Het boek Schakelend element

De elektrische energietechniek heeft een geschiedenis van ruim honderd jaar. We hebben dagelijks plezier van elektriciteit en haar toepassingen. Er wordt vandaag de dag op vele fronten gewerkt aan de elektriciteitsvoorziening van de toekomst. We passen daarbij nieuwe ontwikkelingen uit andere vakgebieden toe. Ook de componenten worden steeds betrouwbaarder en goedkoper, zowel in ontwikkeling als in bedrijfsvoering. De vermogenschakelaar bijvoorbeeld is een essentieel onderdeel van het net.

Een trouwe wachter die alleen in geval van een storing zijn werk moet doen. Uren, dagen, weken behoeft de schakelaar niet in actie te komen. Maar doet er zich een calamiteit voor, stijgt de stroomsterkte plotsklaps van honderden ampères tot tientallen kiloampères dan moet er binnen een tijdsbestek van enkele tientallen milliseconden worden afgeschakeld.

Nu is de vermogenschakelaar een apparaat dat al meer dan honderd jaar bestaat. In het begin was het niet meer dan een scheider ondergedompeld in olie. Veel van de ontwerpen kwamen toen proefondervindelijk tot stand en er werd in het begin van deze eeuw in veel landen wat afgepionierd. In Nederland is het Hidde Nijland geweest, die de pioniersrol in de schakelaarontwikkeling vervulde. Hidde Nijland was de stichter van de firma Coq, later opgegaan in het Holec concern. De schakelaarontwikkeling nam pas een grote vlucht toen er beproevingen werden uitgevoerd in kortsluitlaboratoria. In de twintiger en dertiger jaren werden deze voornamelijk in Europa en in de Verenigde Staten gebouwd. In 1937 werd het kortsluitlaboratorium van de N.V. KEMA in Arnhem in bedrijf genomen en later diverse malen uitgebreid. Tegenwoordig is het, in 1973 in gebruik genomen “de Zoetenlaboratorium”, het grootste kortsluitlaboratorium ter wereld. De ontwikkelingen in de schakelaartechniek hebben immer gelijke tred gehouden met de ontwikkeling van beproevings- en meettechnieken in het laboratorium.

Doordat er steeds nauwkeuriger gemeten en beter beproefd kon worden, waren de ontwikkelingsingenieurs van de schakelaarfabrikanten in staat om nieuwe blusmedia toe te passen en daarmee schakelaars voor grote vermogens te ontwikkelen. Door de verbeterde meet- en beproevingstechnieken is men dientengevolge steeds meer gaan begrijpen van het gecompliceerde fysische proces dat zich rond de stroomnuldoorgang in het boogplasma afspeelt. In het hoogstroomgebied heerst er in het plasma een temperatuur van 10.000 Kelvin of meer en door koeling van de boogvlak voor stroomnuldoorgang een temperatuurgradiënt van zo’n 2.000 Kelvin per microseconde. In het plasma treden bewegingssnelheden van gassen op tot ver boven de geluidssnelheid. Ik noem deze getallen en processen om u een idee te geven wat er zich voor extreme omstandigheden voordoen tussen de zich uit elkaar bewegende contacten van de vermogenschakelaar gedurende het onderbrekingsproces rond de stroomnuldoorgang. Toch is een vermogenschakelaar, wat zijn werking en constructie betreft, een relatief simpel apparaat.

Een schakelaar is niet veel meer dan een stel contacten, die door een aandrijfmechanisme uit elkaar worden getrokken in een afgeschermd vat, de zogenaamde bluskamer, gevuld met een gas of vloeistof voor het geforceerd koelen van de boog. Het principe van de schakelaar is al honderd jaar hetzelfde. Toch zijn er voor de ontwikkeling van nieuwe typen schakelaars nog steeds, naar verhouding, veel proeven in het laboratorium nodig. Hoe gaat het, om eens een voorbeeld te noemen, in de luchtvaart? Het vliegtuig is even als de vermogenschakelaar aan het begin van deze eeuw ontworpen, en ziet er wat zijn opbouw betreft, nog hetzelfde uit: een of meer motoren, een romp en twee vleugels. Toch wordt een nieuw ontwerp van Airbus of Boeing geheel op de computer ontwikkeld, uitgetest en al aan de klant verkocht voordat er een prototype gebouwd is waar daadwerkelijk mee gevlogen wordt om de luchtvaardige eigenschappen te testen en de nodige vergunningen te verkrijgen.

Bij de vermogenschakelaar daarentegen worden er door de fabrikant eerst prototypes gebouwd, die gebaseerd zijn op vroegere ontwerpen en eerder opgedane ervaring. En dan moet een beproeving in het laboratorium uitwijzen of er aan de verwachtingen wordt voldaan. Stap voor stap wordt een ontwerp vervolmaakt totdat de nieuwe schakelaar aan alle eisen voldoet. Een nieuw ontworpen schakelaar wordt alleen dan verkocht als hij daadwerkelijk de kortsluitstromen in de praktijk van het laboratorium heeft afgeschakeld. Of zoals de Engelsen het zo treffend weten uit te drukken: "The Proof of the Pudding is in the Eating".

Prof. Ir. L. van der Sluis
Bestuurslid van de Hidde Nijland Stichting