De basisdingen over onderstations die je midden in de nacht MOET weten!

Wat is een onderstation?

Om het in heel eenvoudige woorden uit te leggen, zou ik zeggen dat een onderstation een verzameling elektrische apparaten is die op één plaats zijn verzameld en aangesloten. Daarbovenop staan slimme elektrische apparaten die de andere controleren en beschermen, zodat alles goed werkt. En alle apparaten in het onderstation zijn gelukkig, tenminste totdat er iets misgaat…

De basisdingen over onderstations die je MOET weten in het holst van de nacht!
De basisdingen over onderstations die je midden in de nacht MOET weten!

Op een minder eenvoudige manier is een onderstation het belangrijkste onderdeel van elektrische opwekkings-, transmissie- en distributiesystemen. Het transformeert de spanning van hoog naar laag of van laag naar hoog, naar gelang van de behoefte. Onderstations vervoeren ook elektrische stroom van opwekkingsstations naar het verbruikscentrum.

Elektrische stroom kan door verschillende onderstations stromen tussen de opwekkingsinstallatie en de verbruiker, en de spanning kan in verschillende stappen worden gewijzigd.

Inhoud:

  1. Onderstationsclassificatie
    1. Transmissieonderstations
    2. Sub-onderstations
    3. distributieonderstations
  2. onderstationuitrusting
    1. transformatoren
    2. circuitonderbrekers
    3. scheidingsschakelaars
    4. onderstation Bus
    5. Bliksemafleiders
    6. isolatoren en geleiders
    7. veiligheidsrelais
    8. zekeringen
  3. locatie onderstation

1. Indeling van onderstations

Onderstations kunnen in het algemeen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen (op basis van spanningsniveaus):

1.1 Transmissieonderstations

Transmissieonderstations integreren transmissielijnen in een netwerk met meerdere parallelle verbindingen, zodat de stroom vrij kan stromen over lange afstanden van elke generator naar elke consument.

Dit transmissienetwerk wordt vaak het bulkstroomsysteem genoemd. Transmissielijnen werken doorgaans bij spanningen boven 138 kV. Transmissieonderstations bevatten vaak transformaties van het ene transmissiespanningsniveau naar het andere.

Transport- en distributiesysteem voor elektrische energie
Figuur 1 – Transport- en distributiesysteem voor elektrische energie

De primaire functie van transmissie is het transporteren van bulkkracht van de gewenste opwekkingsbronnen naar de leveringspunten voor bulkkracht.

De voordelen zijn van oudsher onder meer lagere kosten voor elektrische energie, toegang tot duurzame energie zoals wind- en waterkracht, het weghalen van centrales bij grote bevolkingscentra, en toegang tot alternatieve opwekkingsbronnen wanneer primaire bronnen niet beschikbaar zijn.

Ga terug naar de inhoud

1.2 Subtransmissie onderstations

Subtransmissie onderstations werken gewoonlijk op spanningsniveaus van 33 kV tot 138 kV. Dit soort onderstations transformeert de hoge spanningen die worden gebruikt voor efficiënte langeafstandstransmissie via het net, naar subtransmissiespanningsniveaus

Deze manier van stroomtransmissie via toevoerleidingen naar de distributieonderstations in de omliggende regio’s is veel kosteneffectiever.

Deze toevoerleidingen zijn radiale feeders, die elk het onderstation verbinden met een klein aantal distributie-onderstations.

Radiale sub-transmissiesystemen
Figuur 2 – Radiale sub-transmissiesystemen

Een configuratie met twee bronnen voor sub-transmissie is betrouwbaarder: Storingen in een van de radiale sub-transmissiecircuits mogen geen onderbrekingen in de onderstations veroorzaken. Storingen in een dubbel circuit kunnen onderbrekingen in meerdere onderstations veroorzaken.

Single-source, radial subtransmission configuration is minder betrouwbaar: Storingen in het radiale subtransmissiecircuit kunnen onderbrekingen in meerdere onderstations veroorzaken.

De meeste subtransmissielijnen zijn bovengronds. Veel van deze lijnen zijn vlak langs wegen en straten aangelegd, net als distributieleidingen. Sommige subtransmissielijnen voor hogere spanningen maken gebruik van particuliere rechten, zoals bulktransmissielijnen.

Ook worden nieuwe subtransmissielijnen meestal ondergronds aangelegd, omdat de ontwikkeling van massieve isolatiekabels de kosten redelijker heeft gemaakt.

Ga terug naar de inhoud

1.3 Distributieonderstations

Distributieonderstations werken meestal op een spanningsniveau van 11KV/0,4KV en leveren elektrische energie rechtstreeks aan industriële en huishoudelijke verbruikers. Merk op dat het niveau van de distributiespanning in landen over de hele wereld kan variëren.

Distributieleveranciers transporteren stroom van de distributieonderstations naar de gebouwen van de eindgebruikers. De feeders bedienen een groot aantal gebouwen en bevatten gewoonlijk veel aftakkingen.

Bij de verbruikers transformeren de distributietransformatoren de distributiespanning tot de spanning die rechtstreeks in huishoudens en industriële installaties wordt gebruikt. Meestal is dat 230 V of 400 V.

Enkele-lijndiagram van de belangrijkste componenten van het elektriciteitssysteem van opwekking tot verbruik
Figuur 3 – Eenduidig lijndiagram van de belangrijkste componenten van het elektriciteitssysteem van opwekking tot verbruik (klik om uit te vouwen)

Ga terug naar de inhoud

2. Onderstationuitrusting

Het onderstation kan de volgende uitrusting bevatten:

  1. Voedingstransformator of distributietransformator (afhankelijk van het type onderstation)
  2. Circuit breakers
  3. Disconnecting switches
  4. Isolators
  5. Busbars
  6. Current transformers
  7. potentiaaltransformatoren
  8. bliksemafleider
  9. beveiligingsrelais
  10. stationbatterijen
  11. aardingssysteem

Een typisch onderstationaansluitschema is weergegeven in figuur 4.

Typisch eendelijnsdiagram van een onderstation
Figuur 4 – Onderstations Typisch eendraadsschema van een onderstation

Ga terug naar de inhoud

2.1 Transformatoren

Transformatoren zijn een essentieel onderdeel van elk elektrisch stroomsysteem. Ze zijn er in verschillende maten en spanningsbereiken.

AC transformatoren zijn een van de sleutels tot de wijdverbreide distributie van elektrische energie zoals we die vandaag de dag zien. Transformatoren zetten elektriciteit efficiënt om in een hogere spanning voor transmissie over lange afstand en weer terug naar een lage spanning die geschikt is voor gebruik door de klant.

Substation transformator
Figuur 5 – Substation transformator

De distributietransformatoren zorgen voor de noodzakelijke spanningsovergang van het spanningsniveau van de transmissie (of subtransmissie) naar een niveau dat geschikt is voor stroomdistributie. Een voorbeeld van een dergelijke overgang is een overgang van 66 kV naar 11 kV.

De grootte van een distributietransformator varieert ruwweg van 16 MVA tot 63 MVA, en weegt ergens tussen 20 en 50 ton. De transformator is typisch een driefasige eenheid.

Driefasige banken, opgebouwd uit eenfasige eenheden, kunnen ook worden geïmplementeerd als gevolg van specifieke redenen, zoals de beperkingen van het wegtransport of de vraag naar eenfasige reserve-eenheden.

De vermogenstransformator is over het algemeen de duurste afzonderlijke component in een primair distributieonderstation. Hieronder worden de kenmerken, constructie en bescherming van de distributietransformator en hun invloed op de prestaties van het volledige distributiesysteem besproken.

De nadruk ligt op met minerale olie geïsoleerde (met olie geïmpregneerde) driefasige eenheden, die de meerderheid van de distributietransformatoren vormen in toepassingen die onder IEC-invloed staan.

Ga terug naar inhoud

2.2 Stroomonderbrekers

Circuit breakers, die hoge spanningen regelen en andere onderstationapparatuur beschermen, zijn ook in krachtonderstations te vinden. Veel onderstations buitenshuis gebruiken oliegevulde stroomonderbrekers. Dit type stroomonderbreker heeft contacten die zijn ondergedompeld in een isolerende olie die zich in een metalen behuizing bevindt.

Een ander type hoogspanningsstroomonderbreker is de magnetische luchtonderbreker waarbij de contacten zich in de lucht scheiden wanneer de elektriciteitsleiding wordt overbelast.

Magnetische uitblaasspoelen worden gebruikt om een magnetisch veld te ontwikkelen dat de vlamboog veroorzaakt die wordt geproduceerd wanneer de contacten breken. Zo, boog geconcentreerd in zijn goten waar het wordt gedoofd.

Een wijziging van dit type is de samengeperste-luchtstroomonderbreker. In dit type, wordt een stroom van samengeperste lucht geconcentreerd op het contact wanneer de machtslijn wordt geopend. De perslucht helpt bij het doven van de vlamboog, die ontstaat bij het openen van de contacten.

Het moet worden opgemerkt dat grote vlambogen aanwezig zijn wanneer een hoogspanningscircuit wordt onderbroken. Dit probleem doet zich niet in grote mate voor bij laagspanningsbeveiligingsapparatuur.

Hoogspanningsstroomonderbrekers
Figuur 6 – Hoogspanningsstroomonderbrekers

Twee belangrijke stroomonderbrekertypes op basis van een constructie zijn de live tank breakers en de dead tank breakers. Bij live tank breakers is het buitenoppervlak van de breekkamer niet geaard en staat onder invloed van de primaire spanning, dus “onder spanning”.

Bij dead tank breakers is het buitenoppervlak van de breekkamer wel geaard, dus “dood”. Dode-tankonderbrekers zijn over het algemeen alleen verkrijgbaar voor buiteninstallaties vanaf 33 kV.

Ga terug naar de inhoud

2.3 Scheidingsschakelaars

Scheidingsschakelaars worden gebruikt om elektrische apparatuur los te koppelen van de stroomleidingen die de apparatuur voeden. Normaal gesproken worden scheidingsschakelaars niet bediend wanneer er stroom doorheen loopt.

Er zou een hoogspanningsboogprobleem kunnen ontstaan wanneer scheidingsschakelaars worden geopend terwijl er stroom doorheen loopt.

Ze worden voornamelijk geopend om apparatuur om veiligheidsredenen te isoleren van elektriciteitsleidingen.

De meeste scheidingsschakelaars zijn van het “air-break” type, dat qua constructie vergelijkbaar is met messchakelaars. Deze schakelaars zijn verkrijgbaar voor binnen- en buitengebruik in zowel handbediende als motorbediende uitvoeringen.

Ga terug naar de inhoud

2.4 Onderstationbus

De elektrische en fysieke aansluiting van onderstationbussen worden doorgaans beheerst door veiligheid, betrouwbaarheid, zuinigheid, onderhoudbaarheid en bedieningsgemak.

Bus is eigenlijk de elektrische structuur waarop alle stroomleidingen en transformatoren zijn aangesloten. Over het algemeen zijn er twee typen: in de open lucht en ingesloten. Gesloten bussen worden gebruikt in gebouwen of buitenshuis waar ruimte kostbaar is.

Busconstructies moeten zo zijn ontworpen dat ze bestand zijn tegen hoge kortsluitstromen en grote mechanische krachten als gevolg daarvan.

Ga terug naar de inhoud

2.5 Overspanningsbeveiligingen

De elektrische installaties worden blootgesteld aan overspanningsspanningen die worden veroorzaakt door verschillende bronnen. De overspanningen die door de bronnen worden veroorzaakt, hebben van nature verschillende kenmerken wat betreft omvang, frequentie, duur en stijgsnelheid.

De overspanningsverschijnselen worden van oudsher in drie afzonderlijke categorieën ingedeeld:

  1. Tijdelijke overspanningen
  2. Schakelende overspanningen
  3. Bliksem overspanningen
Typen van overspanningen
Figuur 7 – Soorten overspanningen

In primaire distributieonderstations, de belangrijkste beveiliging van de geïnstalleerde apparatuur tegen overspanningen de zinkoxide overspanningsbeveiliging zonder kap. De keuze van een geschikte overspanningsbeveiliger hangt af van verschillende factoren.

Fabrikanten van overspanningsbeveiligers hebben richtlijnen en selectievoorbeelden gepubliceerd om het selectieproces te demonstreren en te ondersteunen.

De overspanningsbeveiliger moet bestand zijn tegen de continue en tijdelijke overspanningen in de stroomfrequentie die in het systeem optreden tijdens normaal bedrijf, systeemstoringen en schakelhandelingen. De overspanningsbeveiligers moeten ook in staat zijn de overspanningen te beperken tot onder het gespecificeerde weerstandsniveau van de apparatuur in de installatie.

Een één- of tweefasige aardfout leidt tot een tijdelijke overspanningssituatie in de gezonde fase(n) en ook in de nulleider van Y-geschakelde vermogenstransformatoren. De amplitude wordt bepaald door de systeemaardingsomstandigheden en de duur wordt bepaald door de beveiligingsinstellingen (foutvrijgavetijd).

De armaturen moeten bestand zijn tegen de thermische spanningen tijdens deze situaties.

Bliksemafleider met geaarde onderste klem (144kV)
Figuur 8 – Bliksemafleider met geaarde bodem (144kV)

Ga terug naar inhoud

2.6 Isolatoren en geleiders

Alle elektriciteitstransmissieleidingen moeten worden geïsoleerd om veiligheidsrisico’s te voorkomen. In onderstations en op andere plaatsen langs het stroomdistributiesysteem worden grote strengen isolatoren gebruikt om de stroomvoerende geleiders te isoleren van hun stalen steunen of van andere op de grond gemonteerde apparatuur.

Insulatoren kunnen zijn gemaakt van porselein, rubber of een thermoplastisch materiaal.

Ga terug naar de inhoud

2.7 Beschermende relais

Beschermende relais bieden een nauwkeurige en gevoelige methode om elektrische distributieapparatuur te beschermen tegen kortsluiting en andere abnormale omstandigheden.

Overstroomrelais worden gebruikt om het snel openen van elektrische stroomleidingen te veroorzaken wanneer de stroom een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. De reactietijd van de relais is zeer belangrijk voor de bescherming van de apparatuur tegen schade.

Enkele veel voorkomende soorten storingen die door relais kunnen worden beschermd, zijn lijn-tot-aarde kortsluitingen, lijn-tot-lijn kortsluitingen, dubbele lijn-tot-aarde kortsluitingen, en driefasige lijnkortsluitingen. Elk van deze condities wordt veroorzaakt door defecte circuitcondities die abnormaal hoge stroom (foutstroom) onttrekken aan de stroomleidingen.

De beveiligingsrelais zijn extern gevoede geavanceerde Intelligent Electronic Devices (IED’s), ook wel Feeder Terminals genoemd.

In een moderne primaire schakelinstallatie worden de bay-gerelateerde functies zoals beveiliging, besturing en meting uitgevoerd met feeder terminals. De feederterminal voert de toegewezen beveiligingsfuncties uit, voert de lokale en externe besturing van schakelapparatuur uit, verzamelt en verwerkt meetgegevens en geeft de status van de schakelapparatuur weer.

Busbar beveiligingsschema's
Figuur 9 – Busbar beveiligingspaneel met MICOM relais

Ga terug naar de inhoud

2.8 Zekeringen

Om te voorkomen dat elektrische leidingen vaak worden kortgesloten, worden diverse beschermingsmiddelen gebruikt om schade aan zowel de elektrische leidingen/apparatuur als het personeel te voorkomen. Deze beschermingsmiddelen moeten zijn ontworpen om hoge spanningen en stromen aan te kunnen.

Of zekeringen, óf stroomonderbrekers kunnen worden gebruikt om hoogspanningsleidingen te beschermen.

Hoogspanningszekeringen (die voor meer dan 600 volt) worden op verschillende manieren gemaakt. Een zekering van het expulsietype heeft een element dat smelt en verdampt wanneer het overbelast wordt, waardoor de in serie geschakelde stroomleiding opengaat.

Expulsiezekering
Figuur 10 – Expulsiezekering

Vloeistofzekeringen hebben een met vloeistof gevuld metalen omhulsel, dat het zekeringelement bevat. De vloeistof werkt als een onderdrukkend medium. Wanneer het zekeringelement smelt als gevolg van een te hoge stroom in een stroomleiding, wordt het element ondergedompeld m de vloeistof om de boog te doven.

Dit type zekering vermindert het probleem van hoogspanningsbogen.

Een zekering met vast materiaal is vergelijkbaar met een zekering met vloeibaar materiaal, behalve dat de boog wordt gedoofd in een kamer gevuld met vast materiaal. Gewoonlijk worden hoogspanningszekeringen in onderstations naast luchtonderbrekingsschakelaars gemonteerd. Met deze schakelaars kunnen hoogspanningsleidingen worden geschakeld en losgekoppeld voor reparatiedoeleinden.

De behuizing van de zekering en de schakelaar wordt gewoonlijk in de buurt van de bovengrondse hoogspanningsleidingen in een onderstation gemonteerd.

Ga terug naar de inhoud

3. Locatie onderstation

Distributieonderstations moeten zo dicht mogelijk bij de te bedienen belasting worden gesitueerd. Bovendien moet de toekomstige behoefte aan belasting nauwkeurig worden gepland.

Het niveau van de distributiespanning is ook een zeer belangrijke overweging. In het algemeen geldt: hoe hoger de distributiespanning, des te verder onderstations uit elkaar kunnen worden geplaatst. Ze worden echter groter in capaciteit en in aantal bediende klanten naarmate de afstand toeneemt.

123 kV buitenschakelstation met dubbele stroomrails, in-line layout
Figuur 11 – Voorbeeld van 123 kV buitenschakelstation met dubbele stroomrails, in-line layout. De geleiders zijn buisvormig.

De beslissing over de locatie van een onderstation moet worden gebaseerd op de betrouwbaarheid van het systeem en economische factoren. Tot deze factoren behoren:

  • de beschikbaarheid van grond,
  • geschatte exploitatiekosten,
  • belastingen,
  • plaatselijke bestemmingsplannen,
  • milieufactoren en
  • potentiële publieke opinie.

Ook wordt rekening gehouden met het feit dat de omvang van de geleiders toeneemt naarmate de omvang van de geleverde belasting toeneemt. Het primaire spanningsniveau is niet alleen van invloed op de grootte van de geleiders, maar ook op de grootte van de regelapparatuur, de isolatie en andere apparatuurwaarderingen.

Ga terug naar de inhoud

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *