Ondergrondse verbinding
Een hoogspanningskabel of grondkabel is een ondergronds gelegde verbinding, waarbij een isolerend materiaal de geleiders omhult.
Wanneer geleiders van het bodemmateriaal worden gescheiden door een isolerend medium kan de elektriciteit er niet uit ontsnappen en kan je de kabel aan de buitenzijde gewoon aanraken. Dat betekent dat je hem op de grond of zelfs in de grond kan leggen. Zo wordt de verbinding onzichtbaar in het landschap en onkwetsbaar voor weer en wind. Toch hebben grondkabels ook technische nadelen. Daardoor is het niet zo dat een grondkabel altijd een betere keuze zou zijn dan een bovengrondse verbinding. De vraag ‘waarom niet overal kabels’ kent een aantal verschillende antwoorden.
Aanleg van een grondkabel in een zogeheten kabelbed. De aanlegmethode heet open ontgraving. Kabels kunnen ook met een boring worden aangelegd.
In de geschiedenis van elektriciteitstransport kwamen grondkabels altijd een eindje achter luchtlijnen aan. Daar zijn verschillende, vaak technische of financiële redenen voor. Het maakte grondkabels ingewikkelder en vooral duurder dan bovengrondse verbindingen. In de loop van ruim een eeuw zijn veel problemen opgelost door innovaties zoals de oliedrukkabel, halfgeleidende schilden, millikengeleiders en XLPE, waardoor grondkabels nu in staat zijn om zich tot en met 150.000 volt goed te kunnen meten met luchtlijnen. Hogere spanningen zijn ook mogelijk, maar dat komt nog wel met een prijs, letterlijk. Voor 220.000 volt (220 kV) en hoger zijn grondkabels aanmerkelijk duurder dan luchtlijnen. Voor spanningen tot 150 kV zijn grondkabels qua kosten inmiddels vergelijkbaar met luchtlijnen, of zelfs goedkoper omdat er minder procedures nodig zijn. Voor deze spanningsniveaus hebben kabels in Nederland en België de voorkeur vanwege de publieke opinie en een korter en makkelijker vergunningentraject. Ondergrondse aanleg van deze spanningen is inmiddels de norm, maar het is geen harde wet.
Reparatie is lastiger
Wat voor weer het ook is, de grondkabel blijft het gewoon doen. Hij heeft geen last van ijzel, sneeuw of storm. Ook veroorzaakt een grondkabel minder hinder voor landgebruik. Er zijn geen beperkingen voor vliegverkeer en je rijdt een grondkabel niet aan met een hoge machine. Ze staan niet in straalpaden tussen zendmasten of zichtlijnen waar mensen van genieten. Grondkabels zijn ook veiliger voor vogels, die kunnen zich er niet tegen te pletter vliegen. Zolang je niet precies bovenop de kabel gaat graven of diepploegen is een kabel ook veiliger voor de omgeving. Maar áls er dan wat aan de hand is, dan zijn met een grondkabel de poppen aan het dansen in alle opzichten.
Een luchtlijn wordt geïsoleerd door atmosferische lucht, en lucht is zelfherstellend. Een blikseminslag dooft weer uit en de hete lucht waait weg, waarmee de kortsluiting vanzelf verdwijnt. Ook een boom die ertegenaan valt blijft niet altijd hangen. Bij een kortsluiting in een luchtlijn kan je meestal een paar tellen afwachten en dan een herinschakeling doen. Meestal doet hij het dan gewoon weer. Grondkabels worden door een ander medium geïsoleerd en een isolatiemantel is niet zelfherstellend. Treedt er een kortsluiting op in een grondkabel, dan is hij defect. Inschakeling kan dan pas weer na schouwing en reparatie.
Kabels zijn niet de meest fotogenieke hoogspanningsonderdelen. Links: vier circuits voor middenspanning (20 kV) met XLPE-kabels. Rechts: kabelpaaltje dat aangeeft dat er een hoogspanningskabel ligt. Foto’s door Gerard Nachbar en Bavo Lens.
Vroeger moest men het hele kabeltracé schouwen om de plek van de kortsluiting te ontdekken, als die tenminste vanaf het maaiveld te zien was. Tegenwoordig zijn er goede meettechnieken voor. Waar je niet aan ontkomt is graafwerk. In natte of modderige bodems moet eerst grondwaterbemaling worden geslagen. Een mof (nette term voor een doorverbindingsstuk) is bij een grondkabel deerlijk ingewikkelder dan bij een luchtlijn. Het plaatsen van kabelmoffen moet in schone droge lucht gebeuren zodat regen en wind moeten worden buitengesloten tijdens de reparatie. Daardoor duurt reparatie van een defecte grondkabel veel langer dan een paar noodmasten plaatsen en een luchtlijn provisorisch repareren. De ingewikkelde reparatie is een strategisch bezwaar voor belangrijke koppelnetverbindingen waarbij zogeheten reparatiezekerheid (snel en eenvoudig gegarandeerde reparatie) een kerneigenschap is.
Nauwelijks onderhoud, ook nauwelijks aan te passen
Als de grondkabel eenmaal is aangelegd is hij (bijna) onderhoudsvrij wanneer het een modern kabeltype zoals XLPE is. Dat betekent niet dat de verbinding als geheel onderhoudsvrij is. Wat gebeurt er bovenop de kabel? Diep wortelende gewassen en bomen op de kabelstrook zijn niet altijd toegestaan zodat er ook bij grondkabels gebruiksbeperkingen overblijven in het landschap. Je mag geen vuurtje stoken bovenop een kabeltracé. Je kan er ook geen gebouw op zetten en het aanleggen van andere infra betekent berekeningen aan inductieve beïnvloeding of thermische beïnvloeding. Ook een sloot of drainage aanleggen kan niet. In dat opzicht verschillen ze minder van bovengrondse verbindingen dan men in eerste instantie denkt.
Een grondkabel ligt rustig in de grond buiten je zicht. Dat zorgt er ook voor dat je er niet zomaar bij kan. Nieuwe draden kan je niet aanbrengen in een grondkabel. Ook koelt een kabel slechter dan een bovengrondse lijn waardoor het geleidend materiaal dikker moet zijn voor hetzelfde vermogen. Een luchtlijn kan je met koud weer eenvoudig een stuk overbelasten. Bij een grondkabel kan dat niet, daar is de maximale capaciteit een harde grens.
Kabel voor middenspanning met de drie fasen in één gezamenlijke kabel. Dit type kabel beschikt over kunststof isolatie en wordt een XLPE-kabel genoemd. Oudere kabels zijn geïsoleerd met oliegedrenkt papier. Foto door Hans Nienhuis.
Buiten drukke gebieden: luchtlijn waar het kan, kabel waar het moet
In drukke gebieden, steden, chemische complexen en ook onder water is het onpraktisch of onmogelijk om bovengronds te bouwen. In een stad is er niet de ruimte om een hoogspanningslijn te bouwen en op zee krijg je ook niet zo makkelijk hoogspanningsmasten gebouwd. Een grondkabel ingraven, boren of trenchen in de zeebodem is de enige oplossing. Eilanden aansluiten gebeurt bijna uitsluitend met kabels. Als je op de netkaart kijkt zie je dat de steden bolwerken van grondkabels zijn, terwijl op het platteland en in verlaten gebieden hoofdzakelijk luchtlijnen staan. Als er geen wettelijke of praktische bezwaren zijn, prefereert men technisch een luchtlijn.
Grondkabels voor wisselstroom hebben een wisselend magneetveld (ja, ook kabels hebben een magneetveld) en de grond zelf reageert daarop. Ook liggen de geleiders in een grondkabel dichter bij elkaar zodat ze elkaar sterker hinderen dan in een luchtlijn. Het gevolg is dat wisselstroom door een lange grondkabel zich vergelijkbaar gedraagt aan een slinger onder water: er is veel demping. Een deel van het elektrisch vermogen wordt omgezet in warmte en als de kabel maar lang genoeg is, is hij als het ware niet meer vooruit te branden aan het uiteinde, en komt er nauwelijks nog nuttig elektrisch vermogen aan bij het andere uiteinde. Bij grondkabels begint dit effect vanaf enkele tientallen kilometers lengte merkbaar te worden, terwijl een luchtlijn pas vanaf vele honderden kilometers lengte last begint te krijgen van dit soort hinderposten. Een hoogspanningsnet met zowel kabels als luchtlijnen heeft ongelijk netgedrag waardoor de netbeheerder compensatiemiddelen (spoelen, condensators) moet toepassen om de veroorzaakte effecten vlak te strijken zodat het netwerk als geheel stabiel en voorspelbaar blijft werken.
Voor hoogspanningsgelijkstroom ofwel HVDC geldt dit probleem niet. Gelijkstroom heeft geen wisselend magneetveld en daardoor geen last van reactief gedrag. Het netverlies in een luchtlijn en in een grondkabel voor gelijkstroom is identiek en gelijkstroom laat zich dus makkelijker als kabel aanleggen. Het hele elektriciteitsnet ombouwen naar een gelijkstroomnet is echter niet te doen en ook niet wenselijk, want het zou een ongekende kapitaalvernietiging betekenen, plus dat er ook nieuwe technische bezwaren opduiken. Zo kan je wisselstroom eenvoudig en robuust van spanning veranderen met een transformator terwijl er bij gelijkstroom ingewikkelde vermogenselektronica nodig is. Ook is de natuurkunde van een gelijkstroomnet anders vanwege een gebrek aan zogeheten traagheid of roterende massa. Gelijkstroom aaneensmeden tot een getrapt, vermaasd net met meerdere netvlakken dat je als beheerder ook nog eens vergevingsgezind is bij een grote kortsluiting is technisch ingewikkelder en minder robuust dan het huidige wisselstroomnet.