We hebben geleerd hoe je energie kan verplaatsen met elektriciteit en hoe sterk elektriciteit lijkt op stromend water. Maar er is een belangrijke eigenschap waarin elektriciteit afwijkt van het watersysteem: elektriciteit heeft altijd een terugweg nodig.

3.1. Een gesloten zaak: de stroomkring

Grondregel:

Elektriciteit moet altijd in een kring lopen.

Water door de tuinslang laten lopen is vrij eenvoudig. Je stopt het er aan de ene kant in, zet er druk op en aan de andere kant komt het eruit stromen. 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 elektriciteit 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 (eigenlijk een potentiaal, zie het vorige deel) en als je die met een draad aan een lamp verbindt, zal ook deze lamp onder elektrische druk komen te staan. Maar nog steeds zal de lamp niets doen totdat je ook de andere pool van de spanningsbron met de andere zijde van de lamp hebt verbonden met een tweede draad. Er ontstaat dan een kring 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 ook getoond op de Nederlandse schoolTV: dat zegt genoeg over de leeftijd waarop we kennis kunnen maken met de stroomkring.  

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

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

3.2. Gelijkstroom en wisselstroom

Grondregel:

Elektriciteit heb je in twee smaken: gelijkstroom en wisselstroom. Met beide soorten kan je energie verplaatsen, beide hebben een spanning en een stroomsterkte en beide hebben een kring nodig, maar ze gedragen zich anders.

Met een beetje geluk heb je tenminste een van deze woorden wel eens ergens opgevangen. Niet? 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 waar de elektronen bij gelijkstroom altijd dezelfde kant op de kring rond lopen, wisselt dat bij wisselstroom continu van richting.

3.2.1. Gelijkstroom

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

Waarschijnlijk is gelijkstroom het soort elektriciteit dat je voor ogen hebt wanneer je aan stroom denkt. Bij gelijkstroom loopt de stroom (de bewegende elektronen) altijd dezelfde kant op. In een eenvoudige stroomkring zoals die met de batterij bovenaan dit deel van de cursus loopt de stroom dus daadwerkelijk linksom of rechtsom rond. 

De spanningsbron levert op de pluspool ( + ) een vaste elektrische spanning V en 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 geeft de elektriciteit zijn energie af: de spanning zakt omlaag naar bijna nul. Maar 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, waar ze binnenin de spanningsbron opnieuw energie krijgen en het rondje opnieuw kunnen doorlopen. De polariteit (in dit geval de functie van een draad, aanvoer of terugvoer) is bij gelijkstroom altijd gelijk.

Als we dat in een animatie zetten zien we een spanningsbron die gelijkstroom levert en een verbruiker (L, van het Engelse load) die in de kring zijn opgenomen. De elektronen lopen altijd dezelfde kant op rond. Eigenlijk lijkt het hele systeem op een fietsketting. Het ene tandwiel voegt energie toe aan de ketting, die transporteert het naar het tweede tandwiel en geeft het daaraan af, waarna de ketting daarna zonder strak te staan weer terug rolt naar het eerste tandwiel voor een nieuw rondje.

Een gelijkstroomkring. De stroom loopt altijd dezelfde kant op.

De animatie kunnen we ook als een grafiek tekenen. Nu 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 bijna niet onder spanning staat – bijna niet, want er is uiteraard altijd nog wel een beetje spanning over zodat de elektronen terug verplaatsen naar de spanningsbron. Maar de stroomsterkte in de mindraad is precies gelijk aan die in de plusdraad omdat de elektronen niet verdwijnen. 

3.2.2. Wisselstroom

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

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

Wanneer een spanningsbron wisselstroom levert (dynamo's en generatoren met een roterende kern doen dat) is er niet langer sprake van een vaste pluspool of minpool. Voortdurend wisselen de polen van rol, met de draaiende generatorkern mee. Op het ene moment lopen de elektronen linksom door de stroomkring, waardoor de ene draad vermogen aanvoert naar de verbruiker en de andere als spanningsloze afvoer dient. Het volgende moment wisselen beide draden van rol en worden de elektronen als het ware geforceerd teruggehaald door de eerste draad, waardoor de spanningsloze afvoer verandert in een spanningsloze aanvoer. Dit is een vloeiend proces.

De elektronen zelf waggelen steeds een stukje heen en weer op dezelfde plek. Ook dat kunnen we in een animatie zetten. De draad met de rode elektronen leidt: dit is de fasedraad. Die heet zo omdat deze een cyclus doorloopt (in jargon een sinus) en zich daarbij afwisselend in twee verschillende fasen bevindt ('halen' of 'brengen'). De blauwe draad wordt bij wisselstroom de nuldraad of in België de neuter genoemd. Deze voert de tegengestelde handeling uit en sluit de kring. De fasedraad is de baas: die bepaalt wat er gebeurt (aanvoer of afvoer). De nuldraad schikt zich daarnaar door de tegengestelde handeling vrijwel spanningsloos uit te voeren, want ook nu kunnen er geen elektronen verdwijnen.

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

Ook ditmaal kunnen we het inzichtelijker maken met een grafiek. 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 dan als spanningsloze aanvoer fungeert. Ook op deze manier is er een combinatie van spanning en stroomsterkte en er is een kring, dus ook met wisselstroom kan je energie overbrengen. 

…ho ho ho hee ho, wacht 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 niets, dat bestaat niet. Toch is het minteken handig wanneer we de richting van de stroom door de draad 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. 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 stroomrichting 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. 

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 met enige kunstgrepen min of meer gelijkstroom produceren, maar een generator voor wisselstroom is simpeler en robuuster van opbouw en kan veel groter worden gemaakt. In principe kan hij zelfs zo groot en zwaar gemaakt worden als men maar wil: de grootste exemplaren van vandaag treffen we in hydrocentrales. Die leveren meer dan een miljard watt per stuk en ze zijn zo groot als een huizenblok.

Toen elektriciteit in zwang kwam (eerst in de late 19e eeuw, in Amerika) ontstonden er vrij snel twee kampen. Er was het kamp Gelijkstroom onder leiding van Thomas Edison, die gelijkstroomapparaten ontwikkelde 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. 

De strijd tussen beide stroomsoorten is helemaal geen leuk jongensboek. Het werd niet voor niets bekend onder de naam Oorlog der Stromen (War of the Currents). Het begon als stekelige aftroeverij. Elkaar zwart maken, klanten inpikken, dat soort dingen. Maar al snel werd het 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 grote concurrent, George Westinghouse. Nadat Tesla en Edison elkaar niet meer spraken ging het van kwaad tot erger. In de tien jaar daarna ontstond een vuil spel waarin beide kampen weinig voor elkaar onderdeden in hun poging de concurrent niet alleen zwart te maken, maar zelfs 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 zijn hele leven nauwelijks de eindjes aan elkaar knopen kon. Toen gelijkstroom het pleit dreigde te verliezen greep Edison op zijn beurt naar steeds immoreler middelen. Hij hield demonstraties door dieren te doden met wisselstroom om 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 de zwartste bladzijde die elektriciteit ooit heeft gekend: de ontwikkeling van de elektrische stoel – een werktuig dat ontworpen werd om met elektriciteit te doden. Het kwam Edison goed uit om daarmee te demonstreren dat wisselstroom levensgevaarlijk was en dat de wereld dus voor gelijkstroom moesten kiezen. De wisselstroomdynamo die hij van Westinghouse nodig had verkreeg hij via een list.

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 resulteren in de uitvinding van de elektrische stoel. (Wikipedis, CC-BY)

De elektrische stoel was een afschuwelijk contrast met het doel dat beide kampen voor ogen hadden, elektriciteit als bron van hoop en vooruitgang voor de mensheid. Maar in zijn strijd tegen Tesla bleek het voor Edison een goede zet te zijn. Kamp Wisselstroom leed flinke imagoschade. Maar toen Tesla met een bijzonder eenvoudige elektromotor kwam (de inductie- of draaistroommotor), werd het pleit alsnog beslecht ten gunste van wisselstroom. Wisselstroom heeft het voordeel dat het een goedkope, simpele en zogeheten borstelloze motor- en generatoropbouw mogelijk maak waarmee het op zeer grote schaal kon worden geproduceerd. Verder laat wisselstroom zich makkelijker schakelen en is het bij wisselstroom ook eenvoudig om de spanning te verhogen of te verlagen (zie de pagina over transformators) zodat transport over lange afstand met een hoge spanning elegant kon worden gecombineerd met huiskamergebruik op een lage spanning. Nog steeds vormt dit de kern van het huidige elektriciteitsnet.  

Westinghouse en zijn bedrijf werden schatrijk. Tesla stierf als een beroemdheid, maar wel arm en berooid. Edison ging door met uitvindingen doen en hij bleef zijn bedrijf General Electric leiden tot zijn dood in 1932, 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 onmogelijk om het robuuste gebruiksgemak van wisselstroom met gelijkstroom te evenaren: elektronica bestond nog niet. Maar gelijkstroom bleef intrigeren. Een voordeel van gelijkstroom is dat het in draden minder transportverliezen heeft en dat elektronica er intern mee werkt. Met de ontwikkeling van zogeheten vermogenselektronica (transistoris, thyristors en condensators voor grote elektrische vermogens) is gelijkstroom op hoogspanningsniveau (aangeduid als HVDC) na bijna een eeuw van slaap in de laatste decennia aan een indrukwekkende comeback begonnen. Voor verbindingen die onder de zee doorlopen of voor lange transportlijnen voor extra grote vermogens zoals die tegenwoordig in China veel worden aangelegd is gelijkstroom zelfs de norm geworden. Maar van een tweede Oorlog der Stromen is geen sprake: zowel Edison, Westinghouse en Tesla zouden zich omdraaien in hun graf als ze horen dat gelijkstroom en wisselstroom vandaag hand in hand gebruikt worden om de sterke punten van beide soorten te kunnen benutten binnen één hoogspanningsnet. Wie dat in 1885 had beweerd, zou vierkant uitgelachen zijn door alle drie!

De installatie hierboven is een zogeheten HVDC-converter: men kan er wisselstroom mee in gelijkstroom veranderen (en andersom). Het science-fiction achtige uiterlijk geeft meteen aan dat dit een eeuw geleden totaal onmogelijk was. Toch hebben we het vermoeden dat zowel Tesla als Edison hier graag een kop koffie hadden gedronken. Foto via Wikipedia, want het is vrij ingewikkeld om zomaar even foto's in zo'n hal te mogen maken. (Wikipedia, CC-BY)

3.4. De netfrequentie

Wisselstroom komt nooit tot rust. Een belangrijke eigenschap is de snelheid waarmee de cyclus wordt 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 elektronen 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 (Hz, vernoemd naar Heinrich Hertz). In Amerika en een aantal andere angelsaksisch georiënteerde landen wordt een andere frequentie gebruikt, namelijk 60 Hertz.

Waarom deze waarden en waarom dit verschil? Daar zijn allerlei bakerpraatjes over, maar de werkelijkheid is eigenlijk best suf en tam. De wisselfrequenties in de ordegrootte van 50 en 60 Hz zijn gewoon het gevolg van experimenteren en het zoeken naar een technisch optimum. Bij hele hoge frequenties zoals 400 Hz springen grote generators uit elkaar door de hoge rotatiesnelheid en ook zijn er dan problemen met lastige natuurkundige verschijnselen zoals het zogeheten skineffect. Bij hele lage frequenties zoals 10 Hz is juist weer het probleem dat transformators dan niet efficiënt meer werken en teveel verliezen krijgen. Door rond 50 en 60 Hz te gaan zitten werden de problemen vanuit beide uitersten min of meer beheersbaar. 60 Hz is een veelvoud van drie: dat maakt berekeningen aan generators, motoren en transformators makkelijker. Maar 50 Hz is juist weer een veelvoud van het metrieke stelsel (het past goed in tienvouden en seconden) waardoor er uit het hoofd makkelijker aan te rekenen is. In Amerika verkoos men de eerste reden, in Europa (waar het metrieke stelsel met tienvouden wordt gebruikt) koos men juist de tweede reden.

Wisselstroomnetten met een verschillende netfrequentie kunnen niet aan elkaar worden verbonden. Maar binnen het netwerk zelf is het nauwelijks van belang of er 50 Hz of 60 Hz op staat: er is amper een technisch voor- of nadeel van 50 Hz ten opzichte van 60 Hz, daarvoor ligt het te dicht bij elkaar. Wel is het belangrijk dat de frequentie binnen het net zelf zo constant mogelijk blijft: een net van 50 Hz moet heel dicht bij 50 Hz blijven, anders ontstaan er problemen.

Componenten waar een groot vermogen aan wisselstroom doorheen gaat, zoals deze zogeheten transformator, gaan hoorbaar geluid maken (lees hier de precieze oorzaak). Het is een indringende bromtoon van 100 Hertz (tweemaal 50) is een frequentie die in geluidsgolven prima door het menselijk oor wordt opgepikt. Onder andere om die reden worden transformators vaak binnen gezet of tenminste achter een scherfmuur geplaatst.

3.5. Wisselstroom met meer dan één fasedraad

We hebben in Europa 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 elektriciteitsnet 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.

Bij elke wisseling van de richting is de spanning in de fasedraad korte tijd heel laag of zelfs eventjes nul. Omdat de nuldraad ook geen spanning voert ontstaan steeds korte periodes waarin de spanning en ook het energietransport in de stroomkring heel laag of zelfs eventjes nul is.

Gelukkig is er iets aan 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 vijftig keer per seconde een volledige cyclus. De polariteit verandert daardoor per draad honderd keer per seconde, waarbij iedere draad precies eenderde op zijn voorganger achterloopt. Wisselstroom met drie draden heeft geen last van de dode punten. Wanneer je hier een elektriciteitsnet op baseert heb je een driefasennet. Het is een manier om een elektriciteitsnet te bouwen dat zich qua constantheid bijna net zo gedraagt als gelijkstroom, maar waarbij de draden ieder voor zich wisselstroom transporteren, inclusief de voordelen daarvan zoals goed kunnen schakelen en transformeren.

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 volgen alle drie hun eigen ritme en 'duwen' op volgorde netjes na elkaar. De draden worden aangeduid met een getal in plaats van een naam, meestal L1, L2 en L3 (vernoemd naar het Engelse live, een elektriciteitsterm voor dingen die onder spanning staan).

Duwt een draad niet, dan trekt hij. En vervult daarmee de rol van nuldraad voor zijn collega's. Drie draden, twee richtingen, één systeem. 

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.

Voor wie Engels kan: in april 2018 heeft elektro-internetcultheld Electroboom ('Full Bridge Rectifier') een aflevering van zijn ietwat absurdistische youtubekanaal gewijd aan de voordelen van wisselstroom ten opzichte van gelijkstroom. De moeite waard voor wie wat meer achtergronden (en explosies, rook en mislukte experimenten) wil.

3.6. Het elektriciteitsnet is een driefasensysteem

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. Fles fanta mee, je telefoon met de netkaart erop en graai nog snel even de verrekijker mee. We gaan de velden in om te kijken naar het elektriciteitsnet, waarvan we zojuist hebben geleerd dat het een driefasensysteem is.

Vanaf middenspanning en hoger werkt vrijwel elke transportverbinding met wisselstroom volgens het systeem van drie fasedraden. Het hoogspanningsnet doet dat dus ook. En het aardige is dat we dat perfect kunnen zien als we kijken naar de hoogspanningslijnen die de bossen, vlakten en heuvels doorkruisen.

 

 

Wat zien we? Telkens drie draden. Geen ingewikkelde dingen: what you see is what you get. De drie draden zijn 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, net zoals de lijn op de foto links ervan. Er is nooit een moment waarop alle draden tegelijk 'stilstaan'. Sterk vertraagd ziet het er op de 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 cycli per seconde, dag in dag uit. Op de uiteinden van de draden (niet in beeld 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 (zodat de fasen keurig met elkaar in de pas lopen) en als ze beide dezelfde spanning afgeven, dan is er geen enkel probleem en merkt het elektriciteitsnet niet dat er in feite twee machines actief zijn. 

Dat kan je opschalen, monsterlijk opschalen: een elektriciteitsnet is een netwerk van talloze driefasenstroomkringen, waarbij telkens dezelfde fasen met elkaar verbonden zijn. Er zijn vele duizenden generators die tegelijk synchroon draaien. Vele miljoenen verbruikers die gezamenlijk de energie consumeren die door de generators in het net gestopt wordt. En vele miljarden watts aan lopend vermogen. Door trap of vertrapping (iets waar we in het volgende deel naar kijken) is het gehele netwerk hiërarchisch en onder controle te houden, zodat het betrouwbaar te bedienen is en efficiënt werkt.

3.7. De term draaistroom

Wanneer 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 (verwarmingssystemen, een serverpark of verlichting) maakt de volgorde niet uit. Maar bij het aansluiten van een motor op een driefasennet moet er zorgvuldig op gelet worden – 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 wereld van elektriciteitstransport 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 die als knopen in het netwerk zitten. De term circuit geeft aan wat een stroomkring eigenlijk is: een cirkel. (Een circuit voor racewagens is immers iets dat in principe rond loopt.) Het woord draadstel wordt vooral in België gebruikt en is enigszins 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 herkennen en tellen

Wie naar een hoogspanningslijn in Nederland en België kijkt, ziet altijd drie draden of een veelvoud van drie. Dat laatste betekent dat er meerdere circuits aan één mast zijn op hangen. Een verbinding tussen twee stations kan namelijk ook uit twee circuits die parallel zijn aangelegd en die allebei hetzelfde begin- en eindpunt hebben.

Wat zien we bijvoorbeeld aan deze twee hoogspanningslijnen hangen?

Niet drie, maar zes stroomvoerende draden. In feite twee groepen van drie. Aan beide zijden van de mast hangt dan 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 niet met 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 vollere hoogspanningslijnen met meer materiaal en kabels vereisen als we bijvoorbeeld zeven draden zouden nemen. 

Driefasen… Het vormt een compromis tussen het elektrotechnisch optimum, fijn gedrag en weinig materiaalgebruik terwijl ook nog steeds de voordelen van wisselstroom van toepassing zijn. In de tijden waarin vermogenselektronica nog niet bestond en alles mechanisch moest werken was een driefasensysteem het summum van vernuft. En eigenlijk is dat tot op de dag van vandaag niet veranderd. Daaraan kunnen we zien dat de uitvinders van anderhalve eeuw geleden zeker niet op hun achterhoofd waren gevallen.

Samenvatting: kan je de volgende vragen beantwoorden?

1. Wat moet elektriciteit 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:

Je ziet het: niet iedere hoogspanningslijn draagt hetzelfde aantal circuits. En de draden hangen ook niet altijd in dezelfde ruimtelijke vorm. Verder zijn de draden soms dikker en soms dunner. Logisch: als er meer stroom door moet kunnen verhogen we met name de spanning, maar ook de toelaatbare stroomsterkte kunnen we tot op zekere hoogte wat laten variëren.
En 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 heeft niet drie fasen, maar twee polen. Dit soort verbindingen hebben we overigens niet bovengronds in Nederland en België. De dichtstbijzijnde exemplaren tref je in Denemarken en Zweden aan.

We weten nu wat gelijkstroom, wisselstroom, driefasenstroom, de spanning, de stroomsterkte en het vermogen zijn. Je hebt gelezen wat een hiërarchisch net is. En als je naar één individuele hoogspanningsmast kijkt en de draden aanwijst, dan weet je precies wat je ziet. We beheersen nu alle basiskennis over elektriciteit die nodig is om in deel 4 de netkaart te pakken en naar het daadwerkelijke hoogspanningsnet van Nederland en België te gaan kijken.  
 

---

 

 

---