Bliksempiek

Hoogspanningsstations moeten worden beschermd tegen blikseminslag. Hiervoor worden hoge stalen pieken gebruikt.

Hoogspanningsinstallaties kenmerken zich door hoge elektrische spanning, maar er is een verschijnsel met een nog veel hogere spanning: bliksem. We zitten op een planeet waar het zo nu en dan stevig kan onweren. Dat houdt het leven mooi voor stormchasers, maar onweer is er ook voor verantwoordelijk dat hoogspanningsstations eruitzien als een woud van vlijmscherpe spijlen die recht omhoog priemen. Het worden bliksempieken genoemd.

Soms zijn bliksempieken losse palen, een andere keer zijn ze geïntegreerd in het ontwerp van de stationsportalen. Ze hebben tot doel bliksem te lokken zodat die inslaat op de bliksempiek zelf in plaats van op de rails of de transformators.

Bliksempieken op trafostation Dodewaard, gezien vanuit de richting waar de onweerswolk hangt. Die metalen punten zijn onweerstaanbaar. De portalen en bliksempieken zijn met het aardnet van het station verbonden. Dronefoto door PJK.

Hoewel hoogspanningscomponenten ontworpen zijn op het voeren van een heel hoge spanning houden ze niet van bliksem. Je hebt nu eenmaal baas boven baas. Een rake blikseminslag kan brand of kortsluiting veroorzaken, componenten beschadigen of vernielen, bewaakapparatuur onklaar maken en in het ergste geval een stroomstoring of een overspanning bij eindgebruikers veroorzaken. Blikseminslag op componenten waar hoogspanning op staat moet worden vermeden.

Hoogspanning ontmoet hogere spanning

Hoeveel energie zit er in een bliksem? Over het algemeen zijn bliksems die in de grond slaan wat pittiger dan de exemplaren die binnen de wolk blijven. Wanneer we er wat expertise bij halen, eraan gaan rekenen en het resultaat in een triviale maat uitdrukken, zien we dat de totale energie van een ontlading op het eerste gezicht tegen valt: enkele malen 10^8 Joule, grofweg dezelfde ordegrootte als een jerrycan benzine of enkele tientallen kWh aan elektriciteit. Bij hele zware bliksems (in jargon een CG+) kan je dat keer tien doen, maar zelfs bij die exemplaren bevindt de energie zich eigenlijk in een vrij menselijke ordegrootte. Je kan er een aantal appartementenblokken, een middelbare school of een klein festival een tijdje mee draaiende houden. Het is veel te weinig om de vermogens op hoogspanningsapparatuur te evenaren.

   

Bliksem slaat niet altijd in de grond: je hebt ook ontladingen die zich in de wolk bewegen en die de grond mijden. Wanneer er toch van een inslag sprake is, dan is een hoogspanningsmast bijzonder aantrekkelijk. Op deze foto’s komen beide hoogspanningslijnen ermee weg. Foto links door Mark van der Meer, rechts door Michel van Giersbergen.

Maar er zit een adder onder het gras. Een bliksem duurt uiterst kort. In een of twee milliseconden is het gebeurd. Wanneer we een energie van een paar maal 10^8 Joule samenballen in een duizendste van een seconde en dan de berekening omdraaien, om bij een zekere lengte (zeg drie kilometer) bij benadering de spanning en de stroomsterkte terug te vinden, dan blijkt de zeer kortdurende energiepuls enorm. Een bliksem kan een spanning hebben van vele honderden miljoenen volt bij een stroomsterkte van tienduizenden ampère. Gedurende de uiterst korte tijd dat de bliksem ‘staat’ loopt er een vermogen dat de totale Nederlandse stroomvraag overtreft.

Wat gebeurt er als we gedurende 1/1000e seconde 30.000 ampère bij 1.000.000.000 volt door een eik laten lopen?

   

De gevolgen van een voltreffer laten er geen gras over groeien: bliksem is in staat tot doden. Deze eik was driekwart meter dik toen hij in 2006 aan spaanders werd geblazen door een blikseminslag. De klap was ook 300 meter verderop nog enorm. Foto door Johanna Kuipers.

Een blikseminslag is een kortsluitproef waar ze in het lab van de KEMA wit van wegtrekken en waar de meeste mensen de zenuwen van krijgen, enkele onweerfanaten daargelaten. Deze zeer korte maar krachtige puls elektrisch vermogen kan een verwoestend effect hebben op bomen, gebouwen en op hoogspanningscomponenten.

Een bliksemslachtoffer uit een privécollectie. Deze staande keramische isolator werd doorboord door een blikseminslag. Wie goed kijkt ziet dwars door het keramiek heen smeltkanaaltjes lopen naar de ingegoten metalen pin. Het keramiek sloeg door (in jargon: een puncture) en het materiaal in de kanaaltjes werd in een fractie van een seconde zo heet dat het in plasma veranderde en de isolator in twee helften uiteen liet spatten. Foto door Hans Nienhuis.

Horváth en Schwaiger: de bliksembol

Zoals we zien op de pagina’s over bliksemdraden en die over de straaltoren, trafostations zijn metalen objecten die verbonden door lange draden aan hoge metalen torens die richting de wolk omhoog steken. Dat is bijzonder aantrekkelijk voor bliksem zodat het zinloos is om te proberen blikseminslag te voorkomen. Beter lok je de bliksem opzij naar een plek waar inslag geen schade aanricht. Bliksempieken zien er onvriendelijk uit, maar ze hebben zich bewezen als is de beste praktisch toepasbare bliksembeveiliging die er is voor openluchtopstellingen.

De bliksempieken zijn niet alleen heel hoog maar ook heel scherp. Dat moet ook: omdat zich om de punt heen een extra hoge veldsterkte opbouwt zijn ze onweerstaanbaar voor bliksem zodat die nog beter wordt weggelokt van de rails en trafo’s meters lager. Foto door Hans Nienhuis.

Deze methode van bliksembeveiliging is te danken aan het werk van de Hongaarse professor Tibor Horváth uit de jaren 60, deels gebaseerd op ouder werk van de Duitse onderzoeker Schwaiger uit 1935. De theorie achter de werking is een toonbeeld van simpelheid. Neem een landschap, een onweersbui en de ‘bliksembol’ in gedachten. Dat is een denkbeeldige bol met een straal van enige tientallen meters (verschilt per publicatie) die men over het landschap kan rollen. De bol heeft geen massa, kan niet indeuken en voorwerpen kunnen er niet in binnendringen.

Ieder voorwerp, hoekje of plat oppervlak dat bij het rollen in contact kan komen met de bolvorm is potentieel vatbaar voor blikseminslag. De nliksempieken die je op een trafostation aantreft staan zo dicht bij elkaar dat de bol, wanneer die eroverheen rolt, niet voldoende kromming heeft om er tussendoor te vallen en de hoogspanningsinstallaties aan te raken. Hij blijft er als het ware boven overheen rollen. Deze benadering geeft geen volledige garantie (die bestaat niet bij bliksem) en ook is de theorie tot op de dag van vandaag nog onderhevig aan discussie over de details, maar de bescherming met bliksempieken heeft in de afgelopen decennia bewezen behoorlijk goed te zijn.

Rol de denkbeeldige bliksembol over het trafostation en je raakt in dit geval alleen de punten van de bliksempieken, een paar boomtoppen en het weiland op de voorgrond. De bol kan niet tussen de piekin doorvallen, daarvoor staan ze te dicht bij elkaar. Het trafostation blijft daardoor in een veilige zone die wel wat weg heeft van een opgespannen tent.

Dat bliksempieken een scherpe punt hebben maakt ze extra effectief. Van de pagina over veldsturing weten we dat de elektrische veldsterkte rond scherpe puntige voorwerpen zeer sterk kan toenemen. In transformators en rondom de geleiders is dat niet handig zodat daar netjes afgeronde onderdelen worden gebruikt. Wanneer je bliksem wilt aantrekken is een scherpe punt juist gewenst omdat de veldsterkte tijdens een onweersbui in en rondom die scherptes zo sterk kan toenemen dat er Sint Elmusvuur ontstaat. Dat werkt op bliksem net als chocola op pubermeiden: ze kunnen er onmogelijk vanaf blijven, zodat de kans van een inslag op een bliksempiek in plaats van op een component nog eens extra wordt vergroot.

Met kabeltjes ertussen is het een vangnet

Aan de onderzijde zijn bliksempieken niet alleen met een aardpen geaard, maar ze zijn ook verbonden met het aardnet van het trafostation. Soms worden tussen de bliksempieken zelfs dunne draden gespannen die nog extra bescherming boden, en dan had je wat men een vangnet noemt. Niet om objecten in te vangen, maar om van alle kanten overspanningen in af te vangen en veilig de aarde in te leiden. Op lanceerplatforms voor raketten zijn zulke extra kabels prominent aanwezig tussen doorgaans drie of vier heel hoge bliksempieken.

Tegenwoordig zijn zulke extra draden niet meer zo populair omdat ze hijsklussen bemoeilijken en bij losbreken aardfouten veroorzaken. Daarom kiest men tegenwoordig liever voor wat hogere, maar vrijstaande bliksempieken.

Bliksempieken zijn soms gecombineerd met geaarde kabels die nog eens extra bescherming bieden. Vroeger was dit vrij gebruikelijk, tegenwoordig doet men dit alleen nog bij bijvoorbeeld raketlanceerplatforms waar de afstand tussen de bliksempieken zo groot is dat de bol van Horvàth er anders tussendoor kan vallen. Op trafostations veroorzaakt het een iets verhoogde faalkans als een draad losbreekt. Foto door Michel van Giersbergen.

Kleine bliksempiekjes: Franklin rods

Bij middenspanning gaat het er wat anders aan toe. Trafohuisjes hebben meestal alleen binnenin enige beveiliging, maar op een bovengrondse verbinding voor middenspanning zien we slechts zelden bliksemdraden. De fasedraden liggen vrijwel altijd bovenop staande isolators, die het hoogste punt van zowel de verbinding alsook de masten vormen. Hoe worden die beveiligd?

Dat verschilt per situatie. Zogeheten surge protectors (meestal in de vorm van smoorspoelen) kunnen hier goede zaken doen: deze apparaten laten de normale ’trage’ wisselstroom door, maar blokkeren een puls van een veel hogere spanning en stroomsterkte die een factor tien korter duurt dan een wisselstroomcyclus. Voor hoogspanningsapparatuur waar de vermogens oplopen tot honderden MVA’s is dat maar matigjes een oplossing, maar voor middenspanning en laagspanning (of voor bewaakapparatuur) kan het goed helpen, zeker wanneer de blikseminslag indirect is: de stroom loopt dan niet door het object zelf, maar het wordt wel beïnvloed door het magnetisch veld ervan (inductie tot vele tientallen kV’s is dan heel normaal).

Franklin rods op een Duitse middenspanningslijn. De objecten met scherpe punten naar alle kanten zorgen voor een hoge veldsterkte zodat ze bewust een inslag proberen uit te lokken. De fasedraden zijn afgeschermd met een kunststof kapje. Op die manier wordt geprobeerd om een blikseminslag naar het mastlichaam te lokken, zodat de draden en de paaltrafo net buiten beeld het overleven.

Blikseminslag op fasedraden van middenspanning is minder kritiek voor het elektriciteitsnet omdat deze verbindingen klein zijn en een storing hooguit lokaal hinder veroorzaakt. Maar een geplofte MS-trafo is nog steeds een hinderlijk euvel. Om die reden worden de paaltransformators vaak wel beveiligd. Een vrij gebruikelijke methode is het inhangen van smeltzekeringen op de eindmasten waar paaltransformators aan hangen. Wordt er onderweg een mast of een fase geraakt, dan springt de smeltzekering kapot (hij ontploft echt) waarna de stroom overslaat op het mastlichaam en dan de grond in wordt geleid.

De eindmasten zelf, waar de paaltransformators en zekeringen aan hangen, beveiligt men extra door er zogeheten Franklin rods op te schroeven. Deze bliksemafleiders steken niet alleen omhoog, maar ze hebben ook zes punten die naar alle kanten uitsteken. Wanneer een bliksem erop inslaat wordt deze via het mastlichaam (metaal) of een bliksemafleiderdraad (houten masten) alsnog de grond in geleid. Om te voorkomen dat er afslag (in jargon: backover flash) plaatsvindt waarmee alsnog een fasedraad geraakt wordt, dekt men de fasedraden van de eindmast vaak af met een plastic kapje zodat zich daar juist minder veldsterkte kan opbouwen dan anders het geval zou zijn geweest. Voor bovengrondse middenspanning is de methode met zekeringen en kleine bliksempieken in de vorm van Franklin rods goedkoper en eenvoudiger dan om met een bliksemdraad over de hele verbinding te werken.