2026 – Kabels

Wisselstroom veroorzaakt in en rond een geleider een wisselend magnetisch veld. Dit wekt door zelfinductie spanningen op die de stroom naar de buitenkant van de geleider dringen. De stroomdichtheid aan de oppervlakte is daardoor hoger dan in het binnenste van de geleider. Dit verschijnsel wordt het skineffect genoemd. De sterkte van het skineffect is afhankelijk van de frequentie en het geleidermateriaal. In koperen geleiders is bij 50 Hz de skindiepte ca. 9 mm (bij aluminium 11 mm); van dikkere geleiders wordt het binnenste dus nauwelijks benut, wat de belastbaarheid beperkt. Daarom kunnen geslagen (niet-massieve) geleiders worden toegepast en worden verbindingen soms uitgevoerd met een aantal parallelle, dunnere kabels.

De magnetische invloed treedt ook op tussen naburige geleiders. Afhankelijk van de onderlinge afstand verandert daardoor de stroomverdeling in die geleiders: het proximity-effect. Deze onderlinge beïnvloeding wordt versterkt door mutuele koppeling, waarbij het magnetisch veld van de ene ader spanningen opwekt in de ander. Daarom worden bij driefasige systemen de aders zo gelegd – in driehoek- of vlakformatie – dat de magnetische velden elkaar zoveel mogelijk opheffen.

Skineffect en proximity-effect dragen in netten bij aan warmteontwikkeling en vermogensverliezen, vooral bij kabelbundels, rails en transformatoren.

Voor de geleiders van kabels zijn koper en aluminium de meest gebruikte materialen. Koper is de betere geleider, maar het is ook zwaarder en duurder. Voor dezelfde stroomsterkte moeten kabels van aluminium een grotere doorsnede hebben, is er meer isolatiemateriaal nodig en zijn ze minder buigzaam.

Tot in de jaren zestig werden vrijwel alle kabels van koper gemaakt, maar vanwege de kosten kwam er steeds meer vraag naar aluminium. De overstap vergde bij fabrikanten forse investeringen in extra persen en grotere opslagruimte.

Kabels worden geproduceerd met een massieve of een samengeslagen geleider. Die laatste bestaat uit strengen en is daardoor buigzamer en makkelijker te verwerken. Door de strengen te verdelen over onderling geïsoleerde segmenten kunnen grote doorsneden worden toegepast, omdat het skineffect in zo’n geleider sterk wordt beperkt (Milliken-geleider).

Tijdens het slaan worden de strengen concentrisch om elkaar gedraaid, waardoor ze voortdurend van positie wisselen en de stroombelasting zich gelijkmatiger verdeelt.

Koper wordt tegenwoordig vooral toegepast waar compacte afmetingen of flexibiliteit belangrijk zijn; verder wordt aluminium gebruikt.

Een geleider moet elektrisch worden gescheiden van de omgeving. In lijnen vervult lucht die rol, maar bij kabels is een isolatiemedium nodig.

Al vroeg werd ontdekt dat massa-geïmpregneerd papier een bijzonder goede isolator is. Deze massa is een mengsel van olie, hars en was, dat holtes en kieren in de papierlagen vult en zo het risico op ontladingen en doorslag beperkt. Een loden mantel hield vocht buiten en diende als aardscherm. Deze papier-loodkabel (of massakabel) had uitstekende diëlektrische eigenschappen. In de eerste decennia van de twintigste eeuw werd hij steeds verder verbeterd.

Na de komst van kunststoffen begonnen kabelfabrieken, elektriciteitsbedrijven en KEMA onderzoek te doen naar kunststof als isolatiemedium. Moderne kabels hebben isolatie van ‘vernet’ polyethyleen (XLPE, cross-linked polyethyleen). De isolatie van een complete kabel bestaat door de cross-links tussen de PE-ketens in wezen uit één molecuul.

De eerste kunststofkabels, in de jaren zeventig, vertoonden de nodige problemen met ontladingen en doorslag: in het materiaal ontstonden zogeheten waterbomen, kleine vertakkingen veroorzaakt door verontreinigingen en vocht. Met o.a. homogenere mengsels en schonere productieprocessen werd dit voorkomen.

Rond de geleider en rond de isolatie wordt een halfgeleidende laag aangebracht om het elektrische veld gelijkmatig te verdelen en partiële ontladingen te voorkomen.

XLPE verdraagt hogere temperaturen en heeft een grotere mechanische en chemische stabiliteit dan papier-loodkabels (GPLK). Het is tegenwoordig de standaard voor nieuwe midden- en hoogspanningskabels.

De vroegste distributienetten werkten met spanningen van 4 tot 5 kV. Pas in 1909 werd de eerste 10 kV-kabel gelegd, en tien jaar later legde het Provinciaal Elektriciteitsbedrijf van Noord-Holland de eerste 50 kV-kabel aan. Dit waren massakabels, waarbij de vuistregel was: één wikkeling olie-geïmpregneerd papier per kilovolt. Boven 50 kV ontstonden problemen: bij hogere spanningen zette de kabel bij belasting zoveel uit dat in de papierlagen holtes ontstonden die niet meer volledig met olie konden worden gevuld. De oplossing kwam in de jaren dertig met de oliedrukkabel. Door de olie onder druk te houden, bleven alle holtes gevuld. Expansievaten vingen de volumeveranderingen op. Spanningen tot 150 kV konden worden verwerkt.

Vanaf de jaren zestig kwam daarnaast UGD (Uitwendige Gasdrukkabel) op, waarbij stikstof onder druk in een stalen buis hetzelfde effect had.

Papier-loodkabels kunnen zeer lang meegaan. Nog altijd bestaat meer dan tweederde van de Nederlandse middenspanningsnetten uit dit type. Ze worden echter niet meer geproduceerd, en vooral oliedrukkabels vragen aandacht: ze kunnen olie lekken en zo bodemverontreiniging veroorzaken.

Een belangrijk nadeel van GPLK is, dat kabels niet warmer mogen worden dan 50º C. Zwaarder belasten leidt tot versnelde veroudering. In GPLK betekent dat dat de massa of vet gaat ‘verkazen’. Aangenomen werd, dat dit het gevolg was van warmte of veldsterkte, maar uit recent onderzoek blijkt, dat het niet daaraan ligt. Nu wordt onderzocht of vocht misschien de boosdoener is.

Inmiddels hebben XLPE-kabels de papier-loodkabel vrijwel volledig verdrongen.
XLPE-kabels kunnen continu tot circa 90 °C worden belast, wat de belastbaarheid vergroot. XLPE is daarnaast licht, mechanisch sterk en onderhoudsarm, waardoor installatie en exploitatie eenvoudiger zijn. Het is bovendien beter ‘langs- en quasi-dwarswaterdicht’, waardoor vocht zich niet over grote lengte kan verspreiden.

In een XLPE-kabel vangen halfgeleidende lagen rond de geleider en de isolatie oneffenheden op en verdelen het elektrische veld egaal. Zo blijft binnen de kabel het veld homogeen en worden partiële ontladingen voorkomen. Hieromheen ligt een koperen aardscherm, dat het elektrisch veld afschermt en foutstromen veilig naar aarde afvoert. Binnen het aardscherm (en soms ook eromheen) bevindt zich halfgeleidend zwelband, dat eventueel binnendringend water isoleert. Tot slot beschermt een kunststof buitenmantel de kabel tegen vocht en corrosie.

Bij zeer lange verbindingen vormt de elektrische capaciteit (C) van wisselspanningskabels een beperking: de kabel gaat dan vooral reactieve stroom voeren, waardoor het transportvermogen sterk afneemt. Daarom wordt bij interconnecties en zeekabels vaak gelijkstroom (HVDC) toegepast. Hiervoor worden soms nog steeds olie- of papiergeïsoleerde kabels gebruikt, omdat die beter bestand zijn tegen de permanente elektrische belasting van gelijkspanning.

Iedere kabelsectie wordt aan beide uiteinden aangesloten op andere componenten, of gekoppeld aan andere kabels om langere verbindingen te vormen. Hiervoor zijn speciale ‘garnituren’ nodig.

Als de kabel wordt aangesloten op een transformator, schakelinstallatie of bovengrondse lijn, is een eindsluiting nodig om de kabel af te dichten tegen vocht en vuil. De eindsluiting moet bovendien zorgen voor een gecontroleerde afbouw van het elektrisch veld: plaatselijke veldconcentraties kunnen namelijk tot ontladingen en isolatieschade leiden.

Bij papier-loodkabels wordt de veldafbouw gerealiseerd door de papierlagen conisch af te schillen en te voorzien van veldverdelende tapes. Dit vereist vakmanschap en kost veel tijd.

Bij een XLPE-kabel hoeft alleen de halfgeleidende laag rond de isolatie te worden verwijderd, waarna een kant-en-klaar veldstuurelement of krimpbuis wordt geplaatst – sneller, consistenter en betrouwbaarder. Eventueel kan ook hier met tapes worden gewerkt.

Om kabels te verlengen of herstellen worden moffen gebruikt. Hierin worden geleiders, aardschermen en – indien aanwezig – loodmantels elektrisch en mechanisch met elkaar verbonden en opnieuw geïsoleerd en waterdicht gemaakt. Ook in moffen moet de veldverdeling worden beheerst om storingen te voorkomen.

Hoe zorgvuldig ook uitgevoerd, eindsluitingen en vooral moffen blijven de meest kwetsbare onderdelen van een kabelverbinding.

Midden- en hoogspanningsnetten worden (in Europa) symmetrisch bedreven: elke fase wordt gelijkmatig belast en de stromen houden elkaar in evenwicht.

Rekenen aan een net in normaal bedrijf is betrekkelijk eenvoudig: het is dan in feite een normaal-componentennet, waarin spanningen en vermogensstromen zich voorspelbaar gedragen en de inverse en homopolaire componenten minimaal zijn. Dit wordt weerspiegeld in de ‘Jacobiaan’ van de load- of powerflow: kleine veranderingen in belasting leiden tot goed berekenbare variaties in spanning en stroom.

Bij een storing verandert dit acuut. Een  aard- of fase-fase-fout wekt grote inverse en vooral homopolaire stromen op, waardoor de Jacobiaan niet meer klopt. Bij kabels geldt dat nog meer, omdat hun lage homopolaire impedantie – door het metalen scherm – grotere homopolaire stromen toelaat dan bij lijnen.

Dit geldt vooral in de transiënte fase, tijdens de eerste milliseconden na het ontstaan van de storing – vóórdat de beveiliging afschakelt. Dan kunnen hoge piekstromen ontstaan, afhankelijk van de fasehoek op het moment van de fout en de inductie in het net. Deze stromen veroorzaken grote Lorentzkrachten tussen de fasen en en hoogfrequente transiënte variaties in spanning en stroom, die kabels en transformatoren zwaar belasten.

Het aardscherm of de loodmantel van een kabel dient ter afscherming van het elektrisch veld, en is tevens de elektrische verbinding met de aarde. Bij een fout, zoals kortsluiting of contact van een geleider met de mantel, voert het aardscherm de foutstroom direct af, zodat de beveiliging snel afschakelt. Het aardscherm moet dan ook (korte tijd) bestand zijn tegen hoge stromen.

Ondanks de aarding kunnen in lange kabels spanningsverschillen optreden. Bij enkelzijdige aarding kan dan aan de niet-geaarde kant een hoge spanning met de aarde ontstaan. Een overspanningsafleider leidt in deze situatie piekspanningen veilig af naar aarde. Enkelzijdige aarding wordt alleen bij korte verbindingen toegepast.

Bij tweezijdige aarding wordt het potentiaalverschil beperkt, maar gaat bij verschil in aardpotentiaal een mantelstroom lopen onder invloed van de inductie van de geleiderstroom op de mantel. Die veroorzaakt extra opwarming en vermindert zo de maximaal toelaatbare kabelbelasting.

In lange verbindingen kunnen de aardschermen per fase via cross-bonding met elkaar worden verbonden. Dan heffen geïnduceerde mantelstromen elkaar grotendeels op, terwijl overspanningsafleiders de spanningen tussen de secties afvoeren. Zo’n verbinding bestaat uit één of meer major sections, elk opgebouwd uit drie minor sections van ongeveer gelijke lengte. In de praktijk gebeurt cross-bonding alleen bij hoogspanning vanaf 50 kV.

Bij driefasekabels met een gemeenschappelijke mantel heffen de magnetische velden van de fasen elkaar grotendeels op, zodat de mantel vrijwel overal op aardpotentiaal blijft en er bij tweezijdige aarding geen noemenswaardige stroom loopt.

De maximale belasting van een kabel wordt vooral bepaald door zijn warmte­ontwikkeling. De fabrieksspecificaties gaan hierbij uit van IEC 60287, gebaseerd op elektrische verliezen en de thermische weerstanden bij verschillende liggingen. Deze norm gaat uit van constante stroom.

In de praktijk varieert stroom echter, en de geleider warmt daarbij sneller op dan de isolatie en de bodem. IEC 60853 houdt hier rekening mee: een kabel mag tijdelijk meer stroom voeren dan de stationaire berekening toestaat, indien de kabel een gedeelte van de tijd ook minder belast wordt dan toegestaan in de stationaire situatie. Bodemsoort en vochtigheid spelen hierbij een grote rol. Als door de warmte de grond uitdroogt, kan de kabel zijn warmte niet meer kwijt en kan een ‘thermal runaway’ ontstaan. Daarom is rond een tracé soms bodemverbetering nodig.

Kabels beïnvloeden zelf ook de omgeving: ze kunnen water- en gasleidingen opwarmen, en het elektromagnetisch veld kan spanningsverschillen of corrosie veroorzaken in nabijgelegen metalen objecten. Ook kunnen foutstromen via de bodem en objecten in de ondergrond onverwachte paden volgen en tot hoge spanningen leiden, wat om de nodige aandacht vraagt bij ontwerp en aanleg van kabeltracés.

Vision Cable Analysis gebruikt voor het berekenen van de warmte in en rond een kabel het laddermodel: een thermisch rekenmodel dat analoog is aan elektrische circuitberekeningen. Het is een 1D-benadering die eenvoudig en zeer snel is, en in de dagelijkse praktijk nauwkeurig genoeg. Het finite difference model rekent de temperatuurverdeling nauwkeuriger door in een 2D-raster. Voor nog meer detail kan een finite element model worden gebruikt, dat temperaturen in een complex 3D-raster berekent. Hoe meer detail, des te langer de rekentijd.

Meer dan de helft van de kabels in onze bodem is een LS-distributiekabel. De constructie daarvan wijkt af van MS- en HS-kabels. De buitenmantel is van PVC en vanwege de lage spanning en veldsterkte zijn dikke isolatie en halfgeleidende lagen niet nodig. Het belangrijkste verschil is echter dat LS-kabels een vierde (nul)geleider hebben en soms hulpaders voor openbare verlichting. De nulgeleider is nodig om de onbalansstromen af te voeren die ontstaan door de asymmetrische belasting van LS-netten. Deze asymmetrie maakt het rekenen aan LS-netten ingewikkeld.

Het laagspanningsnet bevindt zich vooral in de woonomgeving. Daarom staat elektrische veiligheid – met name snelle foutstroombewaking en effectieve aarding – centraal, zodat aanraakspanningen en thermische risico’s tijdig worden beperkt.

Hierbij speelt het foutstroompad een centrale rol. In TT-stelsels wordt een foutstroom via een lokale aardelektrode afgevoerd, terwijl hij in TN-stelsels via de PE/PEN-geleider terugvloeit naar het (geaarde) transformator-sterpunt. In het TN-stelsel ontstaat een hoge foutstroom, waardoor beveiligingen snel aanspreken en aanraakspanningen beperkt blijven. In het TT-stelsel is de foutstroom kleiner en zorgt een aardlekschakelaar voor snelle uitschakeling.

De hoge foutstroom van het TN-stelsel leidt tot een zeldzaam risico bij een fase-aardfout. De foutstroom loopt via het aardscherm en via de PEN terug naar het transformator-sterpunt. Als gevolg daarvan kunnen metalen lantaarnpalen die via hun nulgeleider met ditzelfde aardscherm zijn verbonden tijdelijk een gevaarlijk hoge aanraakspanning krijgen.

In Nederland wijken de kleuren van de aders in het LS-net af van de Europese normen. Hier worden de V.D.E.N.-kleuren (Vereniging van Directeuren van Elektriciteitsbedrijven in Nederland) gebruikt.

Kabels en garnituren als moffen en eindsluitingen worden met zorg ontworpen, geproduceerd en aangelegd. Als ze eenmaal in de grond liggen, heb je er eigenlijk tientallen jaren geen omkijken naar: ze worden als het ware aan hun lot overgelaten. Over het algemeen zijn kabels betrouwbaarder dan bovengrondse lijnen, maar als het toch mis gaat, kost repareren meestal veel tijd en geld.

In hoog- en middenspanning kan de levering met omschakelen meestal snel worden hersteld (N–1), Bij een fout in de laagspanning zitten klanten daadwerkelijk geruime tijd zonder elektriciteit.

Graafschade is in MS- en LS-netten oorzaak van meer dan de helft van de storingen aan kabels, ook al moet elke ‘grondroerder’ verplicht melding doen bij het ‘KLIC’. Bij moffen is de oorzaak meestal een inwendig defect. Ook veroudering/slijtage (degradatie) is een belangrijke oorzaak van storingen. Fouten bij de montage en ‘overig buitenaf’ zijn minder talrijk. Alleen bij HS-lijnen is onheil van buiten veruit de belangrijkste oorzaak.

Storingen kunnen ook worden veroorzaakt door fouten in andere componenten, maar die komen minder vaak voor.

Deze getallen zijn natuurlijk belangrijk maar zeggen op zich niet alles. Voor de klanten tellen andere kwaliteitsindicatoren: z0 zat de gemiddelde Nederlander 23,9 minuten zonder elektriciteit in 2024. Internationaal gezien een mooie score, maar het is wel ruim 3 minuten langer dan de vijf jaar ervoor.

Nederland zal nog jaren bezig zijn met netverzwaring. Om ondertussen zoveel mogelijk aan de vraag te voldoen, zou je kabels zo zwaar mogelijk kunnen belasten. Maar wat is zo zwaar mogelijk? Dat is alleen te bepalen als je precies weet waar en wanneer een kabel te warm wordt. Technolution werkt met Liander en GridToGreat aan een oplossing voor MS-netten: de CableBooster.

In een deel van de middenspannings­ruimtes wordt een klem aangebracht rond de aardmantel. Deze zendt ‘traveling wave’ pulsen langs de isolatie binnenin de kabel, en registreert – als een radar – de tijdsduur tot de reflecties terugkeren. Dit meetprincipe heet Time Domain Reflectometry (TDR). Iedere mof, MSR of overgang van kabeltype is daarmee in de reflecties te lokaliseren.

In een kabelsegment dat warmer wordt, verandert de loopsnelheid van de pulsen. Daardoor verandert zeer subtiel (in de orde van nanoseconden) de aankomsttijd van de reflecties voorbij dit kabelsegment. Zo kunnen locatie en tijdstip van temperatuurveranderingen in een segment worden opgemerkt. Door dit te koppelen aan de kabelbelasting kunnen nauwkeuriger temperatuur-prognoses worden gemaakt. Netbeheerders kunnen zo selectiever congestie managen, bijvoorbeeld door zonne- en windparken te verzoeken af- of terug te schakelen.

In de kabel doven de pulsen uiteindelijk uit: reflecties zijn tot ca. 8 km betrouwbaar. Verderop kan daarom een volgende sensor wordt geplaatst.

Naast het temperatuurgedrag kan de sensor natuurlijk ook andere zaken signaleren, zoals bijvoorbeeld partial discharges en foutplaatsen. CableBooster werkt zowel met GPLK als met XLPE kabels.

Op de CIRED in Genève was een mock-up van de CableBooster te zien.