Vlamboogpennen

Op en om de isolators zie je soms pennen buitenlangs de kettingen in elkaars richting steken. Dit zijn vlamboogpennen. Ze dienen om de schade bij doorslag te beperken.

Het tegenhouden of isoleren van elektrische spanning is normaal gesproken geen probleem voor de isolators. Maar wat als de omstandigheden niet normaal meer zijn? Zwaar onweer met een doorslag door inslag op een draad of in de mast, een schakelfout, zogeheten opslingering in het net, kortsluiting of contact met een geleider waarop een veel hogere spanning staat kunnen allemaal redenen zijn om onbedoeld een veel te hoge spanning op een fasedraad te krijgen.

   

Vlamboogpennen op de grond (sloopmast) en in toepassing in een 150 kV-verbinding. Bij de mast rechts is de lengte zelfs aanpasbaar waardoor ze extra opvallen, maar meestal zijn ze kleiner en minder duidelijk te zien. Ze vormen de voorkeursplek voor doorslag bij calamiteiten. Foto’s door Bavo Lens en Michel van Giersbergen.

Schade beperken bij doorslag

Vlamboogpennen of arc horns (niet te verwarren met coronaringen) zijn voorzieningen die voorkomen dat er schade optreedt aan een isolator als er onverhoopt doorslag plaatsvindt bij een overspanning. Isolators kunnen maar een beperkt spanningsverschil tegenhouden. Wordt dat verschil te groot, dan kan er doorslag ontstaan: het isolerend materiaal houdt het niet en de stroom baant zich met geweld een weg dwars door de isolator heen. Vaker komt het voor dat de doorslag aan de buitenkant van de isolator ontstaat en door de lucht over de buitenkant heen gaat lopen. In beide gevallen ontstaat een enkelfasige aardsluiting: kortsluiting tussen een fasedraad of een pool bij een DC-verbinding en de aarde, in dit geval letterlijk de aarde (de planeet).

Een kortsluiting is niet altijd voldoende om de bewaakapparatuur direct aan te spreken, zodat hij soms een poosje kan ‘staan’, totdat hij in jargon ‘hard’ genoeg wordt om alsnog distantierelais of andere bewaakmiddelen wakker te schudden, waarna de vermogensschakelaar ingrijpt. In tussentijd kan de isolator van binnen of aan de buitenzijde beschadigd raken: een vlamboog is buitengewoon heet (je kan ermee lassen, iets dat ook op grote schaal wordt gedaan) en hij kan materiaal waarmee hij in contact komt binnenin en aan de buitenkant van de isolator doen smelten en verdampen.

Air gap: zelfherstellend

Vlamboogpennen worden doorgaans met zijn tweeën gemonteerd en ze staan als het ware over de isolator heen. Tussen hun beide uiteinden bevindt zich een zekere afstand gevuld met lucht, een zogeheten spark gap of vonkopening.

Als het spanningsverschil tussen de aarde (de mast) en de draad op de top van zijn cyclus (1) te groot wordt, zal er ionisatie plaatsvinden (2) waarna een vlamboog ontstaat (3). Nadat de bewaakapparatuur het wel mooi geweest vindt wordt de stroom afgeschakeld en dooft de vlamboog. De hete lucht waait weg (4) en de pennen koelen af, waarna ze (wat geblakerd) opnieuw gebruikt kunnen worden (5) en de netbeheerder de spanning kan herstellen.

Lading hoopt zich aan beide zijden op in de punten. Omdat er iedere wisselstroomcyclus opnieuw een potentiaalverschil ontstaat, hebben de punten telkens interesse in elkaar. Nu is lucht een goede isolator, waardoor de afstand normaal gesproken veel te groot is om spontaan doorslag te geven. Dat is maar goed ook, want anders zou de hele isolatorketting zinloos zijn.

Een vlamboog (warm) groeit nooit tegen de isolatorketting zelf aan wanneer je hem boven de isolatorketting laat ontstaan. Links achteraan zien we langere aangepaste pennen: dit circuit wordt op 36 kV bedreven terwijl het voor 150 kV was ontworpen. Het gat moet dan ook veel kleiner zijn, anders zou het geen zin hebben. Foto door Bavo Lens.

Pas als er om een ongewone reden zoveel extra spanning tussen beide punten komt te staan dat de lucht alsnog doorslaat zal zich een vonk vormen. De beide metalen punten geleiden prima en de afstand is korter dan direct over het oppervlak van de isolators heen, waardoor iedere kortsluiting al snel ‘hard’ genoeg wordt om de beveiliging aan te spreken, zodat de stroom wordt afgeschakeld en schade aan de isolators of elders aan de verbinding wordt voorkomen.

Zodra de spanning wegvalt dooft ook de vlamboog. Het voordeel van een vonkopening is dat het zichzelf herstelt. Omdat lucht kan verplaatsen waait de hete lucht weg en koelen de punten van de vlamboogpennen weer af, zodat ze zonder al teveel problemen opnieuw gebruikt kunnen worden. Een beetje blakering en wat smeltschade is het enige dat verraadt wat er gebeurd is. De isolators zelf komen er zonder schade vanaf.

   

Een bijzondere vorm van vlamboogpennen treffen we aan op deze 110 kV-verbinding, hier bij Emmen. Er zit een metalen plaatje op het uiteinde van de pin. Het precieze idee is ons ook niet bekend, maar het moet vermoedelijk gezocht worden in veldsturing, waardoor doorslag vanuit de pen sneller gaat dan vanuit de andere richting. Rechts: nieuwe isolatorkettingen met lange vlamboogpinnen gereed voor montage in België. Foto’s door Hans Nienhuis en Bavo Lens.

Omhoog groeiende warmte

Bij verticaal hangende isolators maakt het niet uit waar je de vlamboogpinnen neerzet. Omdat een vlamboog een indrukwekkende hitte heeft en de lucht tot een plasma verhit heeft hij de neiging om omhoog te groeien. Immers, warme lucht en plasma stijgen op. Bij schuin of horizontaal afgespannen isolators worden de vlamboogpinnen zodanig gemonteerd dat ze fysiek boven de isolatorketting zitten. De vonk en de stijgende beweging groeit dan vanzelf recht omhoog, weg van de isolator, zodat die niet alsnog beschadigt.

Wanneer de draden op staande isolators worden gedragen maakt de plek niet zoveel uit. Zolang er niets boven de draad zit kan de vonk gerust een stukje omhoog groeien. Maar bij hangend gedragen draden zal een omhoog groeiende vlamboog tegen de draagconstructie aan willen komen. Om bij een houten mast direct de draagbalk in brand zet neigt men ernaar om de vlamboogpinnen in de lengterichting te zetten: parallel aan de richting waar de draad vandaan komt en dus dwars op houten draagbalk. De afstand is dan iets groter en dat kan kostbare seconden schelen, soms net genoeg voor de bewaakapparatuur om tijdig in te grijpen.

Vlamboogpennen op een oude 50 kV-lijn. Merk op dat ze in de lengterichting van de draad vastzitten. Een eventuele vonk blijft op deze manier op afstand van de isolators, maar ook zal de warmte langs de traverserand heen gaan en zal de vlamboog minder snel overspringen van de bovenste vlamboogpin op de traverserand zelf. Foto door Hans Nienhuis.

Soms kunnen vlamboogpennen worden gecombineerd met coronaringen. Omdat een pen en een ring elkaars natuurkunde in de weg zit, zien we in dat geval meestal dat men dan maar één vlamboogpen toepast aan de zijde van de aarde (het mastlichaam) en dat op de andere kant van de isolatorketting juist een coronaring zit.

Kunststof moet beschermd worden

De meeste verbindingen in Nederland hebben geen vlamboogpinnen. Het hangt ervan af hoe de netbeheerder erin stond ten tijde van de aanleg. Het komt geregeld voor dat bijvoorbeeld alleen de hoekmasten ervan werden voorzien. In principe is dat ook genoeg, want niet bij elke mastpositie an sich hoeft de vonk over te slaan. Eén plek tegelijk, of een handjevol plekken over de lengte van de verbinding verspreid (ook een overspanning door bijvoorbeeld blikseminslag smeert zich uit en is het grootst bij de inslagplek) is ook voldoende.

Vlamboogpennen met kleine coronaringen op kunststof isolators. We zien hoe fragiel die zijn ten aanzien van warmte. Bij deze isolators mag een vlamboog onder geen beding in de buurt van het siliconenrubber komen. Foto door Mark van der Meer.

Bij kunststof isolators zijn vlamboogpennen belangrijker om toe te passen. In tegenstelling tot glaskap-isolators en keramische isolators zijn kunststof isolators niet bestand tegen hoge temperaturen, ook niet voor eventjes. Het siliconenrubber is geen partij voor een vlamboog die de temperatuur van een lasboog kan overtreffen. Bij deze isolators is het essentieel dat een eventuele vlamboog nooit over het oppervlak van de isolator lopen kan. Door met vlamboogpennen een alternatieve, aantrekkelijker weg te bieden die zich op enige afstand van de isolator bevindt kan de schade worden beperkt.