Hoogspanning (elektriciteit)

Hoogspanning.

Met hoogspanning wordt een elektrische spanning boven de 1000 volt wisselspanning (of 1500 volt gelijkspanning) bedoeld.

Hoogspanning wordt voornamelijk gebruikt voor transport van grote hoeveelheden elektrische energie. Dit gebeurt over een hoogspanningsnet, zowel via een bovengronds net met hoogspanningslijnen, als ondergronds via hoogspanningskabels. Daarnaast wordt hoogspanning gebruikt in bijvoorbeeld conventionele beeldschermen, deeltjesversneller en röntgenapparaten.

Het transport van elektrische energie wordt beschreven aan de hand van de volgende grootheden:

1. De elektrische spanning (aangegeven in volt, V)
2. De elektrische stroomsterkte (aangegeven in ampère, A)
3. Het elektrische vermogen (aangegeven in watt, W)
4. De faseverschuiving tussen de aangelegde spanning en de elektrische stroom wordt meestal gegeven door de arbeidsfactor cos(φ), de cosinus van de faseverschuivingshoek φ.

Het getransporteerde elektrische vermogen (P) is het inproduct van spanning (U) en stroomsterkte (I), wat neerkomt op het product van spanning, stroomsterkte en de door de faseverschuiving veroorzaakte arbeidsfactor cos(φ), dus:

• P = U • I • cos φ

Driefasenspanning

De bovenstaande formule is alleen van toepassing als de getransporteerde elektrische energie wordt getransporteerd door een eenfasesysteem. Dit komt echter in de praktijk zelden voor. Veelal bestaat het hoogspanningstransportsysteem uit drie fasen (zonder nulleider) in een driehoekconfiguratie, soms wordt nog de sterconfiguratie toegepast in draaistroomnetten.

In een driefasensysteem is de verbruiker aangesloten op één fase. Gemiddeld wordt door een driefasensysteem drie keer zoveel vermogen getransporteerd als door één fase. Het getransporteerde elektrische vermogen in zo'n driefasensysteem is dan:

• P = 3U _f • I _f • cos φ

waarbij:

• U _f = U _fase en I _f = I _fase

Transportverliezen

Hieruit ziet men dat het transporteren van elektrisch vermogen bij een hogere spanning resulteert in een kleinere stroomsterkte. Bepalend in de keuze zijn twee factoren: energieverlies en veiligheid.

Omdat het transportverlies in de ohmse weerstand R van het net gelijk is aan I²R, dus evenredig met het kwadraat van de stroomsterkte I, zal voor het transport over een transportnet waarbij geen directe verbruikers in het spel zijn, een hoge spanning en overeenkomstig lage stroomsterkte gunstig zijn. Tevens kunnen er relatief dunne en dus lichte geleiders gebruikt worden vanwege de geringere stroomsterkte. Hoogspanning wordt niet gebruikt voor distributie aan eindgebruikers via het lichtnet, omdat daar de problemen met isolatie en de gevaren van hoogspanning niet opwegen tegenover de theoretisch mogelijke energiebesparing. Om de energie bij de eindverbruiker te krijgen wordt de spanning (vaak in meerdere stappen) getransformeerd naar een lager niveau.

Hoogspanningsnetten

In Nederland zijn twee hoofd-hoogspanningstransportnetten: een van 220 kV (220.000 volt) in Noord-Nederland, en een van 380 kV in Midden- en Zuid-Nederland. De netten zijn aan elkaar gekoppeld tussen Ens. Tevens staan op allerlei plaatsen energiecentrales, die energie leveren aan het net. Via zogenaamde onderstations wordt de spanning omlaag gebracht, via 150 kV of 110 kV naar 50 kV, dan naar 20 kV en 10 kV en tot slot naar de gebruikers via laagspanning (400/230 volt (vroeger 380/220 volt)).

Het hoogspanningsnet in Nederland wordt beheerd door TenneT. Deze organisatie zorgt voor de juiste hoeveelheid elektriciteit op het juiste moment door import en export van elektriciteit. In het eerste kwartaal van 2008 treft TenneT samen met het ministerie van Economische Zaken voorbereidingen voor het aanleggen van een nieuwe 380 kV-verbinding in de Randstad, tussen Wateringen en Beverwijk. Zonder de nieuwe Randstad 380 kV-hoogspanningsverbinding kunnen vanaf 2010 problemen met de elektriciteitsvoorziening in de Randstad ontstaan. De vraag naar elektriciteit neemt de komende jaren toe in het gebied. Door de liberalisering van de energiemarkt vindt het energietransport bovendien plaats over langere afstanden, waardoor de vraag naar transport is toegenomen.

De energiecentrales produceren voldoende elektriciteit, maar de huidige hoogspanningsverbindingen kunnen het benodigde transport niet aan. Daarom is een uitbreiding van het hoogspanningsnet nodig. De nieuwe hoogspanningverbinding tussen Wateringen en Beverwijk stelt de elektriciteitsvoorziening in de Randstad de komende decennia veilig.

Naast het zeker stellen van de transportcapaciteit, vermindert de nieuwe verbinding ook de kans op grootschalige stroomuitval. Op dit moment is er slechts een beperkt aantal koppelingen tussen het regionale 150 kV-net in de Randstad en het landelijke 380 kV-net. Twee nieuwe ringvormige verbindingen in het noordelijke en zuidelijke deel van de Randstad brengen daar verbetering in. De ringen worden verbonden met de rest van het 380 kV-net.

Andere hoogspanning

Alhoewel hoogspanning het meest bekend is door de getoonde masten van onze elektriciteitsvoorziening, moet toch niet vergeten worden dat hoge spanningen ook op andere plaatsen in onze omgeving voorkomen. In conventionele televisietoestellen wordt de beeldbuis met een gelijkspanning tot 35 kV bedreven. Schrikdraad, gasaanstekers en de ontsteking in een auto gaan tot boven de 10 kV en röntgentoestellen van enkele tienduizenden volts (bij de tandarts) tot over de 100 kV (in het ziekenhuis).

Voor elektrotechnici zijn niet zozeer de hoge spanningen als wel de hoge veldsterkten een probleem in de hoogspanningstechniek. Zo zijn de velden in een chip die op enkele volts staat, zo groot dat ze behandeld en bestuurd moeten worden alsof het een hoogspanningsapparaat betreft. Het beheersen van sterke elektrische velden is dan ook de opdracht van de hoogspanningstechnicus.

Trivia

• Een wijdverbreid misverstand is dat mensen en ook vogels zonder levensgevaar met hoogspanning in aanraking kunnen komen als ze daarbij de aarde of een geaarde geleider maar niet raken en er dus geen galvanische gesloten verbinding is. Bij dergelijke hoge spanningen komt het gevaar echter uit een andere hoek. Het menselijk lichaam vormt namelijk een capaciteit naar de omgeving. Aangezien hoogspanningsleidingen wisselspanning voeren zal deze spanning door ladingsvereffening dat lichaam elke seconde 50 maal op- en ontladen. De hiervoor benodigde stroom is wel degelijk dodelijk. In de praktijk blijkt dat vogels het alleen op een 50 kV leiding kunnen uithouden. Bij leidingen die een hogere spanning voeren, zitten vogels alleen op de bovenste bliksemdraden.
• Hetzelfde geldt voor schrikdraad. Ook hier kan de op- of ontlaadstroom van een perfect geïsoleerde proefpersoon evengoed een gevoelige tik opleveren. De klap die een goed geaard persoon (met een grondboor in de weer bijvoorbeeld) krijgt is bij moderne voedingen wel vele malen heftiger.
• De spanning op het stopcontact, meestal 230 V, is gevaarlijk en veel hoger dan de spanning op batterijgevoede apparaten. Toch spreekt men hier formeel van laagspanning.
• Elektrische treinen rijden vaak op hoogspanning. Gelijkspanningen variëren daarbij vaak van 600 (geen hoogspanning) tot 3000 volt, bij wisselspanningen gebruikt men vaak 15 of 25 kV. De hogere spanningen zijn gunstiger voor een drukbereden spoornet vanwege de lagere optredende verliezen in de bovenleiding (rijdraad).
• Trams en trolleybussen rijden meestal op 600 V, hetgeen formeel geen hoogspanning is.
• Elektrostatische luidsprekers en hoofdtelefoons werken op hoogspanning (± 6 kV). De beeldbuis van een televisietoestel kan een anodespanning van 30 kV of meer hebben.
• De statische elektriciteit die optreedt bij het uitstappen uit een auto, het uittrekken van een kunststoffen trui of het kammen van droog haar, kan waarden bereiken tot wel 8 kV.
• De draden van hoogspanningsleidingen worden opgehangen aan isolatoren die bestaan uit een ketting van, veelal, glazen schotels. Elke schotel biedt isolatie tot een bepaalde spanning. Hoe hoger de spanning op de draad, hoe meer schotels er nodig zijn.

Externe links

• www.randstad380kV.nl, de gezamenlijke 380 kV projectwebsite van TenneT en het ministerie van Economische Zaken.