Op en om de isolators van sommige luchtlijnen zie je soms rare pinnen buitenlangs de isolatorkettingen in elkaars richting steken. Dit zijn vlamboogpinnen. Ze dienen om de schade bij doorslag te beperken of te voorkomen.

Het tegenhouden of isoleren van elektrische spanning is normaal gesproken geen probleem voor de isolators. Maar wat nou als de omstandigheden niet normaal meer zijn? Zwaar weer (onweer, poollicht), een schakelfout, zogeheten opslingeringen in het net, kortsluiting of contact met een geleider waarop een veel hogere spanning staat, het kunnen allemaal redenen zijn om onopzettelijk een veel te hoge spanning op een fasedraad te krijgen.

Vlamboogpinnen 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.

De schade beperken bij doorslag

Vlamboogpinnen of arc horns (niet te verwarren met coronaringen) zijn voorzieningen die beperken of zelfs voorkomen dat er schade optreedt aan een isolator als er onverhoopt doorslag plaatsvindt bij een overspanning. Want isolators kunnen maar een beperkt spanningsverschil tegenhouden. Wordt dat verschil te groot, dan kan er doorslag ontstaan: het isolerend materiaal houdt het niet meer en de elektronen banen 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 over de buitenkant heen gaat lopen. In beide gevallen ontstaat een zogeheten enkelfasige aardsluiting: een kortsluiting tussen een fasedraad (of een pool bij een DC-verbinding) en de aarde, in dit geval de gehele planeet.

Een kortsluiting is niet altijd voldoende om de bewaakapparatuur direct aan te spreken, zodat hij soms een poosje kan blijven 'staan', totdat hij in jargon 'hard' genoeg wordt om alsnog het distantierelais of andere bewaakmiddelen wakker te schudden waarna de vermogensschakelaar ingrijpt. Maar in tussentijd kan de isolator van binnen of aan de buitenzijde beschadigd raken: een vlamboog is erg heet en kan materiaal waarmee hij in contact komt (zowel binnenin als aan de buitenkant van de isolator) doen smelten en verdampen.

Air gap: zelfherstellend

Vlamboogpinnen worden doorgaans met zijn tweeën gemonteerd en staan als het ware over de isolator heen. Tussen hun beide uiteinden bevindt zich een zekere afstand gevuld met lucht, een zogeheten spark gap (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 pinnen koelen af, waarna ze (zij het 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.) 

Vlamboogpinnen gecombineerd met coronaringen. Merk op dat ze aan de fysieke bovenzijde van de afspanningen zitten: een vlamboog (warm) groeit op die manier nooit tegen de isolatorketting zelf aan. Linksachteraan zien we langere, aangepaste pinnen: 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 of andere reden (schakelfout, opslingering, blikseminslag) 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 zeer snel 'hard' genoeg wordt om de beveiliging aan te spreken zodat de stroom wordt afgeschakeld en schade aan de isolators of elders aan de hoogspanningslijn wordt voorkomen.

Zodra de spanning wegvalt, dooft ook de vlamboog. Het voordeel van een spark gap is dat het zichzelf herstelt. Omdat lucht kan verplaatsen waait de hete lucht weg en koelen de punten van de vlamboogpinnen 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 vlamboogpinnen 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 daarachter is ons bij HoogspanningsNet ook niet eens bekend, maar het moet vermoedelijk gezocht worden in het vormen van een capaciteit of een soort coronaring-achtige functie, waardoor het moment van doorslag wellicht ietsje vertraagd wordt. Wie meer weet mag het zeggen. 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 in principe niet uit waar je de vlamboogpinnen neerzet. Maar omdat een vlamboog een indrukwekkende hitte heeft en de lucht tot een plasma verhit, heeft hij de neiging heeft 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.

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.

Vlamboogpinnen 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.

Bij metalen masten is brand geen probleem, maar de verf kan wel kapot (met kans op roest en smeltplekken) en de ophanging van de hele isolatorketting moet ook niet te heet worden, want anders komt in nare gevallen de hele draad alsnog naar beneden. In dit soort gevallen wordt er dus meestal gekeken naar waar het minste cruciale metaal recht boven de vlamboogpinnen zit zodat er zo min mogelijk dingen worden blootgesteld aan de hitte.

Soms kunnen vlamboogpinnen worden gecombineerd met coronaringen. Maar omdat ze elkaars natuurkunde een beetje hinderen, zien we in dat geval meestal dat men dan maar één vlamboogpin toepast aan de zijde van de aarde (het mastlichaam) en dat op de andere kant van de isolatorketting een coronaring zit.

Vlamboogpinnen met kleine coronaringen op buitengewoon dunne kunststof isolators. We zien hoe dun en fragiel die zijn, in ieder geval 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 (links) en Hans Nienhuis (rechts).

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 (vanwege impedantie-effecten gaat er altijd eentje eerst, dus je kan ze beter spreiden) is ook voldoende.

Maar bij kunststof isolators zijn vlamboogpinnen belangrijk om wel overal 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 vlamboogpinnen een alternatieve, aantrekkelijker weg te bieden die zich op enige afstand van de isolator bevindt kan de schade worden beperkt.