Bliksemdraden
Boven de stroomdraden hangen meestal dunne draden die zonder isolators aan de masten zitten. Ze beschermen de circuits tegen blikseminslag.
Eerst maar eens een bekentenis. In tegenstelling tot wat we in de St(r)oomcursus en op de pagina over hoogspanningsdraden zeiden, draadloze stroom bestaat wél. Voor draadloze stroom over meerdere kilometers bestaat zelfs een naam: bliksem. Maar om nou te beweren dat hoogspanning en onweer een prettig huwelijk is…
Op deze bijzondere foto zien we een blikseminslag op een hoogspanningslijn. De ontlading rechts slaat in op een hoogspanningsmast achter de struik, maar het exemplaar links slaagt erin de mast én de bliksemdraad te ontwijken en treft een van de fasedraden. Het resulteert in een circuitfout en een korte knippering van het licht. Foto door stormchaser Calvin Musch. (Traditioneel © Calvin Musch, foto getoond met permissie.)
Net als over de hoogspanningsdraden loopt ook door een bliksemkanaal een aanzienlijke hoeveelheid energie. Maar niet op een manier die goed samengaat of zelfs maar bruikbaar is in een hoogspanningslijn. Men neemt op de trafostations wel maatregelen, maar toch kan het alsnog schade aan de componenten tot gevolg hebben. De stroomdraden moeten daarom zo goed mogelijk worden afgeschermd tegen bliksem. Bij hoogspanningslijnen wordt dat gedaan door een geaarde draad pal boven de stroomdraden te hangen, zodat deze tussen de stroomdraden en de onweersbui in hangt. Tevens speelt het topstuk op de mast ook een rol.
Aantrekkelijke mast, afgeschermde fasedraden
Het topstuk van iedere mast priemt uitdagend de lucht in. Een scherpe punt is onweerstaanbaar voor bliksem en vormt tevens als hoogste punt de voorkeursplek voor een inslag. Blikseminslag op een van de masten heeft de voorkeur omdat het stalen mastlichaam de stroom zonder schade verder kan geleiden naar de grond. Als de mast weinig weerstand heeft en goed is geaard zal deze weg het meest interessant zijn en lok je als het ware bliksem zelfs weg van de spanvelden om het extra naar de masten zelf toe te trekken.
Dat is alleen niet voldoende. Volgens de Theorie van Horvàth (beter bekend als de bliksembol) ‘zoekt’ een vanuit de wolk naderende voorontlading slechts in een straal van ongeveer veertig meter rondom zijn tip naar de weg van de minste weerstand en uiteindelijk naar een potentieel inslagpunt. Nu is een spanveld tussen twee masten veel langer dan tweemaal veertig meter. Een naderende voorontlading die toevallig halverwege een spanveld omlaag komt verneemt de uiterst aantrekkelijke mastlichamen dus niet en zal op weg omlaag – hee, dat is leuk – een woest aantrekkelijke metalen draad aantreffen. Dat moeten we niet hebben, en de beste manier is om die metalen draad af te schermen met een tweede, hoger gehangen metalen draad. Op weg omlaag komt de voorontlading dan eerst die lokdraad tegen. Door die draad direct en geleidend met de mastlichamen te verbinden vormt het een fijner pad de grond in dan de geïsoleerd opgehangen fasedraden. De circuits zitten nu aan de onderkant én bovenkant onder een aarding met hetzelfde potentiaal, namelijk dat van de hele planeet. Ze zitten als het ware in een Faradaykooi.
Als een paraplu dekken de bliksemdraden de stroomdraden af. Boven en onder de stroomdraden geldt het elektrisch potentiaal van de grond, waardoor de draden worden afgeschermd alsof ze in een Faradaykooi zitten. Foto’s door Michel van Giersbergen en Ruben Schots.
Garantie bestaat niet bij bliksem
Als er weer een onweerscomplex over onze streken boldert komt het soms voor dat een eigenwijze bliksem ondanks alle voorzorgsmaatregelen toch een fasedraad raakt, zoals we zien op de foto van Calvin Musch uit Almere bovenaan deze pagina. Nu is daar wel rekening mee gehouden op de trafostations, maar het levert wel een kortdurend onderbrekingkje op in de stroomvoorziening. Soms werkt die korte verstoring verder door in het net en bereikt het ook het plaatselijke middenspanningsnet en zelfs de laagspanning. Een circuitfout zonder echte storing is dan herkenbaar aan het kort knipperen van het licht thuis. Soms kan je het vernemen, al is het meestal vrij lastig omdat het ook buiten op dat moment eh.. redelijk flitsend weer is.
Lijnwerkers gaan de masten al uit wanner er honderd kilometer verderop onweer is. Geen risico’s op rare overspanningen of ander malheur. Zelfs ballonpiloten durven dichter bij een onweersbui te komen. Onweer is gratis vuurwerk, maar je wil niet bovenin een hoogspanningsmast zitten als het losgaat. Foto door Gerard Nachbar.
Zo’n spanningsdipje klinkt minder erg dan het is: zelfs een korte hik van de stroom korter dan knipperen met je ogen kan computersystemen en machines in fabrieken in de war krijgen. Wie daar meer over wil weten, google maar eens op Spijkerskromme (met hoofdletter, want vernoemd naar ingenieur Spijkers). In het geval van een rake inslag op een lichte verbinding zoals bovengrondse middenspanning die de fasedraad net op een ongelukkig moment in zijn cyclus treft, kan soms een paaltrafo worden opgeblazen of tenminste tijdelijk defect raken. Dat moet eerst gerepareerd worden en om de stroomvoorziening te herstellen moet een omleiding worden gelegd via een andere transformator. De Theorieën van Horvàth en een gelijkaardige theorie van Schwaiger schrijven voor dat bliksemdraden schuin boven de geleiders plaatsen een betere bescherming levert dan slechts één draad midden boven.
Eh, als dat zo is, waarom zien we dan ook hoogspanningslijnen met maar één bliksemdraad hoog op een pinakeltop?
Engineeren is leren: de IJsselmij merkte dat hun nieuwste mastontwerp met een pinakeltop en één enkele bliksemdraad te weinig bescherming bood in de buurt van de trafostations. Lijnen met dit mastontwerp werden daardoor op hun eerste twee kilometer vanaf ieder trafostation voorzien van een extra traverse met twee extra bliksemdraden. Foto’s door Michel van Giersbergen en Peter Schokkenbroek.
Inderdaad biedt een pinakeltop met één bliksemdraad een slechtere afscherming dan twee draden recht boven of nog beter schuin buiten de circuits. Soms is dat een acceptabele afweging, maar een andere keer moeten er toch maatregelen worden genomen.
Voormalig netbeheerder IJC in Overijssel kwam in de jaren 60 met een nieuw paradepaardje: een mastenfamilie die in donau- en verticale vorm broekstukloos en met eenvoudig slingerverband zo op een blokfundatie kon worden gezet. Minimalistisch, rank, elegant, en net als in Duitsland één bliksemdraad. Dat vertrouwden ze toch niet helemaal, want in de buurt van trafostations werden deze mastjes alsnog van een extra traverse voorzien om twee bliksemdraden op te dragen en zo de afscherming te verbeteren, maar ook de weerstand tussen de masten te verkleinen zodat er minder kans op zogeheten back flashovers zou zijn. Lang verhaal kort: hoe dichter bij een trafostation de inslag op een fasedraad plaatsvindt, hoe groter en scherper het overspanningsfront en hoe gevaarlijker voor apparatuur het is. Juist in de buurt van trafostations wil je dus zo goed mogelijk afschermen.
Op een grote hoekmast zitten schuin omhoog stekende kattenoren die officieel een nonnenkap worden genoemd. De bliksemdraden worden daarop gedragen, boven en buiten de fasedraden. Foto door Peter Schokkenbroek.
Back flashover
Ondanks alles blijft bliksem een ongrijpbaar fenomeen dat nog steeds ingenieurs voor vragen stelt. Een van de optredende problemen bij blikseminslag in met name kleine(re) hoogspanningslijnen is zogeheten back flashover, een term waarvoor geen Nederlands equivalent is. Daarbij slaat de bliksem wel netjes in de top van een mast in, maar daarna verspreidt de stroom en het bijbehorend potentiaal zich in het mastlichaam tot in de armen. De isolators waar de draden aan hangen kunnen een impulsspanning van een paar honderdduizend volt weerstaan, maar vanuit de bliksemontlading geredeneerd waar een paar honderd miljoen volt op staat is dat een lachertje, zodat de ontlading zonder problemen ook vanuit de mast dwars over de isolators heen alsnog in de fasedraden kan slaan.
Het voorkomen van back flashovers gaat het beste door de masten zo laagohmig mogelijk te aarden, waardoor de bliksemontlading zo min mogelijk interesse heeft in een pad over de isolatorkettingen ten opzichte van een rode loper de grond in. Een andere manier is een ander mastontwerp kiezen met minder puntige traversen zodat er minder veldopbouw in de puntige uiteinden kan ontstaan dat dan weer omlaag over korte isolators kan springen, en de beste manier is in principe een zwaardere verbinding met een hogere transportspanning nemen. Langere isolatorkettingen maken back flashovers ook minder interessant.
Het topstuk speelt een belangrijke rol in bliksemafleiding en moet zo aantrekkelijk mogelijk zijn en bij deze hele platte masten is een extra piekje nodig. Foto’s door Ot Lesley.
Dunne draad meer laten opvallen
Doordat de bliksemdraden slechts zeer korte (maar zeer woeste) stoten elektriciteit hoeven te verwerken is warm worden geen groot probleem. Ondanks een stroomsterkte die bij blikseminslagen van enig sjeu wel 100 kA kan bedragen voor een milliseconde of twee kan het een vrij dunne draad zijn. Nu zijn er ook wel dikke bliksemdraden in gebruik, maar meestal zijn dat de exemplaren die een bundeltje optische glasvezels meevoeren en tevens een functie hebben OPGW voor communicatie tussen de trafostations, zie de pagina over OPGW voor meer details daarover.
De meeste bliksemdraden zijn dun en dat maakt het voor vogels extra moeilijk om de afstand ertoe in te schatten. Een botsing met een bliksemdraad kan slecht aflopen voor een vogel. Daarom worden in de meeste bliksemdraden varkenskrullen aangebracht. Die maken het zien en inschatten van diepte net wat makkelijker. Een nieuwere methode is de zogeheten Firefly, een klein verschrikkertje in de vorm van een savoniusrotor aan een wartel, met erop een paar stippels verf in zichtbaarlicht en nabij UV. Deze vallen voor vogels extra goed op, zelfs ook een beetje in het donker. Zie daarvoor de pagina in en om de draden. Bliksem moet worden aangetrokken, maar vogels moeten juist zo goed mogelijk op afstand worden gehouden.
Of nou ja, ook dat is weer te kort door de bocht. Wie kent niet de grote zwermen spreeuwen die met duizenden tegelijk zitten te keuvelen op de bliksemdraden? Ook dat is een vorm van nut.
