1

Schakelen op hoogspanning

Woensdag 28 april 2004J. Peuteman

2

Schakelen op hoogspanning

• Hoofdstuk 1: Waarom hoogspanning?• Hoofdstuk 2: Schakelaars• Hoofdstuk 3: Het schakelen• Hoofdstuk 4: Elektrische veiligheid

3

Waarom Hoogspanning?

• Windenergiepark op de Thorntonbank

• 60 windturbines van 3,6 MW tot 5 MW

• generatorspanning optransformeren tot 33 kV

4

Waarom hoogspanning?

• Windturbines verbonden via 33 kV netwerk

• transformatorplatform welke 33 kV transformeert naar 150 kV

5

Waarom hoogspanning?

• 150 kV zeekabel van 38 km lengte

• transporteert energie alle windturbines samen

• komt toe in “Slijkens” te Bredene

6

Waarom hoogspanning?

• Tenslotte de 150 kV terug naar beneden transformeren om verbruikers te voeden.

• Laagspanningsnet 400 V / 230 V• Waarom hoogspanning?• Beperken joule verliezen tijdens

energietransport

7

Waarom hoogspanning?

• Rekenvoorbeeld:

• P = 240 MW en lijnspanning van 150 kV.• Koperen kabels met sectie 625 mm2

• Jouleverlies = 2,7 MW, ongeveer 1%.• AANVAARDBAAR

8

Waarom hoogspanning?

• Rekenvoorbeeld:

• Alle gegevens blijven dezelfde, maar 33 kV• Jouleverlies = 56 MW• ONAANVAARDBAAR!!

9

Waarom hoogspanning?

• Inderdaad:

• P = U I

• hoe hoger U, hoe lager I• hoe lager jouleverliezen

10

Waarom hoogspanning?

• Natuurlijke reflex:• spanning zo hoog mogelijk

• Is foute reflex! Waarom?

• veiligheid• isolatie en andere apparatuur is duurder

11

Waarom hoogspanning?

• P ~ U2

12

Waarom hoogspanning?

• HS-net: AC of DC?

• Meestal AC dankzij transformatoren

• Soms DC

13

Waarom hoogspanning?

• HVDC

• High Voltage Direct Current

14

Waarom hoogspanning?

• DC-transmissie: HVDC

• Voor zelfde hoeveelheid koper, zelfde isolatieniveau en zelfde hoeveelheid getransporteerd vermogen

• minder jouleverlies

15

Waarom hoogspanning?

• Voor zelfde hoeveelheid getransporteerd vermogen en zelfde jouleverlies

• minder koper nodig = besparing• Rendeert enkel bij lange afstanden (> 750

km) want er is behoefte aan dure• gelijkrichter• wisselrichter

16

Waarom hoogspanning

• HVDC • grote vermogens

transporteren over lange afstand

• koppelen 50 Hz en 60 Hz net

• koppelen niet gesynchroniseerde netten

17

Schakelen op hoogspanning

• Hoofdstuk 1: Waarom hoogspanning?• Hoofdstuk 2: Schakelaars• Hoofdstuk 3: Het schakelen• Hoofdstuk 4: Elektrische veiligheid

18

Schakelaars

• Belangrijk onderscheid tussen

• vermogenschakelaar• lastschakelaar

• scheidingsschakelaar

19

Schakelaars

• Vermogenschakelaar kan kortsluitstromen onderbreken

• Lastschakelaar kan belastingsstromen onderbreken

• Scheidingsschakelaar enkel stroomloos bediend

• m

20

Schakelaars

21

Schakelaars

• Bij openen stroomvoerende kring:• eerst openen vermogenschakelaar• dan openen scheidingsschakelaars

• Bij sluiten kring:• eerst sluiten scheidingsschakelaars• daarna sluiten vermogenschakelaar

22

Schakelaars

• Nut scheidingsschakelaar?

• Nadat vermogenschakelaar of lastschakelaar geopend is, zorgt de scheidingschakelaar voor zichtbare onderbreking.

• Als je aan installatie werkt wil je ZIEN dat deze spanningsloos is.

23

Schakelaars

• Uitvoeringsvormen

• Openbouwinstallaties• Gasdicht-metaalomsloten installaties• Omsloten installaties

24

Schakelaars

• Openbouwinstallaties

• voor hoge spanningen• snelle montage,

bereikbaarheid en uitbreiding

• relatief goedkoop

25

Schakelaars

26

Schakelaars

• Gasdicht-metaal-omsloten installaties

• isolatie via perslucht of SF6

• veiligheid en weinig onderhoud

• neemt weinig plaats in

27

Schakelaars

• Omsloten installaties

• elektrische en mechanische afscherming

• niet gasdicht• enkel MS en LS, geen HS

28

Schakelaars

• Technologische uitvoering schakelaars

• SF6-schakelaars• Persluchtschakelaars• Vacuümschakelaars

29

Schakelaars

• SF6-schakelaars

– bij hoogspanning en middenspanning– kan hoge kortsluitstromen onderbreken– SF6 heeft goede isolerende eigenschappen

– geen SF6-lekken toegelaten

30

Schakelaars

• SF6-schakelaars: eendrukschakelaars

31

Schakelaars

• figuur A: bewegend en vaststaand contact zijn op elkaar gedrukt

• figuur B: openen contacten vormt boog en bewegend zwart stuk comprimeert SF6

• figuur C: eenmaal boog gedoofd via nuldoorgang stroom, ontsnapt de SF6. Verse SF6 voorkomt herontsteken

32

Schakelaars

• SF6-schakelaars: zelfblusschakelaars

33

Schakelaars

• figuur A: bewegend en vaststaand contact zijn op elkaar gedrukt

• figuur B: openen contacten vormt boog en boog levert energie om drukverschil op te bouwen

• figuur C: eenmaal boog gedoofd via nuldoorgang stroom, ontsnapt de SF6. Verse SF6 voorkomt herontsteken

34

Schakelaars

• Technologische uitvoering schakelaars

• SF6-schakelaars• Persluchtschakelaars• Vacuümschakelaars

35

Schakelaars

• Persluchtschakelaars

– bruikbaar tot hoogste spanningen (765 kV)– persluchtlek is onschadelijk voor milieu

– veel lawaai

36

Schakelaars

• Persluchtschakelaars

37

Schakelaars

• Bij openen contacten ontstaat een boog• Toevoer van perslucht ververst het medium

tussen de contacten, heeft dus isolerende eigenschappen

38

Schakelaars

• Technologische uitvoering schakelaars

• SF6-schakelaars• Persluchtschakelaars• Vacuümschakelaars

39

Schakelaars

• Vacuümschakelaars

– weinig onderhoud– geen brand of explosiegevaar– geruisloos

– bovengrens op uit te schakelen spanning

40

Schakelaars

• Vacuümschakelaars

41

Schakelaars

• Bij openen contacten ontstaat een boog• Verdampen metaaldeeltjes doch ook

neerslag metaaldeeltjes op de wand• De boog dooft bij nuldoorgang, productie

metaaldamp stopt maar neerslag gaat nog tijdje door

• Terug een echt vacuüm tussen de contacten

42

Schakelen op hoogspanning

• Hoofdstuk 1: Waarom hoogspanning?• Hoofdstuk 2: Schakelaars• Hoofdstuk 3: Het schakelen• Hoofdstuk 4: Elektrische veiligheid

43

Het schakelen

• Ohmse kring: R1 = net, R2= belasting

• R1 << R2

44

Het schakelen

• Bij kortsluiting wordt de stroom enkel beperkt door R1

• Grote kortsluitstroom welke gedurende meerdere netperiodes vloeit

• Openen kring op t = t0 en ontstaan boog

• Boog dooft bij nuldoorgang op t = t1

• Boog mag niet heropkomen

45

Het schakelen

46

Het schakelen

• Inductieve kring: L1 = net, L2 = belasting

• L1 << L2, parasitaire C

47

Het schakelen

• Bij kortsluiting wordt de stroom enkel beperkt door L1, stroom ijlt na op spanning

• Grote kortsluitstroom welke gedurende meerdere netperiodes vloeit

• Openen kring op t = t0 en ontstaan boog

• Boog dooft bij nuldoorgang op t = t1

• Boog mag niet heropkomen

48

Het schakelen

• Spanning over schakelaar S verandert vanaf t = t1 niet ogenblikkelijk, maar wel snel.

• Spanning over S is de netspanning met een hoogfrequent overgangsverschijnsel er op gesuperponeerd.

• Spanning over S stijgt snel en wordt groot, er mag geen nieuwe boog gevormd worden.

49

Het schakelen

50

Het schakelen

• Conclusie:

– het onderbreken van een inductieve kring is veel moeilijker dan het onderbreken van een ohmse kring.

51

Het schakelen

• Ohms-inductieve kring:

– er ontstaat een gedempt overgangsverschijnsel na doven boog op t = t1

52

Het schakelen

• Tot nu toe: boogdoving bij natuurlijke nuldoorgang

• Alternatief: stroomafrukking

• Voorbeeld: onderbreken primaire onbelaste transformator (inductief)

53

Het schakelen

• Stroomafrukking

54

Het schakelen

• Op het ogenblik van de stroomafrukking:– energie in L1 en parasitaire C1

– als energie uit L1 in C1 komt, wordt spanning over C1 erg hoog zodat boog herontstaat

– via nieuwe boog afvoer ladingen van C1, spanning daalt terug

– verdere omzetting energie uit L1 naar C1

– alles herhaalt zich een aantal keer

55

Schakelen op hoogspanning

• Hoofdstuk 1: Waarom hoogspanning?• Hoofdstuk 2: Schakelaars• Hoofdstuk 3: Het schakelen• Hoofdstuk 4: Elektrische veiligheid

56

Elektrische veiligheid

• Bij het uitvoeren van schakelingen zijn de vitale vijf erg belangrijk.

• DE VITALE VIJF– vrijschakelen– vergrendelen– meten– aarden– afbakenen

57

Elektrische veiligheid

• Vrijschakelen– stroom onderbreken via vermogenschakelaar

(lastschakelaar) en daarna via scheidingsschakelaar

58

Elektrische veiligheid

• Vergrendelen– beveiligt de werkplaats tegen herinschakelen

tijdens uitvoeren werken– via hangsloten herinschakelen vermijden– signalisatieborden

59

Elektrische veiligheid

• Meten– controleren of het elektrisch onderdeel effectief

spanningsloos is.– Ondubbelzinnig meettoestel

60

Elektrische veiligheid

• Aarden– Elektrische installatie verbinden met de aarde– Aarden via geleiders met gepaste sectie die

stevig bevestigd zijn

61

Elektrische veiligheid

• Afbakenen– afbakenen gebied waarin gewerkt wordt– via platen (+signalisatie) contact vermijden met

andere installaties die nog onder spanning staan

62

Schakelen op hoogspanning

• Bedankt voor uw aandacht

• zie: http://www.khbo.be/~peuteman/schakelenHS.htm