Vermogensschakelaar
Vermogensschakelaars of breakers kunnen grote vermogens elektriciteit inschakelen, maar stiekem nog belangrijker, ook snel weer uitschakelen.
Het elektriciteitsnet mag er uitzien alsof alles altijd verbonden is, maar dat is slechts deels zo. In de praktijk kan ieder circuit, station, iedere transformator en iedere aansluiting op verzoek of automatisch worden aan- of afgekoppeld. Dat is nodig bij omleidingen, calamiteiten, onderhoud en zelfs in de dagelijkse benutting van het net, bijvoorbeeld om doortransport te voorkomen.
Het lichtknopje heeft een grote broer: de vermogensschakelaar. De schakelhandeling bestaat uit het met grote snelheid opzij trekken van een contactpin in een vlamboogkamer in de zijwaartse benen van de T. Dat gaat in een fractie van een seconde. Je kan aan de buitenkant niet zien of de schakelaars open staan of dat ze gesloten zijn. Foto door Michel van Giersbergen.
Deze grote en zeer snelle schakelaars, ook bekend onder hun Engelse naam breakers, zijn samen met transformators de belangrijkste onderdelen die je op stations kan vinden.
Bij middenspanning staan de vermogensschakelaars binnen in de netstations en zien ze eruit als grote kasten waar niet eenvoudig in te zien is wat er gebeurt. Zijn het olieschakelaars, messchakelaars of vacuümschakelaars, of soms zelfs vermogenselektronica? Bij hoogspanning zijn de schakelaars groter en zwaarder en daar wordt het ook veel zichtbaarder. Exemplaren voor 380 kV wegen eenvoudig net zoveel als een auto. Ze staan opgesteld in een zogeheten schakeltuin of schakelveld in de openlucht, in een overdekt gebouw bij compacte stations, of binnenin een GIS-installatie bij stations die een ander gas dan lucht gebruiken om te isoleren.
Schakelen is ingewikkeld
In tegenstelling tot wat men denkt is het ingewikkeld om grote vermogens te schakelen. De enorme stroomsterktes (bij normaalbedrijf tot 4000 Ampère en bij kortsluitingen een veelvoud) zorgen in een mum van tijd voor vlambogen, vonkerosie of onstabiel gedrag in het net wanneer je ze losneemt of inschakelt en de hoge spanning zorgt ervoor dat vonken wel een halve meter kunnen springen. Een vermogensschakelaar moet een uitermate robuust apparaat zijn die zeer snel kan handelen om hitteontwikkeling op de contactpunten en netverstoringen in het aangesloten hoogspanningsnet voor te blijven.
Vermogensschakelaars moeten voldoen aan hoge technische eisen. Tijdens de schakelhandeling, hoe kort ook, zal er binnenin de schakelaar een vlamboog ontstaan die het volhoudt tot de eerstvolgende nuldoorgang van de wisselstroom: dat is altijd korter dan 1/50e van een seconde, maar bij een stroomsterkte van meer dan duizend ampère ontstaat zelfs in die zeer korte tijd een enorme hitteontwikkeling en een levensgevaarlijke hoeveelheid UV-licht. De bouw van zo’n schakelaar is een vak op zichzelf en de technologische ontwikkeling van schakelaars gedurende de 20e eeuw is een hele zoektocht geweest met grote weerslag op hoe het hoogspanningsnet zich heeft kunnen ontwikkelen. Daarover schrijven is trouwens iets wat loadflowsoftwareproducent Phase to Phase werkelijk gedaan heeft met een kalender. Een aanrader voor wie meer weten wil.
Meer vermogensschakelaars. T-vormige oliearme exemplaren voor 150 kV op Dodewaard en Y-vormige oliearme exemplaren op Eindhoven. De verschillende vorm weerspiegelt verschillende inzichten bij de fabrikanten. Elk exemplaar weegt al snel een halve ton. Foto’s door Hans Nienhuis en Michel van Giersbergen.
Oliearm, SF6, perslucht, bulkolie, vacuüm, vermogenselektronica…
De vlamboog die bij het lostrekken van de verbinding ontstaat is een belangrijk probleem bij de grote vermogens die door deze schakelaars lopen. Het zoveel mogelijk vermijden van het ontstaan van een vlamboog is de rode draad in de ontwikkeling van vele soorten vermogensschakelaars. Voor middenspanning waren en zijn er messchakelaars, die de inslag zo snel en kort mogelijk maken. Hoogspanning vroeg om nog ingewikkelder oplossingen. Inmiddels worden SF6-schakelaars, vacuümschakelaars en oliearme schakelaars het meest gebruikt bij wisselstroom. Voor gelijkstroom is het meestal vermogenselektronica. Gelijkstroom kent geen nuldoorgangen waardoor een vlamboog niet vanzelf uitdoven kan. Schakelmoeilijkheden zijn al vanaf de eerste begintijd rond 1880 tot op vandaag een uitdaging binnen HVDC.
Vermogensschakelaars zijn in meerdere opzichten kritieke componenten van een midden- en hoogspanningsnet. Ook in de netontwikkeling. Met name in en vlak na de oorlog kwam het wel eens voor dat een hele hoogspanningsverbinding al klaar was terwijl de vermogensschakelaars nog op zich lieten wachten. Dat kon wel jaren duren wegens geldgebrek of ondercapaciteit bij de producenten. Nederland betrok zijn vermogensschakelaars lange tijd uit het buitenland, zoals bij het Duitse AEG en Siemens. Dat was kort na de oorlog geen onomstreden bron. Vandaag worden vermogensschakelaars nog steeds voor een belangrijk deel in Duitsland gemaakt. Het bedrijf Mosdörfer/Lorünser is een grote naam en Tennet betrekt daar een groot deel van zijn materiaal vandaan. Ook het Zweeds-Zwitserse ABB bouwde vermogensschakelaars, maar zij richten zich sinds hun overname door Hitachi inmiddels wat meer op gelijkstroom. In het verleden waren er ook in de Benelux fabrikanten die gericht waren op het middenspanningsniveau. Hun erfenis is nog steeds terug te vinden in het middenspanningsnet en in oude 50 kV-apparatuur. Namen als Hazemeijer, Odink & Koenderink, Holec (tegenwoordig Eaton) en COQ-schakelkasten zijn nog steeds gemeengoed in de wat oudere middenspanningsinstallaties.
Tegenwoordig winnen vacuümschakelaars en vermogenselektronica snel terrein. Met zware thyristors (halfgeleiders, lijkend op transistors) die met duizenden tegelijk in staat zijn om gezamenlijk grote vermogens te schakelen. Voor HVDC is dit vrijwel de enige manier. Vacuümschakelaars lijken op oliearme schakelaars waarin een pen opzij wordt getrokken, maar dan gebeurt dit in een vacuüm. Zo kan zich nauwelijks een vlamboog vormen, maar het laatste contactpunt voor de pen of plaat loslaat wordt zeer snel zeer heet, er vindt verdamping van metaal plaats en dit metaalgas verknoeit het vacuüm. De bouw van vacuümschakelaars en de manieren om met een magneetveld te voorkomen dat op het laatste contactpunt alsnog een vonk ontstaat is een vakgebied waar nog op het scherpst van de snede wordt ontwikkeld.
Persluchtschakelaars: een knallende aangelegenheid
Oliearme schakelaars, vacuümschakelaars, elektronica en SF6-schakelaars doen hun werk in stilte. Hooguit hoor je een plop, een zoem, klang of een pats als er eentje schakelt. Dat was in de eerste helft van de 20e eeuw wel anders, toen in het hoogspanningsbereik veel gebruik werd gemaakt van persluchtschakelaars. Die zijn voor een vermogensschakelaar relatief simpel van ontwerp en een stuk goedkoper in bouw en onderhoud dan andere ontwerpen zoals bulkolieschakelaars. Alleen met persluchtschakelaars kon de enorme expansie van het hoogspanningsnet in de jaren 50 en 60 min of meer mogelijk worden gemaakt.
Persluchtschakelaars hebben geen olie of verticaal bewegende pin om het contact te verbreken. In plaats daarvan werd met grote snelheid een contactpin zijwaarts losgetrokken van een contactplaat (soms horizontaal, soms als rotatiescheider) waarna een harde stoot perslucht werd gebruikt om de vlamboog en de geïoniseerde lucht uit elkaar te blazen zodat de vlamboog na de eerstvolgende nuldoorgang niet opnieuw kon ontsteken. Technisch gezien een effectieve en simpele oplossing, maar persluchtschakelaars waren minder betrouwbaar dan de schakelaars van vandaag (persluchttank niet op druk, persluchtontploffing als er iets mis ging, soms doofde de vlamboog niet), ze gaven radiostoring in de omgeving en het vervelendste: ze waren uitermate luidruchtig. Bij elke contactopening gaven ze een harde scherpe knal die tot op aanzienlijke afstand over de vlakte of door de straten galmde en die menig wenkbrauw deed fronsen of alles eigenlijk wel goed ging daar op het trafostation…
Persluchtschakelaars op station Weiwerd in de vroege jaren 70 (links, foto uit een oud jaarverslag van het EGD). De vorm van een Yenteken met twee omlaag gebogen hoorns is een markant kenmerk van dit type schakelaars. Rechts zien we persluchtschakelaars op Delft en uit de jaren 60 (foto uit een VDEN-brochure). Onder in beeld kan je de persluchttanks zien waar de schakelaar zowel zijn aandrijving alsook de stoot lucht ter doving van de vlamboog uit ontleende. De harde knal die deze schakelaars bij een schakelhandeling gaven lijkt op die van knalvuurwerk. In een binnenopstelling in een stalen gebouw was dat een hels kabaal.
Snel handelen
Vermogensschakelaars hebben allemaal gemeen dat ze ontzettend snel moeten kunnen schakelen. Hoe snel is snel? Maximaal 40 milliseconden. Dat is tweeënhalf keer zo snel als knipperen met je ogen.
Normaal gesproken zijn ze dicht of gesloten, waardoor de verbindingen zijn aangesloten. Dat heeft voordelen, zoals een integrale, markt voor elektriciteit. Maar het heeft ook nadelen, zeker op het niveau van het koppelnet. Het Europese net is groot en er hangt een enorm vermogen op (ruim zeshonderd gigawatt). Wanneer er ergens een harde sluiting ontstaat zal een aanzienlijk deel van het vermogen dat op het net staat deze plotselinge weg van de minste weerstand prefereren boven de gebruikelijke wegen. Er ontstaat in een fractie van een seconde een zeer grote kortsluiting met een stroomsterkte die met gemak een paar honderd kA halen kan. Dat is een of twee ordegroottes hoger dan de 4 kA die bij normaalbedrijf het maximum is voor deze schakelaars. Dit soort stroomsterkten zijn in staat tot het vernielen van een hele hoogspanningslijn en een aantal van de trafostations in de directe omgeving als ze te lang staan, om nog maar te zwijgen van een mogelijke cascadestoring of systeemsplit die eruit voort kan komen.
Nog meer vermogensschakelaars. Ook deze zijn voor 380 kV geschikt. Ondanks hun vrij saaie uiterlijk zijn het razendsnelle apparaten: een schakelhandeling moet zich in minder dan 1/25e seconde voltrekken terwijl er zelfs bij normaalbedrijf wel een gigawatt vermogen door de schakelaars loopt. Fragiele ontwerpen zijn taboe en men gaat voor betrouwbaarheid boven de goedkoopste aanbieding. Foto door Michel van Giersbergen.
Om dat soort problemen het hoofd te bieden moet een circuit waarin een harde sluiting is ontstaan direct worden afgeschakeld, nog voordat de kortsluitstroom een waarde heeft bereikt die schade kan aanrichten. Enkele tientallen milliseconden met een maximum van 40 milliseconden is gebruikelijk. Let wel, dit betreft de volledige handeling, dus ook de detectie vóór het schakelen.
Tripcommando
Wat gebeurt er dan allemaal binnen die 40 milliseconden? Laten we uitgaan van een calamiteit: er vindt een sluiting plaats tussen twee fasedraden ergens halverwege een circuit. Vanaf het moment dat de kortsluiting ontstaat moet deze eerst in omvang groeien tot boven normale waardes voor asymmetrische belasting van de fasedraden. Nadat dat is gebeurd moet het worden opgemerkt door de bewaakapparatuur, zogeheten distantiebeveiliging of -relais. Daar zit een klein beetje procestijd in, maar als de bewaakapparatuur constateert dat het echt niet pluis is, wordt een zogeheten tripcommando verstuurd aan de vermogensschakelaar: een signaal om te openen, en wel nu.
Daarna heeft ook de schakelaar vanwege de interne traagheid van de zware metalen onderdelen nog een korte tijd nodig om daadwerkelijk fysiek te openen. Vergelijk de hele procedure met remmen: als de remlichten van de auto voor je oplichten, heb je zelf eerst even reactietijd nodig om de waarneming van je ogen te verwerken in je hersenen, om daarna je rechtervoet opdracht te geven de rem in te drukken, waarna het opnieuw even duurt voordat je voet ook echt daalt, en dan kost het daarna nog een tijdje voordat je merkbaar vaart mindert.
Het grootste nadeel aan moderne vermogensschakelaars is dat aan de buitenkant niet te zien is of ze geopend of gesloten zijn. Verder is het in het hoogspanningsnet niet voldoende om op één schakelaar te vertrouwen. Want wat nu als juist de vermogensschakelaar het laat afweten? Om deze problemen te ondervangen zijn vermogensschakelaars vrijwel altijd in serie geplaatst met scheidingsschakelaars.