HoogspanningsNet St(r)oomcursus

Deel 3. 1 kring, 2 stroomsoorten, 3 draden

Welkom in het enige deel van de St(r)oomcursus
dat we een ééntweedrietje kunnen noemen.
Het is ook het deel met een blik op de geschiedenis.

In dit deel behandelen we de twee vormen waarin
elektriciteit voor kan komen. Ook komen we terug
op iets wat je op de basisschool al hebt geleerd:
de zogeheten stroomkring.

Gelijkstroom en wisselstroom, de netfrequentie,
driefasenstroom, en zelfs een elektrisch circuit,
na dit deel van de cursus ken je het allemaal. 

 

 

 

Elektriciteit transporteren lijkt eenvoudig vergeleken met water of gas. Je kunt er gewoon een draad voor gebruiken en het kan zelfs draadloos, want iedereen weet wat bliksem is. Maar de werkelijkheid van gecontroleerd, doorlopend energie verplaatsen met stroom is ingewikkelder. 

We hebben in het vorige deel gezien dat elektriciteit het resultaat is van de vermenigvuldiging van spanning en stroomsterkte. Maar er is nog iets anders. Iets wat stroom fundamenteel doet verschillen van water, gas of wegtransport. Iets wat we in het vorige deel nog wisten te ontwijken, maar waar we niet langer omheen kunnen. Het is allesbepalend in de elektriciteitswereld.

3.1. Een gesloten zaak: de stroomkring

Grondregel:

Stroom moet altijd in een kring lopen.

Dat weet je wellicht al. En daar zit meteen het grote verschil met water. Want water door de tuinslang laten lopen is vrij eenvoudig. Je stopt het er aan de ene kant in, zet er wat druk op en aan de andere kant komt het er netjes uit stromen. Maar elektriciteit is anders. Elektriciteit mag dan wel bestaan uit verplaatsende elektronen, maar wanneer je elektronen doorlopend wilt verplaatsen (dus langer dan één enkele vonk bij het opheffen van een statische lading) moet er altijd ook een weg terug zijn naar het beginpunt zodra de stroom zijn energie heeft afgegeven. 

Met een batterij is dat eenvoudig te zien. Een batterij is een spanningsbron. Op een van de polen van een batterij staat een spanning (een potentiaal, zie het vorige deel). Als je de pluspool van een batterij aan een lamp verbindt met een draad, zal ook op de lamp deze druk komen te staan. Maar nog steeds zal de lamp niets doen totdat je ook de minpool van de spanningsbron met de andere zijde van de lamp hebt verbonden met een tweede draad. Er ontstaat een ring met een spanningsbron en een verbruiker. Pas nu zal de lamp aan gaan, omdat de druk pas nu kan zorgen voor stroming.

Dit ringvormige geheel van draden, een spanningsbron en een gebruiker heet een stroomkring.

Iedereen kent een zogeheten stroomkring en al heel vroeg wordt je geleerd dat dit een elementair gegeven van elektriciteit is. Deze afbeelding wordt zelfs getoond op de Nederlandse schoolTV: dat zegt genoeg over de leeftijd waarop we reeds kennis maken met de stroomkring.  

Dat lijkt te overzien. We zien je in gedachte de situatie al uitvergroten. In plaats van één draad hang je er dan gewoon twee draden aan de hoogspanningslijn: eentje van de centrale naar de gebruiker en de andere weer terug. Tja.. Het zou in theorie kunnen, maar een elektriciteitsnet is een complex net. Dat "complex" betekent dat er in de praktijk tegelijk meerdere opwekkers en meerdere gebruikers actief zijn op het elektriciteitsnet. Het is daardoor ingewikkelder dan op de tekening hierboven.

Er is nog iets aan de hand. Elektriciteit bestaat uit spanning en stroomsterkte, maar ook heb je elektriciteit in twee verschillende soorten: gelijkstroom en wisselstroom. Begrip van deze twee stroomsoorten vormt de kern van dit deel van de cursus.

3.2. Gelijkstroom en wisselstroom

Grondregel:

Stroom heb je in twee smaken: gelijkstroom en wisselstroom. Met beide soorten elektriciteit kan je een vermogen verplaatsen, beide hebben een spanning en een stroomsterkte en beide hebben een stroomkring nodig, maar ze gedragen zich heel anders.

Met een beetje geluk heb je tenminste één van deze woorden wel eens ergens opgevangen. Niet? Okee, geen zorgen. We zeiden dat er geen voorkennis nodig was, dus daar houden we ons aan. Gelijkstroom en wisselstroom moeten allebei in een kring lopen, maar er is ook een groot verschil in het gedrag van beide soorten, want waar de elektronen bij gelijkstroom altijd dezelfde kant op rond loopt, wisselt die richting bij wisselstroom continu om.

3.2.1. Gelijkstroom


Een streep met een stippellijn is het internationale symbool voor gelijkstroom: DC ofwel Direct Current.

Waarschijnlijk is gelijkstroom het soort stroom dat je voor ogen hebt wanneer je aan elektriciteit of aan een stroomkring denkt. Bij gelijkstroom loopt de stroom (de bewegende elektronen) altijd dezelfde kant op: in een eenvoudige stroomkring met een batterij loopt de stroom dus werkelijk linksom of rechtsom rond. 

De spanningsbron levert op de pluspool ( + ) een bepaalde elektrische spanning V en biedt een variabele A aan, van bijna nul tot het maximum waar hij toe in staat is (bijvoorbeeld 10 A). Samen vormen deze een vermogen W dat door de eerste draad loopt. De draad vanuit de spanningsbron heet om begrijpelijke redenen de plusdraad. Eenmaal bij de verbruiker aangekomen geeft de elektriciteit zijn energie af: de spanning zakt omlaag naar bijna nul. Maar de stromende elektronen kunnen niet in het niets verdwijnen. Beroofd van hun energie stromen ze door de mindraad of massa terug naar de minpool ( – ) van de spanningsbron, alwaar ze binnenin de spanningsbron opnieuw energie krijgen en het rondje opnieuw kunnen doorlopen. De polariteit (in dit geval uit te leggen als de functie van een draad) is bij gelijkstroom altijd gelijk en wisselt nooit om.

Als we dat in een grafiek tekenen, zetten we de elektrische spanning op de twee draden uit tegen de tijd.

We zien dat de spanning op de plusdraad op ieder moment een positieve waarde heeft (in dit geval 12 volt) en dat de mindraad niet onder spanning staat. Let op, de spanning in de mindraad is laag of zelfs bijna nul, maar de stroomsterkte in de mindraad is natuurlijk gelijk aan die in de plusdraad, omdat de elektronen niet verdwijnen. Vergelijk dit met de waterleiding en het riool. Op de waterleiding staat druk, maar het riool is een soort 'vrije afvoer' waardoor dezelfde hoeveelheid water weer weg moet kunnen, maar nu zonder dat er nog druk op staat.

Gelijkstroomkring

Een gelijkstroomkring. De stroom loopt altijd dezelfde kant op.

De grafiek kunnen we ook als een animatie tekenen, met een spanningsbron die gelijkstroom levert en een verbruiker (L, van het Engelse load) die erop aangesloten is. We zien een gelijkstroomkring: de elektronen lopen altijd dezelfde kant op rond.

3.2.2. Wisselstroom


Een zogeheten tilde wordt gebruikt voor het internationale symbool voor wisselstroom: AC ofwel Alternating Current.

Wat veel te weinig mensen weten is dat er op onze stopcontacten, lampen en eigenlijk het hele elektriciteitsnet helemaal geen gelijkstroom staat. Het elektriciteitsnet werkt met wisselstroom. Bij wisselstroom veranderen de elektronen in de draden van een stroomkring voortdurend van richting.

Wanneer een spanningsbron wisselstroom levert (dynamo's en generatoren doen dat), is er geen sprake van een vaste pluspool of minpool. Voortdurend wisselen de polen van rol om. Op het ene moment lopen de elektronen linksom rond door de stroomkring, waardoor de ene draad vermogen aanvoert naar de verbruiker en de andere als spanningsloze afvoer dient, het volgende moment draait dat om en worden ze als het ware geforceerd teruggehaald door de eerste draad, waardoor de spanningsloze afvoer verandert in een spanningsloze aanvoer. 
Dat klinkt ingewikkeld, maar ook ditmaal kunnen we het inzichtelijker maken met een grafiek.

Wisselstroom met een fasedraad en een nuldraad

We zien opnieuw de weergave van de spanning op een stroomkring van twee draden, uitgezet tegen de tijd. In deze kring wisselt één draad voortdurend van spanning en de andere draad is telkens spanningsloos, maar ook nu kan deze wel elektronen verplaatsen. De ene draad 'leidt' en stuwt de elektronen de ene keer met een positieve spanning de verbruiker in, maar enige ogenblikken later daalt de spanning op de fasedraad tot onder nul en dan worden de elektronen juist geforceerd teruggehaald door dezelfde draad, zodat de nul als spanningsloze aanvoer fungeert.

Dit is wisselstroom met één fasedraad en één nuldraad. De fasedraad heet zo omdat deze een cyclus doorloopt (in jargon een sinusoïde) en zich daarbij afwisselend in twee verschillende fasen (een soort 'halen' of 'brengen') bevindt. Ook op deze manier kan je vermogen verplaatsen. Immers, op ieder moment dat er een combinatie van spanning en stroomsterkte is, wordt er elektrische energie verplaatst. En het maakt niet uit of dat linksom of rechtsom door de kring gebeurt. 

Wacht, hee ho eens even. Negatieve spanning? Pardon?
Inderdaad, dat kan niet. Of in elk geval niet zomaar zonder wat extra uitleg.

Net zoals met druk, zo kan ook een potentiaal in absolute waarde nooit lager dan nul zijn. Want minder druk dan geen druk, dat bestaat niet. Toch is het minteken erg handig wanneer we de richting van de spanning meenemen. Daar is onze waterleiding weer, en ditmaal hebben we het begrip zuigen nodig. Als de waterleiding wordt gebruikt om water af te voeren, wordt er per seconde minder dan nul nieuw water aangevoerd door dezelfde leiding. Maar voor de hoeveelheid stromend water in de waterleiding zelf maakt dat niet uit, want zodra er stroming is heeft die een zekere grootte, ongeacht de richting ervan.

Een lading kan positief of negatief zijn. Maar het potentiaal (de absolute grootte van die lading, geschreven als |waarde| tussen twee absolutietekens), kan nooit lager dan nul worden. Een spanning van -200 volt is in feite gelijk aan een spanning van +200 volt waarbij slechts de richting van de lopende stroom is omgekeerd. 

De richting van de elektronen wisselt voortdurend om. Ze lopen geen rondje, maar waggelen als het ware steeds een stukje heen en weer op dezelfde plek. De draad met de 'rode' elektronen leidt: dit is de fasedraad. Deze voert afwisselend elektronen aan en af. De 'blauwe' draad is passief aanwezig en voert de tegengestelde handeling uit van de fasedraad: elektronentransport maar dan zonder spanning. De fasedraad is de baas: die bepaalt wat er gebeurt (aanvoer of afvoer). De nuldraad schikt zich daarnaar door de tegengestelde handeling spanningsloos uit te voeren, want ook nu kunnen er geen elektronen verdwijnen.

Wisselstroomkring

Een wisselstroomkring: de richting van de stroom wisselt voortdurend om. (De animatie is dus niet defect.)

Wisselstroom lijkt ingewikkelder dan gelijkstroom. Waarom zo moeilijk doen? En waarom gebruiken we het op het net? Dat is een verhaal op zichzelf. Tijd voor een klein stukje geschiedenis, want ook dat hoort bij de St(r)oomcursus. De zogeheten Oorlog der Stromen heeft grotendeels bepaald waarom het huidige elektriciteitsnet is zoals het is.

3.3. De Oorlog der Stromen

Elektriciteit kan op veel manieren worden opgewekt, maar de beste manier om het groot aan te pakken (en dat is nodig) is met een generator. Dat is een grote machine die rotatie-energie omzet in elektrische energie. Je kan generators bouwen die min of meer gelijkstroom produceren (met een commutator), maar een generator voor wisselstroom is simpeler en robuuster van opbouw en kan in principe zo groot en zwaar gemaakt worden als men maar wil.

Toen elektriciteit in zwang kwam (In de laat 19e eeuw, in Amerika) ontstonden er vrij snel twee kampen. Er was het kamp Gelijkstroom onder leiding van Thomas Edison, die gelijkstroomapparaten uitvond en de toekomst van elektriciteit in de vorm van gelijkstroom voor zich zag. Maar er was ook het kamp Wisselstroom onder leiding van George Westinghouse en Nikola Tesla, die wisselstroomtechniek voor generators, apparaten en transportsystemen beheersten. Zij zagen juist een toekomst met wisselstroom voor zich. Welk stroomtype was het efficiëntst? Welke was het beste over korte en lange afstanden te transporteren? Welke is het veiligst? Welke het handigst in gebruik? En welke is het goedkoopst op te wekken?

De drie groten der aarde als het gaat om de ontwikkeling van elektriciteit als een bruikbare technologie. Links George Westinghouse en in het midden Nikola Tesla, de twee ambassadeurs van wisselspanning. Rechts Thomas Alva Edison, de grote man achter gelijkstroom. Hun strijd, de Oorlog der Stromen, was fel en ontaardde uiteindelijk in immorele daden. Edison doodde dieren met wisselstroom om te bewijzen dat wisselstroom gevaarlijker was dan gelijkstroom en zelfs de uitvinding van de elektrische stoel danken we aan de strijd tussen deze twee kampen. 

Het conflict tussen de aanhangers en bedrijven achter beide stroomsoorten is eigenlijk helemaal geen leuk of spannend jongensboek. Het werd bekend onder de naam Oorlog der Stromen (War of the Currents). De strijd begon als wat stekelige aftroeverij. Elkaar een beetje zwart maken, een hak zetten, klanten inpikken, dat soort dingen. Maar de gezonde concurrentie ontaardde. Al snel werd het conflict grimmiger. Tesla werkte eerst bij Edison, maar zij konden slecht met elkaar opschieten. Tesla vertrok en na enkele omzwervingen kwam hij te werken bij het bedrijf van de concurrent, George Westinghouse. Nadat Tesla en Edison elkaar niet meer spraken ging het van kwaad tot erger. Het werd in de tien jaar daarna een vuil spel waarin beide kampen weinig voor elkaar onderdeden in hun poging de concurrent van de aardbodem weg te vagen. 

Westinghouse maakte misbruik van het feit dat Tesla (in hart en nieren een uitvinder) weinig zakelijk was ingesteld en hij werd schatrijk van Tesla's uitvindingen, terwijl Tesla zelf (hoe briljant hij ook was) zijn hele leven lang nauwelijks de eindjes aan elkaar knopen kon. Toen gelijkstroom het pleit dreigde te verliezen greep Edison op zijn beurt naar nog immoreler middelen. Hij hield demonstraties door dieren te doden met wisselstroom, om zo te laten zien hoe gevaarlijk de stroomsoort van Tesla was. Uiteindelijk ging hij nog een stap verder door samen met Harold Brown een essentiële rol te spelen in een van de zwartste bladzijden die elektriciteit ooit heeft gekend: de ontwikkeling van de elektrische stoel – een werktuig dat bedoeld was om met stroom te doden. Het kwam Edison uitstekend uit om daarmee te demonstreren dat wisselstroom levensgevaarlijk was en dat de wereld dus voor 'zijn' gelijkstroom moesten kiezen. De wisselstroomdynamo die hij daarvoor van zijn concurrenten nodig had verkreeg hij via een list.

Demonstratie van Harold Brown en Thomas Edison om het gevaar van wisselstroom aan te wenden

De Oorlog der Stromen kende grote uitvindingen, maar ook inktzwarte bladzijden. Op deze gravure is te zien hoe uitvinder Harold Brown in het laboratorium van Edison een paard doodt met wisselstroom, om zo te tonen dat de stroomsoort van concurrent Westinghouse en Tesla letterlijk levensgevaarlijk was. Dit zou nog verder uit de hand lopen en uiteindelijk zelfs resulteren in de uitvinding van de elektrische stoel. Haakser kan je niet staan op de hoop en vooruitgang waarmee elektriciteit de wereld veroverde.

De elektrische stoel bleek voor Edison een goede zet te zijn. Het gaf Kamp Wisselstroom een flinke imagoschade. Maar de slag was nog niet voorbij. Pas nadat Tesla met een bijzonder eenvoudige elektromotor kwam (de inductie- of draaistroommotor), werd het pleit beslecht ten gunste van wisselstroom. Wisselstroom heeft het voordeel dat het een goedkope, simpele en robuuste generatoropbouw mogelijk maak waarmee het op zeer grote schaal kon worden geproduceerd. Verder laat wisselstroom zich beter schakelen en is het ook eenvoudig van spanning te veranderen (zie transformators), zodat transport over lange afstand met een extra hoge spanning probleemloos kan worden gecombineerd met huiskamergebruik onder een lage spanning. Nog steeds vormt dit de kern van het huidige elektriciteitsnet.  

Westinghouse en zijn bedrijf werden steenrijk. Tesla stierf als een beroemdheid, maar wel arm en berooid. Edison ging door met uitvindingen doen en zijn bedrijf General Electric leiden tot zijn dood in 1932, enerzijds als gelauwerd zakenman en uitvinder, maar ook tot op zijn laatste dag gekweld door het feit dat een in zijn ogen inferieur systeem voor het elektriciteitsnet de standaard was geworden op de wereld.

Toch is het verhaal nog niet uit. In de laat 19e eeuw was het technisch volledig onmogelijk om het robuuste gebruiksgemak van wisselstroom ook met gelijkstroom te behalen: vermogenselektronica bestond nog niet. Maar gelijkstroom bleef altijd intrigeren: een voordeel van gelijkstroom is dat het onder bepaalde condities minder transportverliezen kent en met de ontwikkeling van de thyristor en de condensator zijn problemen met schakelen en spanningsveranderingen minder groot dan vroeger.
De laatste decennia is gelijkstroom op hoogspanningsniveau (aangeduid als HVDC) aan een indrukwekkende comeback begonnen. Met name voor verbindingen die onder de zee door lopen of zeer zware lijnen die meer dan 500 kilometer lengte hebben is gelijkstroom zelfs de norm geworden. Maar van een tweede Oorlog der Stromen is geen sprake: zowel Edison als Westinghouse en Tesla zouden zich omdraaien in hun graf wanneer ze zouden horen dat gelijkstroom en wisselstroom tegenwoordig hand in hand gebruikt worden om de sterke punten van beide stroomsoorten te kunnen combineren binnen één hoogspanningsnet. Wie dat in 1885 had beweerd, zou vierkant uitgelachen zijn door alle drie!

3.4. De netfrequentie

Wisselstroom komt nooit tot rust. Een belangrijke eigenschap is de snelheid waarmee de draden een cyclus doorlopen. In Europa en de meeste andere landen op de wereld laat men het 100 keer per seconde wisselen, zodat de draden 50 keer per seconde elektriciteit de ene kant op vervoeren en 50 keer per seconde de andere kant op. Dat heet de netfrequentie en die wordt uitgedrukt in de eenheid Hertz (vernoemd naar Heinrich Hertz). In Europa en de meeste andere landen op de wereld is de netfrequentie 50 Hz. In Amerika en een aantal andere angelsaksisch georiënteerde landen wordt een andere frequentie gebruikt, namelijk 60 Hz. 

Wisselstroomnetten met een verschillende netfrequentie kunnen niet aan elkaar worden verbonden. Maar binnen het netwerk zelf is het slechts van een klein belang of er 50 Hz of 60 Hz op staat. Wel is het belangrijk dat de frequentie zo constant mogelijk blijft: een net van 50 Hz moet zo dicht mogelijk bij 50 Hz blijven, anders ontstaan er problemen.

Componenten waar een groot vermogen aan wisselstroom doorheen gaat, gaan geluid maken. Bij een zogeheten transformator heet dat geluid trafobrom (lees hier de precieze oorzaak) en een netfrequentie van 100 Hertz (tweemaal 50) is een frequentie die in geluidsgolven prima door het menselijk oor wordt opgepikt. Om die reden worden brommende transformators vaak binnen gezet of tenminste achter een scherfmuur geplaatst.

3.5. Wisselstroom met meer dan één fasedraad

We hebben dus te maken met wisselstroom waarbij de netfrequentie 50 Hertz is. Een stroomsoort met een grimmige geschiedenis in zijn vroegste dagen. Maar ook een wereld die erdoor veroverd werd. We moeten nog één nieuw begrip introduceren voordat we bij het hedendaagse hoogspanningsnet uitkomen: driefasenstroom.

Een stroomkring, of er nu gelijk- of wisselstroom op staat, ziet er logisch uit met twee draden. Maar gek genoeg kan je wisselstroom ook over drie draden sturen – en om het nog sterker te maken, dat is nog handiger ook.  Ondanks een aantal voordelen ten opzichte van gelijkstroom, heeft wisselstroom ook één typisch nadeel dat gelijkstroom niet heeft. Kijk nogmaals naar het grafiekje van wisselstroom hierbeneden en merk op wat er gebeurt als de spanning van de fasedraad tijdens zijn cyclus de nullijn kruist.

Wisselstroom met een fasedraad en een nuldraad kent nulpunten

Bij elke wisseling van de richting van de stroom, is de spanning in de fasedraad korte tijd heel laag of zelfs eventjes nul. En nog erger, omdat de nuldraad geen spanning kan voeren is die vanzelfsprekend ook nul. Het gevolg is dat er telkens een korte periode ontstaat waarin de spanning en dus ook het vermogenstransport in de stroomkring heel laag of zelfs eventjes nul is.

Bij wisselstroom van 50 Hz heb je wel honderd van zulke nulpunten per seconde. De meeste apparaten houden daar niet van. En het maakt de bediening en het beheer van het net er ook niet gemakkelijker op. Gelukkig is er betrekkelijk eenvoudig iets aan dit probleem te doen: verander de opbouw van de dynamo of generator zodanig dat er drie fasedraden ontstaan. In plaats van een enkelvoudige cyclus die telkens nulpunten geeft, heb je met drie draden die in hun cyclus op precies gelijke afstand van elkaar zitten nooit een gezamenlijk nulpunt.

En ook dat kunnen we demonstreren met een grafiek.

Alle drie de draden doorlopen 50 keer per seconde een volledige cyclus. De polariteit verandert daardoor per draad precies 100 keer per seconde, waarbij iedere draad telkens eenderde op zijn voorganger achterloopt. 

Wisselstroom met drie draden heeft geen last van de dode punten die er bij wisselstroom met één fasedraad en een nuldraad wel zijn. Een zogeheten driefasennet is dus een manier om een elektriciteitsnet te bouwen dat zich qua constantheid haast net zo gedraagt als gelijkstroom, maar waarbij de draden ieder voor zich wisselstroom transporteren, inclusief de voordelen daarvan.

Hee. Waar is de nuldraad gebleven? Dat is nou het mooie van een driefasennet – die is niet langer meer nodig. Doordat we drie fasedraden ter beschikking hebben en omdat iedere fasedraad afwisselend 'duwt' en 'trekt', kan het afvoeren van elektronen op hetzelfde moment gebeuren door een 'trekkende' draad wanneer een ander duwt. In de praktijk is dat altijd een combinatie van alle drie, want we zien dat iedere draad niet altijd even hard duwt of trekt. Ze gaan alle drie hun eigen gang, maar hun gezamenlijke, opgetelde resultaat houdt zich altijd aan twee regels: 

Op ieder moment van de tijd is de absolute waarde van de spanning op de drie draden tezamen gelijk.
Op ieder moment van de tijd is de totale stroomsterkte altijd gelijk.

3.6. Driefasensystemen op de hoogspanningslijnen

En vanaf hier is de droge theorie in één klap voorbij. Trek je jas aan, pak je fiets uit de schuur, of als we heel veel geluk met het weer hebben, smeer zonnebrand op je gezicht graai de verrekijker mee. We gaan de velden in om eens te kijken naar al die hoogst spannende infra die daar staat.

Het elektriciteitsnet vanaf middenspanning en hoger werkt vrijwel altijd met wisselstroom volgens het systeem van drie fasedraden. Het hoogspanningsnet doet dat ook. En het aardige is dat we dat heel vlot kunnen herkennen in het veld. Want wat zien we hier?

Telkens drie draden. Deze keer geen ingewikkelde dingen: dit is what you see is what you get. De drie draden zijn niets anders dan de fasedraden van een driefasenstroomkring. 

Wanneer we een animatie maken van hoe de elektronen in de draden zich gedragen in een hoogspanningslijn, dan zien we dat ze telkens heen en weer waggelen in de drie draden. De hoogspanningslijn in de animatie draagt één driefasenstroomkring. Er is nooit een moment waarop alle draden tegelijk nul zijn. Sterk vertraagd ziet dat er op een hoogspanningslijn zo uit:


We zien drie draden die alle drie precies hetzelfde gedrag vertonen en allemaal 1/3e uit elkaar liggen in hun cyclus. Er is geen begin of eind van het proces. Telkens weer, vijftig keer per seconde, al maar door, dag in, dag uit. 

Op de uiteinden van de draden (niet in beeld gebracht op de animatie hierboven) bevinden zich een generator en een verbruiker. Als we aan de zijde van de generator goed opletten zien we dat je ook twee generators naast elkaar kan aansluiten op dezelfde drie fasedraden. Als die twee generators maar synchroon draaien (precies met alle drie fasen met elkaar in de pas lopen) en als ze beide dezelfde spanning afgeven, dan is er geen enkel probleem. 

Een hoogspanningsnet is een netwerk van driefasenstroomkringen, waarbij telkens dezelfde fasedraden met elkaar verbonden zijn. Honderden, zo niet duizenden generators die tegelijk synchroon draaien. En miljoenen verbruikers die gezamenlijk de energie consumeren die door de generators in het net gestopt wordt. Door trap of vertrapping (iets waar we ook in het volgende deel naar kijken) is het gehele netwerk onder controle te houden en is het betrouwbaar te bedienen.

3.7. De term draaistroom

Wanneer de drie fasen worden gebruikt om een elektrische motor aan te drijven, zien we dat het ertoe doet wat de volgorde is waarmee de drie draden zijn aangesloten. De motor volgt het gedrag van de drie fasedraden en zal dus (net als de generator) linksom of rechtsom willen ronddraaien. De verouderde begrippen begrippen draaistroom en krachtstroom komen uit de motortechniek van een eeuw geleden. Voor objecten die geen beweging hoeven te maken met stroom (zoals een verwarmingssysteem, een serverpark of verlichting) maakt de volgorde niet uit. Maar bij het aansluiten van een motor op driefasenspanning moet hier zorgvuldig op gelet worden – want voor je het weet werkt de pomp verkeerd om of draait de zaagmolen opeens achteruit!

3.8. De term circuit of draadstel

We hebben het telkens maar over driefasenstroomkringen. Niets mis met dat woord (behalve dat het nogal lang is), maar in de hoogspanningswereld gebruikt men een ander woord voor een stroomkring. Ongeacht of het nu gelijkstroom of wisselstroom is. 

In de hoogspanningswereld wordt een driefasenstroomkring een circuit of een draadstel genoemd.

Stroomkringen in het hoogspanningsnet lopen altijd tussen twee of meer stations en een verbinding kan uit één of meerdere stroomkringen bestaan. De term circuit geeft aan wat een stroomkring eigenlijk is: een circuit is immers iets dat in principe 'rond' loopt. Het woord draadstel wordt vooral in België gebruikt en is misschien wat misleidend, omdat een 'stel' de indruk wekt dat het om twee draden gaat in plaats van om drie. Op deze site gebruiken we dan ook het woord circuit, uit te spreken als sirkwie

3.9. Circuits tellen en herkennen

Wie naar een hoogspanningslijn in Nederland en België kijkt, ziet altijd drie draden. Of een veelvoud van drie, wanneer er meerdere circuits aan één mast zijn op hangen. Een verbinding kan namelijk ook bestaan uit twee circuits die als het ware parallel zijn aangelegd (daar komen we nog op terug in deel 6). Wat zien we bijvoorbeeld hierbeneden?

Zes stroomvoerende draden – twee groepen van drie. Aan beide zijden van de mast hangt een circuit. 

Wil je weten hoeveel circuits er in een hoogspanningslijn hangen? Tel het aantal fasedraden en deel het getal door drie. Dat is alles. (Let wel op dat je de dunne draden bovenop de mast die niet aan isolators hangen nooit meetelt. Dat zijn de bliksemafleiders en die maken geen deel uit van de circuits.)

3.10. Drie fasen als optimum

Waarom wisselstroom met drie draden? En geen vijf, negen, drieëndertig of een ander oneven aantal waarmee een mooi resultaat te bereiken is zonder nulpunten?
Als het goed is kan je deze vraag al beantwoorden. In principe kan wisselstroom inderdaad met net zoveel fasedraden worden uitgevoerd als je maar wilt. Maar in de praktijk is drie het meest praktisch. De dode punten worden opgevuld en elektrische apparatuur is eenvoudiger op drie dan op twaalf fasedraden te ontwerpen. Daarnaast zou het complexere transformators, generators en natuurlijk ook veel zwaardere hoogspanningslijnen met meer materiaal en kabels vereisen wanneer we bijvoorbeeld zeven draden zouden nemen. 

Drie fasen vormen een compromis tussen het elektrotechnisch optimum, een fijn 'gedrag' en weinig materiaalgebruik terwijl ook nog steeds de voordelen van wisselstroom (goed te transformeren en te schakelen) van toepassing zijn. In de tijden waarin vermogenselektronica nog niet bestond en alles mechanisch moest werken was dit het absolute optimum. Tot op de dag van vandaag kunnen we daaraan zien dat de uitvinders van anderhalve eeuw geleden beslist niet gek waren.

Samenvatting: kan je de volgende vragen beantwoorden?

  1. Wat moet stroom doen wat bij water en gas niet hoeft?
  2. Welke soorten stroom kennen we, waar komen we ze tegen en hoe zijn ze beiden in een zin te omschrijven?
  3. Lopen elektronen in een wisselstroomcircuit in een rondje?
  4. Benoem hoeveel circuits er hangen aan de hoogspanningsmasten op de foto's hieronder:

Mast van de 'Kleerkastenlijn' Geertruidenberg-Eindhoven

Twee stuks? Daar zit een luchtje aan dat ruikt naar...Ja ja, het mastenkijken is voor je er erg in hebt al begonnen.

Je ziet het: niet iedere hoogspanningslijn draagt hetzelfde aantal circuits. En bij de ene hoogspanningslijn hangen de draden ook nog in een andere vorm. Verder zijn de draden soms dik en soms dun. Logisch: als er meer stroom door moet kunnen, verhogen we met name de spanning, maar ook de stroomsterkte kunnen we soms best iets groter maken.  
Voor wie zich bij de laatste lijn rechtsonder even achter de oren krabde: klopt, dat was de instinker van dit rijtje. Dat is nou een bovengrondse hoogspanningslijn voor gelijkstroom, oftewel een HVDC-lijn. Die hebben maar twee draden. Deze staat in zuidelijk Zweden. Zoals eerder genoemd hebben we die niet boven de grond in Nederland en België, maar nu kan je ze op vakantie wel herkennen.

We zijn nu klaar met de theorie. Je hebt het overleefd: je weet nu wat gelijkstroom, wisselstroom, de spanning, stroomsterkte en vermogen zijn. Je hebt gelezen wat een hiërarchisch net is. En als je naar één individuele hoogspanningsmast kijkt en de draden aanwijst, weet je precies wat je ziet.

We beheersen nu alle basiskennis over elektriciteit die nodig is om in deel 4 naar het daadwerkelijke hoogspanningsnet van Nederland en België te gaan kijken.