ALGEMEENHEDEN

Elektrische energie ?

Waarom 3000 Volt gelijkspanning ?

Opbouw van een 3 kV - bovenleidingsnet

En wat bij 25 kV wisselspanning ?

 

 

 

 

Elektrische hoogspanningslijn
Elektrische hoogspanningsnetten in België

Elektrische energie ?

Een steeds belangrijker deel van ons leven wordt bepaald door elektriciteit. Bij een stroompanne stellen we vast hoe kwetsbaar we zijn. Verlichting, verwarming, televisie, computer, koelkast, benzinepompen, verkeerslichten, trams en treinen vallen stil als er geen elektriciteit meer vloeit.

Oorspronkelijk was er enkel gelijkspanning die men chemisch opwekte. Dit valt te vergelijken met de huidige batterijtjes die ook een gelijkspanning creëren. Een gelijkspanning blijft constant en schommelt niet op en neer.

Tegenwoordig wordt bijna alles gevoed onder wisselspanning. In een elektrische centrale wordt er warmte gemaakt door de verbranding van olie, steenkool of gas of door de splitsing van uranium. Met deze warmte wordt er water omgezet in stoom. Deze stoom drijft dan een turbine aan. Deze bewegingsenergie wordt vervolgens in een alternator omgezet in een variërende elektrische spanning.

Deze wisselspanning bereikt (in Europa) 50 maal per seconde een maximum en even vaak een minimum. De frequentie bedraagt dan 50 Hertz. In een driefasig net bereikt eerst de ene fase haar maximum, dan de tweede en tenslotte de derde. Voor een driefasig net hebben we drie of vier geleiders nodig. De vierde geleider is dan de neutrale geleider. In het Belgische laagspanningsnet staat er 400 Volt tussen twee fasen en 230 Volt tussen een fase en de neutrale geleider.

Als er aan een spanningsbron via een koperen geleider met een weerstand verbonden wordt, dan zal er stroom vloeien door deze geleider. Hoe groter de spanning, hoe groter deze stroom. Hoe groter de weerstand, hoe moeilijker de stroom kan vloeien en hoe kleiner dus ook de stroom. Dit noemt men de wet van Ohm. Stroom wordt uitgedrukt in Ampères.

Om een bepaald vermogen te leveren hebben we spanning en stroom nodig. Hoe hoger de spanning, hoe minder stroom er nodig is om een bepaald vermogen te kunnen leveren. Vermogen wordt uitgedrukt in Watt, of in kW (kilowatt of 1000 Watt) of zelfs MW (megawatt of een miljoen Watt). Een klassieke gloeilamp heeft een vermogen van 60 Watt. Een nieuw drieledig motorstel verbruikt een kleine 2 MW.

Aan de stroomleverancier word de energie betaald. Dit is het vermogen dat gedurende een bepaalde tijd verbruikt werd. Een gemiddeld huisgezin zal jaarlijks ongeveer 3000 kWh (kilowattuur) verbruiken of gemiddeld ongeveer 350 Watt. De NMBS heeft in 1998 ruim 1.200 GWh (gigawattuur of miljoen kWh). Dit komt overeen met 1,8 % van het totaal Belgisch elektriciteitsverbruik. Het gemiddeld afgenomen vermogen bedroeg dus 140 MW. Tijdens de piekuren loopt dit op tot 330 MW of ongeveer zo groot als een kleine kerncentrale of een grote klassieke elektrische centrale.

Meer info

 

Waarom 3000 Volt gelijkspanning ?

Toen de Belgische spoorwegen begin jaren dertig beslisten om de lijn Antwerpen - Brussel te elektrificeren was dit de best beschikbare techniek. Dat is niet altijd zo geweest. Een kort historisch overzicht :
1879 Berlijn, Werner von Siemens : eerste elektrische locomotief (150 V- / 2,2 kW) met een seriemotor gevoed door derde rail in het midden van het spoor
1900 Zwitserland en Noord-Italië : driefasige wisselspanning (spanningen en frequenties overal verschillend) met twee geïsoleerde rijdraden en de derde fase op de sporen
1912 Duitsland : De voeding op 15 kV~ ; 16 2/3 Hz wordt als standaard aanvaard. Deze frequentie kan met draaiende omvormers uit het 50 Hz-net gemaakt worden. De 50 Hz zelf was toen nog een te hoge frequentie voor de motoren. Deze voedingsspanning vinden we momenteel terug in de Duitstalige landen en delen van Scandinavië (Noorwegen en Zweden).
1920 Frankrijk en Nederland kiezen voor elektrificatie op 1500 V, toen de hoogste haalbare gelijkspanning. 1500V is immers zowat de maximum waarde voor een seriemotor die in de beschikbare ruimte tussen de wielen van een locomotief past (wegens de aanwezigheid van collector). De bovenleiding werd gevoed door twee éénankeromvormers naar 750 Volt in serie geschakeld. De gelijkstroom-seriemotor is nog steeds de best geschikte tractie-motor. Momenteel vinden we deze spanning nog terug in Frankrijk (gedeeltelijk), Nederland, Japan en Australië.
1930 De eerste kwikdampgelijkrichters naar 3000 V gelijkspanning worden geconstrueerd. Een hogere spanning betekent minder stroom, dus een lichtere bovenleiding en minder onderstations. We vinden deze spanning terug in België, Zuid- en Oost-Europa en op meerdere plaatsen over de ganse wereld verspreid. De beperking van 1500 V per motor blijft, doch er wordt een truck toegepast, nl. telkens: minstens twee motoren in serie (vb. aanzetten in serie: vier motoren in serie, vanaf ±60km/h over naar serie-parallel: 2 parallelle takken met telkens twee motoren in serie).
1936 De eerste testen met éénfazige tractie-motoren op 50 Hz vinden plaats.
1954 In Frankrijk vindt de eerste grote realisatie plaats op 25 kV, 50 Hz. Met behulp van SCOTT-transformatoren werd de éénfazige spanning uit het driefazig net gehaald. Op de locomotief werd de spanning gelijkgericht. De meeste nieuwe lijnen worden wereldwijd op deze wijze gevoed.
1958 De gelijkrichters met siliciumdioden vervangen de kwikdampgelijkrichters.
1970 De eerste regeling met halfgeleiders (hakkers) doet zijn intrede. Door deze toepassing kunnen de aanzetweerstanden en de bijbehorende vermogencontactoren die veel onderhoud vergen uitgeschakeld worden. Maar voor de tractie blijven nog steeds de  seriemotoren, de driefasige motoren komen later pas  in de jaren 80 en 90 (na de ontwikkeling van de GTO's en IGBT's ipv. Thyristoren).

Eerst komen de driefasige synchrone motoren, vooral in Frankrijk o.a. in de nieuwere TGV-stellen. Later wordt door de verdere miniaturisatie van elektronische kringen het gebruik van  driefasige asynchrone motoren mogelijk: o.a. Eurostar, Belgische MR96 en op al de Duitse ICE-stellen.
  In het zuiden van Engeland worden de treinen gevoed via een derde rail (op 750 Volt gelijkspanning). Enkele lange lijnen in de Verenigde Staten en in Zuid-Afrika hebben een bovenleiding op 50.000 Volt (50 of 60 Hz).

Tractiesystemen - Tractiemotoren

 

Opbouw van een 3 kV - bovenleidingsnet


In een tractie-onderstation wordt de energie omgezet van driefazige wisselspanning naar een gelijkspanning.  Een onderstation bevat drie grote delen :
  • In de hoogspanningspost wordt de energie, komende van Electrabel, verdeelt.  Een dergelijke post bestaat uit een railstelsel, waaraan aankomsten en vertrekken verbonden worden.  Alle aansluitingen worden beveiligd met behulp van vermogenschakelaars of smeltveiligheden.
  • De belangrijkste vertrekken van deze hoogspanningspost zijn de transformator-gelijkrichtergroepen. Zij zetten de energie om naar de 3 kV-gelijkspanning.
  • De 3 kV-spanning wordt vervolgens verdeeld.  Vanuit een 3 kV-post worden de verschillende bovenleidingen in de omtrek van het onderstation gevoed.

Foto's onderstations

70 kV

3 kV

De meeste baanvakken worden langs beide zijden gevoed. Hierdoor verdeelt de stroom zich tussen beide voedingsbronnen en daalt de spanningsval in de bovenleiding.  Het ganse bovenleidingsnet hangt eigenlijk aan elkaar als één groot vermaasd net.  Elk stukje bovenleiding wordt wel door één of twee vermogenschakelaars beveiligd.

De voedingswijze wordt weergegeven op een sectioneringsplan.

Halverwege tussen twee onderstations wordt er vaak een sectioneringspost gebouwd. Hierin worden de bovenleidingen parallel geschakeld. Er is geen bijkomende voeding aanwezig. De energie wordt er enkel optimaal verdeeld over het net. Een trein tussen een onderstation en een sectioneringspost ontvangt stroom van het onderstation en van de sectioneringspost. Deze sectioneringspost wordt op haar beurt gevoed uit de omliggende onderstations.

Een stuk bovenleiding tussen twee onderstations of tussen een onderstation en een sectioneringspost wordt een geval van tabel één genoemd. Het vormt het geheel van alle stukken bovenleiding dat bij een fout gezamenlijk door vermogenschakelaars wordt uitgeschakeld.

Dit geheel wordt met behulp van lastscheidingsschakelaars (boven op de bovenleidingspalen geplaatst) in stukken opgedeeld. Zo’n stuk noemt men een geval van tabel twee.

Deze normaal gesloten lastscheidingsschakelaar wordt een T-schakelaar genoemd. Ook tussen gevallen van tabel één kan men T-schakelaars plaatsen. Zij zijn normaal geopend, maar kunnen bij storingen gesloten worden. Men noemt ze Ts-schakelaars.

T-schakelaar
In tunnelverbindingen worden de verschillende gevallen van tabel twee gevoed uit een P-post. Zo bevinden er zich momenteel 7 P-posten tussen Brussel-Noord en Brussel-Zuid. Ook in de Antwerpse Noord-Zuidverbinding worden P-posten voorzien.

In een voedingspost wordt een belangrijke zijtak in antenne gevoed vanuit hoofdspoor. De schakelaar in deze voedingspost moet de zijtak bij grote stromen scheiden van het hoofdspoor.

De bediening van alle schakelaars gebeurt normaal telebediend door de verdeler ES. Momenteel bestaan er zes verdelers voor gans België, nl. te Brussel, Gent, Antwerpen, Bergen, Luik en Namen. De laatste twee worden in de loop van dit jaar samengevoegd. Er blijft slechts één verdelerpost per zone over. De verdeler heeft een belangrijke taak bij het oplossen van storingen.
Hij volgt op een optisch controlebord de volgorde van uitschakelingen en (automatische) herinschakelingen. Bij herhaling van uitschakelingen tracht hij de oorzaak te begrijpen en de fout af te zonderen. Bij uitschakeling en blokkering van een lange sectie (een geval van tabel één van bijvoorbeeld 20 km), zal hij met behulp van de T-schakelaars de uitgeschakelde spanningsloze zone korter maken. Bij averijen coördineert hij de eerste werkzaamheden.

De verdeler ES heeft ook een belangrijke veiligheidsfunctie. Zo voert hij bij werkzaamheden de nodige schakelingen uit zodanig dat de werkzone spanningsloos wordt. Alvorens de werken starten, moet er wel eerst een aarding geplaatst worden. Hij zorgt ook voor de coördinatie met dispatching treinverkeer en seingevers.

In de omgeving van belangrijke wisselcomplexen worden de verschillende bovenleidingen bij voorkeur met elkaar verbonden (in een onderstation of sectioneringspost). Hierdoor worden de spanningsverschillen in de bovenleiding tussen de verschillende stukken bovenleiding beperkt.

De bepaling van de optimale voedingswijze gebeurt momenteel via een computerprogramma. De verwachte exploitatie in normaal bedrijf en in gestoord bedrijf wordt ingevoerd. Het programma berekent in functie van de voedingswijze het te leveren vermogen per voedingspunt, de stromen door de bovenleiding en de spanningsvallen in deze bovenleiding.

In normaal bedrijf mag de bovenleidingsspanning nooit dalen beneden de 2900 Volt. In uitzonderlijke situaties mag deze spanning dalen tot 2400 Volt.

De lengte van een baanvak wordt ook beperkt door beveiligingseisen. De instelstroom van de stroomverbrekers moet groter zijn dan de maximale stroom afgenomen door rijdende treinen en moet kleiner zijn dan de kortsluitstroom veroorzaakt door de verst verwijderde fout.

Een onderstation kan ook noodzakelijk zijn om de spoorspanning te beperken. Een Europese norm laat bijvoorbeeld maximaal 120 Volt toe gedurende periodes langer dan 5 minuten.

Facturatie en piekafvlakking - Project energietelling via TCP/IP - Criteria voor de plaatsing van onderstations en sectioneerposten - Netkaart

 

En wat bij 25 kV wisselspanning ?

Deze spanning wordt momenteel in een 25 kV tractie-onderstation meestal enkelfazig getransformeerd uit een driefazig industrieel net. De spanning wordt afgenomen tussen twee fazen. Hierdoor ontstaan een belangrijk onevenwicht in dit voedingsnet. Dit spanningsonevenwicht moet beperkt blijven. Het éénfazig aansluitingsvermogen moet daarom beperkt blijven tot 4 % van het beschikbaar kortsluitvermogen in het industriële net. Kwadratisch gemiddeld gedurende maximaal 10 minuten moet het afgenomen vermogen kleiner blijven dan 1 % van dit kortsluitvermogen. Hoe groter het voedend net, hoe groter dit kortsluitvermogen. Daarom wordt een 25 kV-tractienet meestal uit zeer hoge spanningsnetten getransformeerd (150 kV, 220 kV of zelfs 380 kV).

Naast de +25 kV bovenleiding wordt er een -25 kV-feederkabel opgehangen. Om de 10 km wordt er een autotransformator geplaatst. Het energietransport gebeurt hierdoor eigenlijk op 50 kV (dus kleinere stromen, lichtere bovenleiding, minder onderstations) terwijl de bovenleiding zich slechts op 25 kV bevindt (kleinere isolatie-afstanden voor de bovenleiding en voor het rollend materieel).

transfo 150 / 2 x 25 kV

autotransformator

In België worden de volgende lijnen op 25 kV geëlektrificeerd :
  • HSL 1 van Lembeek (net voorbij Halle) tot aan de Franse grens, in dienst sinds 14 december 1997
  • Lijn 42 van Rivage tot Gouvy (lijn van Luik naar Luxemburg), voorzien voor september 1999
  • Lijn 165-166 (Athus-Meuselijn) van Dinant tot Athus (aan het drielandenpunt met Luxemburg en Frankrijk), voorzien voor 2002
  • HSL 2 van Bierbeek (bij Leuven) tot Bierset (bij Luik), eveneens voorzien voor 2002
  • HSL 4 van Antwerpen-Noorderdokken tot aan de Nederlandse grens, voorzien voor 2004

Voor de HSL 3 (Luik – Duitse grens) moet de beslissing nog vallen. Zowel 3000 V-, 15 kV~ en 25 kV~ behoren nog tot de mogelijkheden.

Parallel aan de goederenas Athus-Meuse ligt ook een reizigerslijn (L 162 Namen - Luxemburg). Aangezien deze lijn zowel qua onderstations, als qua bovenleiding grondig vernieuwd moet worden en zij een uithoek van het net vormt, wordt een omzetting van 3000 V- naar 25 kV~ overwogen.

Netkaart