Wanneer de kortste weg niet de stroomweg is
Een technisch diepgaand artikel over de stroomverdeling in hoogspanningslijntracés bij aardfouten van 50 Hz en bliksemimpulsen.
Hetzelfde hoogspanningslijntracé kan zich bij een aardfout van 50 Hz gedragen als een gedistribueerd aardingsnetwerk, maar onder bliksemomstandigheden als een lokaal impulsstroomprobleem. Dit verschil verandert de stroompaden, het risico op aanraakspanning en de belasting van de infrastructuur.
Belangrijkste inzichten
- De stroomverdeling in lineaire infrastructuur is niet alleen een kwestie van locatie, maar ook van het bronregime.
- Bij 50 Hz kan een hoogspanningslijntracé de foutstroom over de aardingssystemen van vele masten verdelen.
- Bij een bliksemimpuls kan het grootste deel van de stroom dicht bij het injectiepunt blijven.
Stroomverdeling in hoogspanningslijntracés bij aardfouten en bliksem.
Inleiding
Bij onderzoeken aan elektriciteitssystemen en bliksembeveiliging is het verleidelijk om de stroomloop eenvoudig voor te stellen: de stroom komt een constructie binnen, zoekt de kortste of ‘beste’ weg naar aarde en vloeit hoofdzakelijk via het dichtstbijzijnde aardingssysteem af.
Voor één mast van een bovengrondse hoogspanningslijn leidt deze intuïtie tot een veelvoorkomende verwachting: tijdens een aardfout zou het grootste deel van de stroom het fundament van de getroffen mast in moeten vloeien en lokaal via het aardingssysteem van die mast moeten terugkeren.
Maar lineaire infrastructuur gedraagt zich niet als een geïsoleerde elektrode.
Een hoogspanningslijntracé is een elektrisch gekoppeld systeem: vakwerkmasten, aarddraden, fasegeleiders, mastfunderingen, bodemlagen, aardingssystemen van onderstations en nabijgelegen infrastructuur maken allemaal deel uit van dezelfde elektromagnetische omgeving. De stroomverdeling hangt niet alleen af van de geometrie, maar ook van het bronregime.
Een aardfout van 50 Hz en een bliksemimpuls kunnen hetzelfde fysieke tracé, dezelfde masten en dezelfde aardingssystemen gebruiken, maar volgen niet noodzakelijk hetzelfde retourpad.
Om dit effect zichtbaar te maken, bekijken we een eenvoudig representatief voorbeeld: een hoogspanningslijntracé van 220 kV met vakwerkmasten, een bovengrondse aarddraad, een fasegeleider, niet-uniforme mastaardingen en equivalente afsluitingen aan beide uiteinden van het tracé.
Drie bedrijfsregimes worden vergeleken:
- een aardfout van 50 Hz met overwegend ohmse stroomherverdeling,
- een aardfout van 50 Hz waarbij de koppeling met de fasegeleider is meegenomen,
- een bliksemimpuls van 10/350 µs op hetzelfde tracé.
Het doel is een praktisch technisch effect te laten zien: dezelfde infrastructuur kan een volledig andere stroomverdeling opleveren, afhankelijk van de vraag of de bekrachtiging een fout op netfrequentie of een bliksemimpuls is.
Dit is van belang voor aanraakspanningen bij de mastvoet, de beoordeling van aardingssystemen, omliggende pijpleidingen, kabelsystemen, spoorweginfrastructuur, hekwerken en het ontwerp van overspanningsbeveiliging.
Het voorbeeldtracé
Het voorbeeld is bewust eenvoudig gehouden: een representatief hoogspanningslijntracé van 220 kV tussen twee onderstations. Het tracé omvat vakwerkmasten, één bovengrondse aarddraad, één fasegeleider en afzonderlijke aardingssystemen voor de masten.
Representatief tracé met meerdere masten waarmee het gedrag bij een fout van 50 Hz en bij een bliksemimpuls wordt vergeleken voor dezelfde fysieke geometrie.
Mast 10 is gekozen als stroominjectiepunt. Daardoor kan dezelfde geometrie worden vergeleken bij verschillende bronregimes: een aardfout van 50 Hz en een bliksemimpuls.
Om het voorbeeld interessanter te maken, wordt niet aangenomen dat de aardingsweerstanden van de masten uniform zijn. Dat is belangrijk, omdat echte tracés zelden bij elke mast dezelfde bodem- en aardingsomstandigheden hebben. In het voorbeeld heeft één mast een zeer lage aardingsweerstand, terwijl de injectiemast een relatief hoge waarde heeft. Dit levert een nuttige praktijksituatie op: blijft de stroom dicht bij het injectiepunt of verplaatst deze zich langs het tracé om een beter retourpad te vinden?
Hetzelfde tracé, drie bronregimes
Hetzelfde tracé wordt bij drie verschillende bronregimes vergeleken:
- ohmse herverdeling van een aardfoutstroom,
- een fout van 50 Hz waarbij de koppeling met de fasegeleider is meegenomen,
- een bliksemimpuls op mast 10.
Het eerste geval vertegenwoordigt het klassieke model van een ‘aarddraadladder’. Het tweede voegt de elektromagnetische koppeling tussen de fasegeleider en de bovengrondse aarddraad toe. In het derde geval verandert het probleem volledig: door de hoogfrequente inhoud van de bliksemimpuls wordt de inductieve impedantie van de bovengrondse aarddraad dominant.
Dezelfde geometrie. Dezelfde aardingssystemen. Een ander bronregime — een ander stroompad.
Het totaalbeeld in één afbeelding
Voordat we naar de afzonderlijke mastvoetstromen kijken, is het nuttig om de potentiaal aan het aardoppervlak rond het tracé te bekijken.
De onderstaande afbeelding toont hetzelfde tracé bij de drie bronregimes. De geometrie is ongewijzigd. De aardingssystemen zijn ongewijzigd. Alleen het bronregime verandert.
Potentiaal aan het aardoppervlak voor hetzelfde tracé bij ohmse herverdeling, fasegeleiderkoppeling bij 50 Hz en een bliksemimpuls.
Het verschil is onmiddellijk zichtbaar.
Bij de ohmse herverdeling is de potentiaalverdeling breed. Het tracé gedraagt zich als een elektrisch verbonden systeem en de retourstroom verspreidt zich over een groot deel van de lijn.
Bij de fout van 50 Hz met fasegeleiderkoppeling wordt het beeld meer gestructureerd: elke mast veroorzaakt een meer lokale potentiaalverhoging en de totale bijdrage van de aardstroom neemt af.
Bij een bliksemimpuls verandert het gedrag volledig. De potentiaalverhoging concentreert zich rond mast 10, bijna als een roos rond die mast. Het tracé gedraagt zich niet langer als een laagohmige ladder voor de stroomverdeling; de impuls blijft hoofdzakelijk lokaal.
Dit is de kernboodschap van het artikel:
hetzelfde tracé, dezelfde aardingssystemen — maar een volledig ander stroompad.
Resultaat 1 — de stroom van 50 Hz ‘ziet’ het volledige aardingsnetwerk
Het geval van 50 Hz is al minder intuïtief dan verwacht.
Bij de injectiemast ‘ziet’ de stroom niet alleen het lokale aardingssysteem van de mast. Via de bovengrondse aarddraad ziet de stroom ook de mastaardingen aan weerszijden.
Eenvoudig gezegd: veel aardingssystemen van masten werken samen als een gedistribueerd parallel retourpad.
Daarom vloeit de stroom niet noodzakelijk uit de constructie op de plaats waar de fout wordt aangelegd.
In het ohmse geval voert mast 10 ongeveer 8,9% van de geïnjecteerde foutstroom. Mast 5, die enkele overspanningen verderop staat, voert echter ongeveer 10,1%.
Waarom? Omdat mast 5 de lagere aardingsweerstand heeft. Voor de stroom is dit simpelweg de aantrekkelijkere uitgang naar de aarde.
Wanneer de fasegeleider wordt meegenomen, wordt het aandeel bij mast 10 nog lager. Dit laat zien dat koppeling tussen de fasegeleider en de bovengrondse aarddraad de stroom die via de aardingssystemen van de masten terugvloeit merkbaar kan veranderen.
Bij 50 Hz deelt het tracé het probleem.
De foutlocatie is belangrijk — maar vertelt niet het hele verhaal.
Mastvoetstroom per mast voor de twee gevallen van 50 Hz, die laat zien hoe het tracé als gedistribueerd retourpad deelneemt.
Resultaat 2 — de bliksemstroom blijft lokaal
Het geval met bliksem ziet er volledig anders uit.
Bij de impuls van 10/350 µs voert mast 10 ongeveer 89% van de geïnjecteerde stroom. De direct aangrenzende masten leveren nog steeds een bijdrage, maar na enkele overspanningen wordt die stroombijdrage zeer klein.
Waarom?
Bij 50 Hz gedraagt de bovengrondse aarddraad zich als een laagohmige verbinding tussen de aardingssystemen van de masten. Het tracé helpt de stroom te verspreiden.
Onder bliksemomstandigheden verandert de hoogfrequente inhoud het spel. De inductieve impedantie van de bovengrondse aarddraad wordt dominant en elke overspanning voegt impedantie toe.
De impulsstroom ‘loopt’ daarom niet op dezelfde manier langs het tracé. De stroom blijft grotendeels waar deze binnenkomt.
Daardoor wordt het lokale aardingssysteem van de injectiemast veel belangrijker — voor de potentiaalverhoging, het risico op aanraakspanning en de belasting van nabijgelegen infrastructuur.
Mastvoetstroom per mast voor het bliksemgeval, waarbij het grootste deel van de geïnjecteerde impulsstroom dicht bij mast 10 blijft.
Resultaat 3 — stroomverdeling wordt een veiligheidsvraagstuk
Aanraakspanning direct bij de mastvoet is vaak niet het belangrijkste praktische werkscenario. In veel gevallen wordt niet verwacht dat mensen tijdens een fout een hoogspanningsmast aanraken.
Toch is het resultaat bij de mastvoet nuttig als demonstratie: het laat zien hoe een lokale potentiaalverhoging en de stroomverdeling een veiligheidsvraagstuk voor nabijgelegen infrastructuur kunnen worden.
Realistische voorbeelden zijn:
- een technicus die bij een meetpost van een pijpleiding werkt,
- personeel dat een kabelmantel of een telecommunicatie- of glasvezeltracé hanteert,
- een hekwerk, poort, kast of aansluitdoos dicht bij het getroffen lijngedeelte,
- een pijpleidingtracé of spoorwegsysteem dat dicht bij de bovengrondse hoogspanningslijn loopt.
Neem ter oriëntatie een korte foutuitschakeltijd van 250 ms en een referentieniveau van ongeveer 1 kV voor de te verwachten aanraakspanning.
Bij mast 10 ligt de berekende waarde in beide gevallen van 50 Hz duidelijk boven dit niveau.
De praktische boodschap:
Een mast hoeft niet het grootste aandeel van de totale foutstroom te voeren om veiligheidskritisch te worden.
Een hoge lokale aardingsweerstand kan nog steeds een kritieke lokale potentiaalverhoging veroorzaken — en ook nabijgelegen infrastructuur kan worden beïnvloed.
Ongunstigste te verwachten aanraakspanning bij elke mastvoet voor de gevallen van 50 Hz, die illustreert waarom stroomverdeling een veiligheidsvraagstuk wordt.
Resultaat 4 — de kern: hetzelfde tracé, een ander stroompad
Hier is het volledige verhaal in één overzicht.
In het ohmse geval verspreidt de stroom zich over het tracé.
Wanneer fasegeleiderkoppeling wordt meegenomen, verandert de verdeling opnieuw.
Bij een bliksemimpuls kantelt het beeld: het grootste deel van de stroom blijft dicht bij mast 10.
Hetzelfde tracé.
Dezelfde aardingssystemen.
Een ander bronregime.
Een ander stroompad.
Een andere belasting van de infrastructuur.
Een ander veiligheidsrisico.
Stroomverdeling over de injectiemast, nabijgelegen masten en de rest van het tracé voor elk bronregime.
| Geval | Getroffen mast (M10) | 4 dichtstbijzijnde masten | 15 overige masten |
|---|---|---|---|
| Ohmse herverdeling | 9 % | 30 % | 60 % |
| 50 Hz met fasegeleiderkoppeling | 8 % | 26 % | 66 % |
| Bliksem, 10/350 us | 85 % | 15 % | < 1 % |
Dezelfde hardware. Een ander regime. Een volledig andere stroomverdeling.
Wat ik hiervan meeneem
De belangrijkste les is eenvoudig:
De stroomverdeling in lineaire infrastructuur is niet alleen een kwestie van locatie.
Het is een kwestie van het bronregime.
Hetzelfde tracé kan zich bij een aardfout gedragen als een gedistribueerd aardingsnetwerk — en bij bliksem als een lokaal impulsstroomprobleem.
Dat is van belang voor aanraakspanning, de beoordeling van aardingssystemen, pijpleidingen, kabeltracés, spoorwegsystemen, hekwerken, kasten en het ontwerp van overspanningsbeveiliging.