Hoogspanningsinstallaties kenmerken zich door hoge elektrische spanning op de componenten. Maar er is daarbuiten in het vrije veld een verschijnsel met een nog veel hogere spanning: bliksem. 

We zitten op een planeet waar het zo nu en dan stevig kan onweren. Dat houdt het leven interessant voor stormchasers, maar onweer is er ook voor verantwoordelijk dat dat transformatorstations eruitzien als een woud van vlijmscherpe spijlen die recht omhoog de hemel in priemen. 

Haat-liefde met stroom

Hoewel hoogspanningscomponenten ontworpen zijn op het voeren van een heel hoge spanning, houden de installaties helemaal niet van bliksem. Een rake blikseminslag kan brand of kortsluiting veroorzaken, componenten beschadigen of vernielen, bewaakapparatuur onklaar maken en in het ergste geval een grote stroomstoring veroorzaken. Blikseminslag op componenten waar hoogspanning op staat moet zo veel mogelijk worden vermeden.

Een bliksem slaat niet altijd in: je hebt ook ontladingen die zich binnen de wolk bewegen en die de grond mijden. Wanneer er toch van een inslag sprake is, dan is een hoogspanningsmast natuurlijk bijzonder aantrekkelijk. Op deze foto's komen beide hoogspanningslijnen ermee weg, maar dat is niet atijd het geval. Foto links door Mark van der Meer. Rechts door Michel van Giersbergen.

De kracht van bliksem

Hoeveel energie zit er in een bliksem? Wanneer we er wat expertise van insiders bij halen, eraan gaan rekenen en het resultaat in een triviale maat uitdrukken, dan zien we dat de totale energie-inhoud van een ontlading op het eerste gezicht schijnbaar knap tegen valt: een typische inslag (in jargon een CG, ofwel een wolk-grondontlading) heeft een vermogen dat uitgesmeerd over een uur tijd een ordegrootte van 20 tot 200 kWh heeft. Daarmee kan je een aantal appartementenblokken, een middelbare school, een plattelandsdorpje of een klein festival een uur draaiende houden. Dat is veel te weinig om de vermogens op hoogspanningsapparatuur te evenaren.

Maar er zit een addertje onder het gras: een bliksem duurt geen uur. In een fractie van een seconde is het gebeurd. Wanneer we een vermogen van 100 kW (3.600.000 Joule) samenballen in een honderdste van een seconde en dan de berekening omdraaien om bij een zekere lengte van de ontlading (zeg drie kilometer) de spanning en de stroomsterkte terug te vinden, dan blijkt de zeer kortdurende energiepuls enorm te zijn. Een bliksem kan een spanning hebben van een paar honderd miljoen volt bij een stroomsterkte van tienduizenden ampères. Gedurende de zeer korte tijd dat de bliksem 'staat' loopt er heel eventjes een vermogen dat de totale Nederlandse basislast meerdere malen overtreft.

De gevolgen van een voltreffer zijn dan ook niet te missen. Wat gebeurt er als we gedurende 1/100e van een seconde 10.000 ampère bij 1.000.000.000 volt door een eik laten lopen?

De gevolgen van een voltreffer laten er geen gras over groeien: bliksem is in staat tot doden. Deze eik in Holsloot was driekwart meter dik toen hij in 2006 aan spaanders werd geblazen door een zware blikseminslag. De klap was ook 300 meter verderop nog enorm. Foto door Johanna Kuipers.

Een flinke blikseminslag is een kortsluitproef waar ze zelfs in het lab van de KEMA wit van wegtrekken en waar de meeste mensen de zenuwen van krijgen, enkele onweerfanaten daargelaten. Deze zeer korte maar krachtige puls elektrisch vermogen kan een verwoestend effect hebben op bomen, gebouwen en ook op hoogspanningscomponenten.

Een bliksemslachtoffer uit een privécollectie. Deze staande keramische isolator was ontworpen om geleiders geschikt voor 10 kV bij 300-500 A te dragen. Hij bleek niet bestand tegen een zeer korte puls in de ordegrootte van 1.000.000.000 V bij 10.000 A. Wie goed kijkt ziet dwars door het keramiek heen smeltkanaaltjes lopen naar de ingegoten metalen pin. Het keramiek sloeg door en het materiaal in de kanaaltjes werd in een fractie van een seconde zo heet dat het in plasma veranderde en de hele isolator in twee helften uiteen spatte. Foto door Hans Nienhuis.

Bliksempieken

Zoals we zien op de pagina's over bliksemdraden en die over de communicatietoren, trafostations zijn metalen objecten die verbonden door lange draden aan hoge metalen torens die richting de wolk omhoog steken. Dat is bijzonder aantrekkelijk voor bliksem, zodat het van groot belang is om de bliksem weg te lokken van meest kritieke onderdelen. In de hoogspanningslijnen zelf gebruikt men daar bliksemdraden voor, maar op de trafostations gebruikt men een soort spijlen die met een net woord bliksempieken genoemd worden. Het zijn metalen staven die recht omhoog de lucht in steken, metershoog boven de andere componenten uit. In de meeste gevallen zit er ook een vlijmscherpe punt op.

Vogelaars en ballonpiloten die nog nooit goed naar een trafostation hebben gekeken zullen zich vermoedelijk een hoedje schrikken. De bliksempieken zijn niet alleen heel hoog maar ook heel scherp. Dat moet ook wel: omdat zich om de punt heen een extra hoge veldsterkte opbouwt zijn ze onweerstaanbaar voor bliksem. Foto door Hans Nienhuis.

Horváth en Schwaiger: de bliksembol

Die bliksempieken zien er onvriendelijk uit, maar ze hebben zich bewezen als is de beste bliksembeveiliging die er is. Deze methode van bliksembeveiliging is te danken aan het werk van de Hongaarse professor Tibor Horváth uit de jaren 60, deels gabaseerd op ouder werk van de Duitse onderzoeker Schwaiger uit 1935. 

De theorie achter de werking is een toonbeeld van inzichtelijke simpelheid. Neem een landschap, een onweersbui en de 'bliksembol' in gedachten. Het is een denkbeeldige bol met een straal van enige tientallen meters (verschilt per publicatie) die men over het landschap kan rollen. De bol heeft geen massa, kan niet indeuken en voorwerpen kunnen er niet in binnendringen. Ieder voorwerp, hoekje of plat oppervlak dat bij het rollen in contact kan komen met de bolvorm is potentieel vatbaar voor blikseminslag. De hoge scherpe spijlen die je op een trafostation aantreft, staan zo dicht bij elkaar dat de bol, wanneer die eroverheen rolt, niet voldoende kromming meer heeft om de hoogspanningsinstallaties aan te kunnen raken. Hij blijft er als het ware boven overheen rollen. Deze benadering geeft geen volledige garantie (want die bestaat niet bij bliksem) en ook is de theorie tot op de dag van vandaag nog onderhevig aan wat discussie over de details, maar de bescherming met bliksempieken heeft in de afgelopen decennia bewezen behoorlijk goed te zijn.

Rol de denkbeeldige bliksembol over het trafostation en je raakt in dit geval alleen de punten van de bliksempieken, een paar boomtoppen en het weiland op de voorgrond. Maar de bol kan niet tussen de spijlen doorvallen, daarvoor staan ze te dicht bij elkaar. Het trafostation blijft daardoor in een veilige zone die wel wat weg heeft van een opgespannen tent.

Dat de bliksempieken in sommige gevallen ook een vlijmscherpe punt hebben heeft met iets anders te maken. Van de pagina over coronaringen weten we dat de elektrische veldsterkte rond scherpe, puntige voorwerpen zeer sterk kan toenemen. In transformators en rondom de geleiders is dat niet handig, maar wanneer je bliksem wilt aantrekken is een hoge veldsterkte juist zeer gewenst. Tijdens een onweerssituatie kan de veldsterkte zo sterk toenemen dat er Sint Elmusvuur ontstaat op de toppen van de spijlen. Scherpe omhoog stekende punten met ionisatie werkt op bliksem net als chocola op pubermeiden: ze kunnen er onmogelijk vanaf blijven, zodat de kans van een inslag op de spijl in plaats van op een component nog eens extra vergroot wordt. 

Ionisatie uitlokken

Bij middenspanning gaat het er wat anders aan toe. Trafohuisjes hebben meestal wel een soort bliksembeveiliging, maar wanneer we in België, Duitsland of Denemarken een bovengrondse verbinding voor middenspanning tegenkomen, zien we zeer zelden bliksemdraden. De fasedraden liggen vrijwel altijd bovenop staande isolators, die het hoogste punt van zowel de verbinding alsook de masten vormen. Hoe worden die beveiligd?

Dat verschilt per situatie. Zogeheten surge protectors (meestal in de vorm van smoorspoelen) kunnen hier goede zaken doen: deze apparaten laten de normale wisselstroom door, maar blokkeren een puls van een veel hogere spanning en stroomsterkte. Voor hoogspanningsapparatuur waar de vermogens oplopen tot honderden MVA's is dat amper een oplossing, maar voor middenspanning en laagspanning (of voor bewaakapparatuur) kan het goed helpen, zeker wanneer de blikseminslag indirect is: de stroom loopt dan niet door het object zelf, maar het wordt wel beïnvloed door het magnetisch veld ervan (inductie tot vele tientallen kV's is dan heel normaal).

Witte Franklin rods op een Duitse middenspanningslijn. De witte objecten met scherpe punten naar alle kanten zorgen voor een hoge veldsterkte zodat ze bewust een inslag proberen uit te lokken. De fasedraden zijn afgeschermd met een kunststof kapje. Op die manier wordt geprobeerd om een blikseminslag naar het mastlichaam te lokken, zodat de draden en de paaltrafo net buiten beeld het overleven. (Deze foto, met blauwe lucht, is opmerkelijk genoeg door een stormchaser gemaakt op een dag waarop in de avond in hetzelfde gebied een flink noodweer zou losbarsten.)

Blikseminslag op fasedraden van middenspanning is minder kritiek voor het elektriciteitsnet in het algemeen, omdat deze verbindingen klein zijn en een storing hooguit lokaal wat hinder veroorzaakt. Maar een geplofte MS-trafo is nog steeds een behoorlijk hinderlijk euvel. Om die reden worden de paaltransformators vaak wel beveiligd. 

Een vrij gebruikelijke methode is het inhangen van smeltzekeringen op de eindmasten waar paaltransformators aan hangen. Wordt er onderweg een mast of een fase geraakt, dan springt de smeltzekering kapot (hij ontploft echt), waarna de stroom overslaat op het mastlichaam zelf en dan de grond in wordt geleid. Er ontstaat dan een stroomstoring en soms is er ook wat schade op het inslagpunt (ergens verderop in de verbinding), maar meestal is het vervangen van de zekering voldoende om de stroom er weer op te krijgen.
De eindmasten zelf, waar de paaltransformators en zekeringen aan hangen, beveiligt men extra door er zogeheten Franklin rods op te schroeven. Deze bliksemafleiders steken niet alleen omhoog, maar ze hebben ook zes punten die naar alle kanten uitsteken. Op iedere punt bouwt zich veldsterkte op en net als de veel grotere bliksempieken worden ze daarmee onweerstaanbaar voor bliksem. Wanneer een bliksem erop inslaat, wordt deze via het mastlichaam (metaal) of een bliksemafleiderdraad (houten masten) alsnog de grond in geleid. Om te voorkomen dat er afslag plaatsvindt waarmee alsnog een fasedraad geraakt wordt, dekt men de fasedraden van de eindmast vaak af met een plastic kapje zodat zich daar juist minder veldsterkte kan opbouwen dan anders het geval zou zijn geweest.

Na een aantal rake klappen zijn de scherpste punten van de bliksempieken en ook van Franklin rods er wel afgebrand, maar deze dingen of punten laten zich eenvoudig bijslijpen of vervangen indien nodig. Voor bovengrondse middenspanning is de methode met zekeringen en Franklin rods goedkoper en eenvoudiger dan om met een bliksemdraad over de hele verbinding te moeten gaan werken. Al kunnen er ook beleidskeuzes zoals visuele aspecten van een extra draad meespelen.