Met behulp van een tachtig jaar oud inzicht uit de plasmafysica lukt het eindelijk om te begrijpen wat er precies omgaat in een elektrische circuitonderbreker, zo heeft TU-promovendus Ezra van Lanen aan het licht gebracht.
Goed voor een prestigieuze Chatterton Award, en misschien ooit handig voor het testen van circuitonderbrekers.
Al vele jaren zit in menig transformatorhuis een onderdeel waarvan niemand tot in detail begrijpt hoe het werkt. Ja, een ‘vacuúmschakelaar’ onderbreekt automatisch de stroom bij kortsluiting, net als de hoofdschakelaar thuis in de stoppenkast. De vacuúmschakelaar doet dat in distributienetwerken, elektriciteitsnetten met een spanning tot vijftigduizend volt. Treedt er in zo’n net kortsluiting op, dan trekt de schakelaar twee polen uit elkaar om de stroom te onderbreken. Daarbij gebeurt er iets zeer heftigs, dat was ook al bekend. Heel even ontstaat er tussen de polen een heus plasma, een tienduizenden graden hete soep van losse elektronen en uit de polen losgeslagen koper- en chroomionen. Een fractie van een seconde lang is het dan in het transformatorhuis plaatselijk zo heet als in de schil van de zon.
Maar wat er in de deelseconden daarna precies gebeurt, ligt lastiger. Zoveel is zeker: na de stroomonderbreking piekt de spanning, ongeveer als de waterslag die je in een oude waterleiding hoort als je de kraan abrupt dichtdraait. Alleen begint de piek met een raadsel: een onverklaarde, diepe dip in de spanning, tot minder dan 0,5 volt. Het dipje duurt maar miljoensten van seconden, en de schakelaar werkt er niet minder om. Maar hij is er wél, zegt ir. Ezra van Lanen, promovendus bij de afdeling elektriciteitsvoorziening (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). “Een verklaring was er niet. Dat stond mij toch een beetje tegen.”
Van Lanen en zijn collega’s dr.ir. Marjan Popov, prof.ir. Lou van der Sluis en prof.dr.ir. René Smeets van de TU Eindhoven realiseerden zich dat het misschien komt door het plasma. In een geïnspireerd moment drong het tot Van Lanen door dat de karakteristieken van een vacuúmschakelaar in actie verdacht veel lijken op die van een ‘Langmuir probe’, een meettoestel waarmee men de elektronendichtheid, -temperatuur en potentiaalverschillen in een plasma meet. Dat apparaat werd in 1923 voor het eerst voorgesteld door de latere Nobelprijswinnaar Irving Langmuir.
Neerhagelen
In een ‘normale’ situatie zou je verwachten dat alleen de elektrische velden rond de polen bepalen wat gebeurt met de elektronen en de ionen in de schakelaar. Maar in het plasma eisen de extreme temperaturen hun rol op. De intense hitte zorgt er dan voor dat het plasma naar alle kanten elektronen en ionen wegblaast. Gevolg: een moment waarop op beide elektrodes ionen en elektronen neerhagelen. Daardoor duikt de spanning even naar beneden . met het dipje als gevolg. Van Lanen won met dat inzicht deze maand in Japan de Chatterton Young Investigator Award, van de internationale beroepsvereniging voor elektrotechnisch ingenieurs IEEE. Geprezen werd hij vooral omdat het niet iedere dag gebeurt dat iemand de razend ingewikkelde plasmafysica loslaat op een alledaags elektrotechnisch probleem. “Ik moet je zeggen dat het me wel tijd kostte voordat ik het zelf allemaal snapte”, bekent Van Lanen.
Geheel nutteloos is de ontdekking niet. Ongezien voor het grote publiek is de vacuúmschakelaar bezig met een stille opmars. Door de opkomst van windenergie en andere ‘decentrale’ energie-opwekkers nemen distributienetwerken, en dus ook vacuúmschakelaars, in belang en aantal toe.
Als er één plek is waar men de Delftse verklaring van het dipje met belangstelling zal gadeslaan, is het wel het Kema High Power Laboratory in Arnhem. Dat lab besteedt nu veel tijd aan het testen van vacuúmschakelaars. Van Lanen: “Het zou voor hen handig zijn om nieuwe indicatoren te vinden waarmee je snel kunt bepalen of een schakelaar wel of niet kan worden goedgekeurd. In die zoektocht komt alle nieuwe kennis goed van pas.”
Een opengewerkte vacuúmschakelaar. De schakelaar bestaat uit twee polen in een vacuúm, die bij kortsluiting in een fractie van een seconde van elkaar worden getrokken. (Foto: Ezra van Lanen)
Al vele jaren zit in menig transformatorhuis een onderdeel waarvan niemand tot in detail begrijpt hoe het werkt. Ja, een ‘vacuúmschakelaar’ onderbreekt automatisch de stroom bij kortsluiting, net als de hoofdschakelaar thuis in de stoppenkast. De vacuúmschakelaar doet dat in distributienetwerken, elektriciteitsnetten met een spanning tot vijftigduizend volt. Treedt er in zo’n net kortsluiting op, dan trekt de schakelaar twee polen uit elkaar om de stroom te onderbreken. Daarbij gebeurt er iets zeer heftigs, dat was ook al bekend. Heel even ontstaat er tussen de polen een heus plasma, een tienduizenden graden hete soep van losse elektronen en uit de polen losgeslagen koper- en chroomionen. Een fractie van een seconde lang is het dan in het transformatorhuis plaatselijk zo heet als in de schil van de zon.
Maar wat er in de deelseconden daarna precies gebeurt, ligt lastiger. Zoveel is zeker: na de stroomonderbreking piekt de spanning, ongeveer als de waterslag die je in een oude waterleiding hoort als je de kraan abrupt dichtdraait. Alleen begint de piek met een raadsel: een onverklaarde, diepe dip in de spanning, tot minder dan 0,5 volt. Het dipje duurt maar miljoensten van seconden, en de schakelaar werkt er niet minder om. Maar hij is er wél, zegt ir. Ezra van Lanen, promovendus bij de afdeling elektriciteitsvoorziening (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). “Een verklaring was er niet. Dat stond mij toch een beetje tegen.”
Van Lanen en zijn collega’s dr.ir. Marjan Popov, prof.ir. Lou van der Sluis en prof.dr.ir. René Smeets van de TU Eindhoven realiseerden zich dat het misschien komt door het plasma. In een geïnspireerd moment drong het tot Van Lanen door dat de karakteristieken van een vacuúmschakelaar in actie verdacht veel lijken op die van een ‘Langmuir probe’, een meettoestel waarmee men de elektronendichtheid, -temperatuur en potentiaalverschillen in een plasma meet. Dat apparaat werd in 1923 voor het eerst voorgesteld door de latere Nobelprijswinnaar Irving Langmuir.
Neerhagelen
In een ‘normale’ situatie zou je verwachten dat alleen de elektrische velden rond de polen bepalen wat gebeurt met de elektronen en de ionen in de schakelaar. Maar in het plasma eisen de extreme temperaturen hun rol op. De intense hitte zorgt er dan voor dat het plasma naar alle kanten elektronen en ionen wegblaast. Gevolg: een moment waarop op beide elektrodes ionen en elektronen neerhagelen. Daardoor duikt de spanning even naar beneden . met het dipje als gevolg. Van Lanen won met dat inzicht deze maand in Japan de Chatterton Young Investigator Award, van de internationale beroepsvereniging voor elektrotechnisch ingenieurs IEEE. Geprezen werd hij vooral omdat het niet iedere dag gebeurt dat iemand de razend ingewikkelde plasmafysica loslaat op een alledaags elektrotechnisch probleem. “Ik moet je zeggen dat het me wel tijd kostte voordat ik het zelf allemaal snapte”, bekent Van Lanen.
Geheel nutteloos is de ontdekking niet. Ongezien voor het grote publiek is de vacuúmschakelaar bezig met een stille opmars. Door de opkomst van windenergie en andere ‘decentrale’ energie-opwekkers nemen distributienetwerken, en dus ook vacuúmschakelaars, in belang en aantal toe.
Als er één plek is waar men de Delftse verklaring van het dipje met belangstelling zal gadeslaan, is het wel het Kema High Power Laboratory in Arnhem. Dat lab besteedt nu veel tijd aan het testen van vacuúmschakelaars. Van Lanen: “Het zou voor hen handig zijn om nieuwe indicatoren te vinden waarmee je snel kunt bepalen of een schakelaar wel of niet kan worden goedgekeurd. In die zoektocht komt alle nieuwe kennis goed van pas.”
Een opengewerkte vacuúmschakelaar. De schakelaar bestaat uit twee polen in een vacuúm, die bij kortsluiting in een fractie van een seconde van elkaar worden getrokken. (Foto: Ezra van Lanen)
Comments are closed.