Aardnet

In de bodem van het station ligt een netwerk van aardgeleiders en pennen. Ondanks dat niemand het ziet is dit zo belangrijk dat het een primaire component is.

Eigenlijk is er eerder sprake van een samengestelde component. Het aardnet bestaat uit geleiders, aardpennen, verbindingen en ook een paar schakelaars. Een aardnet heeft meerdere doelen die zowel tijdens normaalbedrijf als tijdens werkzaamheden en onweer nodig zijn.

In de grond onder een station ligt een netwerk van geleiders met hetzelfde potentiaal als de aarde, in dit geval de planeet. Hier geschetst als gele lijnen, in werkelijkheid zijn het er nog veel meer en elk metalen object dat geen spanning moet voeren is eraan verbonden. Fotogeniek is het niet, dat is altijd een beetje jammer aan dit soort spullen.

Een aardsysteem heeft meerdere functies.

– het beperken van stap- en aanraakspanningen tijdens foutsituatie’s in en buiten het station
– het bieden van een aardmogelijkheid tijdens werkzaamheden
– het afleiden van een eventuele bliksem inslag
– het reduceren van elektromagnetische invloeden op systemen binnen en buiten het station

Beperken stap- en aanraakspanningen

Tijdens een foutsituatie op het station kan er (kortstondig) een hoge spanning komen staan op staalconstructies en behuizingen van apparatuur. Deze spanning staat bekend als aanraakspanning. De aanraakspanning moet voldoende laag zijn om veilig werken op een station mogelijk te maken. Wanneer er zo’n foutsituatie optreedt zal er een stroom naar aarde gaan vloeien en deze stroom resulteert in het lokaal optillen van de aardpotentiaal. Er ontstaat een soort trechter of halfcirkel in de grond die vanaf de component met overspanning exponentieel afneemt, eigenlijk net zoals bij blikseminslag of zoals een lichtbron afneemt als je er verder vandaan komt.

Sta je dichtbij de component met overspanning, dan zal een deel daarvan door je lichaam heen willen lopen omdat mensen vrij goed elektriciteit geleiden. Er komt een moment dat deze spanning gevaarlijk hoog wordt. Vlakbij de foutplaats kan het potentiaalverschil over 30 cm afstand al dodelijk zijn. Dit verschijnsel wordt stapspanning genoemd en we zien het bij blikseminslag ook optreden.

De bodembedekking, indien uitgevoerd met grind, vermindert de mogelijkheid van stapspanning om vanuit een component via de grond alsnog weer een mens binnen te komen, of om via een mens de grond in te gaan. Maar ook het aardnet heeft een belangrijke rol. Het zorgt ervoor dat de hele grond op zo’n station zo goed gaat geleiden dat er haast geen lokale spanningsverschillen meer kunnen ontstaan. Simpel gesteld wordt dat gedaan door geleiders in de grond te stoppen en dat netjes in het horizontale vlak in een vermaasd netwerk te leggen. Vandaar ook de naam aardnet of aardnetwerk. Daarnaast moet je zorgen dat dit aardnetwerk niet alleen in de aarde ligt, maar ook elektrisch goed geleidend met de aarde zelf is verbonden. Om dit laatste bereiken worden op regelmatig afstanden aardpennen verticaal in de bodem geslagen. Deze pennen reiken diep (tot wel 30 meter of meer) en komen in een vochtige bodem met grondwater terecht.

Met computermodellen kan je berekenen wat de stap- en aanraakspanningen op iedere positie en iedere foutsituatie in het station zijn. Daarbij wordt er ook rekening mee gehouden dat er delen van het aardnet kunnen ontbreken of onderbroken zijn.

Uitvoer van een modelberekening waarbij op de X- en Y-assen de geografische positie is weergegeven en op de Z-as de maximaal optredende stap- en aanraakspanning. Rood is een te grote gradiënt en kan gevaarlijk zij. In werkelijkheid zijn de bovenkanten van de rode kegels meestal plekken waar zich kolommen en staande objecten bevinden.

Om de aanraakspanningen te beperken worden alle geleidende delen die een kans maken om onder spanning te komen staan bij een fout, verbonden met het aardnet. Hiertoe worden er in de fundatieplaten van bijvoorbeeld de aansluitvelden aardstekken aangebracht. Dat zijn uit het beton stekende stukken draad of een zogenoemde cadweldplaat waarop een draadverbinding kan worden geschroefd, die uiteindelijk ondergronds zijn verbonden met het aardnet.

Deze aardstekken worden later verbonden met de behuizing en de stalen steunconstructie van het aansluitveld. Ook hier wordt rekening gehouden met onderbreking of ontbreken van deze verbinding en worden deze verbinding dus op meerdere plekken en op meerdere manieren gemaakt. Dit principe wordt voor alle andere primaire componenten en eigenlijk voor alle geleidende objecten op het terrein gemaakt. Een aardnet aanleggen is een hele klus en het kost tijd bij de aanleg of aanpassing van een trafostation.

Een aardmogelijkheid tijdens werkzaamheden

Om veilig te kunnen werken aan velden, trafo’s, rail of lijnen op een station wordt de installatie voorzien van zogenaamde aardschakelaars of aarders. Hiermee kan bijvoorbeeld een railsysteem worden geaard. Er wordt dan door middel van een vast opgestelde schakelaar een goed geleidende verbinding gemaakt met het aardnet.

Aarders in een zuilscheider. Ze kunnen omhoog worden gezet waarna de normaal stroomvoerende geleiders zijn geaard. Vroeger waren ze roodwit, tegenwoordig zijn ze geelgroen conform NEN/IEC voorschrift. Foto door Tom Börger.

Aarders zijn nog niet voldoende om veilig te kunnen werken op het station. Net als andere beweegbare delen kunnen ze bedoeld of onbedoeld op afstand worden in- en/of uitgeschakeld. Dit zou gevaarlijke situatie kunnen opleveren als vanuit het bedrijfsvoeringscentrum een aarder wordt uitgeschakeld en er ter plaatse nog iemand aan de betreffende rail aan het werken is. Om dat te voorkomen brengen de monteurs altijd een zogeheten werkaarde aan tussen de rail en het aardnet. Hiermee is zeker gesteld dat de rail altijd aardpotentiaal blijft behouden zolang de werkaarde is aangebracht.

   

Om de werkaarde aan te kunnen brengen moet het aardnet bovengronds bereikbaar zijn. Werkaarde aanbrengen gebeurt met zogenaamde aardknobbels. De klemmen kunnen hier enigszins flexibel omheen bewegen, wat de kans op los schieten verkleint. Links een aardknobbel, rechts een klem die kan worden neergelaten op een geleider. Foto rechts door forumlid Alex P.

Afleiden van blikseminslag

Op openluchtstations hebben we te maken met mogelijke blikseminslag op de installatie. Bliksempieken zijn een goede verdediging, maar bij bliksem bestaan geen garanties. Inslag op een stroomvoerende component of op bewaakapparatuur kan leiden tot beschadiging van de installatie of tot veel te hoge spanningen op de lijnen, transformatoren of afgaande kabels. Om dit te voorkomen wordt het station voorzien van bliksempieken en vroeger soms een vangnet. De bliksempieken worden verbonden met het aardnet en vormen een soort beschermende tent.

Het reduceren van elektromagnetische invloeden op de elektrische systemen binnen en buiten het station is ook gedeeltelijk een doel van het aardnet. Dit is technisch vrij complex omdat het te maken heeft met signaalkwaliteit in schakeldraden en hardheid van apparatuur om met spanningspieken om te kunnen gaan. We laten de details hiervan over aan vakopleidingen, ingenieurs en fabrikanten.