Retourstroomgeleiders

Bij wintracks hangen soms ook onder de circuits nog twee draden. Dit zijn zogeheten retourstroomgeleiders. Ze hebben twee doelen.

Geaarde draden die niet boven de circuits hangen kunnen geen bliksemafleiders zijn. Je ziet ze ook alleen bij wintracks. Zijn ze bedoeld als extra maatregel zodat men met hoge machines niet tegen de circuits aan rijdt?

Misschien dat dat ook wel een nuttige toepassing is, maar dat was niet het idee. Deze extra draden worden retourstroomgeleiders genoemd en ze hebben twee doelen die allebei vrij ingewikkeld zijn: beperking van potentiaaltrechters en inperking van het magneetveld.

Retourstroomgeleiders zitten onder de circuits gemonteerd en ze zijn hard geaard op de masten. De spiralen zijn de welbekende varkensstaarten (zelfs in afwisselend zwart en wit) om vogels te attenderen. Soms is de toegepaste draad tevens een OPGW. Foto door Tom Börger.

Potentiaaltrechters beperken

Bij blikseminslag op de mast zal de stroom door de stalen mastlichamen vloeien en zich in de grond verspreiden. Bij een vakwerkmast met een broekstuk en vier wijde poten heb je vier plekken op ruime afstand van elkaar waar de stroom de grond in treedt. Vanaf de randen van de heipalen neemt de stroom exponentieel af als de lading zich in de grond verspreidt. Ruimtelijk vormt de verspreiding in de grond geen halfcirkel, maar eerder een soort kegel met een vrij scherpe punt, zoals van een trechter. Hoe dichter bij de heipalen, hoe groter het potentiaalverschil per meter horizontale afstand tijdens een inslag.

Mensen en dieren geleiden elektriciteit vaak beter dan de grond. Bij wintracks met hun smalle kokervorm (en eigenlijk ook bij andere buismasten) is de potentiaaltrechter niet over vier mastvoeten verdeeld en daardoor is hij scherper en potentieel gevaarlijker als je in de buurt staat, met één been dichterbij de mast dan je andere been. Je loopt aan de voet van een wintrack dus meer kans op ontoelaatbare overspanningen dan bij een vakwerkmast. Ook leidingen in de grond en telecomkabels kunnen sterker worden beïnvloed dan goed (of toelaatbaar) is.

Nu zijn de wintracks verbonden via de bliksemdraden bovenop, maar ook die heeft enige weerstand en in de praktijk blijkt het onvoldoende om met alleen een bliksemdraad op de top de potentiaaltrechter bij flinke inslagen over meerdere masten te verdelen en deze altijd te kunnen reduceren tot aanvaardbare waardes. Door een extra draad aan te brengen onder de circuits wordt de stroom een extra zijweg geboden om uit te wijken ook bij de volgende mastvoeten de grond in te gaan, zodat het effect beter wordt uitgesmeerd over alle buurmasten.

Hoe je het ook wendt of keert, bliksem blijft iets gevaarlijks. Al kan je er ook uitstekende combinaties mee maken met hoogspanning, zoals Mark van der Meer hier deed.

Magneetvelden hinderen met zichzelf

Toch is beperking van de potentiaaltrechter niet eens het hoofddoel. Dat is het (verder) beperken van het magneetveld op de grond en de inductie-effecten van de hoogspanningscircuits op lange metalen geleiders op en in de grond. Daaraan danken retourstroomdraden hun naam.

In de fasedraden veranderd de richting van de stroom honderd keer per seconde van richting. Een lopende stroom genereert een magneetveld om de draad, dat zich ruimtelijk tot enige afstand uitstrekt. Bij spanningen en stroomsterktes op hoogspanningsniveau zijn die magneetvelden tot op de grond te meten. Uiteraard heeft de fasedraad die het dichtst bij de grond hangt de meeste invloed. Wanneer in zo’n wisselend magneetveld een tweede geleider of draad wordt opgehangen, werkt het magneetveld van de fasedraad in op deze nieuwe draad. Hierin gebeurt het omgekeerde: in een draad die in een wisselend magneetveld wordt opgehangen gaat juist een elektrische stroom lopen. Dit wordt met een net woord wervelstroom of eddy current genoemd.

Retourstroomdraden zijn hard geaard en omdat ze zich tegenovergesteld gaan gedragen aan de onderste fasedraden helpen ze het magneetveld van de fasedraden richting de grond wat in te perken. Foto door Tom Börger.

De geïnduceerde stroom in de draad is tegengesteld van richting aan die van met name de dichtstbijzijnde fasedraad. Omdat de retourstroomdraad is geaard kan hij geen nuttige component vormen: er loopt in feite blindstroom, stroom zonder spanning. De geïnduceerde stroom zelf genereert ook weer een tegengesteld magneetveld, een beetje achterlopend in tegengestelde fase omdat een magneetveld (gegenereerd door inductor- of spoelwerking) enige tijd nodig heeft om op te bouwen. Dat tegengestelde magneetveld gaat inwerken op het magneetveld van de fasedraad en het gevolg van deze twee elkaar plagende velden is dat ze elkaar voor een deel opheffen, zeker in de richting van de grond omdat die ‘achter’ (onder) de retourstroomdraad zit.

Zo zorgt de retourstroomgeleider voor enige extra beperking van het magneetveld dat pal onder de verbinding optreedt. Dat komt wel met een prijs, want de retourstroomgeleider vormt een koppel met hoofdzakelijk de onderste fasedraad en plaagt die natuurlijk ook weer terug. Daardoor neemt de complexe weerstand of impedantie van de fasedraad die het dichtst bij de retourstroomgeleider hangt een beetje toe, meer dan die van de middelste draad, en dat geeft enig extra netverlies en fase-asymmetrie.

Overigens doen ook reguliere bliksemdraden dit. We moeten dus niet al te dramatisch doen over die netverliezen. Een hoogspanningslijn is wat dat betreft net als veel andere dingen in de wereld: het werkt best wel goed maar het is niet perfect. Aan het einde van de dag is het inperken van het magneetveld in de drukbevolkte gebieden waar wintracks meestal worden toegepast nuttig genoeg om het extra werk van aanleg en netverlies van een retourstroomdraad te passeren, anders zou de netbeheerder er niet aan beginnen.