Onderstations zorgen voor de stroomvoorziening van de rijdraad van het spoor. Een stroom afnemer boven op de trein (een pantograaf) neemt de stroom van de rijdraad af en deze wordt met een kabel gevoerd naar de elektromotoren die de trein aandrijven.
In de onderstations zijn speciale transformatoren nodig. Smit Transformatoren was de grootste leverancier van dit soort transformatoren en heeft er vele honderden van gemaakt. Na de fusie met het Duitse SGB in 2005 werd uit rationaliteits overwegingen besloten dat Smit Transformatoren zich zou richten op de productie van hele grote transformatoren en SGB op de kleinere waaronder ook deze speciale transformatoren voor de spoorwegen. Zij worden gelijkrichter-, tractie- of hoewel verouderd commutatortransformator genoemd.
Onderstation Sittard (1949).
De elektrificatie van het spoor
De eerste elektrische trein in Nederland reed in 1908 van het Rotterdamse Hofplein via Voorburg/Leidschendam en Den Haag naar Scheveningen tot vlak bij het Kurhaus. Deze verbinding werd de "Hofpleinlijn" genoemd en luidde het begin van de elektrificatie van het Nederlandse spoor in. De rijdraad van deze trein werd gevoed met een éénfasige wisselspanning van 10.000 V met een frequentie van 25 Hz. Deze spanning en frequentie werden destijds als optimum gezien'. Omdat deze combinatie van spanning en frequentie niet uit openbare elektriciteits netten (die waren toen nog maar mondjesmaat) betrokken kon worden, werd er nabij het station Voorburg/Leidschendam een elektriciteitscentrale gebouwd. Rond 1922 besloot men het spoor in Nederland stapsgewijs te elektrificeren met een uniforme spanning van 1.500 V gelijkspanning. De Hofpleinlijn werd in 1926 omgebouwd voor deze uniforme spanning. De laatste rit naar Scheveningen was in 1953. Ca.80 % van het Nederlandse spoor is nu geëlektrificeerd.
Onderstation Bergen op Zoom (1957).
De onderstations
Een beter woord zou rijdraadvoedingstation geweest zijn of nog beter gelijkrichterstation. De uit de openbare netten beschikbare elektrische energie had een driefasige ( zgn. draaistroom) wisselspanning van 10 kV met een frequentie van 50 Hz. De rijdraad had 1.500 V gelijkspanning nodig. Er moest dus getransformeerd (spanningswijziging) en gelijkgericht ( van wisselspanning gelijkspanning maken) worden om de energie uit de openbare netten te kunnen gebruiken om de trein te laten rijden dit werd allemaal gedaan in het onderstation.
Schema van een willekeurig onderstation uit 1940. Klik erop om het te vergroten.
Het principe schema geeft dit duidelijk aan. Er waren verschillende bouwwijze de schets van de lay-out is er een van het type waarbij de gelijkrichter- en eigenbedrijfstransformator binnen staan. De afbeeldingen tonen stations waarbij de beide soorten transformatoren buiten staan. Op de foto's en op het schilderij zien we de eigenbedrijfstransformator in geklemd tussen de muur van het onderstation en de gelijkrichtertransformator. Voor het gelijkrichten werden tot ca. 1970 kwikdampgelijkrichters ( in het schema "gelijkrichter" genoemd) gebruikt, dit waren bakken met een laag kwik waarvan de damp een in één richting de stroom doorliet. Gecompliceerde toestellen die hoge eisen stelde aan de eigenschappen van de gelijkrichtertransformatoren. Later werden deze vervangen door siliciumdiodes of thyristoren.
Foto links: Onderstation Sittard (1949). Foto rechts, metingen aan onderstation Roosendaal.
De transformatoren
De eigenbedrijfstransformatoren waren zeer eenvoudig vergelijkbaar met het type dat in ieder transformatorhuisje van een openbaar net staat.
De gelijkrichtertransformatoren waren echter zeer gecompliceerd. Voor het goed functioneren van de gelijkrichter moest hun kortsluitspanning (een maat voor de spanningsverandering veroorzaakt door de belastingsstroom) binnen een zeer nauwe tolerantie liggen. Dat vereist een kundig ontwerp en een nauwkeurig productieproces. Het meest gecompliceerde is echter het aantal wikkelingen (spoelen) die nodig zijn voor een goede kwaliteit van de gelijkspanning waar na gelijkrichting de rijdraad mee gevoed wordt. Enige uitleg : Stel we nemen een driefase transformator met één hoogspannings- en één laagspanningswikkeling. Wanneer de spanning van de laagspanningswikkeling gelijkgericht wordt krijgen we in 1/ 50 sec ( 50 Hz) drie spanningspulsen na elkaar. Die samengestelde pulsen hebben toppen en dalen, de dalen zijn 50 % van de top.
Het is dan wel een gelijkgerichte spanning maar geen mooie rimpelloze spanning om een de gelijkstroommotor van de trein mee te voeden. De gevolgen zouden zijn : laag rendement, extra opwarming van de motor en mogelijk ook nog eens vervuiling van het openbare net. De oplossing van dit probleem is om in die 1/50 sec. meer elkaar deels overlappende spanningspulsen te creëren. Dat gaat als volgt, we nemen ipv. één laagspannings wikkeling, twee laagspannings wikkelingen die in de tijd (fase) iets verschoven zijn. Het optimum is twee transformatoren met in fase verschoven hoogspanning en ieder twee laagspanningen. Dit gekoppeld aan een speciale gelijkrichterschakeling ( bijv.een hele batterij van silicium diodes) heeft als resultaat 48 pulsen in 1/50 sec. waarvan het dal 99,8 % van de top is, dus nagenoeg rimpelloos. Om de hoogspanning in fase te verschuiven worden dan zgn. zwaai wikkelingen ( + en - 7,5°, 360° = 1/50 sec. ) toegepast die in serie geschakeld zijn met de hoogsspannings wikkeling.
De hoogspanningswikkeling heeft meestal ook nog eens aftakkingen om de spanning aan te passen aan de netspanning die nominaal 10 kV is maar wel eens een paar procenten kan afwijken. In de loop der jaren, vanaf ca. 1922 tot heden, is voor vele typen transformatoren gekozen. De variabelen zijn hierin het aantal pulsen en het vermogen. Dit laatste was in den beginne zo'n 700 kVA met het drukker worden op de spoortrajecten en de langere treinen zien we nu een ontwikkeling in de richting van 5.000 kVA. Over het algemeen is de hoogspanning nu 10 kV hoewel er ook gebieden zijn met 13 en 20 kV, vroeger waren er ook spanningen van 3 en 6 kV. Er is zelfs een station in een gebied waarin het vermogen van het 10 kV net te gering was en men aangewezen was op het 50 kV net, dus een extra gecompliceerde transformator. De foto's van de binnenwerken laten duidelijk zien hoe gecompliceerd dit soort transformatoren was en nog steeds is.
Aanbevolen website
Nico Spilt heeft een bijzonder mooie en voor een ieder toegankelijke website over alle aspecten van het spoor.
www.nicospilt.com
Bron: Stichting Willem Smit Historie, foto's gemaakt door bedrijfsfotograaf, copyright Smit Transformatoren.