De strijd tegen de waterboom; Gluiperige waterinsluipingen in ondergrondse hoogspanningskabels met polyetheenisolatie nu door onderzoekers van de KEMA bedwongen

De elektriciteitsvoorziening in Nederland gaat niet alleen bovengronds, langs de bekende hoogspanningsmasten, maar voor een belangrijk deel ook onder de grond.

In onze bodem ligt een net van 90.000 km hoogspanningskabel. De elektriciteit die ze transporteren heeft een voltage van ongeveer 10.000 tot 20.000 volt (de bovengrondse hoogspanningsleidingen gaan tot van 110.000 tot 380.000 volt). Verreweg het grootste deel van die kabels is nog van het traditionele olie-papier type, maar steeds meer wordt er tegenwoordig ook kabel met een kunststof isolatie gebruikt.

Het gaat dan om een koperen of aluminium kern van zo'n twee centimeter doorsnede, waaromheen een polyetheen isolatie ligt. De polyetheen isolatie is zelf weer gesandwiched tussen twee dunne halfgeleidende lagen, die tot doel hebben een homogeen elektrisch veld in de isolator te creeren. Om de kabel heen is een geleidende aardmantel gevlochten en daaromheen liggen vaak ook weer een of meer beschermende mantels.

Zo'n kabel kan in los in de grond worden gelegd, vaak ook zijn ze met zijn drieen gebundeld.

In Nederland ligt nu 4000 kilometer polyetheen kabel onder de grond - een schijntje vergeleken met de hoeveelheden die in Japan en de Verenigde Staten onder het wegdek zijn gespit. Waarschijnlijk was onze voorzichtige politiek niet zo onverstandig, want terwijl de kabels eigenlijk dertig jaar moeten meegaan, kwam aan het einde van de jaren zestig in de VS en Japan een vervelend euvel van de polyetheen isolatie aan het licht. Hoewel polyetheen zo ongeveer het toppunt van waterdichtheid lijkt, werd zo'n tien procent van de geinstalleerde kabels al na zeven jaar bezocht door gluiperige waterlekjes, microscopisch kleine fijnvertakte structuren in het isolatiemateriaal die water konden bevatten. Waterbomen werden ze al spoedig genoemd. Ze kunnen de aanzet vormen voor het doorslaan van de kabel: kortsluiting tussen kern en aardmantel. Het was allemaal extra wreed omdat de oude kabels, die met in olie geimpregneerde papierlagen waren geisoleerd, van dit euvel helemaal geen last hebben: de olie heeft de neiging onmiddellijk elk scheurtje of holletje op te vullen, en heeft dus eigenlijk een zeker zelfherstellend vermogen.

In Nederland traden die problemen aan het begin van de jaren tachtig aan het licht en voor de elektriciteitsbedrijven was dat aanleiding de KEMA in Arnhem te vragen onderzoek te doen naar de waterbomen. Nu, zo'n vijf jaar, vele honderdduizenden guldens en twee dissertaties later, is er in Arnhem een indrukwekkende hoeveelheid kennis over die gluiperige waterlekjes verzameld. De VEEN, de vereniging van de elektriciteitsexploitanten, is inmiddels al tot de conclusie gekomen dat de problemen zijn opgelost en dat de installatie van polyetheen kabels onverminderd kan doorgaan.

KEMA-onderzoeker Rob Ross, een van de twee waterboom-gepromoveerden: 'Een van de voordelen van een isolator als polyetheen is dat het bestand is tegen vele chemicalien en dat het water afstoot. Toen die kabels op de markt kwamen was niemand er dus op verdacht dat uitgerekend water schadelijk zou kunnen zijn. Maar al aan het einde van de jaren zestig werd duidelijk dat een combinatie van water en een elektrisch veld kan leiden tot zwakke plekken in de isolatie.' Het bleek een elektro-chemisch proces met elektro-fysische aspecten. In een kabel die niet elektrisch wordt belast treden de waterbomen niet op en hetzelfde geldt doorgaans voor kabels waar gelijkstroom doorheen wordt gestuurd. Jammer genoeg gaat het in de elektriciteitsnetten altijd om wisselstroom, want alleen wisselstroom kan met transformatoren naar kleinere spanningen (uiteindelijk naar de huiselijke 220 volt) worden getransformeerd.

Permanente veranderingen Na droging verdwijnt het water uit de boom, maar bij bevochtiging ontstaat de waterboom opnieuw, op precies dezelfde manier. Waterbomen zijn dus permanente veranderingen in de structuur van het polyetheen.

Ross: 'Het zijn eigenlijk ook geen waterbomen, maar zoutbomen; ragfijne zoutsporen die als gevolg van oxydatie aan het polyetheen vast zitten en die in tegenstelling tot het zuivere polyetheen wel een geschikte omgeving voor water vormen. Je zou kunnen zeggen dat die zoutgroepjes als sluipwegen voor het binnendringende water fungeren.'

Fred Steennis, de andere waterboom-doctor, ontwikkelde een diagnose-test om de mate van aantasting in bestaande ondergrondse circuits vast te stellen. Voor het beoordelen van nieuwe kabels en isolatiematerialen was echter fundamentele kennis van de waterboomsamenstelling nodig. Hoewel het onderzoek naar waterbomen inmiddels internationaal op gang was gekomen, ontbrak die kennis nog steeds. Halverwege de jaren startte het onderzoek daarnaar bij de KEMA en Ross ontdekte de samenstelling en structuur van waterbomen. Zijn beschrijving ondervindt thans internationale instemming en heeft wereldwijd geleid tot nieuwe testprocedures.

Toen over de waterige insluipingen zo ongeveer alles bekend was wat er over te weten is, was het moment gekomen om te bedenken hoe ze voorkomen kunnen worden. Op grond van het onderzoek kon een goed werkende testprocedure voor nieuwe kabels worden ontwikkeld. Er konden ook verschillende aanbevelingen worden opgesteld. Een tamelijk radicale - maar dure - remedie is het opnemen van een echt waterdichte, metalen folie om de kabel heen. Ook worden wel 'zwelpoeders' gebruikt: stoffen die sterk hygroscopisch werken en die aan de buitenkant van de polyetheen isolatie worden aangebracht en zo de relatieve vochtigheid laag houden. Kabelfabrikanten hebben inmiddels ook een breed scala van stoffen ontwikkeld die aan de polyetheen isolatie worden toegevoegd en die de vorming van waterbomen moeten tegenhouden. Een van de belangrijkste bevindingen van Ross echter was dat een van die additieven, een type anti-oxydant dat kabelfabrikanten aan het polyetheen toevoegen om oxydatie tijdens het produktieproces tegen te gaan, het ontstaan van de zoutspoortjes juist in de hand werkte. Aanvankelijk kunnen deze stoffen doen waarvoor ze bestemd zijn, maar in een later stadium kunnen ze veel kwaad aanrichten, vooral als ze in een te hoge dosis aan het polyetheen worden toegevoegd. Een andere belangrijke conclusie was dat voorkomen moet worden dat koperdeeltjes van de aardmantel en andere verontreinigingen de polyetheen isolatie binnendringen. Ook die deeltjes kunnen het oxydatieproces namelijk versnellen.

foto: Waterboom in polyetheen isolatie van ondergrondse hoogspanningskabel.

Het donkere spoor in het midden is een inmiddels opgetreden elektrische doorslag.

tekening: Doorsnede van een ondergrondse hoogspanningskabel: 1 geleider, 2 halfgeleidende binnenmantel, 3 polyetheen isolatie, 4 halfgeleidende buitenmantel, 5 tape, 6 aardmantel, 7-8 beschermende lagen.