Boven de stroomdraden hangen bij de meeste hoogspanningslijnen een of twee dunne draden die zonder isolators aan de masten vastgeschroefd zitten. Dit zijn de aard- of bliksemdraden. Ze beschermen de circuits tegen blikseminslag.

Eerst maar eens een bekentenis. In tegenstelling tot wat we in de St(r)oomcursus zeiden: draadloze stroom bestaat wél. Voor draadloze stroom over meerdere kilometers bestaat zelfs een naam: bliksem.

Stroom ontmoet meer stroom

Net als over de hoogspanningskabels, loopt ook door een bliksemkanaal een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie. Toch is blikseminslag op een fasedraad geen gelukkig huwelijk. Het kan in rake gevallen uitval en schade aan de trafo's of schakelapparatuur tot gevolg hebben, met alle kosten en storingen van dien. De stroomdraden moeten zo goed mogelijk worden beschermd tegen blikseminslag. Bij hoogspanningslijnen wordt dat gedaan door een geaarde draad boven de stroomdraden te hangen.

Blikseminslag negeert de bliksemdraad en treft fasedraad (foto Calvin Musch)

Op deze bijzondere foto zien we een blikseminslag op een hoogspanningslijn. De ontlading rechts slaat in op een hoogspanningsmast achter de struik, maar het exemplaar links slaagt erin de mast én de bliksemdraad te ontwijken en treft een van de stroomdraden. Heel soms gebeurt dat een keer. Het resulteert in een circuitfout en een korte knippering van het licht. Foto door stormchaser Calvin Musch. (Traditioneel © Calvin Musch, foto getoond met permissie.)

Bliksem proberen weg te houden bij de hoge stalen masten in het open veld is onbegonnen werk. Beter is het om ervoor te zorgen dat een inslag geen schade aanricht door hem naar een plek te lokken waar de stroom de grond in kan zonder dat de stroomvoerende draden er last van hebben. Hiervoor dienen het topstukje en de bliksemdraden.

Het topstuk priemt uitdagend de lucht in. Een scherpe punt is onweerstaanbaar voor bliksem en vormt tevens als hoogste punt de voorkeursplek voor een inslag. Door daarnaast een of meer geaarde kabels boven de circuits te spannen, wordt de hele hoogspanningslijn als door een paraplu afgedekt en onderling verbonden tot één elektrisch geaard geheel. De bliksemdraden zitten direct op het staal van de mast vastgeschroefd. De circuits zitten nu aan de onderkant én bovenkant onder een aarding met hetzelfde potentiaal, als het ware in een Faradaykooi.

Boven en onder de stroomdraden zien we hetzelfde potentiaal  Bliksemdraden op aparte traversen

Als een paraplu dekken de bliksemdraden de stroomdraden af. Boven en onder de stroomdraden geldt daardoor het elektrisch potentiaal van de grond, waardoor de stroomdraden in principe oninteressant worden voor bliksem. De tweevlaksmasten rechts hebben er zelfs speciaal een extra verdieping met twee traversen voor. Foto's door Michel van Giersbergen.

Eigenlijk doen ze precies hetzelfde als een bliksemafleider op gebouwen. Bliksem, maar ook elektrische velden, heeft een sterke voorkeur voor puntige, geaarde objecten. Een ontlading zal bij voorkeur inslaan op de scherpe topstukken van de hoogspanningsmasten en daardoor de stroomdraden veel minder snel uitkiezen als inslagplek.

In tegenstelling tot de zware, dikke stroomdraden zijn de bliksemdraden betrekkelijk dunne kabeltjes. Hoewel een bliksemontlading stroomsterkten genereert die gemakkelijk honderd maal zo groot is als die op de stroomdraden, duurt de puls energie slechts zeer kort zodat een relatief dunne draad het de baas kan zonder te smelten. Bliksemdraden zijn doorgaans van gevlochten aluminium zonder stalen kern, hoewel nieuwe exemplaren meestal een glasvezelkern bevatten. Niet voor de sterkte: de glasvezelkern bestaat uit optische glasvezels die gebruikt kunnen gebruikt worden voor datacommunicatie tussen trafostations onderling. Maar daarover hebben we een aparte pagina.

Geen gegarandeerde bescherming 

Als er weer eens een zwaar onweerscomplex over onze streken boldert komt soms wel eens voor dat een eigenwijze bliksem ondanks alle voorzorgsmaatregelen toch een fasedraad uitkiest als inslagplek, zoals we zien op de foto van Calvin Musch uit Almere bovenaan deze pagina. Nu is daar wel rekening mee gehouden op de trafostations, maar het levert wel een kortdurend onderbrekingkje op in de stroomvoorziening. Soms werkt die korte verstoring verder door in het net en bereikt het ook het plaatselijke middenspanningsnet en zelfs de laagspanning waarop de huizen zijn aangesloten. Een circuitfout zonder 'echte' storing is dan herkenbaar aan het kort knipperen van het licht thuis.

Dat klinkt minder erg dan het is: zelfs een korte onderbreking van de stroom korter dan knipperen met je ogen kan computersystemen en machines in fabrieken deerlijk in de war krijgen. In het geval van een rake inslag op een lichte verbinding (denk aan bovengrondse middenspanning) die de fasedraad net op een ongelukkig moment in zijn cyclus treft, kan ook wel eens een paaltrafo worden opgeblazen of tenminste tijdelijk defect raken. Dat moet eerst gerepareerd worden en om de stroomvoorziening te herstellen moet er dan een omleiding worden gelegd via een andere transformator. Wanneer het net niet dubbel is uitgevoerd, ontstaat er daadwerkelijk uitval.

Het is dus zaak om de bliksemdraden en de mastlichamen zo aantrekkelijk mogelijk te maken, om zo de kans op een inslag in de fasedraden juist te verkleinen. De Theorieën van Horvàth en Schwaiger schrijven voor dat bliksemdraden schuin boven de geleiders ophangen een betere bescherming levert dan slechts één draad midden boven.

IJC-110 Duits type donaumast met pinakeltopExtra bliksemtraverse op een IJC-110 kV Duits type donau

Engineeren is leren: de IJsselmij kwam er in de jaren 60 al vrij vlot achter dat hun nieuwste mastontwerp met een pinakeltop en één enkele bliksemdraad te weinig bescherming bood in de buurt van de trafostations. Lijnen met dit mastontwerp werden daardoor op hun eerste twee kilometer vanaf ieder trafostation voorzien van een extra traverse met twee extra bliksemdraden. Foto's door Michel van Giersbergen en Peter Schokkenbroek.

Pinakeltoppen en kattenoren om bliksem te bevechten

Maar niet elk mastontwerp kan omgaan met twee bliksemdraden. Duitse mastontwerpen dragen bijvoorbeeld vaak maar één bliksemdraad op een zogeheten pinakeltop, een extra hoge, scherpe top midden op de toren. Circuits opgehangen aan deze mastontwerpen zijn gemiddeld genomen iets kwetsbaarder voor blikseminslag dan wat we zien bij mastontwerpen met twee bliksemdraden die aan extra armen recht of schuin boven de circuits hangen.

Om op hoekmasten, die doorgaans lager zijn dan draagmasten, te garanderen dat de bliksemdraden nog steeds voldoende afstand tot de fasedraden behouden, worden de bliksemdraden daar verhoogd opgehangen. Meestal spant men de bliksemdraden af op de bovenkant van de traversen in plaats van eronder. Maar bij hele hoge spanningen zijn er soms andere dingen nodig, zoals zogeheten kattenoren. In Nederland zien we deze methode bijna standaard op de hoekmasten van de hoogste spanningen. Over de visuele aanblik van kattenoren zijn de meningen verdeeld, niet alleen bij ingenieurs maar ook bij pylon geeks. Ze zorgen ervoor dat de Nederlandse donau-hoekmasten van het koppelnet een onmiskenbaar, bijna iconisch uiterlijk hebben, maar ook geven ze de masten een behoorlijk dominante volgens sommigen zelfs licht agressieve aanblik: hier sta ik, je bent gewaarschuwd.

Zware combi-hoekmast met kattenoren in Twente

De iconische aanblik van de kattenoren op Nederlandse koppelnet-hoekmasten wordt door sommigen zeer gewaardeerd, maar anderen krijgen er de zenuwen van. Feit is dat de kattenoren noodzakelijk zijn om op de hoekmasten de bliksemdraden toch op voldoende afstand schuin boven de schuin afgespannen stroomdraden te kunnen houden. Foto door Peter Schokkenbroek.

Topstukje met bliksempinakelbevestiging van een bliksemdraad

Het topstuk speelt een belangrijke rol in bliksemafleiding. De zeer platte masten ten oosten van Apeldoorn (in verband met een vliegveld) hebben zelfs een extra bliksemafleider op het topstuk staan, inclusief helix strakes tegen het zwiepen in de wind (goed kijken!). Rechts: bovenop de hoekmasten van de 380 kV-lijn Zwolle – Meeden zitten geen kattenoren. Een bewuste keuze van de ontwerper (KEMA) om de masten minder te laten opvallen, maar elektrisch gezien echt kantjeboord qua bescherming… Let op hoe de bliksemdraad halfgeïsoleerd vastzit. Foto's door Ot Lesley en door Bart Sondaar.

Een bliksemdraad zit meestal hard verbonden (met een mooi woord galvanisch) vast op de hoogspanningsmast. Maar er zijn uitzonderingen waarbij er een klein beetje isolatie is toegepast. Met twee zogeheten tieren wordt het contact met de mast gemaakt. Deze tieren zitten zelf ook met een klein beetje isolatie vast. De twee isolators en licht geïsoleerde tieren zorgen ervoor dat de hoekmast in kwestie geen hard contact met de bliksemdraad maakt, zodat inductie niet de mast in kan en in gevallen waarin dat nodig is problemen met lekstroom of kathodisch ongemak wordt voorkomen. Maar in het geval van blikseminslag is de spanning zo groot dat deze isolatie geen enkele partij is en er doorslag plaatsvindt bij de tieren, zodat de stroom dan alsnog veilig door het mastlichaam heen de grond in kan.

Vogelweringsspiralen

De ronde krulletjes die op sommige bliksemdraden zitten hebben niks met bliksem te maken. Het zijn zogeheten vogelweringsspiralen. Vogels in volle vlucht komen helaas af en toe in botsing met de kabels en dit loopt niet altijd goed af voor de vogel in kwestie. De dikke zware kabels die als fasedraden dienen vallen redelijk goed op. Zeker wanneer ze per twee of drie stuks gebundeld zijn. Maar de veel dunnere bliksemdraden worden wel eens over het hoofd gezien. Bij de dunne, enkelvoudige draad is het voor vogels heel moeilijk om de diepte in te schatten. (Dek maar eens een oog af en probeer dan tussen je duim en wijsvinger de waslijn te pakken!) Wanneer de vogel de draad te laat in de smiezen krijgt of de diepte verkeerd schat, kan het tot een botsing komen. Soms gaat dat hard genoeg om verwondingen of zelfs overlijden bij de vogel te veroorzaken. 

vogelweringsspiraal in een bliksemdraadmarkeringsballen

Vogelweringsspiralen zijn niets meer of minder dan aluminium krullen die om de zoveel meter op de bliksemdraad worden gezet. De bijnaam voor dit spiraaltje zal je niet verrassen: een varkensstaart. Rechts: de 150 kV-verbinding Apeldoorn-Kattenberg draagt markeringsballen in de buurt van vliegveld Deelen. Foto's door Bart Sondaar en Hans Nienhuis.

Het zien van diepte gaat al een stuk makkelijker wanneer er objecten van een zekere afmeting aan de kabel hangen. De waslijn is een stuk makkelijker te pakken als je er een paar wasknijpers aan hangt. Zo is het met de bliksemdraad ook. Met een vaste tussenafstand worden er vogelweringsspiralen op de kabel gezet. Die vergemakkelijken het diepteschatten en voorkomen daarmee de meeste vogelbotsingen. Moderne vogelweringsspiralen zijn soms opzettelijk fel wit of juist zwart. Men bevestigt ze dan om en om aan de bliksemdraden zodat ze extra goed opvallen tegen grijze lucht of tegen een grauw landschap.

Markeringsballen en plastic verschrikkers

Toch is dit soms nog niet voldoende. In Duitsland worden tegenwoordig wel eens vogelverschrikkers in de bliksemdraden gehangen die uit plastic lamellen van een halve meter lang bestaan. Die tikken tegen elkaar aan en zwaaien in de wind, waardoor een extra afschrikwerking ontstaat. En het kan nog groter. In de buurt van vliegvelden of andere redenen die meer zichtbaarheid van een hoogspanningslijn vereisen worden er soms masten roodwit geschilderd (een obstakel- of schrikschildering) en ook worden er roodwit of oranje gekleurde ballen in de bliksemdraden gehangen, zogeheten markeringsballen. Dit wordt in het buitenland, vooral in Duitsland, veel meer toegepast dan bij ons. Maar ook in Nederland kan je dit soort ballen vinden in bijvoorbeeld de 150 kV-lijn ter hoogte van zweefvliegveld Terlet tussen Apeldoorn en Arnhem, of in de 150 kV-lijn die bij Hattem de A28 kruist. De markeringsballen in deze lijn zijn ingehangen vanwege een oefenvliegveld van Defensie en deels ook vanwege een intensieve vogeltrekroute. Men gebruikt daar bij voorkeur de bliksemdraden voor omdat die het hoogste hangen en heel geschikt zijn voor het uitoefenen van wat nevenfuncties. Immers, 99% van de tijd onweert het niet.