Rondom de draden van zowel gelijkstroom- als wisselstroomverbindingen hangt een elektrisch veld. Op scherpe hoekjes en puntjes kan dat ionisatie van lucht geven. Dit vermindert men met coronaringen.

Om de uiteinden van de isolatorkettingen van sommige hoogspanningslijnen hangen soms ringvormige objecten. Dit zijn coronaringen (niet te verwarren met vlamboogpinnen). 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 op het uiteinde van een isolator Coronaringen op V-brace wintracks

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 weer geïsoleerd is opgehangen of neergelegd, zal de lading zich dus 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 dus vooral aan het oppervlak van de bol ophopen. Maar bij een puntig voorwerp zoals 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 in de beide uiteinden concentreren wil. De veldsterkte neemt daar dus extra toe.

Coronaringen aan een afspanportaal

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 waarmee de draad aan de isolators hangt dat wel doen. Op de koppen van de bouten, de randen van de metalen delen en eigenlijk ieder object dat op wat voor manier dan ook een beetje uitsteekt zal zich extra veel lading ophopen. Met name bij hogere spanningen (doorgaans 110 kV en hoger, maar meestal pas vanaf 220 kV) kan dat problemen gaan opleveren. De lucht er vlak omheen kan geïoniseerd raken waarbij lading in en door de lucht begint te lekken. Dat geeft rendemensverlies en het geeft ook geluid: de kleine sprongen van de lading over een stukje lucht kunnen groter worden dan de isolatieweerstand van dat stukje lucht en dan ontstaan zogeheten deelontladingen die telkens een petsje geven. Op zich zijn die ongevaarlijk, maar ze geven wel geluidsoverlast (zie de knetterpagina). 

Het zo netjes afronden van de draagklemmen en de onderzijde van de isolators helpt in het tegengaan hiervan. Zo wordt voorkomen dat de elektrische veldsterkte te grote sprongen maakt naar de lucht toe. Maar je krijgt het nooit perfect: immers, een ronde moer kan je niet aandraaien. Coronaringen bieden hier een oplossing voor.

Coronaringen voorkomen veldsterkteverloop binnenin de ring

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. Natuurlijk is het wel zaak om het probleem niet simpelweg te verplaatsen naar de buitenzijde van de coronaring. De coronaring zelf moet dus zo mooi mogelijk glad en afgerond zijn, zodat de ring zelf amper coronaverschijnselen veroorzaakt en het probleem daadwerkelijk wordt opgelost. 

Meteen zien we ook dat de precieze wijze waarop de coronaring is gemonteerd of de exacte vorm (rond of ovaal) er eigenlijk niet zo veel toe doet. De ring moet simpelweg 'buiten' de scherpe hoeken en punten zitten en de hele buitengrens van waarvanaf de veldgradiënt naar de lucht begint op enige afstand houden van de draagklemmen. Dat kan door hem gewoon flink groter dan de klemmen te maken, ongeacht of dat nou opzij is, verticaal of horizontaal is .

Franse trianon met zijwaartse coronaringen

Coronaringen aan de zijkant van de isolatorkettingen monteren in plaats van het uiteinde omcirkelen kan ook, alleen dan heb je er wel twee nodig. Tussen de ringen wordt wederom de veldsterkte-afname beperkt, zodat deze Franse trianon-mast minder knettert en minder coronaverliezen heeft dan wanneer de coronaringen er niet op zouden zitten. Foto door Tom Börger.

Grote spanning, grote ringen

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

Als we dat uittekenen zien we de volgende grafiek.

Coronaring, grootte hangt af van de spanning
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. De groene waas die afneemt met de afstand representeert het elektrisch veld. Die 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, en 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 al, als je een klein coronaringetje zoals het exemplaar geschikt voor situatie a toepast bij de geleider in situatie b een paar honderd kV meer voert en dus een veel groter veld heeft, dan is de coronaring ondanks zijn ronde vorm zo klein ten opzichte van het elektrisch veld dat hij zelf in feite gewoon alsnog een scherp dingetje is. Het enige wat je daaraan kan doen is het hele object groter maken, proportioneel aan wat nodig is bij de hogere spanning.

Demonstratie coronaringen op Stevin

Het formaat van coronaringen hangt af van de netspanning. Te groot kan ook, maar te klein is eerder een probleem. Deze coronaringen zijn bedoeld voor 380 kV (demonstratie-opstelling), maar dit is ongeveer de ondergrens voor die netspanning: maak je ze nog kleiner, dan verliezen ze hun werking. Meestal zijn ze bij 380 kV juist een slag groter. 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 frisbee, maar wanneer de spanning 380 kV wordt is er al snel het formaat van een fietswiel nodig. Bij spanningen die men in het buitenland her en der gebruikt, zoals 750 kV en in Japan, China en India zelfs 1000 tot 1100 kV, zijn de coronaringen zo groot als een trekkerwiel. Verder zijn voor gelijkstroom (waar met name China hard op gaat) grotere ringen nodig dan voor wisselstroom. Gelijkstroom varieert immers niet en heeft geen cyclus, zodat de veldsterkte de hele tijd door maximaal is in plaats van gemiddeld √3 ervan.

Coronaringen voor stationstoepassingen

Coronaringen in een loods van de netbeheerder. Deze extra dikke exemplaren zijn van hol alumnium en deze worden gebruikt op stationsapparatuur. De opening in de coronaring zit er meestal bewust in: zo kan je de ringen makkelijker om een component heen schuiven. Dat vergemakkelijkt de montage. Foto door Hans Nienhuis.

Samen met vlamboogpinnen

Met een coronaring probeert men dus de veldsterkte rondom puntige voorwerpen een zo klein mogelijke gradiënt te geven. Maar met vlamboogpinnen tracht men juist een zo aantrekkelijk mogelijke plek te maken om een vonk te laten overspringen. Dan lijkt het onmogelijk om beiden tegelijk te combineren.

Coronaringen en vlamboogpinnen combineren Coronaringen met vlamboogpinnen

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. Foto's door Michel van Giersbergen.

Toch kan dat. Door een coronaring een U-vorm te geven en de twee puntjes omhoog te laten steken kunnen beide functies gecombineerd worden. Dit zien we met name bij keramische isolators van een al wat oudere generatie. Men kan er ook voor kiezen om aan het stroomvoerende uiteinde van de isolatorketting een coronaring te hangen en aan de zijde van de aarde (de mast) juist een vlamboogpin te zetten. Dat wordt vaker gedaan omdat dit het effect van de coronaringen minder in de weg zit.

Niet altijd aanwezig

Als coronaringen dan zulke voordelen hebben, waarom zitten ze dan niet altijd overal op iedere verbinding? Wie om zich heen kijkt ziet dat ze met enig regelmaat helemaal niet aanwezig zijn.

Geen coronaringen

Zware 380 kV-verbinding zonder enige vorm van coronaringen of soortgelijk. Zo zien we ze wel vaker, 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. Foto door Bart Sondaar.

Ook bij HoogspanningsNet hebben we niet helemaal door waarom ze de ene keer wel op een 150 kV-verbinding zitten en de andere keer niet eens op een 380 kV-verbinding. Op dit moment lijkt het simpelweg op gemakzucht bij de netbeheerder. Het monteren van coronaringen is extra werk en blijkbaar wordt de meerwaarde ervan soms dusdanig klein geacht dat de moeite niet wordt genomen. De ene netbeheerder zoals de PNEM was behoorlijk overtuigd van het nut. Maar in het koppelnet van 220 en 380 kV ontbreken ze met grote regelmaat in hele verbindingen wanneer die glaskap-isolators hebben, terwijl ze bij kunststof isolators meestal juist 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.