Warmteweerstandscoëfficiënt van kabels in de grond

De afgelopen tijd zijn er verschillende vragen gesteld over het berekenen van grondkabels. De vragen werden veelal gesteld bij het aanleggen van grote vermogens zoals; Hyperladers en of Power Swap Station. Veel van deze installaties worden af-gezekerd op 630A en soms hoger. In deze gevallen is het berekenen van de grondkabel van groter belang. Naast economisch argumenten, voor mij vooral, op veiligheidsargumenten, zie je veel uiteenlopende meningen en uitkomsten. In de gesprekken zag ik dat het verschil veelal in het beredeneren en of het bepalen van de warmteweerstandscoëfficiënt.

In dit document ga ik dieper in op het bepalen warmteweerstandscoëfficiënt van de grond in Nederland. Daarnaast bespreek ik het bepalen van de correctiefactor voor het beoordelen van de hoogste toelaatbare stroom van kabels in de grond. Deze informatie is van cruciaal belang bij het ontwerpen en installeren van ondergrondse kabels, vooral in relatie tot warmteafvoer en temperatuurbeheersing.

Warmteweerstandscoëfficiënt

De warmteweerstandscoëfficiënt (R) van de grond is een maat voor het vermogen van de grond om warmte te geleiden en te weerstaan. Deze coëfficiënt is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de grondsamenstelling (zoals zand, veen, klei, enz.), de dichtheid van de grond en het vochtgehalte. Grond met hogere warmteweerstandscoëfficiënten heeft betere isolerende eigenschappen, wat de warmteafvoer bemoeilijkt en de temperatuur van de kabels kan beïnvloeden.

Om de warmteweerstandscoëfficiënt van de grond te bepalen, worden basisregels gevolgd, waarbij tabel 1 wordt gebruikt. Deze tabel geeft de warmteweerstandscoëfficiënt voor verschillende grondsoorten (zoals zand, klei, veen en löss) en verschillende vochtgehalten (verzadigd met water, vochtig en droog). Bij het toepassen van tabel 1 is er een stappenplan voor het kiezen van de juiste grondsoort en vochtgehalte, het voorkomen van uitdroging van de grond, en het effect van backfill (een speciaal mengsel van zand en leem) op de warmteweerstandscoëfficiënt.

Graag benadruk ik, dat in NEN 1010:2020 (Tabel 52 A 3-q); NEN1010:2020 (Bijlage 52 B 3); NEN101:2020 (Tabel 52 I.4), standaard wordt uitgegaan van een warmteweerstandscoëfficiënt van 2,5 K∙m/W voor kabels in de grond. Deze waarde kan echter te conservatief zijn voor veel locaties in Nederland, waar de feitelijke warmteweerstandscoëfficiënt vaak lager is. Het is daarom van belang om rekening te houden met de specifieke omstandigheden, zoals de grondsoort, het vochtgehalte, het grondwaterpeil en de methode van aanleg. Voor het meten van de warmteweerstandscoëfficiënt en de grondtemperatuur zijn specifieke meetmethoden en instrumenten vereist. Deze metingen moeten worden uitgevoerd gedurende droge periodes van het jaar.

Gebruik correctiefactoren

Als de warmteweerstandscoëfficiënt van de grond afwijkt van de standaardwaarde van 2,5 K∙m/W, moeten correctiefactoren worden toegepast. Deze correctiefactoren zijn te vinden in tabel 52.B.1 van NEN 1010:2020. Voor andere waarden van de warmteweerstandscoëfficiënt kan de correctiefactor worden bepaald met behulp van figuur 8.

Bij het bepalen van de warmteweerstandscoëfficiënt van de grond moet ook rekening worden gehouden met situaties waarin de grond kan uitdrogen, zoals bij opgespoten zandbedden, dijken, of kabels onder een voor regenwater on-doorlaatbare laag zoals asfalt. Uitdroging van de grond kan leiden tot een verhoogde warmteweerstandscoëfficiënt en daarmee een veranderde temperatuur van de kabels. In deze situaties moeten hogere waarden van de warmteweerstandscoëfficiënt worden toegepast, en ook hier geldt dat de correctiefactoren moeten worden aangepast.

Warmteafgifte verbeteringen

Door het gebruik van backfill kan men de warmteafgifte te verbeteren zie figuur 5. Met behulp van figuur 7 kan de effectieve warmteweerstandscoëfficiënt worden bepaald voor verschillende waarden van de warmteweerstandscoëfficiënt van de backfill en de oorspronkelijke grond. Voor andere configuraties moeten de effectieve warmteweerstandscoëfficiënten worden berekend door middel van berekeningen en/of metingen.

Stappenplan

Het onderstaande stroomschema geeft een stappenplan voor het bepalen van de correctiefactor(en) voor aanleg in de grond. Deze correctiefactoren kunnen worden gebruikt bij het ontwerpen en installeren van kabels om ervoor te zorgen dat de temperatuur van de kabels binnen acceptabele grenzen blijft en dat de hoogste toelaatbare stroom veilig kan worden toegepast.

Tabel 3 geeft de correctiefactor voor het beperken van de bedrijfstemperatuur van het geleider-materiaal tot maximaal 55 ºC voor XLPE- en EPR-isolatie, afhankelijk van de grondtemperatuur.

Conclusie

Al met al is het bepalen van de warmteweerstandscoëfficiënt van de grond en het toepassen van correctiefactoren essentieel om een betrouwbare en veilige werking van ondergrondse kabels te waarborgen. Het vereist een gedegen begrip van de grond waarin de installatie wordt aangelegd (zie figuur 6). Ook is het van belang dat bij de berekening gedegen rekening wordt gehouden met de belastin en de duur van de belasting.

Bronnen

De volgende documenten, of delen ervan, waarnaar in dit document wordt verwezen, zijn onmisbaar voor de toepassing ervan. Bij gedateerde verwijzingen is alleen de aangehaalde uitgave van toepassing. Bij ongedateerde verwijzingen is de laatste uitgave van het document (met inbegrip van eventuele wijzigingsbladen en correctiebladen) waarnaar is verwezen van toepassing. Hiernaast zijn er verschillende wetenschappelijke publicaties gebruikt ter onderbouwing en in het onderzoek.

• NEN 1010:2020 Elektrische installaties voor laagspanning
• NPR 5310:2017 nl Nederlandse Praktijkrichtlijnen bij NEN 1010
• NEN-EN-ISO 14688: reeks Geotechnisch onderzoek en beproeving — Identificatie en classificatie van grond
• NEN-HD-IEC 60269-3 Laagspanningssmeltveiligheden — Deel 3: Aanvullende eisen voor smeltveiligheden voor gebruik door ondeskundige personen (smeltveiligheden voor huishoudelijk en soortgelijk gebruik) — Voorbeelden van genormaliseerde systemen van smeltveiligheden A tot en met F
• NEN 10287-3-1:1996 Kabels voor sterkstroom — Berekening van de toelaatbare stroom — Deel 3: Secties over omgevingsomstandigheden — Sectie 1: Referentie-omgevingsomstandigheden en keuze van het kabeltype
• NEN-IEC 60287-3-1:1996/A1:1999 Kabels voor sterkstroom — Berekening van de toelaatbare stroom — Deel 3: Secties over omgevingsomstandigheden — Sectie 1: Referentie-omgevingsomstandigheden en keuze van het kabeltype
• NEN-EN-IEC 60947-2 Laagspanningsschakelaars — Deel 2: Vermogenschakelaars
• Grondsoorten kaart Nederland
• TENNET TSO; Arcadis rapport 077348939:A.7
• Phase to Phase; belastbaarheid van kabels 06-079 pmo; 12 mei 2006
• WUR; het warmtegeleidingsvermogen van grond door D. A. de Vries; 12-10-1951

Dit document is geschreven door R. Esseboom. Gebruikte basisdocumenten vindt u in het “Bronnen”. Het document is geschreven op eigen titel en is op generlei wijze begeleid door een wetenschappelijk instituut. Mochten er opmerkingen en of vragen over dit document zijn, neem dan gerust contact op met de schrijver.