De geleiders van een hoogspanningslijn hangen jaar in jaar uit in weer en wind, terwijl er bijna continu hoogspanning op staat. Komt het nooit eens voor dat ze breken?

Ook hierop is het antwoord: zelden. Spontane draadbreuk (zoals in de treinwereld een spoorspatting genoemd wordt) is uiterst zeldzaam. En wanneer het toch gebeurt is er doorgaans een concrete oorzaak die buiten de hoogspanningslijn zelf zijn oorsprong heeft, meestal door het rammen van de geleiders door een vliegtuig, vaartuig of voertuig.

De geleiders in deze crossing laten zich niet makkelijk inspecteren

Op de geleiders moet je kunnen vertrouwen – niet alleen in elektrisch opzicht. Ze mogen niet zomaar breken of naar beneden komen vallen en ze moeten jaar in jaar uit bestand zijn tegen weer en wind. Je moet er zorgeloos onderdoor kunnen lopen, rijden of varen. Foto door Hans Nienhuis.

Statische en dynamische last op de draden

De geleiders bestaan meestal uit een stalen kern met een aluminium mantel eromheen: de termen ASCR en AMS (twee veelgebruikte geleidertypes) zijn beiden Engelse afkortingen, die vertaald allemaal neerkomen op aluminium mantel, stalen kern. Nu is dat aluminium meestal zelf ook een legering (AMS staat voor Aluminium Magnesium Silicate, een legering die zeer sterk lijkt op duraluminium, het materiaal waar men vliegtuigen van bouwt), maar altijd geldt dat dit soort geleiders aan strenge mechanische en elektrische eisen moeten voldoen. Ze mogen niet zomaar bezwijken en in principe moeten ze alle mechanische kracht die erop komt te staan netjes kunnen overbrengen op de masten. Wat voor krachten dat zijn laat zich deels gemakkelijk raden en deels ook moeilijker. Net als bij het mastlichaam heb je statische en dynamische krachten op de draden. 

Statische belasting is er altijd. Het is constant van karakter. Denk aan de zwaartekracht, het eigen gewicht van componenten, krachten door voorgespannen materiaal of magnetische krachten rondom de geleiders. Dynamische last is gevaarlijker omdat het een niet-lineair karakter heeft: windstoten, storm, ijsopbouw, torsie door ongelijke verdeling van de effecten, materiaalstress door temperatuurovergangen en soms ook inductiekrachten bij een harde sluiting elders in de verbinding.

Wind, windstoten en storm

Winddruk, ijzel en lijndansen (conductor gallop) zijn voor geleiders de belangrijkste factoren om rekening mee te houden. Wind spreekt voor zich: de geleiders vangen wind en gaan daardoor opzij bewegen, wat men met een mooi woord de zwaai of de uitzwaai noemt. Nu is het aan het ontwerp van het mastlichaam en aan de veldlengte om ervoor te zorgen dat de geleiders daarbij niet te dichtbij elkaar komen zodat er geen harde sluiting ontstaat. Maar de mechanische kracht van winddruk moet eerst door de geleiders zelf worden verdragen voordat deze kunnen worden overgebracht op het mastlichaam.

Scheefgewaaide fasedraden met dank aan Kyrill

Gebundelde geleiders zijn grote windvangers en bij 380 kV-verbindingen is de afstand tussen de masten ook groot. De zwaai van de geleiders trekt de isolators zichtbaar scheef, zoals hier op 18 januari 2007 tijdens een zware storm. Met de fiets lopend tegen de wind in van school naar huis had ook de fotograaf (tenger van postuur) grote moeite met het maken van een foto, te zien door de scheve horizon. Foto door Hans Nienhuis.

IJzel, ijsgewicht en lijndansen

IJzel is misschien wel het bekendste gevaar. Wanneer een draad een temperatuur onder nul heeft (vaak bij lage belasting, bij afschakeling of een harde koude wind) kan bij aanhoudende ijzel een dikke laag ijs om de draad heen vastvriezen. Dat zorgt al snel voor een ijslaag van een centimeter of meer en een veelvoud van het eigen gewicht tot gevolg. Dat vergroot het draadgewicht aanzienlijk. In extreme gevallen veroorzaakt het geleiderbreuk of falen van het mastlichaam. (Het breken van een ketting isolators komt vrijwel nooit voor.) Zowel de geleiders als de mast worden dus zodanig ontworpen dat ze een veelvoud van hun eigen gewicht kunnen dragen.

IJzel is in Nederland de meest voorkomende oorzaak van het falen van luchtlijnen. In België is het wind. Maar dat wil niet meteen zeggen dat fatale ijzel ook vaak voorkomt. De laatste decennia is het slechts drie keer gebeurd dat er daadwerkelijk bovengrondse hoogspanningslijnen bezweken door ijzel, namelijk in 1969, in 1987 en in 2005. In 2016 zorgde ijzel weliswaar voor overlast, maar het kwam toen niet zover dat er daadwerkelijk masten bezweken. Maar in het buitenland (met name Quebec) is ijzel zeer berucht omdat het in die gebieden tegelijk kan stormen en ijzelen, dagenlang aan één stuk door. Dat resulteert in een continu doorgroeiende combinatie van ijslast en woest lijndansen, beiden van een omvang die hier niet eens voorkomen kan. Beide verschijnselen veroorzaken in de draden en het mastlichaam grote statische en dynamische krachten die in dit geval ook nog bij elkaar opgeteld moeten worden. 

Lijndansen (conductor gallop) in een Canadese hoogspanningslijn. Het behoeft nauwelijks uitleg dat dit het uiterste vergt van de draden, de isolators en de mastlichamen. De 500 kV-verbinding in het filmpje hield het uiteindelijk op het nippertje, maar Hydro Quebec heeft om de paar jaar de handen vol aan het herstellen van hoogspanningsverbindingen die er minder goed vanaf kwamen. Tien centimeter ijzel is geen uitzondering. (Ter vergelijking: tijdens de ijzelramp in 1987 bezweken er in het noorden van Nederland verbindingen bij drie centimeter ijs: daar lacht men om in Canada.)

Lijndansen in Nederland en België

In Nederland en België kennen we lijndansen gelukkig nauwelijks. Eens in de paar jaar treedt het een keer op, meestal in lichte mate zodat de draden alleen maar wat bewegen en er verder niets gebeurt. Hoewel het niet altijd zo goed afloopt. In 2005 zorgde sneeuw en aanplakkende ijzel ervoor dat enkele verbindingen in het midden van Nederland zo wild gingen dansen dat er stroomdippen ontstonden omdat de draden elkaar raakten. Ook bezweken er toen enkele masten in de regio Haaksbergen. Op Valentijnsdag 2014 moesten in België twee 150 kV-verbindingen in Vlaanderen een paar uur buiten werking moesten worden gesteld vanwege dansende draden.

In de eerste dagen van 2016 werd noordelijk Nederland geteisterd door wat achteraf waarschijnlijk de langste aaneengesloten periode van lijndansen zou worden die men sinds 1987 had gezien: met name de mammoetlijn in het noorden van Groningen had er last van en doordat de windrichting dagenlang in het geheel niet veranderde, bleef het lijndansen maar aanhouden. Stroomdippen en helaas ook enige schade aan de verbindingen was het gevolg. Wie op internet zoekt naar termen als lijndansen, stroomdippen of conductor gallop samen met woorden als Groningen, Drenthe en Friesland krijgt een grote hoeveelheid filmpjes en foto's te zien. Op sociale media vond het snel zijn weg. Vanwege de redundantie in het net ontstonden er nergens storingen, maar netbeheerder Tennet had vermoedelijk een onaangename week daar op de berg in Arnhem. 

Bundelgeleiders zijn in theorie minder gevoelig voor lijndansen dan enkelvoudige geleiders (hoewel dat tijdens de situatie van begin 2016 bar tegenviel) en daarnaast treedt het effect vooral op bij de combinatie van ijzel en storm. Zowel ijzel als storm komen zo nu en dan voor in onze streken, maar een combinatie van die twee is hier relatief zeldzaam. Dat neemt echter niet weg dat lijndansen enorme krachten veroorzaakt in de geleiders en in het mastlichaam. De NEN-normen dicteren verder dat in de gebieden Groningen en Drenthe rekening dient te worden gehouden met een extra zware ijslast, terwijl elders in Nederland en in geheel België geen verzwaarde eisen gelden. Een opmerkelijk scherpe overgang die gewoon op een provinciegrens is gelegd en die meteorologisch amper te verdedigen is. Wanneer de situatie van 1987 erbij wordt gehaald (de ijzel beperkte zich toen net als in 2016 uitsluitend tot Groningen en Drenthe) is het duidelijk waar deze keuze op gebaseerd is, en waarom dit juist in 2005 alsnog problemen veroorzaakte: toen waren Groningen en Drenthe juist de enige gebieden die in het oog van de storm zaten en totaal ontsnapten aan ijzel. Het kan dus verkeren…

Lijntrillen (het kleine broertje van lijndansen) kan ontstaan omdat de kabels rond zijn. Een ronde vorm is gevoelig voor resonantie. Nu is lijntrillen minder gewelddadig en gevaarlijk dan lijndansen, maar de trilbeweging is veel sneller – zo snel dat het in het voor mensen hoorbare toongebied valt. Daarnaast zorgt het voor een onnodige toename van uitslijting van de isolators. Maar lijntrillen kan aardig goed ondervangen worden met stockbridge-dempers, terwijl aan lijndansen niets te doen is als het eenmaal begonnen is.

Klos met geleider

Stockbridge-dempersStockbridge-dempers op tafel bij Tennet

Deze fasedraad is net als alle andere typen geleiders vrijwel rond van vorm, wat hem potentieel vatbaar voor resonatie (lijntrillen) maakt. De beste oplossing is kiezen voor bundelgeleiders en het bevestigen van trillingsdempers, zoals stockbridge-dempers op de foto's rechts (in een draad en op tafel). Foto's gemaakt tijdens een open dag van Tennet).

Minder spanning onder spanning

Wat maar weinig mensen weten is dat de maximaal toelaatbare trekspanning in een geleider ook niet altijd gelijk is. Dat is niet alleen een kwestie van de omgevingstemperatuur (warm metaal is immers zachter), maar ook van de elektriciteit zelf.
Een afgeschakelde geleider waar geen stroom doorheen loopt is mechanisch iets sterker dan eentje die tot op de top van zijn kunnen belast wordt. Het effect wordt voor het grootste deel veroorzaakt door de temperatuurtoename van een geleider in gebruik, maar dit is niet het hele verhaal. Ook de bewegende elektronen in de kabel zelf hebben invloed. Metaal bestaat uit een kristalrooster, waarin zich vrij bewegende elektronen bevinden. Daardoor is het materiaal in staat tot het geleiden van elektriciteit. Op de schaal van een hoogspanningslijn (waar een enorme hoeveelheid vermogen gebruikt wordt) worden de elektronen met zulk geweld heen en weer geduwd dat het daadwerkelijk zijn weerslag heeft op de sterkte van het kristalrooster. Het effect is weliswaar klein, maar niet geheel verwaarloosbaar.

Noodreparatie van fasedraden in een 150 kV-verbinding

Een beschadigde (en herstelde) draad, vastgelegd door Jeroen van Lieshout. We zien twee persmoffen en een nieuw stuk draad. Deze draad hangt precies boven een provinciale weg: vermoedelijk is hij een keer geraakt door een kiepwagen waarvan de bak nog omhoog stond – een probleem dat wel vaker precies op deze wijze voorkomt bij portalen, viaducten en bomen.

Er is nog een ander probleem dat zich alleen voordoet wanneer de geleider in gebruik is: beschadiging door lekstroom. Wanneer een boom contact maakt met een fasedraad is er meestal sprake van een diffuse sluiting, zodat de stroom niet meteen uitklapt. De boom krijgt dan last van sluipende brandschade, maar de geleider ook. In 2009 is in Raalte op die manier een geleider bezweken. Goed snoeien kan het probleem prima vermijden.

Drooggewicht

Ook als een geleider niet onder spanning staat is is hij niet ongevaarlijk. Dat komt door het eigen gewicht en de hoogte waarop ze hangen. Een beetje hoofdrekenen leert ons dat een vierbundel AMS-fasedraad van een moderne 380 kV-verbinding tussen twee masten in al meer dan drie ton weegt. Als die vanaf dertig meter hoogte naar beneden komt zetten slaat hij dwars door een autodak, een kas of een tuinschuurtje heen. 

Jukken om een vallende fasedraad op te vangen

Tijdens het bouwen of opwaarderen van hoogspanningslijnen worden houten jukken neergezet bij de wegen en kanalen. Dat is niet alleen voor het uitrollen van hulplijnen en fasedraden bedoeld, maar ook als veiligheidsmaatregel. Mocht er iets misgaan en de fasedraad komt per ongeluk omlaag, dan voorkomt het juk dat toevallige passanten verpletterd worden. Foto door Hans Nienhuis.

Daarom moet een fasedraad niet alleen sterk zijn, maar ook goed vastzitten. De persmoffen en gripblokken mogen het niet zomaar begeven en bij een brand midden onder de verbinding moeten de draden niet te snel breken. Zelfs wanneer er een vliegtuigje of een helikopter in de verbinding vliegt is het niet gewenst dat er een draad breekt. Meestal zijn de traversen van de mast zwakker dan de draden zelf.
Maar vooral de isolatorkettingen zijn een toonbeeld van overdimensie. De zwaardere modellen glaskap-isolators die bijvoorbeeld door marktleider Sediver gemaakt worden en die we in moderne 380 kV-lijnen aantreffen, kunnen per stuk een trekkracht weerstaan van enkele tientallen tonnen – je zou er dus zonder problemen twintig auto's tegelijk aan op kunnen takelen en het is een keer of tien zoveel gewicht als wat ze te dragen hebben op een tamme lentedag.

 


Omhoog