Bovengrondse lijngeleiders ACSR/AAAC/AAC volgens IEC 61089 — opbouw, verzakking en corona

De gids over elektrodynamische krachten bij kortsluiting van busbars (IEC 60865-1) en de gids over kabelschermtranspositie bij hoogspanningskabels behandelen mechanische en elektrische aspecten van ondergrondse en rail-gebonden geleidersystemen. Dit artikel behandelt de blanke, onge-isoleerde geleider die juist bovengronds hangt: de rondedraad-concentrisch-gespiraliseerde lijngeleider, genormeerd in IEC 61089 ("Round wire concentric lay overhead electrical stranded conductors").

Drie hoofdtypen onder IEC 61089

IEC 61089 beschrijft de elektrische en mechanische eigenschappen van verschillende opbouwvarianten, waarvan drie in de praktijk het meest voorkomen:

• AAC (All Aluminium Conductor): uitsluitend hard-getrokken aluminiumdraden, concentrisch gespiraliseerd rond een centrale draad, zonder stalen kern of legeringstoevoeging. Hoogste geleidbaarheid per doorsnede, maar de laagste treksterkte van de drie — vooral geschikt voor korte overspanningen met beperkte mechanische belasting.
• ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced): een buitenmantel van hard-getrokken aluminiumdraden concentrisch gespiraliseerd rond een kern van verzinkt (of aluminium-bekleed) staal. De staalkern draagt het grootste deel van de mechanische trekkracht, waardoor grotere overspanningen en hogere doorhangbelastingen (wind, ijsafzetting) mogelijk zijn dan met AAC bij gelijke aluminiumdoorsnede.
• AAAC (All Aluminium Alloy Conductor): uitsluitend draden van een aluminium-magnesium-siliciumlegering, eveneens concentrisch gespiraliseerd rond een centrale draad, zonder stalen kern. Deze legering combineert een hogere treksterkte dan zuiver aluminium met een beter gewicht-sterkteverhouding dan ACSR en met — in tegenstelling tot ACSR — geen galvanisch corrosierisico tussen aluminium en staal.

Let op: de norm laat ook toe dat zink- of aluminium-beklede stalen draden en verschillende aluminiumlegeringsklassen (A1, A2, A3) worden gecombineerd; de exacte materiaalcodes, drooggewichten en toegestane treksterktes per doorsnede zijn vastgelegd in de tabellen van de norm zelf en moeten per projectspecificatie worden nagegaan.

Verzakking (sag) en de catenaria

Een bovengrondse lijngeleider hangt niet recht tussen twee masten, maar volgt bij benadering een catenaria (kettinglijnvorm), bepaald door het eigen gewicht van de geleider, de aangebrachte trekspanning bij montage en de overspanningslengte. De doorhang neemt toe bij hogere omgevingstemperatuur (thermische uitzetting van het metaal) en bij extra belasting door wind of ijsafzetting, en neemt af bij een hogere montagetrekspanning. Ontwerpers werken hierbij met een ruling span (een representatieve, gewogen gemiddelde overspanning voor een reeks opeenvolgende masten) om de doorhang-temperatuurrelatie voor een heel mastentraject in één berekening te vatten, in plaats van elke afzonderlijke overspanning apart te modelleren.

Let op: de exacte trekspannings- en doorhangberekening (inclusief de temperatuur- en ijsbelastingsgrenzen die voor Nederland gelden) is projectspecifiek en moet met de daadwerkelijke mastafstanden, geleiderdata uit de norm en de geldende lokale klimaatbelasting worden doorgerekend — dit artikel geeft alleen het onderliggende principe weer.

Corona: het effect van veldsterkte aan het geleideroppervlak

Bij voldoende hoge spanning ontstaat rond een bovengrondse geleider een lokale, gedeeltelijke ionisatie van de omringende lucht zodra de elektrische veldsterkte aan het geleideroppervlak een kritische waarde overschrijdt — corona. Corona is hoorbaar (een sissend of knetterend geluid, vooral bij vochtig weer), veroorzaakt radio- en televisiestoring in een bepaalde frequentieband, en gaat gepaard met een (doorgaans beperkt) energieverlies. Omdat de veldsterkte aan het oppervlak afneemt bij een grotere geleiderdiameter (bij gelijke spanning en stroom verdeelt de lading zich over een groter oppervlak), wordt op hoogspanningslijnen soms bewust gekozen voor een geleider met een grotere diameter dan voor de stroombelastbaarheid alleen nodig zou zijn, of voor bundelgeleiders (twee of meer parallelle deelgeleiders per fase) om de effectieve oppervlaktekromming — en daarmee de corona — te beperken.

Waarom dit ertoe doet

Bij het beoordelen van een bovengrondse lijnverbinding (bijvoorbeeld bij een kleinschalige windturbine-netaansluiting, zie de gids over netaansluiting van kleinschalige windturbines) is het van belang te onderkennen dat de keuze tussen AAC, ACSR en AAAC niet uitsluitend een kwestie van geleidbaarheid is: mechanische overspanningslengte, verwachte ijs- en windbelasting, corona-gevoeligheid bij hogere spanningsniveaus en — bij ACSR — het galvanische corrosierisico tussen aluminium en staal (zie ook de gids over galvanische corrosie bij aardelektrodes voor het onderliggende principe van bimetaalcorrosie) spelen allemaal mee in de uiteindelijke keuze.

Veelgemaakte fouten

1. Aluminiumdoorsnede kiezen op basis van stroombelastbaarheid alleen, zonder de mechanische overspanningslengte en de verwachte wind-/ ijsbelasting mee te wegen — bij een lange overspanning kan dit tot een ontoelaatbaar grote doorhang of overbelasting van de geleider leiden.
2. ACSR toepassen zonder aandacht voor galvanische corrosie tussen de aluminium buitenmantel en de stalen kern op plaatsen waar vocht kan binnendringen (beschadigde draadeinden, klemverbindingen) — dit kan de staalkern in de loop van jaren verzwakken zonder dat dit van buitenaf zichtbaar is.
3. Corona-effecten negeren bij het kiezen van een kleinere geleiderdi­ameter voor een hoogspanningslijn — dit kan leiden tot onverwachte radio-/tv-storingsklachten en een hoger dan verwacht energieverlies, ook als de geleider voor de stroombelastbaarheid ruim voldoende is.
4. Eén vaste doorhangwaarde aannemen in plaats van de temperatuur-afhankelijke doorhang-berekening met de ruling-span-methode uit te voeren — de doorhang bij winterse ijsbelasting kan sterk afwijken van die bij zomerse maximale bedrijfstemperatuur.

Gerelateerd

• Elektrodynamische krachten bij kortsluiting van busbars (IEC 60865-1)
• Kabelschermtranspositie bij hoogspanningskabels (cross-bonding)
• Aluminium-koperkabelequivalentie en stroombelastbaarheid
• Netaansluiting van kleinschalige windturbines