waarom hoogspanning?
advertisement
HOOFDSTUK 1: WAAROM HOOGSPANNING? 1: Farshore windenergiepark op de Thorntonbank Het Belgische bedrijf C-Power plant een windenergiepark op de Thorntonbank in de Noordzee. Er zijn 60 windturbines gepland met elk een vermogen van minimum 3,6 MW en maximum 5 MW. Elke windturbine bevat een rotor met drie wieken. De wind brengt de rotor en daarmee verbonden de rotor van de elektrische generator in beweging. De generator zet deze mechanische energie om in elektrische energie. Teneinde de vermogenverliezen bij het energietransport te beperken bevat de windturbine een transformator welke de generatorspanning (AC) optransformeert naar 33 kV. De windturbines worden onderling met elkaar verbonden via een 33 kV-kabelnetwerk. Via een offshore transformatorplatform wordt die 33 kV-spanning opgetransformeerd naar 150 kV. De elektrische energie van alle windturbines samen wordt via een zeekabel over een lengte van ongeveer 38 km getransporteerd naar de kust. De 150 kV-kabel wordt aan het openbare 150 kV elektriciteitsnet gekoppeld in het hoogspanningsschakelstation ‘Slijkens’ te Bredene (zie de onderstaande kaart). Teneinde de elektrische energie aan particuliere verbruikers en bedrijven te kunnen leveren, moet de 150 kV spanning terug naar beneden getransformeerd worden. Uiteindelijk wordt een laagspanningsnet van 400 V / 230 V gebruikt. Waarom men de moeite doet eerst de spanning naar omhoog te transformeren teneinde deze uiteindelijk terug naar beneden te transformeren is één van de onderwerpen van dit hoofdstuk. Meer informatie in verband met de Thorntonbank kunt u vinden op het adres http://www.c-power.be . Meer informatie in verband met het plaatsen van windturbines vindt u ondermeer op de website http://www.electrawinds.be . 2: Voordelen verbonden aan het gebruik van hoogspanning Het transport van grote hoeveelheden elektrische energie over grote afstanden kan slechts op economische wijze gebeuren onder hoge spanning. Inderdaad, om een bepaald elektrisch vermogen (P = UI) te transporteren is de vereiste stroomsterkte I kleiner naarmate de spanning U hoger is. Kleinere stromen veroorzaken in de transportleidingen minder ohms spanningsverlies (R.I) en minder energieverlies (R.I2.t) door het joule-effect. Indien de ohmse weerstand van de kabel langs welke men de energie transporteert gelijk blijft en men vertienvoudigt de spanning, dan worden de joule-verliezen honderd keer kleiner. 2.1: Rekenvoorbeeld Vertrekken we terug van de Thorntonbank. Veronderstel dat een elektrisch vermogen van 240 MW opgewekt wordt. We gaan er van uit dat de transformatoren verliesvrij zijn (het rendement van een transformator is hoog). Er wordt een driefasige AC-kabel gebruikt zodat P = 240 MW = 3 Ul Il waarbij de lijnspanning Ul = 150 kV. Hieruit volgt dat de lijnstroom Il = 924 A. Stel dat de kabels een sectie van 625 mm2 hebben. Er moet een afstand van 38 km overbrugd worden. De joule-verliezen zijn eenvoudig te berekenen. Via de wet van Pouillet heeft elke geleider een elektrische weerstand R = 1,1 indien een specifieke weerstand = 0,0175 mm2/m in rekening gebracht wordt. De totale joule verliezen zijn gelijk aan 3 R Il2 = 2,73 MW. Op een totaal van 240 MW bedragen de joule verliezen bijgevolg 1%. Reken zelf na dat wanneer we hetzelfde vermogen zouden transporteren via een kabel van 33 kV met dezelfde sectie, de joule verliezen gelijk zouden zijn aan 56 MW. Dat laatste is uiteraard totaal onaanvaardbaar. Een spanning van 400 V zullen we maar volledig buiten beschouwing laten. Meer informatie in verband met elektrische kabels (ook offshore) is te vinden op de adressen http://www.eupen.com , http://www.nexans.com , http://www.pirelli.com en ook http://www.abb.com . 2.2: Keuze van het spanningsniveau In een impulsieve bui zou u kunnen besluiten “Hoe hoger het spanningsniveau, hoe lager de verliezen. Dus de koppeling tussen de Thorntonbank en het openbare elektriciteitsnet realiseer ik met een spanning van 380 kV. Of misschien gebruik ik een nog hogere spanning.” Het is duidelijk dat er ergens een optimale keuze qua spanningsniveau bestaat. Inderdaad, hoe hoger de gekozen spanning, hoe strenger de eisen qua isolatie, veiligheidsmaatregelen… Door een hoger spanningsniveau te kiezen reduceert men voor eenzelfde geleidersectie de joule verliezen. Anders bekeken, men kan voor eenzelfde vooropgestelde hoeveelheid joule verliezen een kleinere geleidersectie nemen, en dus koper of aluminium uitsparen. Doch een hoger spanningsniveau betekent duurdere isolatiekosten, duurdere veiligheidsmaatregelen … Vanuit economisch standpunt constateert men dat naarmate het te transporteren vermogen P toeneemt, de optimale spanning U ook toeneemt maar dat P U2 . In de praktijk wordt uiteraard niet voor elk geval van vermogentransport de optimale spanning en sectie bepaald. Dit zou tot een bijzonder hoog aantal standaard spanningen leiden. Dat laatste zou niet alleen erg duur, maar ook onbeheersbaar zijn. Vergeet tenslotte niet dat het kiezen van een kleinere dwarsdoorsnede of sectie van de geleiders meer betekent dan alleen wat koper of aluminium uitsparen. Een kleinere sectie biedt de mogelijkheid grotere spanwijdten toe te passen bij luchtleidingen, zodat minder pylonen vereist zijn. 2.3: Praktische voorkomende spanningsniveau’s In de praktijk stelt men vast dat elektrische netten verschillende functies kunnen vervullen. Zo heeft men - de interconnectie- en transportnetten waarop de centrales aangesloten zijn. Deze netten worden uitgebaat op 380 kV, 220 kV en 150 kV. de netten die instaan voor de verdere verdeling (= distributie) van de energie. Deze distributienetten hebben spanningen beneden de 30 kV. Zo heeft men de middenspanningsnetten van 1 kV tot 30 kV en heeft men ook de laagspanningsnetten op 380 V/220 V. Daarnaast zijn er ook nog de regionale transportnetten (de vroegere interconnectienetten) die nog op regionaal vlak een transportrol vervullen. In België spreken we dan over netten van 36 kV en 70 kV. Deze hierboven geschetste hiërarchie van “transport op lange afstand” tot een “lokale bedeling” vindt men terug in tal van transportsystemen. Zo treft men in de gasnetten, een hogedruk-, een middendruk- en een lagedruknet aan voor respectievelijk internationaal en regionaal transport en locale distributie. Ook het openbaar vervoer is op een dergelijke wijze georganiseerd, met de IC- en IR-treinen, en de buurtspoorwegen. 3: AC-netten en DC-netten In de beginjaren van de elektriciteit waren veel elektriciteitsnetten DC-netten. De dag van vandaag is ons elektrisch net (bijna) volledig een AC-net. Men heeft goede redenen gehad om over te schakelen op AC-netten. Gelijkspanningsgeneratoren kunnen niet geconstrueerd worden voor hoge spanningen ten gevolge van commutatieverschijnselen en de isolatieproblemen van de collectorcommutator. Wisselspanningsgeneratoren zijn veel eenvoudiger van constructie en in de inductiewikkelingen ervan kunnen rechtstreeks veel hogere spanningen worden geïnduceerd (bijvoorbeeld tot 24kV). Een bijkomend voordeel van AC is het feit dat de opgewekte spanningswaarde via transformatoren heel gemakkelijk opgevoerd kan worden tot 70 kV, 220 kV of zelfs tot 380kV. Transformatoren zijn eenvoudig van constructie, vergen weinig onderhoud, hebben een lange levensduur (meer dan dertig jaar) en functioneren met een zeer hoog rendement (bijvoorbeeld meer dan 99,9%). Het is dan ook logisch dat lange afstandsleidingen AC-stromen voeren onder spanningen van 70 kV, 150 kV, 220 kV of zelfs 380 kV. Op het eindpunt van deze leidingen worden hoge spanningen naar lagere spanningen getransformeerd in transformatiestations (bijvoorbeeld van 380kV naar 70kV). Van hieruit wordt de elektrische energie verder getransporteerd naar belangrijke verbruikscentra, waar de spanning nogmaals naar lagere waarden wordt getransformeerd (bijvoorbeeld van 70 kV naar 11 kV). Transformator 24kV/380kV 24kV 24kV 70kV Elektrische centrale 380kV Transformator 380kV/70kV 70kV 220/380V 10kV 220/380V Transformator 70kV/10kV 10kV Transformator 70kV – 220/380V Een extra voordeel van wisselspanning manifesteert zich bij het gebruik van elektromotoren. De constructie van wisselstroommotoren is meestal veel eenvoudiger. AC-motoren zijn dan ook minder duur en vergen minder onderhoud. Er dient wel opgemerkt te worden dat de isolatie van leidingen, toestellen en machines voor wisselspanning moet berekend zijn voor de amplitude van de spanning en niet voor de effectieve waarde ervan. Deze amplitude is √2 of 1,41 keer hoger dan de effectieve waarde. 4: DC-netten Op basis van de bovenstaande uitleg mag u echter niet tot de conclusie komen dat DC bij energietransport enkel maar nadelen biedt. Het gebruik van DC is geen oude rommel, maar juist spitstechnologie. 4.1: De joule-verliezen Laten we hier een vergelijking maken tussen energietransport via een - enkelfasige AC-net - driefasig AC-net - DC-net Het enkelfasig AC-net bestaat uit twee geleiders met elk een sectie S1. Het driefasig AC-net bestaat uit drie geleiders met elk een sectie S3. Het DC-net bestaat uit twee geleiders met elk een sectie S0. Teneinde een vergelijkingsbasis te hebben nemen we aan dat deze drie netten een zelfde hoeveelheid koper (aluminium) gebruiken. We bekomen dan ook dat 2S1 = 3S3 = 2S0. (1) Teneinde niet enkel een vergelijkingsbasis te hebben qua kostprijs voor de geleiders, gaan we er ook van uit dat de drie types netten eenzelfde type isolatie hebben. V1 is de effectieve waarde van de spanning van het enkelfasig AC-net. V3 is de effectieve waarde van de fasespanning van het driefasig AC-net. V0 is de waarde van de DCspanning van het DC-net. We bekomen dan ook dat 2 V1 = 23 V3 = V0. (2) We gaan er van uit dat deze drie netten eenzelfde vermogen transporteren. Het getransporteerde vermogen is gelijk aan V1I1 = 3V3I3 = V0I0. (3) Hierbij is I1 de effectieve waarde van de stroom welke door het enkelfasig net vloeit. I3 is de effectieve waarde van de stroom welke door het driefasig net vloeit. I0 is de DCstroom welke door het DC-net vloeit. Wanneer (2) ingevuld wordt in (3), dan bekomt men dat I1 = 3 I3 = 2 I0. Met al deze gegevens is het nu interessant de joule verliezen te berekenen in deze drie netten. Hierbij is R1 de ohmse weerstand van een geleider van het enkelfasig AC-net. R1 is volgens de wet van Pouillet omgekeerd evenredig met S1. R3 is de ohmse weerstand van een geleider van het driefasig AC-net en R3 is omgekeerd evenredig met S3. R0 is de ohmse weerstand van een geleider van het DC-net en R0 is omgekeerd evenredig met S0. De joule-verliezen zijn: - bij enkelfasig net: bij driefasig net: bij DC-net: PJ1 = 2 R1 I12. PJ3 = 3 R3 I32. PJ0 = 2 R0 I02. Reken zelf na dat: PJ3 = 0,75 PJ1. De joule-verliezen bij een driefasig AC-net zijn slechts 75% van de joule-verliezen bij een vergelijkbaar enkelfasig AC-net. Dit verklaart meteen waarom energietransport via driefasige netten en niet via enkelfasige netten gebeurt. Vergelijken we nu tenslotte de joule-verliezen bij een DC-net en een 3 fasig AC-net. Reken zelf na dat: PJ0 = 0,67 PJ3. De joule verliezen bij een DC-net zijn slechts 67% van de joule-verliezen bij een vergelijkbaar driefasig AC-net. Dat laatste verklaart waarom voor energietransport van grote hoeveelheden energie over een lange afstand (meer dan 750 km) soms overgestapt wordt op een DC-net. 4.2: Bijkomende aspecten eigen aan DC-netten Het nadeel van energietransport via een DC net is het ontbreken van transformatoren welke toelaten het spanningsniveau naar believen omhoog of omlaag te transformeren. Eigenlijk treft men de onderstaande situatie aan. transformator gelijkrichter wisselrichter transformator DC Men vertrekt van een driefasig net op een middelmatige spanning. Via een gewone transformator wordt deze spanning opgetransformeerd tot een zeer hoge waarde. Deze zeer hoge AC-spanning wordt gelijkgericht en dit wordt gevolgd door het energietransport over lange afstand via een hoge DC-spanning. Aan het uiteinde treft men een wisselrichter aan die de DC-spanning terug omzet naar een driefasige ACspanning. Deze AC-spanning wordt terug naar beneden getransformeerd. Dit alles is spitstechnologie, het is verre van evident een gelijkrichter en een wisselrichter te bouwen die met dergelijke hoge spanningen kan omgaan. Deze hoge investeringskost kan pas teruggewonnen worden als de te overbruggen afstand voldoende groot is en het te transporteren vermogen groot is (bijvoorbeeld 2000 MW). Voor eenzelfde hoeveelheid joule-verlies hoeft men bij een DC-net minder koper of aluminium te voorzien wat uiteraard slechts rendeert bij echt lange afstanden. DC-netten worden trouwens niet enkel gebruikt om grote vermogens te transporteren over echt lange afstanden. Ook bij onderzeese verbindingen gebruikt men vaak een DC-net. Het voordeel van de constructief eenvoudigere gelijkstroomkabel is hier meer uitgesproken. Via DC-netten kan men ook twee AC-netten met elkaar koppelen welke een verschillende frequentie hebben. Zo bestaan er in Japan zowel 50 Hz als 60 Hz netten, enkel met een DC-verbinding kan men deze met elkaar koppelen. DC-netten laten trouwens ook toe netten met eenzelfde nominale frequentie te koppelen zonder dat deze netten met elkaar gesynchroniseerd zijn. Zo is via een DC kabel het Britse net en het Europese (het vasteland) net met elkaar gekoppeld. Meer informatie over HVDC (High Voltage Direct Current) vindt u ondermeer in het artikel “Classical” HVDC: still continuing toe evolve (auteur: L. Carlsson). Het artikel is opgenomen in Bijlage 1.
