare houten of metalen masten aanwezig zijn. Deze middenspanningsruimten zijn uitgevoerd als schakelstations, waar in- en afschakelingen worden uitgevoerd. In deze ruimten zijn ook meetinstrumenten en beveiligingsrelais aangebracht. Deze relais dienen er voor om samen met de vermogensschakelaars optredende kortsluitstromen veilig en snel te onderbreken.
Voor de distributie van de elektriciteit in de woonwijken van de steden, zijn meestal de zogenaamde transformatorhuisjes aanwezig, waar het spanningsniveau via nettransformatoren geschikt wordt gemaakt voor bedrijven en voor huishoudelijk gebruik. Deze ruimten kunnen betreedbaar of niet-betreedbaar zijn.
De vermogens van de in de transformatorhuisjes aanwezige nettransformatoren zijn genormaliseerd, en lopen van 50 kVA tot 1600 kVA ²⁾. Voor een middelgrote wijk kunnen in een transformatorhuisje enkele transformatoren zijn opgesteld van 630 of 1000 kVA.

Verdeelkast in een straat van een woonwijk

Ná de transformatorhuisjes zijn in de straten van een wijk ook nog verdeelkasten aanwezig, waar de kabels naar de verbruikers op zijn aangesloten. Deze verdeelkasten dienen als verdeelpunten van de - door smeltveiligheden of automaten beveiligde - kabels naar de verbruikers. Om zoveel mogelijk te voorkomen, dat er scheeflast optreedt, wordt in deze kasten de belasting van de verbruikers zo goed mogelijk over de drie fasen van het net verdeeld.
Grootverbruikers in de industrie hebben over het algemeen een aansluiting van 10 kV of 30 kV of zijn rechtstreeks met het transportnet verbonden.

• In Nederland zijn enkele regionale netbeheerders verantwoordelijk voor het elektriciteitstransport op spanningsniveaus lager dan 110 kV.

Koppeling van alternatieve stroombronnen

Windenergie

De generator in de windturbine levert als regel een vermogen bij een spanning van 650 volt. Door transformeren wordt de spanning op middenspanningsniveau gebracht. Bij grote windparken wordt de generatorspanning via transformeren direct omgezet naar hoogspanningsniveau.

Zonnepanelen

De spanning van zonnecellen is dusdanig laag, dat een aantal panelen in serie moet geschakeld, waardoor een bruikbare spanning ontstaat. Via een wisselrichter ³⁾ wordt de opgewekte gelijkstroom omgezet in wisselstroom van 50 Hz bij een spanning van 231 V.
Bij overschot aan energie wordt dit via de kilowatturenmeter teruggeleverd aan het.

Waterkrachtcentrales

Waterkrachtcentrales komen het meest voor in gebieden waar een belangrijk hoogteverschil aanwezig is. In Nederland wordt dit niet vaak aangetroffen, zodat dit soort opwekking hier beperkt is. Alleen in de Maas en in de Lek zijn kleine waterkrachtcentrales gebouwd, met een vermogen van enkele tientallen MW. Verder zijn verspreid over het land nog enkele kleine waterkrachtcentrales aanwezig. Koppeling met het net vindt plaats via het middenspanningsnet.

Warmte-krachtkoppeling

Warmte-krachtkoppeling is een systeem waarbij én elektriciteit wordt opgewekt én de vrijkomende warmte wordt gebruikt. Dit systeem vindt toepassing in zwembaden, sportcomplexen, ziekenhuizen en in de glastuinbouw.
Overschotten aan elektriciteit worden via het transportnet aan het net geleverd, en met de afnemer verrekend.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

• ¹⁾ De samenhang tussen 400 V en 231 V is als volgt:

De in de transformatorhuisjes opgestelde transformatoren zijn in ster geschakeld, wat onder meer inhoudt, dat de netspanning van

231 V ( U _f ) afgeleid is van 400 V ( U _L ). Bij sterschakeling geldt namelijk, dat : U _f = U _L/√3, dus U _f = 400/√3 = 231 V.

• ²⁾ Bij transformatoren wordt het vermogen uitgedrukt in voltampère ( VA ) en bij aanwezigheid van grote vermogens in kVA of MVA.
• ³⁾ Een wisselrichter is een elektronische schakeling die door een aantal regelsystemen gelijkstroom via elektronische weg omzet in wisselstroom - in dit geval 231 V - bij een frequentie van 50 Hz.

Wisselrichters worden ook vaak DC/AC-invertors genoemd. ( DC = direct current = gelijkstroom, AC = alternating current = wisselstroom).