Vonken trekken met 72 duizend volt

Dat schakelen is een spectaculaire zaak: in een fractie van een seconde wordt de stroom bij een spanning van meer dan 72.000 volt onderbroken. Terwijl de contacten van de schakelaar zich van elkaar scheiden, blijft de stroom, die kan oplopen tot tienduizenden ampère, doorlopen. Vuurwerk is het gevolg. Tussen de contacten van de schakelaar ontstaat een oogverblindende plasmaboog.

dr.ir. Ezra van Lanen.

technologiestichting STW

Voor Ezra van Lanen (1975) was dit het ideale onderwerp voor een promotieonderzoek. Na zijn studie elektrotechniek aan de Technische Universiteit Delft, waarbij hij zich op elektromagnetisme had gespecialiseerd, begon hij in 2003 met het onderzoek naar de hoogspanningsschakelaars bij de afdeling energietechniek. Van Lanen: “Het sprak me aan dat dit onderzoek aan de ene kant heel praktisch is. Het gaat om schakelaars die veelvuldig worden toegepast. Het werk zou begeleid worden door de KEMA in Arnhem en je zou er door Nederland voor moeten reizen. Aan de andere kant is het sterk theoretisch. Want wat er nu precies fysisch gebeurt als zo’n plasmaboog gedoofd wordt, dat wist tot nu toe nog niemand volledig.”

Eerder onderzoek had laten zien dat het in principe mogelijk is om meer te zeggen over een vermogensschakelaar dan dat hij veilig of niet veilig is. Voor de grote broertjes van de vacuümschakelaars waar Van Lanen zich mee bezig zou houden, was het eerder al gelukt om het schakelgedrag nauwkeurig in kaart te brengen. Maar die schakelaars bevinden zich in een huls waarbinnen een speciaal gas opgesloten zit. De vermogensschakelaars die Van Lanen ging onderzoeken zijn kleiner (ze hebben het formaat van een pak melk) en ze zijn vacuüm gezogen. De vraag was, of er überhaupt aan zo’n schakelaar wat te meten viel. Het onderzoek begon dus met het uitzoeken van de vraag of je in de meetsignalen indicatoren kunt vinden voor de kwaliteit van een vermogensschakelaar.

Voor Van Lanen was dit een nieuw terrein: “Ik was gewend om met circuits op printplaatniveau te werken. Daar heb je te maken met spanningen van een paar volt en stromen van hooguit een paar ampère. Maar als je met duizenden volts en ampères gaat werken, dan is het niet meer simpelweg een kwestie van weerstanden, spoelen en stromen. Je krijgt ook heel sterke elektromagnetische velden.”

Exploderende schakelaar

Het eerst probleem was, dat de meetapparatuur slecht tegen de elektromagnetische velden af te schermen valt. KEMA bleek een manier te kennen om in software de storingen weg te filteren. Daarna begon het echte werk. Er is maar een beperkt aantal laboratoria in Nederland dat daarvoor de apparatuur kan leveren, want er moet voldoende vermogen beschikbaar zijn. Aan de Technische Universiteit Eindhoven en bij KEMA vond Van Lanen labs die met bruikbare transformatoren en spoelen waren uitgerust. Zo reisde hij wekelijks tussen de labs in Arnhem en Eindhoven.

Enkele impressies van het testlaboratorium van KEMA in Arnhem.

technologiestichting STW

Het werk in de laboratoria bleek niet zonder gevaar. Van Lanen: “Je hebt altijd oordopjes in, omdat er ook een luchtschakelaar verderop in het circuit zit, die de boog dooft met perslucht, en dat geeft een luide knal. Bovendien is de tijd die je in zo’n lab hebt beperkt. Meettijd bij KEMA is heel duur. Ook moet je kiezen tussen veel meten en het risico lopen dat er schade aan de apparatuur ontstaat. Op een keer had ik na een middag testen nog steeds geen resultaten gevonden. Ik was de stroom en spanning steeds maar aan het opvoeren en zag nog steeds geen bruikbaar signaal. Plotseling – boem! – een explosie, compleet met paddestoelvormige rookwolk. De schakelaar was geëxplodeerd. Dat heeft me wel een paar hartkloppingen gekost.”

Door slim het meetcircuit in twee delen te scheiden – een deel voor hoge stroom en een deel voor hoge spanning – lukte het in Eindhoven om het schakelgedrag van de schakelaar in de meetopstelling realistisch na te bootsen. In zijn zeer nauwkeurige metingen van de schakelstromen en -spanningen vond Van Lanen iets merkwaardigs: de spanning over het plasma bleef na het schakelen heel kort – een paar honderdste microseconden – op nul staan. Dat was nog niet eerder waargenomen. En nog interessanter: er was ook geen natuurkundige verklaring voor. Van Lanen besloot om dieper in dit probleem te duiken. Want als het hem zou lukken een verklaring voor dit schakelgedrag te vinden, dan zou hij ook een methode hebben om de schakelaar te verbeteren.

Sluitende verklaring

Van Lanen: “Ik ging me in de fysica van plasma’s verdiepen. Daarbij las ik het werk van een Amerikaan: Irving Langmuir.” Langmuir (1881- 1957) werkte in de jaren twintig van de vorige eeuw voor General Electric, waar hij geïoniseerd gas bestudeerde. Zo ontwikkelde hij sondes waarmee je de temperatuur en de kinetische energie van ionen kunt meten. “Toen ik zijn werk las, ging er bij mij een lampje branden: mijn schakelaars zijn als het ware grote Langmuir-sondes. Je kunt de formules omdraaien, omdat je de temperatuur en de energie van de ionen in zo’n schakelaar weet.”

Van Lanen had nu niets minder dan een onbekend fenomeen geregistreerd, en een sluitende natuurkundige verklaring ervoor geleverd. Dat leverde hem een mooie erkenning op: het winnen van de Chatterton Young Investigators Award. De prijs werd aan Van Lanen als de beste jonge onderzoeker op de IEEE conferentie in Japan in 2006 uitgereikt.

Inmiddels werkt Van Lanen aan de Universiteit Twente, waar hij betrokken is bij het onderzoek voor het internationale kernfusieproject ITER. Hij reist regelmatig af naar de bouwlocatie van de Europese kernfusiereactor in Cadarache, Zuid-Frankrijk. Zijn kennis van het gedrag van hoge stromen en de speciale meetcircuits komt goed van pas. Van Lanen: “Die praktische kant van natuurkundige kennis vind ik het mooist. Mijn promotie was in dat opzicht ook heel dankbaar werk, omdat fabrikanten van de schakelaars met de nieuwe kennis direct aan de slag kunnen.”

Het promotieonderzoek van Ezra van Lanen is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW.