De voorbije tijden en het prille begin, 1885..1916

Voor de beeldvorming over de technische ontwikkeling van Smit Transformatoren is een korte terugblik op de voorbije tijden onontbeerlijk; bij deze. De eerste transformator werd in 1885 ontworpen door drie ingenieurs van de firma Ganz uit Hongarije (Miksa Déri, Titusz Ottó Bláthy en Károly Zipernowsky).

Eerste transformator van Ganz uit 1885. Bron: http://energyhistory.energosolar.com/en_19th_century_electric_history.htm

De ingenieurs van Ganz die de eerste transformator uitvonden,  Miksa Déri, Titusz Ottó Bláthy en Károly Zipernowsky (1900).

Blathy in 1938 met de eerste Ganz transformatoren (links en rechts).

De strijd tussen wissel- en gelijkspanning was echter nog niet beslecht en voor grootscheepse elektrificatie was het economische en culturele tij nog niet aangebroken.

Als bouwer van elektrische machines nam hij in 1900 een opdracht aan voor het bouwen van de eerste Nederlandse driefasen vermogenstransformator. Deze had een vermogen van 40 kVA (voor die tijd fors) en een overzetverhouding van 1050 / 120 V, was lucht gekoeld van het kerntype en bij een vluchtige blik reeds enigermate vergelijkbaar met een moderne transformator zij het dan dat de geometrie van de wikkelingen sterk afwijkt van de later in Slikkerveer en daarna in Nijmegen gebouwde transformatoren.

Eerste in Nederland gebouwde transformator 40 k.V.A. 1050/120V/ aan de Spoorwegen in Nederland geleverd tezamen met een generator.  Bron: Jub.boek Smit Slikkerveer.

Na deze opdracht volgden er meer kleinstedelijke min of meer experimentele elektrificatie projecten kwamen op gang en ook deed men proeven met elektrische tractie. In de jaren 1910..1912 was het duidelijk dat de behoefte aan transformatoren zou toenemen en dat een gespecialiseerd bedrijf economisch levensvatbaarheid zou zin. Willem Smit aldus besloot een transformatorenfabriek op te richten. Over zijn keuze voor Nijmegen doen vele verhalen de ronde zoals een korte transportweg naar Duitsland (waar een grote behoefte werd voorzien), de goede horeca in een mooie omgeving waar het voor de klanten bij afnamekeuringen goed toeven was of zijn goede relatie uit 1886 met deze voor die tijd geografisch en cultureel mijlen ver van Slikkeveer verwijderde stad. In Nijmegen begom men in 1913 begonnen met een kleine vijftig man. De provinciale bedrijven hadden een HS van 10 kV en in steden kwam men 3,5 en 6 kV tegen, van enige standaardisatie was absoluut geen sprake. In het eerste jaar was het grootste vermogen 1250 kVA. Het gemiddeld vermogen lag rond de 30 kVA.

Tijdens WOI (1914..1918) moesten de ontwerpen aangepast worden aan het beschikbare materiaal. Vooral het kernblik was schaars soms sloopte men hier oude machines voor, met als resultaat een onvoorspelbaar nullastverlies. Het koper was wel verkrijgbaar doch uiterst duur een notering van EUR 5,45 / kg. was niet ongebruikelijk. De transformatorolie was van erbarmelijke kwaliteit, eens klaagde een voorman dat de bouten in de olie weg roestten, hetgeen leidde tot het advies eens per zes maanden de olie te spoelen.

De ontwerpen deden (naar de huidige maatstaven) lomp aan, grote kasten, zware stalen jukbalken, kernen met een vierkante doorsnede en een rechte hoek tussen de poten en het juk ( het gerichte blik kwam pas een halve eeuw later) en veel deelspoelen in de HS-wikkeling; soms wel acht, dus in de gebruikelijke Y-schakeling bij 10 kV, 722 V per deelspoel. Door het ruime dimensioneren was de bedrijfstemperatuur laag hetgeen de levensduur (ondanks de slechte olie) ten goede kwam.

Omdat geïsoleerd wikkeldraad slechts mondjesmaat beschikbaar was, wordt besloten zelf koperdraad te trekken en dit te isoleren met linnen. Hieruit is later Smit Draad ontstaan. Nog steeds gevestigd in Nijmegen doch niet meer verbonden met de transformatorenfabriek.

Ondanks de problemen in WO I floreert het bedrijf en ziet de toekomst er goed uit, elektrisch licht wordt gemeengoed, hogere spanningen en grotere vermogens liggen in het verschiet en de export lonkt. De pioniers fase is afgesloten, het fundament is gelegd en men besluit een ontwerper op ir. niveau aan te trekken. In de NRC van 17 juni 1916 verschijnt een uiterst sobere advertentie voor een ir. elektrische machinebouw. ir. Nolen (geb. 1890) solliciteert en wordt aangenomen waarmee het tijdperk Nolen begint.

Prof. Dr. Ir. Henry George Nolen	NRC 17-06-1916

Prof. Dr. Ir. Henry George Nolen moet gezien worden als de stamvader van de transformator technologie. In zijn periode steeg de HS van 10 kV naar 220 kV en het vermogen van 1,25 MVA naar 200 MVA. In 1925 werd hij technisch directeur van Smit Transformatoren en promoveerde "met lof" (cum laude zou men thans zeggen) op het proefschrift "Transformatorvelden" bij Prof. Feldman die hij in 1937 als hoogleraar opvolgt. Hij blijft echter tot zijn pensioen in 1955 als technisch directeur aan Smit Transformatoren verbonden en laat zich daarna nog tot in het begin van de zeventiger jaren regelmatig op het bedrijf zien.

De 10 / 3 kV transformatoren hadden een vermogen van 4000 kVA ( in drie jaar tijd nam het vermogen dus met een factor 3,2 toe ! ). Deze grote transformatoren werden met succes gebouwd, ze bleken echter te zwaar te zijn om ze met de in die dagen beschikbare middelen te transporteren. De oplossing werd gevonden in het separate transport van binnenwerk, kast en olie. Vervolgens werd op locatie het binnenwerk in de kast gehesen, afgemonteerd en gedroogd.

In 1948 schrijft prof. Nolen bij gelegenheid van het 35-jarig bestaan over deze tour de force: " Ik heb toen een harde les geleerd, dat men beslist steeds moet zorgen de gebouwen, transportmiddelen,droogapparaten en beproevingsinrichtingen te bezitten, nodig voor nieuwe objecten voordat men die mag verkopen. Dit is later ons richtsnoer geweest "  In 1921 is er reeds sprake van een voor die tijd moderne beproevingsinrichting die voorbereid is op de toekomstige vraag naar 50 kV transformatoren.

Inmiddels rollen de transformatoren als het ware van de lopende band echter allemaal met net een iets ander specificatie, iedere klant had zo zijn eigen opvattingen. De capaciteit van de ontwerp afdeling en de organisatie in de fabriek waren hier volledig op aangepast.

In een dergelijk klimaat wordt alles aangenomen wat te maken heeft met wikkelingen en magnetische flux. Zo werd in 1922 een grote spoel gebouwd voor de radio verbinding (boog zender) met voormalig Nederlands Indië.

In 1923 wordt een weinig spectaculaire drie-fase 40 kVA, 10 kV transformator gebouwd met in de doorvoeringen uitgevoerde aftakkingen zodat men door omklemmen van de sterpuntverbinding de spanning kon instellen, dit was de voorloper van de aftakschakelaar. Hij wordt hier vermeld omdat hij dienst heeft gedaan tot 1987.

In 1924 wordt een belangrijke stap gezet: het elektriciteitsbedrijf van de Provincie Gelderland gaat, gedwongen door de lange verbindingen, over op een HS van 50 kV. Gezien de complexiteit van een 50 kV ontwerp en de beperkte transportmiddelen besluit men hiervoor een één fase ontwerpen te kiezen, 1700 kVA per fase, dus als driefase bank 5100 kVA.

Er wordt voorts gekozen voor een twee poots kern beide bewikkeld en in serie geschakeld, zodat de spanning van de wikkeling 14,4 kV wordt. Tussen de drukringen op de wikkeling en het boven en onderjuk (beide aan aarde) komen een soort steun isolatoren. Hierna wordt 50 kV populair. In 1928 worden diverse driefasen 50 / 10 kV transformatoren gebouwd met een vermogen van 6000 kVA.

Periodieke mededeelingen 1928

In 1929 wordt een rookverbod afgekondigd, niet zo zeer om gezondheidsredenen doch voor het brandgevaar en de transformatorhygiëne ter voorbereiding op de komende 110 kV. In datzelfde jaar bestelt het elektriciteitsbedrijf van de Provincie Friesland een 110 kV transformator met het relatief kleine vermogen van 2500 kVA. Heden ten dage zou men huiveren voor deze verhouding tussen vermogen en spanning; veel windingen dunne draad en hoge veldsterkte. Het maken van veldbeelden was in die tijd nog erg moeilijk. De " natte trog" was nog geen gemeengoed. Inmiddels is het vermogen toegenomen in 1930 wordt in het Gelderse 22 MVA een standaard vermogen in het 50 kV net.

.

Montagehal met Smit-trafo centrale Friesland 1930

Een volgende doorbraak komt in 1935 met 150 kV in de Provincie Limburg, weliswaar nog met een klein vermogen, 6000 kVA.

De elektrificatie van de spoorwegen op 1500 V gelijkspanning zet in 1937 goed door. De eisen aan de transformatoren zijn hoog, complexe ontwerpen Yyd met zwaai wikkeling van 7,5 grd. en uiterst geringe tolerantie op de kortsluitspanning (i.v.m. de kwikdamp gelijkrichters) het vermogen lag rond de 1200 kVA en groeide later tot 2200 kVA.

Rotterdam en Den Haag willen in 1939 hun centrales koppelen. Tevens neemt de behoefte aan elektrische energie zo toe dat er transformatoren nodig zijn op een spanningsniveau en vermogensgrootte die vergelijkbaar zijn met de hedendaagse. Er worden vanaf 1939 diverse transformatoren besteld met een vermogen van 52,5 MVA en een overzetverhouding van 150 / 25 / 10 kV , schakeling YN yn d met een onder belasting regelbare HS. De kern was, zoals toen gebruikelijk, zwaar omgeven door juk en poot balken die aangeklemd werden door bouten die door het juk resp. de kern staken.

Smit Mededeelingen juli-sept 1941

Een ander staaltje van veldsterkte beheersing was het ontwerp en de bouw van een beproevings installatie voor de KEMA in Arnhem in 1939. Deze bestond uit een cascade van drie opspantransformatoren met daartussen twee isoleertransformatoren ( de z.g.n. Dessauer schakeling). Bij een cos phi van 1 werd hiermee een spanning van 525 kV bereikt.

Periodieke mededeelingen 1939

Ontwikkeling transformatoren vanaf 1913 - 1937. Bron Jubileumboek Willem Smit 1938.

De periode 1940..1945 ( WO II) wordt gekenmerkt door materiaalschaarste. Ook nu moeten, net zo als in WO I, ontwerpen aangepast worden aan het beschikbare materiaal. Het aantal opdrachten is echter kleiner dan in de voorafgaande jaren.

Direct na WO II komt een periode met veel opdrachten voor 50, 110 en 150 kV transformatoren met vermogens tussen de 18 en 60 MVA.

Periodieke Mededeelingen pm 63-66 1937

Ieder provinciaal en groot stedelijk elektriciteit heeft zijn eigen specificatie van standaardisatie is geen sprake hoogstens wat herhalings opdrachten. In deze periode maakt men basis ontwerpen waarvan de geometrie aangepast wordt aan de specificatie van de klant. Er is veel technisch en projectmatig overleg met de klanten. Hoewel dat het toen nog niet werd genoemd, ontstaat er een co-engineerings cultuur die zijn vruchten afwerpt in de volgende periode waarin complexere opdrachten volgen.

De regelschakelaar wordt gemeengoed, zij het nog als een puist in aparte kast met een bus duct verbonden aan de transformatorkast.De marktvraag leidt in deze periode niet tot memorabele projecten. Prof. Nolen gaat in 1955 met pensioen, waarmee we dit tijdperk afsluiten.

De nieuwe tijd 1955..heden.

Middelen.

In 1957 hebben de regelschakelaars een dusdanige constructie dat ze in de transformatorkast geïntegreerd kunnen worden.


Ontwikkeling van de bouwwijze van een middelgrote transformator, bron: Smit Mededelingen 1963.

1955..1965 Nieuw materiaal voor kernen doet zijn intrede het z.g.n. Cold Rolled Grain Oriented Electrical Steel. Ook wel koud gewalst georiënteerd blik genoemd. De permeabiliteit is hierbij richting afhankelijk en in de langsrichting het groots. Dit maakt een overgang tussen kernpoot en juk onder een hoek noodzakelijk, i.p.v. stomp zoals in het verleden bij niet georiënteerd blik. De Epstein waarde is veel lager en de verzadiging treedt pas op bij hogere inducties. De extra verliezen tengevolge van wervelstromen zijn kleiner (deze worden na 1985 nog kleiner door de uitvinding van het laser scratched blik). Het oppervlak van de hysteresislus is kleiner. De bouwgrootte wordt hiermee verkleind en het nullastverlies vermindert aanzienlijk. Als bijkomend voordeel is de geluidsproductie van een kern van dit materiaal geringer.

1960..1965 De kwaliteit van het isolatie papier neemt toe. Er zitten minder verontreinigingen in en het is homogener, dus betrouwbaarder. Daardoor wordt er minder papier (als extra de zekerheid ) gebruikt. Dit komt de bouwgrootte en de stijfheid van wikkelingen ten goede (langdurig kortsluitvast)

Tevens kan het papier aan hogere temperaturen bloot gesteld worden. Na 1980 wordt het thermisch gestabiliseerd papier populair. Dit kan tegen een hogere bedrijfstemperatuur zonder de levensduur te verkorten.

1960..1965 De transformator olie verbetert sterk (hogere doorslagspanning, hogere degradatie temperatuur en minder verouderend) waardoor met hogere veldsterktes ontworpen kan worden zonder afbreuk te doen aan de levensduur.

Vanaf 1995 worden allerlei inhibitors aan de olie toegevoegd om deze nog betere eigenschappen te geven.

1965..1975 Het handmatig berekenen (elektrotechnisch ontwerp) maakt plaats voor rekentuigen. Eerst wordt van een soort Hollerith-achtige kaarten gebruik gemaakt die in Delft verwerkt worden; het berekenings resultaat komt per post terug naar Nijmegen. Tussen 1975 en 1980 krijgt Nijmegen een eigen computersysteem. Door de tijdwinst kunnen nu alternatieve ontwerpen voor aanbiedingen gemaakt worden. Ontwerp paramaters kunnen als vaste waarden worden ingevoerd. Het risico van ontwerpfouten wordt sterk beperkt. Op de constructie afdeling zijn in 1990 alle tekentafels vervangen door een CAD systeem; thans in 3 D.

1975..1980 Introductie van de onafhankelijke aandrukconstructie. De kern krijgt zijn eigen aandrukconstructie die mechanisch onafhankelijk is van die van de wikkelingsets. Ieder wikkelingset (complete fase) heeft zijn eigen aandrukconstructie. Het voordeel hiervan is dat de kortsluitvastheid veel groter is dan bij een afhankelijke aandrukconstructie, dat de perskracht op de wikkeling na jaren op locatie gecontroleerd en nagesteld kan worden en dat het plaatsen van de wikkeling set op een kernpoot gereduceerd wordt tot enkele simpele handelingen.

Tussen 1986 en 1988 ontwikkelt een eigen Smit ingenieur een berekeningsmethode om op iedere willekeurige plaats in een wikkeling de spanning te bepalen als functie van een (transiënte) spanning op de klemmen van de transformator en omgekeerd. Dit heeft tot gevolg dat de stootspanningsvastheid aanzienlijk verbeterd wordt en dat geen windingstijfheid verslappend isolatiemateriaal wordt toegepast op plaatsen waar dat niet nodig is.

In 1987 beschikt Smit over digitale stootspannings registratie, een in eigen beheer ontwikkeld systeem dat een oscillogram digitaal vastlegt met een grote resolutie en kan analyseren ( o.a. Fourier ). Een 50 % stoot kan twee maal uitvergroot op een 100 % stoot gelegd worden waarbij het verschil zicht- en meetbaar is. Hiermee behoren discussies aan de hand van meestal te kleine Polaroid opnames tot het verleden. Dit systeem was destijds uniek.

In 1988 is Smit Transformatoren als eerste transformatorenfabriek in de wereld ISO 9001 gecertificeerd, overigens in die dagen nog een NEN-Norm.

Tussen 1988 en 1990 komt temperatuur meting d.m.v. glasvezel optica tot wasdom. Het wordt dan mogelijk om de temperatuur op een willekeurige plaats in de wikkeling te meten (doorvoor slechts een berekend gemiddelde uit de gemeten toename van de weerstand als onderdeel van de verwarmingsproef) Door op verschillende plaatsen in de wikkeling sensoren in te bouwen wordt duidelijk waar de hot spot zich bevindt en wat het verschil tussen de hot spot tempe ratuur is en die van de gemiddelde wikkeling. Dit leidt tot ontwerpen met een langere levensduur verwachting.

Significante projecten.

In 1968..1970 start de SEP met de bouw van een landelijk koppelnet op 380 kV niveau.

Smit Transformatoren levert hier de eerste één fase units 150 MVA , 380/3^0,5 / 150/3^0,5 / 50 kV, zodat een driefase bank ontstaat van 450 MVA, 380 / 150 / 50 kV, YNynd.

Het "naamplaat vermogen" bedroeg 450 MVA op basis van een verlaagde max. temp. van de wikkeling. Het IEC vermogen bedroeg 500 MVA.

I.v.m. het vermeende transportrisico en de redundantie werd in eerste instantie door de klant gekozen voor éénfase units, ondanks de hogere aanschafprijs en het hogere nullast- en kortsluitverlies. Latere opdrachten waren voor drie fase units met een separate koelerbatterij voor ONAF koeling. Dit project is tot stand gekomen door co-engineering.  Later volgden meerdere opdrachten voor identieke transformatoren.

In 1976 wordt door de PNEM na lang onderhandelen over de technische haalbaarheid een opdracht verstrekt voor de bouw van een 780 MVA ( IEC vermogen 858 MVA) machine transformator, 400 / 21 kV.

Qua gewicht van het binnenwerk is dit de grootste transformator ooit gebouwd in de westerse wereld. Gegevens uit de toenmalige Sovjet Unie ontbreken. Het interne transport van het gereed gekomen binnenwerk en later van de complete transformator, werd uitbesteed aan een gespecialiseerde transportonderneming omdat de kraancapaciteit niet toereikend was. Deze gigant is gebouwd in een stolpkast teneinde het binnenwerk op de kastbodem te kunnen afmonteren. Inhijsen van het binnenwerk in een normale kast was door het enorme gewicht onmogelijk.

Het transport naar de locatie Amer 8 verliep vlekkeloos, m.n. omdat daar een prima loskade aanwezig was ( overigens ook nodig voor de separate rotor en stator van de stoomturbine en de generator).

Daarna is in 1988 door deze klant (nu "EPZ" genoemd) een opdracht verstrekt voor een identieke transformator t.b.v. de Amer 9, echter met een HS van 150 kV zodat het gewicht iets minder groot was, toch moest in dit geval ook voor de stolpkast procedure gekozen worden.

In 1983 bestelt het Deense NESA een 500 MVA transformator,

400 / 132 / (20) kV; na de voorgaande ervaringen niet het vermelden waard, ware het niet dat de strenge Deense geluidseisen het noodzakelijk maakten de separate koelerbatterij te plaatsen in een geluidshuis. Geluid isoleren en warmte afgeven lijkt een contradictio. Met behulp van Duitse experts in co-engineerings en co-maker verband is dit gelukt. Eind 1984 worden de geluidsmetingen in bijzijn van de klant uitgevoerd met als resultaat dat ruimschoots aan de geluidseis voldaan wordt.

In 1987 krijgen we van één van onze trouwste USA klanten, NYPA, waar we al sinds 1978 leveren, de tot nu toe grootste Amerikaanse machinetransformator in opdracht, 607 MVA 345 / 20,3 kV, 60 Hz. Smit Transformatoren beschikt over eigen generatoren waar d.m.v. een tandwielkast tussen motor en generator 60 Hz. gegenereerd kan worden.

In 1989 ontstaat een uitdaging voor ontwerpers. UNA wil in Amsterdam de capaciteit van de Hemweg Centrale uitbreiden. Het project wordt gelanceerd als " Hemweg 8 " , de politiek ligt dwars: een herriemaker dicht bij bewoond terrein kan niet. Gekozen wordt voor ONAN koeling ( gekscherend wordt het een voetbalveld met radiatoren genoemd). Voor de zekerheid (mocht het thermosifon effect niet opgang komen) wordt er een olie aanjaagpomp in de leiding tussen de transformator en de koelerbatterij geplaatst. Dit is de grootste koelerbatterij ooit door Smit gebouwd. De transformator heeft een vermogen van 725 MVA ( naar IEC 798 MVA) en een HS van 150 kV.

In 1993 bouwt Smit voor de SEP t.b.v. het project Zwolle/Eemshaven twee spaartransformatoren 750 MVA, 380 / 220 / 50 kV. Eén transformator is bestemd voor Meeden, een plaatsje in een drassig veengebied met slechts één smalle weg, omgeven door twee sloten naar het station. Deze transformator is qua bouwgrootte te vergelijken met een "volle" transformator van ca. 600 MVA. Het is aan de grote kundigheid van de transporteur te danken dat de weg het gehouden heeft en de transformator heelhuids zijn bestemming bereikt heeft.

Geen transformator technische ontwikkeling maar wel één op transport gebied die het mogelijk maakt nog grotere eenheden voor moeilijk bereikbare locaties te bouwen. Het is te vergelijken met de in hoofdstuk twee genoemde problemen met een 4 MVA transformator in 1916.

1995: een memorabele doorbraak. Arizona Public Services / USA koopt bij ons een 525 kV transformator met een vermogen van 300 MVA. Voor het eerst begeven we ons op dit spannings niveau en met succes er volgen er meer, zie hieronder.

1996: na Arizona Public Services volgt Ontario Hydro / Canada met een 750 MVA, 500 / 230 / 24 kV transformator.

2000: het jaar van de dwarsregelaar. Na vele co-engineerings sessies komt bij TenneT een functionele specificatie tot stand voor twee dwarsregeltransformatoren voor het station Meeden, iedere DRT moet een doorgaandvermogen krijgen van 1000 MVA, een hoek van 30 grd. en een overzetverhouding van 400 / 400 kV.

Smit Transformatoren kiest (i.v.m. maakbaar-,beproef- en transporteerbaarheid) voor één fase eenheden waarin het regel- en seriegedeelte in één kast is ondergebracht met een symmetrische regeling (de overzet verhouding is hierbij onafhankelijk van de regelhoek). De regel- en seriewikkeling van de éénfase eenheden zijn op 120 kV niveau d.m.v. kabels met elkaar verbonden.

Dit project verloopt in eerste instantie niet geheel vlekkeloos maar wordt uiteindelijk toch naar volledige tevredenheid van de klant afgerond. Destijds waren dit wereld grootste DRT’s.

Erik de Vries