Je leest:

Kortsluitingsvoorspeller: èchte elektrotechniek…

Kortsluitingsvoorspeller: èchte elektrotechniek…

Auteur: | 15 januari 2007

Het gebeurt niet elke dag, maar toch nog wel vaak genoeg om flink wat geld te kosten: een stroomstoring. “En het komt nooit goed uit”, zegt elektrotechnicus Peter van der Wielen. Hij en signaalverwerkingsspecialist Jeroen Veen ontwikkelden een techniek om zwakke plekken in stroomkabels op te sporen vóórdat ze doorslaan, zodat de netbeheerder tijdig maatregelen kan nemen. Beide TU Eindhoven-studenten deden hun onderzoek bij het Arnhemse energie- en hoogspanningsinstituut KEMA.

De hoofdwegen van het elektriciteitsnet zijn de hoogspanningslijnen tussen de bekende hoogspanningsmasten, waarop enkele honderdduizenden volts staan. Voor de ‘provinciale wegen’, de fijnere distributie via ondergrondse kabels, wordt dat met transformatoren teruggebracht tot enkele tienduizenden volts, de zogeheten ‘middenspanning’, om na nog een transformatiestap als 230 Volt uit het stopcontact te komen.

Het promotieonderzoek van Peter van der Wielen® en Jeroen Veen (L) is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW. Foto: Ivar Pel

Vooroorlogs

“Het grootste deel van het aantal storingsminuten komt door kortsluitingen in de middenspanningskabels of hun verbindingsstukken daartussen”, vertelt Van der Wielen. De honderdduizend kilometer ondergrondse kabels in Nederland zijn nogal eens oud, en bestaan dan uit in vet gedrenkt papier, lood, jute en staal. Maar ook modernere, kunststof kabelverbindingen kunnen doorslaan, wat betekent dat de stroom per ongeluk zijn weg vindt door het isolatiemateriaal dat de kabel had moeten isoleren. “Je krijgt een soort interne ‘bliksem’, en het isolatiemateriaal verbrandt”, legt Van der Wielen uit. “Bij een aangehouden kortsluiting kan de hele kabel uit de grond ploffen, maar in de praktijk wordt dan de stroom al snel automatisch snel afgesloten.” Niettemin is de schade aan reparaties en niet-geleverde stroom elk jaar aanzienlijk.

Stenen in de vijver

Gelukkig is kortsluiting niet helemaal onvoorspelbaar. Vaak vinden op zwakke plekken in de isolatie van de kabel al veel langer ‘gedeeltelijke ontladingen’ plaats, een veel minder gewelddadig verschijnsel waarbij er een klein beetje stroom een klein sprongetje door de isolatie maakt. “Bijvoorbeeld bij een luchtbel of een vochtige plek, waar de doorslagdrempel lager ligt”, zegt Van der Wielen. Zulke ‘partial discharges’ of PD’s verraden zich als kleine stroompulsjes die zich in twee richtingen over de kabel bewegen als een golf over een vijver. Maar om die te detecteren moest je tot nog toe de kabel uit gebruik nemen en met gevoelige apparatuur afluisteren.

Foto: Ivar Pel

Branding

Het idee van hun promotor was om een systeem te ontwikkelen om dit afluisteren online te doen, dus in vol gebruik, terwijl de hoogspanning nog op de kabel staat. “Dat is veel lastiger, want die spanning zit vol met stoorsignalen”, zegt Van der Wielen. Pulsjes uit andere delen van het netwerk, schakelhandelingen in het netwerk, invloeden van zware apparatuur die aan het netwerk geschakeld is, alles kan de meting verstoren. “De kabels pikken ook radiosignalen op”, zegt Jeroen Veen, “en zeker die in transformatorhuisjes zitten er allerlei uitsteeksels in de schakeling die als antenne gaan werken.” Uiteindelijk gaat het erom om bovenop een spanning van tienduizenden volts variaties van millivolts, ofwel duizendsten van een volt, trefzeker te onderscheiden. De radiosignalen waren daarbij nog relatief makkelijk weg te fileren, zegt Veen, omdat die maar een klein frequentiegebied bespannen vergeleken met andere storingsbronnen.

Aan de timing van de pulsen kun je bovendien zien wáár de PD’s voorkomen, legt Veen uit, doordat je ze aan beide kanten van de kabel detecteert. Als je rekent dat de pulsen zich voortbewegen met ongeveer de helft van de lichtsnelheid, kun je uit de aankomsttijden aan beide kanten de plek des onheils uitrekenen. “Dat klinkt heel eenvoudig, maar in de praktijk is het behoorlijk ingewikkeld”, zegt Van der Wielen. Niet alleen vervormen de pulsen onderweg. Ook bestaan veel kabels uit verschillende stukken, soms met verschillende vervormingseigenschappen, en bovendien kunnen pulsen ook nog eens reflecteren op de overgangen.

Foto: Ivar Pel

Vissen

“We gebruiken als basisprincipe ‘matched filtering’, waarbij je weet naar wat voor signaalvorm je op zoek bent, en daar dan in het signaal naar op zoek gaat”, legt Veen uit. Een soort vissen naar de juiste pulsvorm in de zee van signaalinformatie. Daarnaast moet je nog uitzoeken welke pulsen aan beide kanten bij elkaar horen om ze goed thuis te kunnen brengen, wat heel nauwkeurige synchronisatie vereist. “Het was a priori niet duidelijk of het zou werken, dus dat is heel mooi uitgepakt”, aldus Veen.

De technische kant, meer Van der Wielens poot van het onderzoek, is bij hoogspanningstechniek vaak ingewikkelder dan bij reguliere elektronica. “Je kunt niet zomaar even een draadje aan je kabel hangen om het signaal af te tappen”, zegt Van der Wielen, “dat is absoluut niet veilig, en het zou ook weer kortsluitingsgevaar opleveren.” De ontwikkelde pulsensensor is een spoel, een kurkentrekker-achtige winding van stroomdraad, die om de kabel heen geplaatst wordt. Als een soort antenne pikt die de pulsjes op, zonder direct elektrisch aangesloten te zijn op de kabel.

Ondanks de complicaties lukte het de onderzoekers om de techniek werkend te krijgen, al was het op het laatst wel even aanpakken. “We hadden de verschillende afzonderlijke principes aangetoond, maar dan wil je nog wel even laten zien dat het totale concept ook werkt, in een proefopstelling,” zegt Van der Wielen. Terwijl de promotie-deadline naderde brachten ze menig uur door in een hokje op het KEMA-terrein met daarin twee van de prototype-pulsenmeters verbonden met een kilometer kabel. “Onze proeftuin,” zegt Veen. De laatste weken zijn daar ook wel nachten doorgehaald. Van der Wielen: “Dan heb je alles klaarstaan en iedereen geregeld voor een test, dan kun je niet afzeggen.” Gelukkig konden de twee het goed met elkaar vinden. De samenwerking gaf het onderzoek iets extra’s, vindt Veen. “Ik denk dat we niet zo ver gekomen zouden zijn zonder dat we elkaar zo konden aanvullen, en zonder de vliegende start die we bij KEMA hebben gemaakt.”

Stroom klanten

Het resultaat, de kortsluitingsvoorspeller, lijkt aan te slaan. “Het gaat de goede kant op”, vertelt Van der Wielen, “we konden kiezen uit fabrikanten die ermee aan de gang wilden.” Inmiddels staan er al 70 bestellingen voor het apparaat, dat de prototypefase ondertussen voorbij is. Netwerkbeheerders kunnen de apparatuur kopen en installeren, en bij KEMA een abonnement nemen op het in de gaten houden van hun netwerk. “Wij kunnen dan waarschuwen als een kabel uit dreigt te vallen of adviseren over onderhoud”, zegt de onderzoeker die nu voor KEMA het systeem verder uitwerkt en aan de man brengt.

Veen sprak vooral de combinatie van wetenschap met directe praktische bruikbaarheid aan. “Ik vind het toch wel heel leuk als wat ik bedenk ook echt gaat gebruikt worden”, zegt hij.

“Het lijkt op het eerste gezicht heel specialistisch”, zegt Van der Wielen, “maar er komt van alles voorbij: hoogspanningsfysica, hoogfrequente pulsen, magnetische velden, communicatietechniek, signaalverwerking en systeemontwerp. Eén van de aantrekkelijke dingen van dit onderwerp vond ik dat het ook échte elektrotechniek is, met stromen, magnetische en elektrische velden. Dat vond ik vroeger al mooi.”

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2006 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 januari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.