Onderstations voor elektriciteit

Een onderstation voor elektriciteit is een faciliteit die een knooppunt vormt tussen delen van het elektriciteitsnet. De functies van het onderstation, die van cruciaal belang zijn voor de goede werking van het elektriciteitssysteem, omvatten de onderlinge verbinding van elektriciteitsleidingen uit verschillende delen van het systeem; de bewaking en regeling van de bedrijfsomstandigheden van het systeem; en de bescherming van de apparatuur van het elektriciteitssysteem.

CLASSIFICATIE EN ALGEMENE BESCHRIJVING

Een onderstation kan worden ingedeeld in een van verschillende categorieën, afhankelijk van de locatie en functie binnen het systeem. Generatorstations bevinden zich op de locatie van elektriciteitscentrales en zorgen voor de verbinding met het transmissiesysteem. Onderstations voor bulkvermogen verbinden het transmissiesysteem met het subtransmissiesysteem, waarbij de spanning wordt verlaagd via een transformator (transformatorstation), of waarbij hoogspanningstransmissielijnen uit verschillende delen van het systeem met elkaar worden verbonden zonder dat de spanning wordt gewijzigd (schakelstation). Een distributieonderstation vormt de schakel tussen het subtransmissiesysteem en de veel lagere spanningen van het distributiesysteem. Een convertorstation is een uniek type onderstation voor bulkkracht dat een verbinding vormt tussen hoogspanningswisselstroomtransmissielijnen en hoogspanningsgelijkstroomtransmissielijnen.

Bij de situering van onderstations moet rekening worden gehouden met elektrische, geografische, economische, politieke en esthetische factoren. De hoge spanningen van het transmissiesysteem worden gebruikt omdat de lagere stromen resulteren in een efficiëntere transmissie van elektriciteit. Daarom worden onderstations zo dicht mogelijk bij de systeembelasting geplaatst om verliezen te minimaliseren. Dit wordt beperkt door de waarde en beschikbaarheid van onroerend goed, alsmede door de eis dat het terrein binnen het onderstation relatief vlak moet zijn. Bij de plaatsing van onderstations, vooral in dichtbevolkte gebieden, wordt ervoor gezorgd dat de locatie het uitzicht op het landschap niet belemmert en geen afbreuk doet aan de esthetiek van commerciële of woonwijken. De fysieke omvang van onderstations kan grote gebieden bestrijken omdat de hoogspanningscomponenten door lucht van elkaar geïsoleerd zijn en dus over aanzienlijke afstanden van elkaar gescheiden moeten worden. Historisch gezien hebben deze problemen de installatie van grote onderstations beperkt tot gebieden met een relatief geringe bevolkingsdichtheid. Sinds de jaren tachtig worden onderstations echter geïsoleerd met onder druk staand zwavelhexafluoridegas (SF 6). Door de sterk isolerende kwaliteit van SF 6 kan de omvang van deze met gas geïsoleerde onderstations veel minder dan 25 procent bedragen van de omvang van een met lucht geïsoleerd onderstation met hetzelfde vermogen. Bij sommige toepassingen, met name die in de nabijheid van bevolkingscentra, kan het gehele onderstation in gebouwen worden ondergebracht, waardoor esthetische bezwaren en aantasting door de omgeving worden verminderd. Niettemin wordt in het algemeen nog steeds de voorkeur gegeven aan luchtgeïsoleerde onderstations vanwege de hogere kosten en de bezorgdheid over het milieu in verband met het vrijkomen van SF 6 (dat als broeikasgas wordt onderzocht).

SYSTEEM INTERCONNECTIE

De primaire functie van onderstations is te voorzien in een interconnectie tussen transmissielijnen die zich uitstrekken naar andere geografische gebieden en tussen delen van het systeem die met verschillende spanningen kunnen werken. Een belangrijk aspect van het onderstationontwerp is de regeling van de verbindingen via stroomonderbrekers naar gemeenschappelijke knooppunten die bussen worden genoemd. Stroomonderbrekers zijn grote elektrische schakelaars die het mogelijk maken de transmissielijnen of transformatoren van de bus los te koppelen. Transformatoren zorgen voor een verandering in spanning.

Bussen

Bussen zijn meestal gemaakt van aluminium of koper en zijn stijve staven in het onderstation, geïsoleerd van de aarde en andere apparatuur door middel van ruim isolatiemateriaal, meestal lucht of zwavelhexafluoride. De opstelling van de bussen in het onderstation kan in een aantal verschillende categorieën vallen; de meest voorkomende worden in tabel 1 geïllustreerd en toegelicht. De juiste configuratie wordt gekozen door een zorgvuldige afweging van kosten, betrouwbaarheid, controle en ruimte

Single Bus – Alle aansluitingen zijn verbonden met één enkele bus, met één stroomonderbreker voor elke bus. Deze regeling geniet de voorkeur vanwege de eenvoud en de lage kosten, hoewel zij het minst wenselijk is met betrekking tot de betrouwbaarheid. Onderhoud aan onderstationuitrusting vereist dat verbindingen uit dienst worden genomen. – Dit type bus is gewoonlijk de voorkeursconfiguratie in onderstations op of onder 130 kV.
Hoofd- en transferbus – Net als bij de enkele busconfiguratie is elke aansluiting via een stroomonderbreker met de hoofdbus verbonden, maar de onderbreker kan met scheidingsschakelaars via een transferbus en een andere onderbreker naar de hoofdbus worden omzeild. Dit maakt isolatie van de stroomonderbreker voor onderhoud mogelijk zonder verlies van service aan de aansluiting. – Gebruikt in meer kritische toepassingen bij of onder 130 kV, en soms bij hogere spanningen.
Ring Bus – Bij dit schema zijn alle vermogenschakelaars in een gesloten lus met elkaar verbonden, waarbij de verbindingen binnenkomen op het knooppunt tussen de vermogenschakelaars. Op deze manier kan elke verbinding worden geïsoleerd of elke stroomonderbreker worden verwijderd zonder de andere verbindingen te onderbreken. Dit biedt een hoger niveau van redundantie dan de hierboven genoemde systemen. Besturing en beveiligingsrelais zijn bij deze opstelling iets gecompliceerder. – Gewoonlijk aangetroffen in onderstations boven 130 kV, in kleinere onderstations. Vaak geïnstalleerd met de verwachting van een toekomstige uitbreiding naar een breaker-and-a-half-schema.
Breaker-and-a-half-schema – Dit schema heeft twee gelijke bussen, waartussen drie breakers zijn aangesloten. Elke verbinding kan via één breker met één van de bussen worden verbonden, en in het geval dat één breker buiten dienst is of onderhoud behoeft, kan de verbinding nog steeds via de twee brekers naar de andere bus worden bediend. De naam van deze regeling komt van het feit dat twee aansluitingen worden bediend door drie onderbrekers, zodat er gemiddeld anderhalve onderbreker per aansluiting is. Deze regeling is minder gecompliceerd dan de ringbus, met een hogere betrouwbaarheid, maar is duurder. – Meest voorkomend op systemen boven 130 kV.
Dubbele Bus – Een dubbele bus, dubbele breker regeling biedt een verbinding naar elke bus via een onafhankelijke breker voor elke verbinding. Dit biedt volledige redundantie in geval van storing, of de noodzaak om onderhoud uit te voeren aan een stroomonderbreker of bus, maar is de duurste configuratie. – Gewoonlijk aangetroffen in de meeste kritieke transmissieonderstations en in generatoronderstations.
Buslijn, Transformator, of Load ↓ Disconnect Switch -⦧ Circuit Breaker □

beperkingen. Als het onderstation kritische belastingen bedient, kan de behoefte aan hoge betrouwbaarheid de hogere kosten van een complexere busindeling rechtvaardigen, terwijl voor minder kritische belastingen ruimtebeperkingen een minimale busindeling kunnen dicteren.

Ontkoppelschakelaars

Voor elk apparaat in een onderstation zijn handmatige schakelaars, zogeheten scheidingsschakelaars, aanwezig om volledige elektrische isolatie van apparatuur af te dwingen voordat er onderhoud wordt uitgevoerd. Scheidingsschakelaars worden op duidelijk zichtbare plaatsen aangebracht, zodat onderhoudspersoneel voortdurend kan controleren of de apparatuur is geïsoleerd. De onderbrekingsschakelaar kan de stroom niet onderbreken, dus hij wordt alleen geopend als de stroom al is onderbroken door een automatische schakelaar zoals een stroomonderbreker.

Circuit Breakers

Circuit Breakers zijn schakelaars die worden bediend door een signaal, van een relais of van een operator. De stroomonderbreker is ontworpen om de zeer grote stromen te onderbreken die kunnen optreden wanneer het systeem een fout vertoont, zoals een blikseminslag of een vlamboog naar de aarde (bv. een boom die op een leiding valt, of een leiding die op de grond valt). Omdat deze extreem grote stromen ernstige schade kunnen toebrengen aan apparatuur zoals transformatoren of generatoren, en omdat deze storingen de goede werking van het gehele elektriciteitssysteem kunnen verstoren, zijn de stroomonderbrekers ontworpen om snel genoeg te werken om schade aan apparatuur te voorkomen, vaak in 100 milliseconden of minder.

De contacten van de stroomonderbreker bestaan uit twee stukken metaal die ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Wanneer de stroomonderbreker gesloten is, raken de contacten elkaar en stroomt er vrijelijk stroom tussen hen. Wanneer de stroomonderbreker opent, worden de twee contacten gescheiden, meestal door een zeer sterke veer of een pneumatische aandrijving. Terwijl de contacten scheiden, blijft er stroom doorheen lopen en wordt het materiaal ertussen geïoniseerd, waardoor een geleidend plasma wordt gevormd. Om isolatie te verschaffen moet het plasma worden geëlimineerd en moeten de contacten op voldoende afstand van elkaar worden gehouden om te voorkomen dat opnieuw een boog wordt ontstoken. Verscheidene verschillende technologieën worden toegepast om vier veel voorkomende types stroomonderbrekers te verkrijgen.

Air blast stroomonderbrekers zijn geïsoleerd door lucht, en het plasma wordt gedoofd door een blast van perslucht die tussen de contacten wordt geblazen. Deze komen minder vaak voor dan de andere typen en worden over het algemeen niet meer toegepast in nieuwe installaties vanwege de afmetingen, en problemen met het onderhoud van de compressoren. Olie-gevulde stroomonderbrekers hebben de contacten ingesloten in een verzegelde tank van zeer geraffineerde olie, met oliekanalen ontworpen om olie tussen de contacten te forceren om de boog te doven wanneer de contacten openen. Deze stroomonderbrekers komen vaak voor, maar worden steeds minder populair wegens de bezorgdheid om het milieu in verband met het risico van olielekken. Hoewel breekhamers slechts zelden stuk gaan, kan bij één storing honderden liters olie weglekken, wat zeer dure herstelprocedures vereist. De meest populaire stroomonderbrekers voor hoogspanningssystemen zijn gasgevulde stroomonderbrekers, waarbij de contacten zijn ingesloten in een verzegelde tank onder druk van SF6. Deze zijn zeer betrouwbaar gebleken, hoewel er enige bezorgdheid over het milieu is geweest in verband met het vrijkomen van SF6 bij het onderhoud van het apparaat of wanneer de tank scheurt. Voor toepassingen met een lager voltage (minder dan 34 kV) worden vaak vacuümonderbrekers gebruikt. Deze elimineren het overspringen van vonken door de contacten in een geëvacueerde kamer onder te brengen. Omdat er geen te ioniseren vloeistof is, kan er geen plasma worden gevormd. Hun grote voordeel is een zeer snelle reactietijd en het wegnemen van milieuproblemen.

Naast stroomonderbrekers zijn er nog andere klassen van automatische schakelaars die op afstand kunnen worden bediend of gecontroleerd, maar met stroomonderbrekend vermogen. Deze omvatten circuit switchers, reclosers, en sectionalizers.

Transformatoren

Vermogen transformatoren vervullen de zeer belangrijke functie van het verbinden van delen van het energiesysteem die op verschillende spanningen staan. Zij bevinden zich uitsluitend in onderstations, behalve in het distributiesysteem, waar zij op palen of blokken kunnen worden gemonteerd, dicht bij de belastingen die zij bedienen.

SYSTEEMBEWAKING EN -BESCHERMING

Het onderstation is een controlepunt voor de bedrijfsparameters van het systeem. Het elektriciteitssysteem is een uiterst complex en gevoelig samenraapsel van onderdelen die allemaal op elkaar moeten zijn afgestemd om goed te kunnen functioneren. Daarom moeten de bedrijfsomstandigheden zeer nauwkeurig worden geobserveerd en gecontroleerd. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van gespecialiseerde sensoren om de informatie te vergaren en vervolgens van communicatiesystemen om de informatie naar een centraal punt over te brengen. Voor een onmiddellijke reactie op systeemstoringen (zoals beschadigde geleiders, vlambogen of andere ongewenste bedrijfsomstandigheden) wordt een systeem van beveiligingsrelais (bestaande uit sensoren en geautomatiseerde schakelaars) gebruikt om stroomonderbrekers te bedienen.

Instrumenttransformatoren

De hoge spanningen en stromen die in een onderstation worden waargenomen, overschrijden de spannings- en stroomwaarden van bewakingsapparatuur, zodat instrumenttransformatoren worden gebruikt om deze om te zetten naar lagere waarden voor bewakingsdoeleinden. Instrumenttransformatoren kunnen worden gecategoriseerd als stroomtransformatoren (CT’s) of spanningstransformatoren (VT’s), die soms ook als potentiaaltransformatoren worden aangeduid. CT’s bestaan meestal uit een ringkern van magnetisch materiaal, omwikkeld met een relatief groot aantal windingen van fijne draad, waarbij de te meten stroom door het midden van de ringkern loopt. Deze apparaten worden vaak geplaatst in de bussen van stroomonderbrekers en transformatoren om de stroom in die apparaten te kunnen meten. De bussen zijn de speciale geïsoleerde verbindingen die de stroom van de buitenlucht in een verzegelde metalen behuizing laten passeren. VT’s hebben tot taak de spanning te verlagen tot een meetbaar niveau. Er is er gewoonlijk één aangesloten op elk van de onderstationbussen. Meestal zijn VT’s op dezelfde manier opgebouwd als andere transformatoren, hoewel soms een capacitieve koppeling de elektromagnetische eigenschappen kan versterken of vervangen. Recente vorderingen in de technologie hebben een nieuwe klasse van CT’s en VT’s ontwikkeld die optische apparaten zijn die gebruik maken van gespecialiseerde materialen en geavanceerde signaalverwerkingstechnieken om stroom te bepalen op basis van de polarisatie van licht zoals beïnvloed door de magnetische veldsterkte, en spanning op basis van de polarisatie van licht zoals beïnvloed door de elektrische veldsterkte. Hoewel deze apparaten aanzienlijk duurder zijn dan de traditionele technologieën, bieden zij een grotere nauwkeurigheid en betrouwbaarheid en een betere elektrische isolatie.

Als de bedrijfsomstandigheden eenmaal zijn gemeten, wordt de informatie doorgegeven aan een centrale locatie met behulp van een systeem dat bekend staat als SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). De gegevens van het SCADA-systeem worden weergegeven in het regionale dispatch centre, zodat de operatoren weten welke acties moeten worden ondernomen voor een optimale werking van het systeem.

Beveiligingsrelais

Instrumenttransformatoren leveren input aan het automatische beveiligingssysteem. Om snel op storingen te kunnen reageren, accepteert een groep apparaten, relais genaamd, de spannings- en stroomsignalen, bepaalt wanneer er sprake is van abnormale omstandigheden, en opent de stroomonderbrekers als reactie op de storingsomstandigheden. Het ontwerp van het beveiligingssysteem opent alleen de vermogensschakelaars die zich het dichtst bij het probleem bevinden, zodat de rest van het systeem zijn normale werking kan hervatten nadat de storing uit het systeem is geïsoleerd. In het verleden werd voor het bepalen van de te openen vermogensschakelaars gebruik gemaakt van diverse elektromechanische apparaten, waarvan de noodzakelijke vergelijkingen en vertragingen in het ontwerp waren ingebouwd. Deze omvatten overstroomrelais, richtingsrelais, afstandsrelais, differentiële relais, onderspanningsrelais, en andere. Deze elektromechanische apparaten hebben sinds het begin van de 20e eeuw bewezen robuust en betrouwbaar te zijn. Aan het eind van de jaren 1950 kwam een nieuwe klasse relais op de markt, de solid-state relais, die gebruik maakten van analoge schakelingen en logische poorten en in wezen dezelfde prestaties leverden, maar dan zonder bewegende delen en dus met minder onderhoudsvereisten. Met de komst van goedkope microprocessoren van hoog niveau is een nieuwe generatie relais geboren, waarbij één enkel relais op basis van een microprocessor alle functies vervult van verscheidene verschillende elektromechanische of solid-state relais. De microprocessor biedt de voordelen van een grotere nauwkeurigheid, een betere storingsgevoeligheid, een betere selectiviteit, flexibiliteit, gebruiks- en testgemak en zelfdiagnostische mogelijkheden. Ze kunnen in het SCADA-systeem worden geïntegreerd om de oorzaak van het openen van de breker door te geven, en kunnen op afstand worden bediend, gereset en geactualiseerd. Deze voordelen zijn de reden waarom relais op basis van een microprocessor in de meeste nieuwe installaties worden aangetroffen en ook achteraf in veel bestaande onderstations worden ingebouwd.

Naast bescherming tegen te hoge stromen moet apparatuur ook worden beschermd tegen te hoge spanningen die vaak het gevolg zijn van blikseminslagen of schakeltransiënten. Vanwege de hoge snelheid van deze spanningspieken zijn relais en stroomonderbrekers niet in staat tijdig te reageren. In plaats daarvan wordt dit soort bescherming geboden door overspanningsbeveiligingen, dit zijn passieve apparaten die overspanningen voorkomen zonder bewegende delen. Een air gap was het vroegste type overspanningsbeveiliger, waarbij een speciale set contacten op een afstand van elkaar zijn geplaatst die wordt bepaald door de maximaal toelaatbare spanning. Wanneer de spanning die drempel overschrijdt, vormt zich een boog die de overspanning in wezen kortsluit. De nieuwere overspanningsbeveiligingstechnologie is de metaal-oxide varistor (MOV). Dit is een apparaat dat zich gedraagt als een zeer grote weerstand bij spanningen onder de gespecificeerde drempelwaarde, maar bij spanningen boven de drempelwaarde daalt de weerstand van het apparaat drastisch, waardoor effectief genoeg stroom wordt onttrokken om de spanning te beperken, maar zonder deze kort te sluiten.

SYSTEM VOLTAGE CONTROL

Een van de belangrijkste functies van een onderstation is het verschaffen van de middelen om de spanningen en de energiestroom te controleren en te regelen. Deze functies worden vervuld door feedback van een geautomatiseerd systeem of door instructies op afstand van het dispatch centre met behulp van een reeks apparaten en systemen in het onderstation.

Een lastscheidingsschakelaar, een integraal onderdeel van een vermogenstransformator, is een speciale schakelaar die de spanningsverhouding van de transformator naar boven of beneden bijstelt om de spanning aan de belastingszijde op het gewenste niveau te houden ondanks veranderende spanningen aan de bronzijde. Condensatorbanken worden gebruikt om de spanning in een onderstation te verhogen wanneer deze te laag is geworden, vooral in gebieden met grote industriële belastingen. Shunt reactors worden gebruikt om spanningen te verlagen die te hoog zijn opgelopen als gevolg van de capaciteit in de transmissie- of distributielijn.

Een andere klasse van apparaten die worden gebruikt om de spanning te regelen, wordt bediend met behulp van elektronische schakelaars met stroomvoorziening om de capaciteit en/of de inductantie in een onderstation voortdurend aan te passen om de spanning precies op het gewenste niveau te houden. Deze apparaten zijn vrij nieuw in toepassing, die met de komst van goedkope en robuuste machtshalfgeleidercomponenten zijn ontwikkeld. Deze apparaten maken deel uit van een groep die algemeen als FACTS (Flexible AC Transmission System) apparaten wordt bekend en statische var compensators, statische synchrone compensators, en dynamische voltage restorers.

John A. Palmer

Zie ook: Condensatoren en ultracondensatoren, elektromotorsystemen; elektrische stroomopwekking; elektrische stroom, systeembeveiliging, -regeling en -bewaking; elektrische stroom, systeembetrouwbaarheid en; elektrische stroomtransmissie- en -distributiesystemen; isolatie; transformatoren.

BIBLIOGRAFIE

Asea Brown Boveri. (1988). Selectie en toepassing van gasgeïsoleerd schakelmateriaal. North Brunswick, NJ: Auteur.

Bosela, T. R. (1997). Introduction to Electrical Power System Technology. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.

Faulkenberry, L. M., and Coffer, W. (1996). Electrical Power Distribution and Transmission. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.

Glover, J. D., and Sarma, M. (1994). Power System Analysis & Design, 2nd ed. Boston: PWS.

Geef een reactie

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