XLPE

Cross-linked Polyethyleen is vandaag het populairste isolatiemateriaal. De kabels die dit materiaal gebruiken zijn ernaar vernoemd.

XLPE is de afkorting van Cross-linked Polyethyleen, een thermohardende variant van polyethyleen die een buitengewoon hoge isolatiewaarde blijkt te bezitten. Vanaf de late jaren 80 en vooral in de jaren 90 raakte XLPE gangbaar in de elektriciteitssector als isolatiemateriaal en alle grote fabrikanten hebben zich erop gestort. Steeds zwaardere en grotere kabels werden er gemaakt en vanaf de eeuwwisseling kreeg XLPE ook voet aan de grond in de hoogste spanningen, 220 kV en hoger. Vandaag zijn er zelfs kabels voor 380 kV en wereldwijd is 500 kV momenteel het hoogst beheerste isolatieniveau voor deze kabels. Dat betekent dat de transportspanning van 750 kV nog niet is bedwongen, maar voor West Europa (waar we tot 420 kV gaan) is alles nu mogelijk.

XLPE-kabels in een  tijdelijke op-de-grond toepassing tijdens werkzaamheden in de schakeltuin. Niet echt de klassieke grondkabeltoepassing, maar wel zichtbaar voor ons als geïnteresseerden. Deze kabels zijn enkelfasig (met één geleider per kabel) en ze kunnen 150 kV aan.

Rondom een blanke geleider van geslagen aluminium of koper (soms een millikengeleider) wordt na een beschermlaagje en een halfgeleidend schildje een laag XLPE aangebracht door middel van extruderen. Het is een continuproces met een extrusiemal en na het XLPE volgen nog een paar lagen materiaal, zoals een tweede halfgeleider, een aardschild dat tegelijk als wapening dienstdoet, en uiteindelijk een afdichting van waterdicht, niet-crosslinked PE. De kabel wordt aan het uiteinde van de productielijn direct op een haspel gewikkeld.

Enkelfasig of driefasig

De kabel die zo ontstaat is een ééngeleiderkabel. Wil je een driefasencircuit aanleggen, dan heb je drie van deze kabels nodig. Bij kleinere kabels zoals voor 10 kV is het vaak handiger om de drie kabels samen te nemen in één gezamenlijk omhulsel. Soms is in die kabel ook nog ruimte opgenomen voor optische glasvezels.

Typische XLPE-kabel voor 10 kV met drie fasen in één omhulsel. De geleiders zijn hier rond, maar je hebt ze ook sectorvormig (trapeziumvorm) zodat er meer geleiderdoorsnede in de kabel past.

In de kabel hierboven zit in een rode gangbare polyethyleen afdichting (1) een wapening die tegelijk als aardschild dienstdoet (2). Om de kabel rond te houden voor werkgemak zit er een vulmateriaal (3) om de drie enkelfasige subkabels. Per stuk bestaan die uit twee schilden halfgeleidende afscherming (4, rondom de geleider zelf tussen 5 en 6 zit er nog een) en er zit een XLPE-mantel (6) om de geleider zelf (7) die in dit geval uit een massieve staaf aluminium bestaat.

Bij zwaardere kabels voor hogere spanningen bestaan de geleiders uit gevlochten of geslagen aluminium draden of soms koperdraden. Vanaf een gegeven moment worden de driefasenkabels zo groot en zwaar (en zo lastig met voldoende wijde bochten op te rollen) dat men overstapt op enkelfasige kabels. Daarin zit slechts één geleider. Zulke kabels worden in een driehoekvorm in de grond gelegd, of bij nog zwaardere kabels en hogere spanningen, op enige afstand naast elkaar. Ze kunnen hun warmte dan beter kwijt en de inductiekrachten tussen de kabels zijn dan kleiner. Dat zorgt allebei voor minder netverliezen.

   

XLPE-enkelfasekabel zoals voor hogere spanningen gebruikt, hier eentje zonder aardschild of wapening. Je kan nog net zien dat de geleider hier is geslagen uit honderden afzonderlijke draadjes aluminium zodat hij beter buigbaar blijft. Rechts: demonstratiemodel van een driefasige XLPE-kabel, voor 220 kV. Deze monsterkabels zijn momenteel alleen in de offshore praktisch in gebruik. Immers: rol dit maar eens op…

Toch zijn er ook hele zware driefasige XLPE-kabels, zelfs voor 220 kV. Die vinden toepassing als zeekabels om grote windparken mee aan te sluiten. Het is niet praktisch om alle geleiders als losse enkelfasige kabels op en in de zeebodem te leggen. Omdat een haspel voor kabels op zee veel groter mag zijn dan op land, ook met een grotere bochtstraal, kan een driefasenkabel voor 220 kV op zee alsnog worden gelegd zonder praktische bezwaren. Al heeft zo’n kabel wel een iets hoger netverlies, iets dat op zichzelf voor wisselstroom onder water al een matig verhaal is. Maar soms moet je wat.

YMeKrvasdlwd

Nee, de kat heeft niet op het toetsenbord gelopen. XLPE-kabels en dan met name de kabels voor middenspanningen zijn er in nogal wat soorten en maten. Waar de geleiders van luchtlijnen korte afkortingen zoals ACSR of zelfs een marktnaam (Grackle, Bobolink) hebben, is dat voor grondkabels nooit gangbaar geraakt. Voor de oudere GPLK-kabels (papier-lood) waren de afkortingen al vrij onnavolgbaar, maar sinds XLPE kwam kijken is dit aardig uit de hand gelopen. De afkorting is in feite een token: de letters vertellen iets over de opbouw van de kabel. Bevat deze een halfgeleidende afscherming? Heeft hij een aardschild? Hoe waterdicht is hij? Wat is de vorm van de geleiders?

Wanneer we in softwarepakketten kijken die zijn ontwikkeld om met dit soort kabels te rekenen zakt je de moed in de schoenen als junior engineer. Hoe moet ik al die honderden kabels nu lezen en beoordelen waar ik mee te maken heb? Toost je, zelfs de senior engineers kennen ze niet uit hun hoofd, maar als je weet waar je in de afkorting naar moet zoeken voor een bepaald kenmerk kan je op den duur de meeste afkortingen wel de baas. Het enige probleem dat overblijft is de onuitsprekelijke charme van Eiëmeekrvasdeeëlweedee op de werkvloer.

Op de kabel staat precies wat ie is en kan, maar als je dit hardop tegen je collega uitspreekt heeft je tong nog drie dagen spierpijn.

Ontcijferen we zo’n aanduiding, dan wordt het token een bron van informatie.

P1MeKrvaslqwd 6 / 10 kV 3x 240mm2 ATrm as70

P1: Wapeningsmateriaal
M: Materiaal buitenmantel MDPE
e: Aderisolatie XLPE
K: Kabel (niet bedoeld voor bovengronds gebruik)
rv: Ronde vorm
as: Voorzien van aardscherm
lqwd: Langs quasi waterdicht (geen doorlek in de lengterichting)
6/10kV: Spanningsniveau (interval) 6 tot 10 kV fase-fase
3×240: Diameter van de geleiders, 3 geleiders van 240 vierkante millimeter
AT: Aluminium geleiders, getrokken (massieve staven)
rm: Geleidervorm rond (dus geen trapezium- of sectorgeleiders en geen milliken)
as70: Aardscherm (as) van 70 vierkante millimeter

Waterbomen bij gelijkstroom

XLPE is sinds de eeuwwisseling de standaard geworden bij wisselstroomkabels. Je treft nog maar nauwelijks andere kabeltypes aan bij nieuwe aanleg voor spanningen vanaf 10 kV en hoger, of het moet om hele nieuwe ontwikkelingen gaan zoals P-Laser (zie de pagina daarover). Vergeleken met papier-loodkabels is XLPE voor wisselstroom een wondermiddel. Maar zelfs XLPE is niet perfect. Voor gelijkstroom was XLPE lange tijd niet geschikt.

50 kV enkelfasige XLPE-kabel met massieve aluminium kern. Geen makkelijke jongen om op haspels te wikkelen, zodat die haspels forse dingen zijn. In de praktijk zijn de wijde haspels ook de grootste beperking: transport van kabels wordt er moeilijk door en er kan minder op een haspel als de binnenzijde van de trommel wijd moet zijn.

Het probleem van XLPE is dat deze kunststof op microscopisch niveau niet waterdicht is wanneer de kabel en het water eromheen in een elektromagnetisch veld ligt. En dat veld is nooit ver weg als je een elektriciteitskabel bent. In de kunststof vormen zich minuscule kanaaltjes waarin water zich naar binnen vreet. In het elektrisch veld zorgt dit water voor deelontladingen binnen de XLPE-schil waardoor de kunststof degradeert en uiteindelijk kan doorslaan. Dit patroon van kleine groeiende kanaaltjes met ‘poeltjes’ wordt een waterboom genoemd. Bij een wisselstroomkabel draait het elektrisch veld telkens van richting en daardoor reageert ook het indringende water mee. Dat maakt het moeilijker om waterbomen te doen groeien. Bij gelijkstroom heeft het veld altijd dezelfde richting en dan kan een waterboom continu doorgroeien. Er werd in de begintijd van XLPE dan ook gewaarschuwd, gebruik deze kabels niet voor gelijkstroom.

   

XLPE-kabels bevatten niet altijd aluminium als geleidermateriaal. Je hebt ze ook met koper, al komt dat wel wat minder voor. Deze beide kabels zijn ontworpen op 20 kV.

Bij een kabel op land is een storing door een waterboom knap vervelend, maar bij een HVDC-zeekabel is het een showstopper als je kabel van een paar honderd kilometer talloze waterbomen ontwikkelt. Men heeft daardoor lang op safe gespeeld en GLPK gebruikt, zelfs tot op de dag van vandaag. Pas toen de waterdichte afdichtingen van XLPE-kabels werkelijk echt dicht waren en de delicate laagjes met afschermend halfgeleidend materiaal om veldsterkte-opbouw op onregelmatigheden binnenin de kabel te beperken ook technisch volwassen waren, werd het mogelijk om een betrouwbare XLPE-kabel te maken die onder water tientallen jaren goed blijft.