De Ingenieur/Jaargang 39/Nummer 1/Het onderstation te Heerlen
| ‘Het onderstation te Heerlen voor 1200 volt gelijkstroom met 600 volt wisselstroom gelijkstroomconvertors en snelschakelaar van de Limburgsche Tramweg-Maatschappij’ door H. Brunner |
| Afkomstig uit De Ingenieur, jrg. 39, nr. 1 (5 januari 1924), p. 9-12. Publiek domein. |
Het onderstation te Heerlen voor 1200 volt gelijkstooom met 600 volt wisselstroom gelijkstroomconvertors en snelschakelaar van de Limburgsche Tramweg-maatschappij.
Inleiding van het bezoek van de vergadering der Afdeeling voor Electrotechniek aan het onderstation van de Limburgsche Tramweg-Maatschappij te Heerlen op 26 September 1923.
Inleiding van H. Ruyten.
De directeur van de Limburgsche Tramweg-Maatschappij, H. Ruyten te Roermond, heet de leden welkom met de volgende toespraak.
„Het is voor mij een buitengewoon genoegen om uw Afdeeling hier welkom te mogen heeten en u in de gelegenheid te stellen dit onderstation te bezichtigen. Het doet mij leed, u heden nog niet meer te kunnen toonen, daar ik veronderstel, dat de door ons bestelde, maar nog niet ontvangen motorwagens, die, in verband met de hellingen, met stroomterugwinning zullen worden ingericht, u eveneens belang inboezemen.
„Het is u wellicht bekend, dat onze Maatschappij bestaat uit een net van stoomtramwegen en een electrisch net. Bij de keuze der tractie heeft men hoofdzakelijk gelet op het verkeer van goederen, op de hellingen en op de bevolkingsdichtheid, zoodat in streken, waar voornamelijk behoefte aan goederenvervoer bestond, stoomtramlijnen zijn gebouwd (Wijlré—Vaals, Roermond over de Maasdorpen naar Sittard), terwijl de mijnstreek met haar groote beweeglijke bevolking en haar zeer geaccidenteerd terrein aangewezen was voor electrische exploitatie.
„Oorspronkelijk waren 2 onderstations geprojecteerd, namelijk één te Hoensbroek en één te Eygelshoven. Daar het echter te verwachten is, dat, tengevolge van den groei der gemeenten Lutterade en Beek, de lijn Beek—Lutterade—Sittard eerlang voor electrificatie in aanmerking zal komen, hebben wij gemeend reeds thans met de plaatsing der onderstations hiermede rekening te houden, en is een onderstation te Heerlen gebouwd, terwijl het andere te Sittard zal komen.
„De heer Brunner, chef van tractie der L. T. M. zal u nader de inrichting van het onderstation te Heerlen toelichten.”
Voordracht van H. Brunner,
ingenieur, chef van tractie bij de L. T. M.
Inleiding. Het onder-station is opgericht ten behoeve van de electrische lijnen der Limburgsche Tramweg-Maatschappij in en om Heerlen, welke met gelijkstroom onder een spanning van 1200 Volt in bedrijf zijn. Het is het eerste van waarschijnlijk een drietal stations, welke binnen afzienbaren tijd voor de voeding van dit tramnet noodig geacht worden. Een tweede station is reeds aanbesteed en wordt te Sittard opgericht. Bij de aanschaffing van dit eerste station golden als eerste voorwaarde absolute bedrijfszekerheid en zoo hoog mogelijk nuttig effect. De electrische inrichting is geleverd door de General Electric Company, te Schenectady, V. S. A. Tot de keuze van dit fabrikaat heeft mede geleid het rapport der Nederlandsche Commissie voor het bij electrificatie der spoorwegen te kiezen stroomstelsel van Juli 1921, waarin o. a. over de toepassing van gelijkstroom onder hooge spanning bij Amerikaansche spoor- en tramwegen gunstig wordt geoordeeld.
Met het oprichten van het gebouw (architectuur van J. Turlings, chef-bouwkundige bij de L. T. M.) werd half December 1922 en met de montage van de electrische inrichting begin Juni 1923 een aanvang gemaakt. Het volledige onderstation kwam gereed half September 1923. De montage is geschied door een Nederlandschen monteur van de firma Mijnssen & Co. te Amsterdam, welke firma hier te lande de General Electric Co. vertegenwoordigt.
Machines en transformatoren. Als machines zijn gekozen 600 Volt convertors, waarvan 2 stuks in serie worden geschakeld voor het verkrijgen van de benoodigde spanning van 1200 Volt. Zij zijn, evenals de bijbehoorende éénfase transformatoren, bedrijfszeker geconstrueerd, ook bij kortsluiting. De machines kunnen verder gemakkelijk en snel worden aangezet, [ 10 ]hebben een hoog nuttig effect, zijn sterk overbelastbaar en kunnen bij volle en bij overbelasting met cos Q = 1 werken. De aanschaffingskosten waren niet hooger dan die van een ongeveer gelijkwaardige installatie met 1200 Voltconvertors en ca. 30 tot 50 pCt. lager dan die van een dergelijke installatie met motorgeneratoren, cascade-omvormers of kwikdampgelijkrichters.
Een nadeel is dat de machines met bijbehoorende transformatoren tamelijk veel plaats innemen.
Ter beoordeeling van de spanning en afmetingen van de machines zij het volgende medegedeeld.
De vooraanstaande Engelsche constructeur Whithaker [1] berekent de grootste gelijkstroomspanning, welke bij wisselstroom gelijkstroomconvertors nog veilig kan worden toegelaten, als volgt:
Onder aanname:
a. dat de kleinste constructief uitvoerbare dikte van een collectorstrook incl. mica = 0.20 inch is, en dat
V = op te wekken spanning in Volts tusschen de borstels;
v = grootste toelaatbare gemiddelde spanning in Volts per collectorstrook;
n = kleinste aantal collectorstrooken tusschen positieven en negatieven borstel;
f = frequentie van den toegevoerden wisselstroom in perioden per sec.;
s = snelheid aan den omtrek van den collector in Eng. voet per minuut;
d = kleinste afstand van midden positieven tot midden negatieven borstel in inches;
is n = ; d = n × 0.20 = × 0.20.
b. dat een collectorstrook den weg van een borstelrij tot de eerstvolgende van gelijke polariteit, dus twee poolafstanden in 1 periode aflegt, en dus
s = .f.60. = en V = en
c. de grootste gemiddelde spanning per collectorstrook volgens Whithaker bij 50 per. machines 13 Volts en de grootste snelheid aan den omtrek van den collector 6000 tot 8000 Eng. voet per min. mag zijn, komt men tot het besluit, dat
d. de grootste gelijkstroomspanning
V = = ongeveer 1000 Volt
kan bedragen.
De machines, welke in het onderstation zijn opgesteld, hebben een collectorstrookdikte incl. mica van 5 m.M., een segmentspanning van ca. 11 Volts en een snelheid aan den omtrek van den collector van ca. 5200 Eng. voet per min. Deze getallen zijn dus geheel aan den veiligen kant.
De convertors zijn van het in Amerika gebruikelijk model, met compoundwikkeling, teneinde hoofdzakelijk de spanningsschommelingen niet te groot te doen worden en ook bij plotselinge belastingsstooten een zoo goed mogelijke commutatieverhouding te behouden. Zij maken 1000 omwentelingen per minuut en zijn zesfasig uitgevoerd. De voeding der machines geschiedt door kabels vanuit het kabelnet der Stroomverkoop-Maatschappij met 10.000 Volt draaistroom 50 per. over 3 stuks 165 K.W. éénfase transformators 10.000/445 Volt, elk voorzien van een dubbele secundaire wikkeling.
Het normale vermogen van een machine met transformatoren bedraagt 250 K.W., gemeten aan de gelijkstroomzijde. Een groep van 2 in serie geschakelde machines vertegenwoordigt dus een normaal vermogen van 500 K.W. Zelfs nadat deze groep langdurig met 500 K.W. is belast, kan de last gedurende 2 uren verhoogd worden tot 750 K.W. zonder dat de temperatuurverhooging 55° C. overschrijdt. Daarna is het aggregaat onder dezelfde voorwaarde nog gedurende 5 min. met 1500 K.W. belastbaar.
De machinespanning wordt door de compoundwikkeling automatisch zoo geregeld, dat deze bij nullast, 1200 Volt, bij 500 K.W. 1200 Volt, bij 1000 K.W. 1140 Volt en bij 1500 K.W. ca. 1025 Volt bedraagt.
Het nuttig effect van machines en transformatoren, bij de beproeving in de fabriek verkregen, bedroeg:
| bij | 11/2 | 1/1 | 3/4 | 1/2 | belasting. | |
| van de convertors | 95 | 94.5 | 93.5 | 91.7 | pCt. | |
| van de transformatoren | 97.35 | 97.9 | 98.1 | 98.06 | „ |
In het bedrijf heeft elke machine de helft der belasting voor haar rekening; het totale nuttig effect van de twee in serie geschakelde machines wordt dan practisch even groot als dat van één machine van 1200 Volt, door welke deze beide machines vervangen zouden kunnen worden.
Bij de beproeving in het onderstation liepen de convertors bij een belasting met ca. 1500 K.W, welke door middel van een waterweerstand werd verkregen, geheel vonkvrij.
Teneinde de machines zooveel mogelijk tegen rondvuur aan de borstels te beschermen, zijn borstels en borstelhouders in kasten van isoleerend materiaal [2] geplaatst; deze kasten zijn aan de buitenzijde tegenover den collector open. Tusschen deze kasten zijn verder, parallel met de eollectorstrooken op zeer korten afstand van deze nog, tegen de draairichting in, schuin staande schotten van isoleerend materiaal aangebracht.
Het doel van deze schotten is om geleidende dampen, welke op den collector ontstaan bij het optreden van een lichtboog, als het ware daarvan af te scheppen en het gevaar, dat door die dampen ontstaan kan, te verminderen. Bij een meer of minder sterke kortsluiting op de lijn en een hierbij optredenden lichtboog tusschen de borstelgroepen daalt toch de machinespanning aanmerkelijk. Nadat de kortsluiting door den gewonen gelijkstroommachine-automaat automatisch is afgeschakeld, keert de machinespanning terug; indien de gevormde dampen nog aanwezig waren, zouden zij een geleiding vormen, waardoor opnieuw een lichtboog tot stand kwam. Dit spel zou zich onder omstandigheden meermalen kunnen herhalen en aldus gevaar kunnen geven. Een groote ronde plaat, eveneens van isoleerend materiaal, welke de opening van de machine aan de collectorzijde afdekt, belet de dampen in de machine tusschen anker en veldspoelen te dringen en aldaar kortsluitingen te veroorzaken.
De machines zijn verder elk voorzien van een op de as aangebracht centrifugaalrelais dat de machine aan de gelijkstroomzijde door tusschenkomst van een hieronder beschreven snelschakelaar en den gewonen machine-automaat uitschakelt, zoodra de normale snelheid met ca. 15 pCt .wordt overschreden.
Een eveneens op de as aangebracht toestel doet mechanisch het anker in de asrichting heen en weder bewegen, waardoor een gelijkmatige slijtage van collector en sleepringen wordt verkregen.
Als reserve zijn aanwezig één 600 Volt machine en 1 éénfase transformator. Twee van de drie machines kunnen door omschakelaars, willekeurig in serie worden geschakeld. Bij uitbreiding is plaats voor twee machines van hetzelfde type en vermogen met de bijbehoorende drie transformatoren. De vloer in het onderstation is gemaakt van asphalt en heeft een groot isoleerend vermogen.
Ten slotte zij hier nog vermeld dat, in verband met proeven, welke zullen worden genomen om bij het remmen stroom terug te winnen, aan elken convertor nog een schakelaar is geplaatst, welke de seriewikkeling automatisch kortsluit, zoodra zulks plaats heeft. Het kortsluiten van de seriewikkeling is noodig omdat bij omkeering van de stroomrichting het serieveld tegengesteld is aan het shunt-veld, en de machinesnelheid te groot zou worden.
Schakelinrichting. De schakeling van het onderstation is in fig. 1 aangegeven. Aan de wisselstroomzijde zijn de machines beveiligd door olieschakelaars met maximum uitschakeling en nulspanningsbeveiliging; aan de gelijkstroomzijde in de plusleiding door een maximum automaat met nulspanningsbeveiliging, en in de minus-leiding door een bijzonderen achter het gelijkstroomschakelbord geplaatsten snelschakelaar [3] met parallel daarmede geschakelden begrenzingsweerstand. De gelijkstroomautomaat heeft, zooals dit in Amerika blijkbaar gebruikelijk is, geen vrijloopkoppeling. Daarom is in serie met dezen automaat een gewone hefboomschakelaar geplaatst, welke eerst mag worden ingezet als de automaat is ingeschakeld.
De snelschakelaar is zoo ingesteld dat hij bij ca. 1600 Amp. [ 11 ]uitschakelt, hetgeen hij de dan optredende verminderde spanning ongeveer overeenkomt met een vermogen van ca. 1600 K.W. Zoodra de snelschakelaar uitschakelt, b.v. bij kortsluiting op de lijn of bij overslag op het machineframe, wordt door den parallelweerstand de kortsluitstroomsterkte begrensd en aan den gewonen machine-automaat gelegenheid gegeven om de onderbreking van den stroomloop te voltooien. De parallelweerstand verhindert daarbij tevens het ontstaan van mogelijk te hooge spanningen tengevolge van het snelle schakelen. De schakeltijd van den snelschakelaar is ongeveer 10 tot 15 maal korter dan die van een gewonen automaat en bedraagt ca. 0.006 tot 0.008 sec. Bij de beproeving in het onderstation werd vastgesteld dat deze tijd voldoende kort was om bij niet te heftige kortsluiting het uitvallen van den olieschakelaar in de draaistroomtoevoerleiding te verhinderen. De snelschakelaar begrenst dus den duur der kortsluiting tot enkele duizendsten van een secunde. Hierdoor kan ook slechts weinig geleidende damp rondom den collector ontstaan, en is de kans dat, na het afschakelen van de kortsluiting, de terugkeerende machinespanning den damp doorlaat en een lichtboog tusschen de beide borstels doet ontstaan, gering. Overigens verhindert hij ook, dat bij geleidelijk te groote overbelasting van de machines, ten gevolge waarvan de borstels gaan vonken, een gerekte vonk tusschen de borstels kan ontstaan. De collectorstrook, die onder den borstel wegdraait en de vonk tot aan den volgenden borstel moet uitrekken, heeft voor het afleggen van dezen weg bij een 6-poligen 50 per. machine 0.01 sec. noodig, dus langer dan de schakeltijd van den snelschakelaar bedraagt.
De snelschakelaar en de borstelkasten met schotten op den collector voorkomen dan ook machinebeschadiging door kortsluitingen en te groote overbelastingen. Bij de beproeving in het onderstation werd opzettelijk een kortsluiting veroorzaakt. De vuurverschijnselen aan den collector waren daarbij van geen beteekenis.
Schakelschema onderstation Heerlen van de Limburgsche Tramweg-Maatschappij.
Fig. 1.
Bij den snelschakelaar ontbreekt elke klinkinrichting, waarvan het in beweging zetten tijd vraagt. Hij schakelt electro-magnetisch. Het contact wordt gemaakt, onderscheidenlijk verbroken, door het verlengstuk van het zeer lichte anker van een electro-magneet. Aan dit anker zijn twee sterke spiraalveeren bevestigd, welke het bij het uitschakelen met groote snelheid van den magneet aftrekken. Bij ingeschakelden schakelaar is de magneet zoo sterk, dat hij de trekkracht van de spiraalveeren overwint en het anker tegen beide polen houdt. De hoofdstroom der machine wordt door een staaf dicht langs het anker tusschen de beide polen van den magneet geleid en vermindert de aantrekkingskracht van den magneet door het op zijde dringen van de magneetkrachtlijnen in een richting van het anker af. Wordt de stroomsterkte groot, dan wordt de aantrekkingskracht van den magneet zoo gering dat zij overwonnen wordt door de trekkracht van de spiraalveeren, en de schakelaar schakelt uit. Bij kortsluiting wordt de stroomsterkte eenige malen grooter dan noodig is om den schakelaar te doen uitschakelen. De aantrekkingskracht van den magneet wordt daarbij practisch gelijk nul. Hierdoor wordt dan de snelheid, waarmede de schakelaar uitschakelt, het grootst en b.v. grooter dan bij normaal toenemen van de hoofdstroomsterkte tot de vereischte uitschakelstroomsterkte. Het inschakelen van den snelschakelaar kan door een electro-magneet van uit het schakelbord of aan den schakelaar zelf met de hand geschieden.
Op vernuftige wijze is hierbij door hefboomen bereikt dat het contactstuk van het anker automatisch den hoofdstroomketen eerst dan sluit als de inschakelmagneet buiten werking is gesteld of wel de handhefboom is losgelaten. De schakelaar heeft een ruimen vrijen gang; door sterke magnetische vonkenblussching is bereikt dat bij het uitschakelen de schakelcontacten slechts over een betrekkelijk kleinen afstand uit elkander behoeven te worden getrokken, hetgeen de snelle uitschakeling natuurlijk ten goede komt.
Ten slotte zij nog vermeld dat de voeding van de bovenleiding kan geschieden door twee afzonderlijke luchtleidingen. In elk van deze leidingen is een maximum automaat geplaatst in combinatie weder met een in serie geschakelden gewonen hefboomschakelaar.
Beveiliging tegen overspanning. Achter het gelijkstroomschakelbord [ 12 ]is aan de gelijkstroomzijde op den hoofdrail zoowel als in elk der beide voedingsleidingen een beveiliging tegen overspanning met bijbehoorenden begrenzingsweerstand geplaatst.
Meting. Voor meting zijn op het gelijkstroombord aanwezig een Ampère-meter, waarmede de totale machinestroom wordt gemeten, en een Ampère-meter in elk der beide voedingsleidingen. Verder is aanwezig een gelijkstroom-voltmeter voor het meten van de spanning van iedere machine afzonderlijk en van de twee in serie geschakelde machines. Ten slotte is nog aangebracht een instrument voor het meten van de Wattlooze componente der machines bij vóór- en naijlenden stroom.
Voor meting van het verbruik aan de hoogspanningszijde dienen twee stel meters, elk bestaande uit een registreerenden K.W.-meter en een K.W.U.-meter.
De levering van electrischen stroom wordt aan Stroomverkoop vergoed overeenkomstig het maandelijksch verbruik aan K.W.U. en in die maand opgetreden hoogste gemiddelde belasting in K.W. gedurende 10 minuten.
Aanzetten. Het aanzetten van de machines geschiedt met halve spanning vanuit de wisselstroomzijde en duurt per machine ca. 20 secunden. Teneinde den bewegingsweerstand van het anker zoo gering mogelijk te maken en tevens een te sterk vonken van de borstels te voorkomen, worden deze laatste met uitzondering van twee smalle borstels van verschillende polariteit vóór het aanzetten door een mechanische herinrichting van den collector afgelicht. Door de vaste borstels wordt de polariteit van den gelijkstroom met behulp van den Voltmeter bepaald en wordt de bekrachtiging van het veld verkregen nadat de machine de synchrone snelheid heeft bereikt. De machines zijn voorzien van een veldomschakelaar, met behulp waarvan de juiste polariteit verkregen kan worden. De aanloopstroomsterkte aan de hoogspanningszijde bedraagt ca. 150 pCt. van de stroomsterkte bij normale belasting.
Licht en kracht. Voor licht en kracht in het onderstation en op het aangrenzende remise-terrein met remise en werkplaatsen is een 50 K.V.A. transformator opgesteld met de transformatieverhoudingen 10.000/380/220 Volt.