Veldsturing met coronaringen

Rondom de draden hangt een elektrisch veld. Op scherpe hoeken en punten kan dat ionisatie van lucht geven. Veldsturing met zogeheten coronaringen kan dit verminderen.

Om de uiteinden van de isolatorkettingen van sommige hoogspanningslijnen hangen soms ringvormige objecten. Dit zijn zogeheten coronaringen of veldsturingsringen. Hun functie is het verminderen van de gradiënt van het elektrisch veld (de sterkte van de veldafname met de afstand) dat rondom de draad en de onderkant van de isolator heen hangt.

   

Coronaringen rond de uiteinden van isolatorkettingen of staande isolators. De grootte is afhankelijk van de netspanning waarop de draad in kwestie bedreven wordt, maar de vorm is bijna altijd gelijk: rond, omegavormig of ovaal en zonder scherpe randen of uiteinden, netjes afgerond met bolletjes. Foto’s door Michel van Giersbergen en Bart Sondaar.

Elektrische velden: een hekel aan zichzelf

Gelijke ladingen stoten elkaar af. Wanneer een lading over een geleidend voorwerp wordt aangelegd of zich in een geleidend voorwerp bevindt dat zelf geïsoleerd is opgehangen, zal de lading zich zo netjes mogelijk willen verdelen in het voorwerp, zodat de lading als het ware zo min mogelijk met zichzelf te maken heeft. Bij een bolvormig voorwerp zal de lading zich vooral aan het oppervlak van de bol ophopen en nauwelijks in het binnenste ervan. Bij een staaf treedt ondanks de geleiding ander gedrag op. In de uiteinden is de lading verder bij zichzelf vandaan of dichterbij plekken met een ander potentiaal dan in het midden van de staaf. Wie een geleidende metalen staaf geïsoleerd neerlegt en daarna voorziet van een lading zal zien dat de lading uit het midden van de staaf weg trekt en zich min of meer op de de beide uiteinden ophoopt. De veldsterkte neemt daar extra toe.

Coronaringen om de uiteinden van een 150 kV-isolatorketting hebben ongeveer het formaat van een autowiel. 150 kV is een van de laagste spanningen waarbij we coronavoorzieningen aan kunnen treffen. Bij 110 kV zie je ze bijna nooit en bij nog lagere spanningen alleen op stationsapparatuur. Hoe hoger de spanning, hoe meer functie ze hebben. Foto door Gerard Nachbar.

Dat betekent dat de ronde vorm van een hoogspanningskabel weinig problemen oplevert, maar de hoekige bevestigingsmaterialen en draagklemmen wel. Op de koppen van bouten, de randen van metalen delen en op ieder object dat op wat voor manier dan ook een beetje uitsteekt zal zich extra lading ophopen. Met name bij hogere spanningen kan dat problemen opleveren. De lucht er vlak omheen kan geïoniseerd raken waarbij lading in en door de lucht begint te lekken. Dat geeft niet alleen een beetje netverlies, maar ook geknetter, gesis en ruis op sommige radiofrequenties. Als er deelontladingen bij ontstaan hoor je ook geknetter.

Het netjes afronden van de draagklemmen en de onderzijde van de isolators helpt een beetje, maar je krijgt het nooit perfect: een ronde moer kan je niet aandraaien. Coronaringen bieden hier een oplossing voor.

Een coronaring heeft hetzelfde potentiaal als de geleider en de isolatorbevestiging binnenin de ring. Omdat de ring deze objecten omcirkelt en omdat hij dezelfde lading draagt, is er voor het puntige object binnenin de coronaring opeens geen gradiënt meer in het potentiaal naar de lucht toe. Er hoopt zich nauwelijks nog extra lading op in de scherpe randen en punten. Het elektrisch veld wort als het ware weggestuurd van de koppen van de bouten en andere hoekige objecten.

Het is dan wel zaak om het probleem niet simpelweg te verplaatsen naar de buitenzijde van de coronaring. De ring zelf moet daarom zo mooi mogelijk glad en afgerond zijn, zodat de buitenzijde van de ring niet interessant is voor de opbouw van scherpe gradiënten in het elektrisch veld. Ronde, vloeiende en stompe vormen werken het beste.

Veldsturing hoeft niet altijd met een echte ring te gebeuren. Elk mooi afgerond object aan de buitenzijde langs voldoet. Bij deze geïsoleerde traverse verzorgt een buitenom lopende beugel de veldsturing zodat de gradiënt wegblijft van het complexe gedeelte met moeren en platijzers. Foto door Tom Börger.

De precieze wijze waarop de coronaring is gemonteerd (of de exacte vorm) doen er eigenlijk niet zo veel toe. De vloeiende stompe vorm moet simpelweg ‘buiten’ de scherpe hoeken en punten zitten en de hele buitengrens van waar vanaf de veldgradiënt naar de lucht begint op enige afstand houden van de bouten en draagklemmen. Dat kan al door de ring gewoon flink groter dan de klemmen te maken, ongeacht of hij nou aan de zijkant zit of rond eromheen. Ook maakt het niet uit of de ring een gesloten cirkel is of een ring met een opening. Die laatste vorm is wel makkelijker bij montage omdat het dan niet nodig is om al bij het afhangen van de isolatorkettingen meteen de ring aan te brengen, wat hem kwetsbaar maakt voor schade of buigen bij het inlieren van de draden.

Grote spanning, grote ringen

Hoe groot is groot? Dat hangt van de elektrische spanning af. Als die heel hoog is moet de ring ook groter zijn omdat de zone waarin het elektrisch veld sterk genoeg afneemt om coronaverschijnselen te kunnen veroorzaken in de lucht ook ruimtelijk groter is.

Als we dat uittekenen zien we de volgende grafiek.

De zwarte stip met letter L is de geleider. Links een geleider met een lage spanning (piekwaarde 50 kV, om een waarde te kiezen) en rechts zien we er eentje met een veel hogere spanning, zoals 380 kV. De groene waas die afneemt met de afstand representeert het elektrisch veld. Deze neemt exponentieel af met toenemende afstand, uitgetekend met de blauwe curve in de grafiek erboven, waarbij de spanning op de Y-as staat en de afstand op de X-as. C tenslotte is de waarde op de Y-as waarboven de gradiënt (het verval) van het elektrisch veld sterk genoeg is om ionisatie op te wekken. Deze afstand tot de geleider is bij de 50 kV-situatie weergegeven in a en bij 380 kV met b.

Je ziet het, als je een piepklein coronaringetje zoals het exemplaar geschikt voor situatie a toepast bij de geleider in situatie b met een veel groter veld, dan is de coronaring ondanks zijn ronde vorm zo klein ten opzichte van het elektrisch veld dat hij zelf in feite alsnog een scherp ding is. Je kan het veld dan niet sturen. Wat je daaraan kan doen is simpelweg het hele object groter maken, proportioneel aan wat nodig is bij de hogere spanning. Simpel gesteld: hogere spanning, langere isolatorkettingen en grotere coronaringen.

Deze coronaringen zijn vrij klein en vooral bedoeld om corona-effecten te verminderen rond de plek waar de siliconen flensen het metaal raken. Elektrische velden zouden daar voor versnelde degradatie zorgen. Foto door Bavo Lens, tijdens een bezoek aan de Stevin-werven.

Voor 50 kV kan je wel volstaan met een ringetje zo groot als een toiletbril. Maar wanneer de spanning 380 kV wordt is er snel het formaat van een fietswiel nodig. Bij spanningen die men in het buitenland her en der gebruikt, zoals 750 kV, zijn de coronaringen zo groot als een trekkerwiel. Verder zijn voor gelijkstroom grotere ringen nodig dan voor wisselstroom. Gelijkstroom varieert niet door de tijd en heeft geen cyclus, zodat de veldsterkte per draad de hele tijd door maximaal is in plaats van gemiddeld 1/(√3), de effectieve waarde van wisselstroom.

Deze extra dikke exemplaren zijn van hol aluminium en ze worden gebruikt op stationsapparatuur. De opening in de coronaring zit er bewust in: zo kan je de ringen achteraf om een component heen schuiven. Foto door Hans Nienhuis.

Samen met vlamboogpennen?

Met een coronaring kan de veldsterkte rondom puntige voorwerpen worden verminderd. Maar met vlamboogpennen tracht men juist een zo aantrekkelijk mogelijke plek te maken om een vonk te laten overspringen. Het lijkt onmogelijk om beide functies te combineren. Toch kan dat wel door een coronaring een U-vorm te geven en de twee puntjes omhoog te laten steken. Dit zien we met name bij keramische isolators van een al wat oudere generatie. Men kan er ook voor kiezen om aan het uiteinde van de isolatorketting dat onder spanning staat een coronaring te hangen en aan de zijde van de aarde (de mast) een vlamboogpen te zetten. Dat wordt bij voorkeur gedaan omdat dit het effect van coronaringen minder in de weg zit.

Coronaringen met vlamboogpinnen combineren kan door de coronaringen een omegavorm te geven en de opening naar boven te richten. De bovenste punten hebben dan tevens een vlamboogpinfunctie. Merk de ronde bolletjes op de uiteinden op. Foto’s door Michel van Giersbergen.

Niet altijd aanwezig

Als coronaringen zulke voordelen hebben, waarom zitten ze dan niet altijd overal op iedere verbinding? Er zijn voldoende 380 kV-verbindingen zonder enige vorm van veldsturing, met name in Nederland. Lean and mean, kostenbesparing, afweging? We weten het niet, maar het is wel een feit dat de coronaverliezen en ook het geknetter in dit soort verbindingen hoger is dan wanneer de coronaringen er wel zouden zijn.

   

380 kV-lijn zonder enige veldsturing, en coronaverschijnselen in het donker (lang belichten). Foto’s door Michel van Giersbergen en Hans Nienhuis.

Ook bij HoogspanningsNet weten we niet waarom de ene keer wel veldsturing op een 150 kV-verbinding is aangebracht en de andere keer niet eens op een 380 kV-verbinding. Op dit moment lijkt het met een goed Nederlands woord legacy. Het Nederlandse hoogspanningsnet is door een handvol provinciale en later een paar landelijke energiebedrijven c.q. netbeheerders gebouwd in vele decennia tijd en elke netbeheerder had zo zijn eigen keuzes. De grote variatie aan mastontwerpen is daar een erfenis van, maar dus ook de toepassing van veldsturing.

De PNEM in Noord Brabant was behoorlijk overtuigd van het nut. Maar in het koppelnet van 220 en 380 kV ontbreken ze met grote regelmaat wanneer de lijnen glaskapisolators hebben, terwijl ze bij kunststof isolators meestal wel weer worden toegepast. Of dat verstandig is en of ze er wel of niet hangen hangt dus af van meer dan alleen natuurkunde of netspanning, maar ook van hoe de inzichten bij de netbeheerders waren ten tijde van de bouw en van het beschikbare budget. Een vaste stelregel is niet zomaar te geven.