Vorig weekeinde was het Dag van de Bouw. Dit is een jaarlijkse gelegenheid om een kijkje te nemen bij bouwprojecten, vaak op plaatsen waar dat daarna nooit meer kan. Met mijn vader bezocht ik het transformatorstation dat Tennet bij Wijk aan Zee aan het bouwen is voor het aansluiten van windparken op zee op het 380 kV koppelnet.
De windmolens leveren hun energie met 66 kV aan een platform op zee. Hier transformeert een transformator het omhoog naar 220 kV, waarna het met twee kabels per platform, zes in totaal, aan land wordt gebracht.
De kabels sluiten aan op het grote transformatorstation dat wij bezochten. Het totale geplande vermogen voor dit station loopt in fases op tot 2,1 GW!
Hier troffen wij, tot onze verbazing, naast de te verwachten transformatoren van 220 naar 380 kV en grote schakeltuinen ook enorme 220 kV zelfinducties aan, bijna net zo groot als de bijbehorende transfomator. Helaas was er geen hoogspanningsdeskundige ter plaatse om een en ander te verklaren.
De avond na het bezoek kwam de gedachte op dat deze zelfinducties wel eens belangrijk konden zijn in verband met het compenseren van de capaciteit van de tientallen kilometers lange coaxiale hoogspanningskabels op zee. Maar is dat zo? Gelukkig hadden we veel foto’s gemaakt.
Als eerste de eigenschappen van de spoel:
De eigenschappen van de 220 kV kabel op zee:
Op de foto zien we de oppervlakte en materiaal van de geleiders, het isolatiemateriaal XLPE en, met wat pixels tellen, dat de diameter van het scherm ruw 2x die van de mantel is. Uit de oppervlakte berekenen we de diameter van de kern, 45 mm. De diëlectrische constante van XLPE is volgens internet 2.2. Nu hebben we genoeg gegevens om in een online coax rekenprogramma te stoppen:
De kabels zijn tientallen km lang. Moeten we deze bij 50 Hz beschouwen als een transmissielijn? De verkortingsfactor met dit diëlectricum is 1/sqrt(2,2) = 0,67. De golflengte van 50 Hz in de kabel wordt dan 4000 km. Tientallen km is in vergelijking daarmee kort, dus overheerst eenvoudigweg de capaciteit.
2 pF/in komt neer op een kleine 80 nF/km.
Als de spoel in het station en de capaciteit van de kabel in resonantie zijn is de impedantie van de parallelschakeling van beiden maximaal en hoeft er geen blindstroom te lopen door de transformatoren aan beide uiteinden van de kabel, wat wenselijk lijkt. De impedanties van spoel en condensator moeten hiertoe elkaars geconjungeerde zijn, gelijk maar met tegengesteld teken.
Een impedantie van -500 jΩ bij 50 Hz komt overeen met een condensator van 6,4 µF. Bij -1300 jΩ is dat 2,4 µF. Delen we dat door de kabelcapaciteit per km dan komen we op te compenseren lengtes van 30 tot 80 km, hetgeen niet onrealistisch lijkt!
Met een vermogen tot 100 MVAr van deze spoel zal deze compensatie belangrijk zijn. Ik weet niet hoeveel vermogen door deze 220 kV verbinding kan gaan, maar dit zou bij een lange kabel tot tientallen procenten van het totaal kunnen zijn. Dat is zonde om te vermorsen aan blindstroom.
Het was een interessante open dag, en een leuke puzzel. Het lijkt er op dat de natuurkunde hetzelfde blijft, of het nu om mW of vele MW gaat.