HVDCStoring

HVDC-zeekabels: hoe krijg je de fout boven water?

Wat een treurig gezicht op 21 januari op het ENTSO-E Transparency Platform. Alle drie HVDC-interconnectors die op Nederland aansluiten hadden tegelijk een storing. Lang niet altijd betekent een storing dat de kabel zelf stuk is, maar als dat wel zo is, hoe krijg je dan in een zeekabel letterlijk en figuurlijk de fout boven water?

De COBRA-kabel was na ruim drie maanden storing net weer gerepareerd, en nu gooide een computerstoring roet in het eten. De BritNed viel op 08 december plotseling uit, waarschijnlijk door een kabelfout. En ook de last man standing, de NorNed, gaf er op 18 januari de brui aan. Inmiddels doet de COBRA het weer, maar op 21 januari zat Nederland één dag alleen nog via 380 kV AC-landlijnen aan het buitenland vast. Dat is vervelend voor de handelsmarkt en de mogelijkheden om optimaal van windstroom gebruik te kunnen maken. Naast een handelsprobleem moet ook bij fysieke schade iets gerepareerd worden. Dat valt niet mee op zee.

Laten we eens kijken wat er gebeurt tussen het moment van uitval tot het begin van de reparatie verloopt. We gebruiken daarbij de vorige storing aan de COBRA als voorbeeld, een storing waarbij er destijds wel echte schade was aan de kabel ergens op zee.

Geen rook of vlammen

Het vraagt weinig fantasie om te bedenken hoe de gezichten in Arnhem en Fredericia erbij stonden toen in september de COBRA-cable plotseling en volledig uitviel op een moment waarop deze een aanzienlijk deel van zijn topvermogen van 700 MW ook echt transporteerde. Na een verdomme en een for helvede aan weerszijden van de kabel werd in de eerste tien, twintig seconden na de uitval de netbalans hersteld via FCR of via natuurlijke herschikking, indien de DC-link zich binnen hetzelfde gesynchroniseerde blok bevindt, zoals bij de COBRA het geval is. Binnen diezelfde paar seconden weet men al of de storing in de computers, in de converters of in de kabel zelf zit.

Het ontbreken van rook, vlammen of krijsende alarmen in de converterhal is een belangrijk teken, maar meestal is een HVDC-storing subtieler en kan je überhaupt niet zien wat er stuk is. Soms laat ook de software het afweten (Windows Update, het zal toch niet?), maar wat er ook gebeurt, in alle gevallen weet men ogenblikkelijk of de storing in de kabel zelf zit door nauwkeurig het exacte afschakelgedrag van de kabellengte tussen de converters te bekijken.

De storing zit in de kabel, wat nu?

COBRA wordt bedreven als een HVDC-bipool: een gesloten systeem dat geen gebruik maakt van de aarde (letterlijk, de planeet) als retourgeleider. Ieder galvanisch contact met de aarde in beide fysieke geleiders is dus een aardfout. Om de plek van die fout te vinden kan je gebruik maken van de natuurkunde van een lange geleider met lopende stroom. Sleutelfactoren zijn zelfcapaciteit en spoelwerking. We beginnen met die eerste. Elk object in meer of mindere mate een elektrische lading vasthouden: een overschot of tekort aan elektronen ten opzichte van de omgeving. Dit heet zelfcapaciteit en het gaat op voor alle materialen. Een tuinstoel, een mens en ook een hele onweerswolk beschikken over enige capaciteit om lading vast te houden en daarbij een potentiaal ten opzichte van de omgeving te vormen. Zie de St(r)oomcursus voor meer achtergronden.

De geleiderkern van een zeekabel is een lange sliert metaal. Bij de COBRA-Cable tussen Endrup en de Eemshaven weegt de kern al snel een paar duizend ton. Daar kan je aanzienlijk wat lading in kwijt. Als die lading dan ook nog beweegt (wat ook bij gelijkstroom het geval is) ontstaat tevens een inductorwerking (spoelwerking) en zal de kabel dit gedrag willen handhaven: hij verzet zich tegen iedere verandering van lading of richting. Bij wisselstroom is het telkens op- en ontladen van de geleidermassa en deels het medium eromheen een dermate vervelende hinderpost dat het überhaupt niet lukt om wisselstroom over lange afstanden onder water door te duwen. Bij gelijkstroom hoeft de kabel slechts één keer op zijn potentiaal gebracht te worden tijdens het inschakelen.

Een onverwachte afschakeling zorgt daardoor voor het omgekeerde: de kabel draagt nog lading en is niet instantaan spanningsloos, en ook het magneetveld van de lopende lading wordt opeens weer een factor als het gedrag van de geleiderkern zelf verandert doordat hij opeens spanningsloos valt. De zelfcapaciteit van een paar duizend ton koper plus de spoelwerking van de geleider moeten als het ware vanaf beide kanten leeglopen via de plek van de kortsluiting. De verhouding tussen de theoretische tijd die het neemt om 325 kilometer geleiderkern van één pool te ontladen versus de (kortere) tijd die men in de praktijk ziet is daarmee een indicatie voor de afstand van de kortsluiting tot het converterstation, hoewel ingewikkelde bijeffecten zoals capacitief gedrag van de zeebodem en de fysieke richting waarin de gelijkstroom door de kabel liep (van of naar de kortsluitlocatie) ook nog een rol spelen.

Nauwkeuriger kijken

Vervolgens moet men met preciezere apparatuur aan de slag. In de kabel zit behalve een geleider ook een koker optische glasvezeldraden voor telecommunicatie. Bij kabelschade zijn meestal ook deze meeliftende glasvezels beschadigd. Door vereenvoudigd gesteld een puls licht in de glasvezel te sturen en de retourtijd af te wachten (er weerkaatst licht op het breukvlak of het uiteinde van een glasvezeldraad, zelfs onder water met zijn afwijkende brekingsindex) ontstaat een nauwkeuriger indicatie van waar de storing zit. Een soortgelijk trucje is ook uit te halen door een puls stroom in de geleiderkern te sturen, maar dit specialistenwerk is in een lange zeekabel minder nauwkeurig dan de glasvezelmethode vanwege iets ingewikkelds dat men dispersie van het spanningsfront noemt, en waar elektriciteit meer last van heeft dan licht.

Uiteindelijk is de locatie van de storing binnen enige honderden meters bekend. En dán pas kijkt men in detail op de netkaart. Ligt de storingslocatie precies in een scheepvaartroute? Grote kans dat iemand met zijn anker heeft lopen knoeien. Ligt het op een plek waar de kabel een andere kabel of pijpleiding overkruist? Oh oh, ingewikkelder problemen. Maar in alle gevallen wordt er pas een schip op uitgestuurd om fysiek te gaan kijken wanneer de locatie en de verwachte karakteristiek nauwkeurig bekend is.

En dan ben je er nog niet. Ja letterlijk ben je er wel, maar dan begint het werk pas. Hoe til je eigenlijk een kabel op die strak op de zeebodem ligt? Er wordt bij de aanleg soms wel voorzien in af en toe een slinger vlakbij kritische plekken zoals overkruisingen met andere infra, maar als er niet voldoende lengte voorhanden is en de kabel nog fysiek aan elkaar zit zal de kabel eerst onder water moeten worden gekapt. De twee losse uiteinden kunnen dan boven water worden gehaald, waarna als laatste stap met de hand wordt gekeken totdat dan uiteindelijk de exacte plek van de fout is gevonden. Hip hip hurra, de reparatie kan beginnen. Extra stuk kabel ertussen, en twee reparatiemoffen erin aanbreng… euh, je gaat niet vertellen dat je dacht dat je met één mof aan boord.. nee toch?


Afbeeldingen
Header: schermafdruk van het ENTSO-E Transparency Platform waar operationele berichtgeving is te vinden over onder andere interconnectors. Artikel: twee beelden van de COBRA converterhal, eentje met een drone door PJK en de andere vanaf de grond, waar het met de juiste geo-informatie voor pylon geeks mogelijk is om exact bovenop de kabel te parkeren en op die manier maar anderhalve meter verwijderd te zijn van maximaal 700 MW lopend vermogen. Omdat het kán – maar dan moet ie het wel doen natuurlijk.