Stress cone bij een middenspanningskabeleindsluiting — waarom het afgeknipte scherm zelf een elektrisch veldprobleem veroorzaakt

De gids over kabelmoffen behandelt de mechanische opbouw en de afdichtingseisen (volgens IEC 61442) van een complete verbinding tussen twee kabeleinden. Dit artikel behandelt een onderliggend probleem dat bij elke middenspanningskabeleindsluiting — en bij elke mof — moet worden opgelost, ongeacht welk type mof of eindsluiting wordt toegepast: de sterke concentratie van het elektrische veld die ontstaat op het punt waar het geleidende scherm van de kabel wordt afgeknipt, en de technieken (samengevat onder de term stress control) waarmee dit wordt weggenomen. IEC 60502-4 stelt de testeisen aan kabelaccessoires — eindsluitingen, moffen en separabele connectoren — voor kabels met een nominale spanning van 6 kV tot en met 30 kV.

Waarom het scherm van een kabel het veld überhaupt gelijkmatig houdt

Een middenspanningskabel met extrusie-isolatie (bijvoorbeeld XLPE) heeft een geleidend scherm dat de isolatie omhult en op aardpotentiaal wordt gehouden. Zolang dit scherm de isolatie volledig en aaneengesloten omhult, blijft het elektrische veld tussen de kern (op hoogspanning) en het scherm (op aardpotentiaal) radiaal en gelijkmatig verdeeld — precies de veldverdeling waarvoor de isolatiedikte van de kabel is gedimensioneerd.

Het probleem: een geconcentreerd veld op het punt waar het scherm eindigt

Bij een eindsluiting of mof moet het scherm op een bepaald punt worden afgeknipt om de kern bloot te leggen voor de verbinding. Op precies dat punt eindigt het aardpotentiaal van het scherm abrupt, terwijl de kern op volle spanning blijft doorlopen — met als gevolg dat de equipotentiaallijnen van het elektrische veld zich daar sterk samenpakken. Zonder verdere maatregelen ontstaat op de rand van het afgeknipte scherm een lokale veldsterkte die vele malen hoger kan liggen dan de veldsterkte in de rest van de kabelisolatie — ruim boven wat de isolatie op dat punt duurzaam kan verdragen, met een verhoogd risico op partiële ontlading (zie de gids over PD- en tan-delta-meting) en, op termijn, doorslag.

Vier gangbare methoden om deze veldconcentratie weg te nemen

• Geometrische veldbeheersing (stress cone): een geleidend, conisch gevormd onderdeel wordt direct op de rand van het afgeknipte scherm aangebracht en loopt trechtervormig uit over een deel van de blootliggende isolatie. Door deze vorm worden de equipotentiaallijnen gedwongen om zich geleidelijker, over een groter oppervlak, van de isolatie los te maken in plaats van zich op één scherpe rand samen te pakken.
• Resistieve veldbeheersing: een laag met een niet-lineaire elektrische weerstand rond de overgang zorgt ervoor dat de spanningsval over de overgang zich geleidelijker verdeelt, in plaats van zich op de rand van het scherm te concentreren.
• Refractieve veldbeheersing: een materiaal met een afwijkende diëlektrische constante rond de overgang "breekt" de veldlijnen op een vergelijkbare manier als optische breking, waardoor ze minder scherp samenkomen op de rand van het scherm.
• Capacitieve veldbeheersing (hoog-K stress control): een laag met een hoge diëlektrische constante rond de overgang van het scherm verspreidt de elektrische stress via een capacitieve koppeling langs het oppervlak van de isolatie, in plaats van de spanning op de rand van het scherm te laten concentreren.

Deze vier methoden zijn niet onderling uitwisselbaar naar willekeur: het type kabelaccessoire (voorgevormde koudkrimp-eindsluiting, giethars-mof, warmtekrimp-eindsluiting) bepaalt doorgaans welke methode — of welke combinatie ervan — door de fabrikant wordt toegepast, en het scherm mag daarom nooit zonder het bijbehorende, voor dat specifieke product ontworpen stress-control-onderdeel worden afgeknipt.

Waarom dit specifiek bij middenspanning kritiek is, en bij laagspanning meestal niet

Bij een laagspanningskabel is de spanning over de isolatie zo laag dat de veldconcentratie op een afgeknipt scherm, ook zonder speciale stress-control-maatregelen, doorgaans ruim binnen de doorslagvastheid van de isolatie blijft — vandaar dat laagspanningsverbindingen zelden een aparte stress cone nodig hebben. Bij middenspanning (en hoger) wordt diezelfde veldconcentratie, bij dezelfde geometrische scherpte van de overgang, wél kritiek, simpelweg omdat de absolute spanning — en dus de absolute veldsterkte op elk punt — evenredig hoger ligt.

Let op: de exacte vorm en afmetingen van een stress cone, en de keuze tussen geometrische, resistieve, refractieve of capacitieve veldbeheersing (of een combinatie), volgen uit het ontwerp van het specifieke kabelaccessoire en zijn door de fabrikant getest volgens IEC 60502-4; dit artikel behandelt het onderliggende principe, niet een pasklare montage-instructie voor elk product.

Praktische relevantie

Bij de montage van een middenspanningseindsluiting of -mof moet het stress-control-onderdeel altijd exact volgens de montagehandleiding van de fabrikant worden gepositioneerd ten opzichte van de rand van het afgeknipte scherm — een stress cone die te ver naar voren of naar achteren is geschoven ten opzichte van de schermrand herstelt de gelijkmatige veldverdeling niet correct en kan alsnog tot vroegtijdige partiële ontlading en doorslag leiden, ook als verder alle andere onderdelen van de eindsluiting correct zijn gemonteerd.

Veelgemaakte fouten

1. Het scherm van een middenspanningskabel afknippen zonder het bijbehorende, voor dat product ontworpen stress-control-onderdeel te monteren — dit laat de scherpe veldconcentratie op de schermrand onopgelost.
2. Een stress cone van het ene product of merk toepassen op een kabelaccessoire van een ander merk — de veldbeheersing is specifiek afgestemd op de geometrie en materialen van het bijbehorende product en is niet zonder meer uitwisselbaar.
3. Het stress-control-onderdeel verkeerd positioneren ten opzichte van de rand van het afgeknipte scherm — een positioneringsfout van zelfs enkele centimeters kan de bedoelde veldbeheersing grotendeels tenietdoen.
4. Aannemen dat een stress cone bij een laagspanningsverbinding even noodzakelijk is als bij middenspanning — bij laagspanning blijft de veldconcentratie op een afgeknipt scherm doorgaans ruim binnen de doorslagvastheid van de isolatie, zonder dat dit betekent dat dezelfde aanname ook voor middenspanning geldt.

Gerelateerd

• Kabelmoffen — ondergrondse kabelverbindingen en -reparaties (IEC 61442)
• Cross-bonding van kabelscherm bij lange MS-hoogspanningskabeltrajecten
• Kabelscherm aarden — enkelzijdig of tweezijdig
• Partiële-ontladingsmeting (PD) en tan-delta bij MS-kabels