‘Tussen Haringvliet en Maasbracht wordt een ondergrondse gelijkstroom hoogspanningsverbinding (HVDC) van 525 kV gelegd. Over ruim 160 kilometer komt deze op een diepte van 1,5 meter. Deze verbinding kan 2 GW (2000 MW) vermogen overbrengen en dient om industriecomplex Chemelot in Zuid-Limburg te verbinden met windparken op de Noordzee. De route loopt langs Breda, Tilburg en Eindhoven.’
Dit schrijft het Technisch Weekblad van 7 september 2023.
a) Bereken de stroomsterkte door de kabels.
Er geldt: P = UI. Invullen levert: 2 ·109 = 525 · 103 · I. Dit levert: I = 3,81 · 103 A.
Verderop in het artikel staat een foto van de gebruikte HVDC-kabel.
Op de kabel staan de volgende gegevens:
b) Bereken met behulp van gegevens uit het etiket de weerstand van de kabel heen en terug.
Je ziet dat de kabel van koper is en een doorsnede heeft van 2500 mm².
Voor de weerstand geldt: R = ρℓ/A. Invullen levert:
$R=\frac{\rho l}{A}=\frac{17\cdot 10^{-9}\cdot 320\cdot 10^3}{2500\cdot 10^{-6}}=2,18~\Omega$
c) Bereken hieruit het spanningsverlies over de kabel.
U = IR = 3,81 · 103·2,18 = 8,31 · 103 V.
d) Bereken welk percentage van de spanning verloren gaat bij het energietransport.
Dit is 9,31 · 103 / 525 · 103 = 0,0158 = 1,6 %.
e) Leg uit dat dit percentage ook geldt voor het vermogensverlies tijdens het transport.
Er geldt P = UI. Het gaat over dezelfde stroomsterkte. (Dus P1 / P2 = U1 / U2)
Bij transport van hetzelfde vermogen bij een kleinere spanning, is het verliespercentage groter.
f) Leg uit hoe dit komt.
Je zou de bovenstaande berekeningen kunnen langslopen. Dan zie je: hetzelfde vermogen bij een lagere spanning vergt een hogere stroomsterkte. Dan is ook de spanning die verloren gaat groter en dit is dan een groter percentage van de spanning over de leiding.
Een andere manier is: Het verliesvermogen is I²R, dus als de spanning lager is en de stroom groter, dan is het verlies groter.
‘De stroomsnelwegen van 525 kV gelijkspanning (DC: direct current) vormen een ‘extra’ stroomnet (‘overlay-net’) naast het wisselstroomnet. Naast extra kabels bevat het converterstations om wisselspanning om te zetten in gelijkspanning en andersom. De converters werken op basis van halfgeleidertechniek.‘ HVDC-lijnen of -stations zijn in- of uit te schakelen met behulp van vermogensschakelaars (schakelaars die een groot vermogen kunnen in- en uitschakelen.) Dat is minder eenvoudig dan bij wisselspanning.’
g) Geef de reden daarvoor.
Als de stroom onderbroken wordt, blijft er spanning over de twee punten staan. Daardoor kan er een vlamboog tussenbeide punten ontstaan, dat is een vonk tussen de beide punten van de schakelaar. Bij deze hoge spanningen is dat niet ondenkbaar. Er zijn speciale hoog-vermogens-schakelaars voor ontworpen.
h) Leg uit hoe wisselspanning eenvoudiger is aan en uit te schakelen.
Bij 50 Hz wisselstroom is er honderd keer per seconde geen stroom (het nulmoment), wat de kans biedt om te schakelen.
Bij hoge wisselspanning (HVAC) zijn er behalve de verliezen door de weerstand van de kabel (zie vraag B C D) ook nog elektromagnetische verliezen. Deze ontstaan doordat het magnetisch veld dat geïnduceerd wordt door de stroom bij wisselstroom steeds van richting wisselt. Als twee kabels dicht bij elkaar liggen, bevinden ze zich in elkaars veld. Bij gelijkspanning speelt dit effect niet. Dit is een belangrijke reden om voor HVDC-verbindingen te kiezen.
i) Leg uit hoe de magnetische velden elkaar kunnen beïnvloeden, zodat er extra verliezen ontstaan.
Het veranderende magneetveld van een kabel kan in de andere een inductiestroom opwekken, die de stroom in die kabel tegenwerkt.
