De hoogspanningsversie van de adapter is de vermogenstransformator. Maar ook het lichtknopje heeft een grote broer: de vermogensschakelaar. Deze grote (en zeer snelle) schakelaars zijn onmisbaar in het net.

Het elektriciteitsnet mag er dan uitzien alsof alles altijd aan elkaar verbonden is, maar dat is slechts ten dele het geval. 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, bouwwerkzaamheden, regulier onderhoud en zelfs in de dagelijkse benutting van het net, bijvoorbeeld om doortransport te voorkomen. 

In hoofdzaak zijn er twee soorten schakelaars: vermogensschakelaars en scheidingsschakelaars. Deze pagina gaat over de eerste soort, de vermogensschakelaars. Bij middenspanning staan vermogensschakelaars binnen in de elektriciteitshuisjes. Bij hoogspanning zijn de schakelaars veel groter en zwaarder, tot een gewicht van meer dan een ton. Daar staan ze opgesteld in een zogeheten schakeltuin of schakelveld in de openlucht, of in een overdekt gebouw bij compacte stations.

Vermogensschakelaars voor 380 kV (foto door forumlid Michel)

Zes T-vormige vermogensschakelaars voor 380 kV in openluchtopstelling op de Maasvlakte. Dit zijn schakelaars van het zogeheten live tank ontwerp: de schakelmachinerie staat zelf ook onder een potentiaal. Je ziet de fasedraden binnenkomen en er aan de andere kant weer uit gaan. De schakelhandeling bestaat uit het met grote snelheid opzij trekken van een contactpin in een zogeheten vlamboogkamer binnenin de twee zijwaartse benen van de T. Je kunt aan de buitenkant helaas niet zien of de schakelaars open staan of dat ze gesloten zijn. Foto door Michel van Giersbergen.

Schakelen is ingewikkeld

In tegenstelling tot wat je zou denken is het niet makkelijk om grote vermogens elektriciteit te schakelen.
De enorme vermogens zorgen in een mum van tijd voor vlambogen, vonkerosie of onstabiel gedrag in het net. Een vermogensschakelaar moet een uitermate robuust apparaat zijn die zeer snel kan handelen om hitteontwikkeling en netverstoringen voor te blijven. Deze schakelaars zijn in staat om in zeer korte tijd (een fractie van een seconde) een rail, een middenspanningskabel en bij de grootste exemplaren zelfs een hele hoogspanningslijn- of station compleet te kunnen in- of afschakelen.

Vermogensschakelaars moeten voldoen aan zeer 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, intense magneetkrachten en een levensgevaarlijke hoeveelheid UV-licht. De bouw van zo'n schakelaar is een vak op zichzelf en de technologische ontwikkeling van deze componenten gedurende de 20e eeuw is een geschiedenis op zichzelf geweest, groot genoeg om er een aparte pagina over vol te schrijven en tot op de dag van vandaag doorgaand. (Daarover schrijven is overigens iets wat loadflowsoftwareproducent Phase to Phase werkelijk gedaan heeft: een aanrader voor wie meer weten wil.)

Vermogensschakelaars voor 150 kV op Dodewaard

Vermogensschakelaars voor 150 kV

Nog 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 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. Inmiddels worden SF6-schakelaars, vacuümschakelaars en oliearme schakelaars het meest gebruikt bij wisselstroom en vermogenselektronica bij gelijkstroom. (Gelijkstroom kent geen nuldoorgangen, waardoor een vlamboog niet vanzelf uitdoven kan. Schakelmoeilijkheden zijn tot op heden een van de grotere uitdagingen van HVDC.)

Vermogensschakelaars zijn in meerdere opzichten kritieke componenten van een midden- en hoogspanningsnet. Ook organisatorisch. 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 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 in en na de oorlog natuurlijk geen onomstreden bron.

In dit filmpje van Vanguard Instruments (een grote naam in serieuze meetinstrumenten) wordt uitgelegd hoe vermogensschakelaars werken en hoe je ze moet doormeten om te onderzoeken of hij het nog naar behoren doet. Bijvangst is dat men ook met een paar animaties en uitleg (engelstalig) laat zien hoe een oliearme- en SF6-schakelaar werkt, hoe de onderdelen bewegen en hoe snel de schakelaar wel niet handelt – pang!

Vandaag de dag worden vermogensschakelaars nog steeds 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 bouwt vermogensschakelaars, maar zij richten zich wat meer op gelijkstroom. In het verleden waren er ook in de Benelux fabrikanten, met name gericht 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 de nog steeds gebruikte Coq-schakelkasten zijn tot op de dag van vandaag gemeengoed in de wat oudere middenspanningsinstallaties.

Persluchtschakelaars: een knallende aangelegenheid 

Oliearme schakelaars en SF6-schakelaars doen hun werk in stilte. Hooguit hoor je een plop, een klang of een pats als er eentje schakelt. Dat was in de eerste helft van de 20e eeuw wel anders, toen met name in het hoogspanningsbereik veel gebruik werd gemaakt van zogeheten persluchtschakelaars. Die zijn voor een vermogensschakelaar relatief simpel van ontwerp en een stuk goedkoper in bouw en onderhoud dan andere oude ontwerpen zoals bulkolieschakelaars. Alleen met persluchtschakelaars kon de enorme expansie van het hoogspanningsnet in de jaren 50 en 60 min of meer worden bijgehouden. 

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, 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 is dat 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) en ze waren ook 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 dat trafostation…

Persluchtschakelaars op Weiwerd (foto uit EGD-jaarverslag) Persluchtschakelaars van een ander type. Let op de druktank onderaan

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, deze keer op Delft en uit de jaren 60 (foto uit een VDEN-brochure). Onder in beeld kan je de persluchttanks zien waar de schakelaar zowel de aandrijving voor zijn schakelhandeling aan ontleende alsook de lucht om de vlamboog uit elkaar te blazen. De harde knal die deze schakelaars bij een schakelhandeling gaven lijkt op die van knalvuurwerk en in een binnenopstelling in een stalen gebouw was dat een hels kabaal.

Snel handelen

Vermogensschakelaars, welk type dan ook, hebben allemaal gemeen dat ze ontzettend snel moeten kunnen schakelen. Hoe 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, gesloten markt voor elektriciteit. Maar het heeft ook nadelen, zeker op het niveau van het koppelnet. Het Europese net is erg groot en er hangt nogal wat productievermogen op (ruim zeshond gigawatt). Wanneer er ergens een harde sluiting ontstaat, zal al het vermogen dat op het net staat deze plotselinge weg van de minste weerstand prefereren boven de gebruikelijke wegen. Er ontstaat dan in een fractie van een seconde een zeer grote kortsluiting met een stroomsterkte die met gemak 100 kA halen kan. Dit soort stroomsterkten zijn in staat tot het vernielen van een hele hoogspanningslijn en een aantal van de trafostations in de directe omgeving ervan, om nog maar te zwijgen van een mogelijke cascadestoring die eruit voort kan komen. 

T-vormige vermogensschakelaars voor 380 kV

Nog meer vermogensschakelaars, maar nu op Eindhoven Oost. 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 kunnen voltrekken terwijl de volle load door de schakelaar heen loopt. Fragiele ontwerpen zijn daardoor taboe en men gaat voor betrouwbaarheid boven de goedkoopste aanbieding. Foto door Michel van Giersbergen.

Om dat soort gevaarlijke problemen het hoofd te bieden moet een circuit waarin een harde sluiting is ontstaan direct worden afgekoppeld, nog voordat de kortsluitstroom een waarde heeft bereikt die schade kan aanrichten. Enkele tientallen milliseconden met een maximum van 40 is gebruikelijk.

Voor en na een tripcommando

Binnen die 40 milliseconden moet van alles gebeuren. Laten we uitgaan van een calamiteit, er vindt een kortsluiting tussen twee fasedraden plaats. Vanaf het moment dat de kortsluiting ontstaat moet deze eerst worden opgemerkt door de bewaakapparatuur. 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. Daarna heeft ook de schakelaar zelf een korte tijd nodig om fysiek te openen. Vergelijk het met remmen: als de remlichten van de auto voor je oplichten, heb je zelf een halve seconde reactietijd nodig om die waarneming van je ogen te verwerken in je hersenen, om daarna je rechtervoet opdracht te geven de rem in te drukken. Bij hoogspanningsapparatuur gaat dat gelukkig allemaal heel wat sneller dan een halve seconde. Dat moet ook wel, want de tijd die je hebt tussen het ontstaan van de harde sluiting en het moment waarop schade onafwendbaar wordt is heel kort. 

Het grootste nadeel aan moderne vermogensschakelaars is dat er aan de buitenkant niet te zien of ze geopend of gesloten zijn. Tevens 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 is er de scheidingsschakelaar. In het hoogspanningsbereik worden deze twee schakelaars vrijwel altijd samen toegepast in serie achter elkaar. Lees hier verder over scheidingsschakelaars.

 


Omhoog