Artikelen Smit Trafo

Hoe houd ik spanning uit het stopcontact stabiel? Als hij te hoog is branden de lampen door of worden de zonnepanelen afgeschakeld. Als hij te laag is loopt het motortje van de ventilator niet aan en kan zelfs doorbranden. Er is dus een bovengrens en een ondergrens van de spanning.

Dat is niet alleen thuis bij het stopcontact, maar ook elders in het elektriciteitsnet. De spanning moet stabiel zijn onder allerlei omstandigheden, wel of geen zon op de zonnepanelen, wel of geen wind bij de windmolen, wel of geen koude winterdag. Een oplossing is het gebruik van shuntspoelen. Deze oplossing was al bekend en werd “vroeger” af en toe toegepast.

De energietransitie maakt een veelvuldige toepassing echter noodzakelijk. Het ontwerp, de constructie, de fabricage en de beproeving van een shuntspoel vereisen dezelfde vaardigheden als bij een transformator. Smit Transformatoren is zich intensiever op dit marktsegment gaan richten. Er is nu een redelijke omzet van shuntspoelen, alhoewel in omvang wel geringer dan van transformatoren.  De elektriciteitsbedrijven doen daarmee een aanzienlijke investering voor een betrouwbaar en stabiel elektriciteitsnet. 

Waarom zijn er eigenlijk shuntspoelen? 

De waarde van de spanning in het hoogspanningsnet moet dus binnen zekere grenzen blijven. Niet te laag en niet te hoog. Vroeger was de spanning te regelen door de bekrachtiging van de generator in de elektriciteitscentrale te variëren. Dat was gemakkelijk, want die centrales waren ook nog eens netjes verspreid over het land.

De spanning aan het begin van een lange lijn kan heel anders zijn dan aan het einde en kan dus buiten zijn toegestane grenzen komen. Een laag energietransport resulteert in een hogere spanning aan het eind van de lijn,  ook wel “Ferranti effect” genoemd. Dit is voor het eerst vastgesteld in 1887 ( zie ook Wikipedia ).  Je kunt deze hoge spanning verlagen door een spoel aan te sluiten aan het eind van de hoogspanningslijn.  Zo’n spoel noemt men een shuntspoel of ook wel laadstroom compensatiespoel.   Shuntspoelen bestaan al heel lang, maar men had er niet zo veel behoefte aan. 

De veranderingen in het elektriciteitsnet, zoals vermogenstransporten over grote afstanden en de energietransitie met windparken op zee, maken de inzet van shuntspoelen noodzakelijk.  De netspanning blijft dan overal binnen de toegestane grenzen.

Je gebruikt een shuntspoel wel heel anders dan een transformator. Je schakelt de shuntspoel in als de belasting van het net laag is en dus de spanning aan het einde van de lijn hoog is, bijvoorbeeld ‘s nachts.  De shuntspoel werkt dus als een belasting die kan worden ingeschakeld als er weinig vraag naar energie is. De belasting wordt overdag weer hoog en dan schakel je de shuntspoel weer uit. De shuntspoel wordt dus veel in- en uitgeschakeld en krijgt dus daarom veel schakeloverspanningen te verduren. De spoel wordt ook afwisselend warm en koud. Dit intervalbedrijf is veel zwaarder dan het “rustige” continubedrijf van de transformator.

Wat zijn de kenmerken van een shuntspoel? 

De shuntspoel wordt gekenmerkt door de nominale spanning aan een zijde en een lage spanning aan de andere zijde,  het sterpunt. De nominale stroom is beperkt en de reactantie van de spoel is daarom hoog. Een kortsluitstroom kan er niet lopen, dus kortsluitkrachten zijn niet van toepassing. Het vermogen van de spoel wordt uitgedrukt in MVAr, waarbij de kleine letter r staat voor reactief. Je kunt het berekenen door de nominale spanning te vermenigvuldigen met de nominale stroom en het aantal fasen. 

Twee constructie “principes”   Zonder kernpoot en met kernpoot

Twee regel “principes” voor de stroom door de spoel.  

Je kunt de stroom door de spoel regelen. Je moet dan de reactantie van de spoel aanpassen. Dit kan op de volgende twee manieren: 

  • Met een separate regelwikkeling
    De regelwikkeling is al bekend van de transformator.  Het ontwerp, constructie en productie van een regelwikkeling is voor shuntspoel en transformator hetzelfde.
     
  • Met het veranderen van de “magnetische luchtspleet” bij een kernpoot
    Je kunt de spleet veranderen door de kernpoot uit het magnetisch circuit te hijsen ( zie fig 3 en fig 4 ).  Er zijn grote magnetische krachten die de kernpoot weer in het magnetisch circuit willen trekken. De frequentie van de krachten is 100 Hertz, het dubbele van de netfrequentie van 50 Hertz. Je moet dit maar eens vergelijken met een beton breekhamer, die je in bedwang moet houden door een hijsconstructie. Het geluidsniveau mag daarbij ook nog eens niet te hoog zijn.

Smit Transformatoren heeft dit principe een keer toegepast voor de Staatsmijnen in 1961. Het nominale vermogen was heel klein, 3,45 kV x 80 A x 1 fase =  276 kVAr . Dit vermogen is minder dan een nettransformator die in de transformatorhuisje staat. De geringe marktomvang in Nederland maakte een vervolg niet zinvol. Dit principe werd in Duitsland veel toegepast in het 10 kV net maar wordt tegenwoordig nagenoeg nergens meer toegepast. 

Smit Transformator Service werd eens gevraagd om zo’n spoel  te repareren. Dit was een mooie gelegenheid om wat foto’s te maken en zo wat kennis op te doen.

Wat is  nu een Petersenspoel ( ook wel aardsluitstroom compensatiespoel genoemd )? 

Het sterpunt van een transformator kun je op verschillende manieren aansluiten.

 

Je kunt het direct aarden ( fig 5b ook wel “star geaard” genoemd ), waardoor de spanning op het sterpunt altijd nul is. Het nadeel is dat de kortsluitstromen groot zijn in geval van een eenfase aardsluiting. 

Je kunt het ook vrij laten zweven ( fig 5a ). De kortsluitstromen zijn klein bij eenfase aardsluiting, maar de spanning op het sterpunt kan dan net zo hoog worden als de fasespanning.  

Je kunt het sterpunt ook aarden via een spoel ( fig 5c ook wel “effectief geaard” genoemd ). Het vermogen van die spoel kun je afstemmen op het net. Er loopt dan een lage kortsluitstroom door de aardsluiting. De kortsluitstroom wordt dus gecompenseerd, vandaar de naam aardsluitstroom compensatiespoel. Er bestaat dan een kans dat de lichtboog van de aardsluiting dooft als de netspanning laag is. De aardsluiting verdwijnt dan. Dit principe is ontdekt door Waldemar Petersen in 1917 en gepatenteerd door AEG. 

De spanning over de spoel is nagenoeg altijd nul, maar in geval van een eenfase kortsluiting kan de spanning net zo hoog worden als de fasespanning. Het net staat dan in zijn geheel op een hogere spanning naar aarde, niet ideaal maar de energielevering valt dan in elk geval niet uit. De tijdsduur van die situatie is beperkt, maar kan toch een paar uur duren.  In Nederland is dit principe alleen toegepast na 1945 in het 50 kV en 150 kV net, maar wordt nu steeds minder toegepast. 

Vanuit ontwerp- en constructieprincipes is de aardsluitstroomcompensatie te beschouwen als een eenfase (regelbare) shuntspoel.

Fig 10     Tekening van aardsluitsluitcompensatiespoel voor de P.E.N. ( zie fig 6 t/m fig 9  ) De “berekenaar”  maakte al een uitzet ( schets ) van het actief deel en de magnetische afscherming.

Shuntspoel zonder kernpoot 

De spoelen van de drie fasen werden in het verleden vaak in een cirkel opgesteld. Het boven- en onderjuk was een zogenaamde bandkern. ( zie fig  11 met rode pijl ). Een bandkern wordt gewikkeld van kernblik, waarbij ongeveer 20 blikken tegelijk gewikkeld worden. Je wikkelt als het ware een “spoel” met 20 parallelle “geleiders” ( zie fig 12 ). Het aantal ”windingen” is dus beperkt  . De geïnduceerde spanning in deze “spoel” is dan ook beperkt bij asymmetrische belastingen in het net, zoals eenfase kortsluitingen.

De spoelen werden later in een lijn geplaatst vanwege de transport breedte. Het rechthoekige boven- en onderjuk worden nu gestapeld van kernblik dat over de hele lengte loopt ( zie fig 1 en fig 13 ).

  

Fig 13  75 MVAr -  50 kV shuntspoel uit 2003. Deze wordt  aangesloten op de tertiaire wikkeling van een 500 MVA,  400kV op 150 kV koppelnet transformator. De tertiaire wikkeling heeft een vermogen van 167 MVA.  Deze oplossing is veel goedkoper, neemt minder ruimte in beslag en is bedrijfszekerder dan een shuntspoel van 400 kV met hetzelfde vermogen 

kreeg daarmee een referentie voor 500 kV in de USA. Dit was de opening tot de 500 kV markt.

De som van de magnetische fluxen van drie fasen is nul. Een magnetische sluitweg van boven naar beneden is dus niet nodig bij een driefase spoel. Bij een eenfase spoel ( zoals ook bij een aardsluitstroomcompensatie spoel ) moet de flux zich verticaal sluiten. De kastwand dient voorzien te worden van magnetische afscherming. ( zie ook fig 4, fig 7 en fig 14). 

 

Shuntspoel met kernpoot. 

Deze paragraaf gaat technisch wat dieper. Dit stuk omschrijft een constructie die (waarschijnlijk) het uitgangspunt is voor de onafhankelijke aandrukconstructie. Deze aandrukconstructie voor transformatoren is uniek in de wereld en is een belangrijk technisch verkoopargument. Deze aandrukconstructie wordt in een ander verhaal nader uitgewerkt.

Je kunt deze paragraaf ook overslaan en doorgaan bij de volgende paragraaf: “ De fabricage van shuntspoelen bij Smit– heden en toekomst”. Dat heeft geen gevolgen voor de leesbaarheid. 

Smit heeft ook een paar shuntspoelen gemaakt met een kernpoot. Het betreft twee stuks 7,5  en 2 stuks 5 MVAr  3-fasige spoelen met een nominale spanning van 50 kV ontworpen in 1959 voor de P.E.N. ( Provinciale Elektriciteit maatschappij Noord-Holland ) locatie Bloemendaal.

De grootste shuntspoel met kernpoot werd in 1967 gemaakt voor de SEP.  Het vermogen was 45 MVAr en de nominale spanning 52,5 kV. Een eerste ontwerp is gemaakt in 1967 en beproefd. Hij is uit bedrijf genomen nadat hij  slechts 10 uur in had gestaan. De kern had plaatselijk, te hoge temperaturen.

Er is een nieuw kern gemaakt met dezelfde afmetingen maar anders van constructie. De schijf van de kernpoot was niet meer radiaal gestapeld ( zie fig 20 ). Het bovenjuk was mechanisch en magnetisch in 3 stukken gedeeld. De kracht per poot kon dan onafhankelijk aangebracht worden. Het nadeel was dat het magnetisch veld een spleet moest oversteken in het juk. Bij de afnamekeuring was het verlies van de kern 33 kW. Dat was 17 kW meer dan berekend. De spoel is toch goedgekeurd en eind 1970 in bedrijf gesteld.

In 1973 is een eerste reparatie uitgevoerd. In 1979 is een tweede reparatie uitgevoerd inclusief wijziging van de kern. In 1985  was de spoel weer bij Smit ter reparatie.  De isolatie van de blikpakketten en kernbouten was slecht. Er is toen besloten om de spoel naar de sloper te brengen. Er zijn helaas geen rapportages en foto’s van dit hele proces. 

Smit had dus een beperkte ervaring met shuntspoelen met kernpoten en die ervaring was zeker niet positief. De keuze voor een oplossing zonder kernpoten, zoals bij seriesmoorspoelen, was dus logisch. Dit werd vervolgens ook nog de standaard.  De ervaringen van de SEP shuntspoel ( wat, hoe, waarom, wanneer )  waren niet vastgelegd. Door overlevering werd de leuze : “Spoelen met kernpoten, dat doet Smit niet”.  Zo’n 20 jaar later weet dus ook niemand meer waarom!!   Zie ook : https://www.hansgroenhuijsen.nl/4-fields/apen-en-bananen/               

De fabricage van shuntspoelen bij Smit– heden en toekomst 

Smit heeft besloten om dit deel van de markt weer te betreden gezien de toenemende vraag naar shuntspoelen. Deze shuntspoelen zijn wel een factor groter in vermogen en spanning dan voorheen. Er was toen nog sprake van vermogens van 10 MVAr en spanningen van 50 kV.  Men spreekt nu over vermogens van 200 MVAr en spanningen van 400 kV.

De ontwerpen waren eerst zonder kernpoten, echter dit constructie principe is economisch minder voordelig.  Het toepassen van een kernpoten met spleten en daarbij twee buitenpoten, dus zeg maar een 5 pootskern, werd na 2015 de meest gebruikte constructie ( zie ook fig 2 en fig 22 en fig 23 ). Deze constructie heeft lagere verliezen en is kleiner in volume dan een spoel zonder kernpoot. De kern wordt compleet gekocht als een component. De samenbouw van kern en wikkelingen vindt plaats bij Smit in de afdeling Binnenwerkmontage.

 

De vraag naar shuntspoelen zal alleen maar toenemen. De energietransporten over grote afstanden neemt alleen maar toe. De variatie van de energieopwekking met wind en zon neemt toe, niet alleen in de tijd maar ook in plaats. Een stabiele netspanning is dus ook deel van de uitdagende  energietransitie.

De Tracom – een innovatief idee voor het regelen van reactief vermogen               

Transformatoren in een onderstation staan parallel geschakeld. Men doet dit vanwege een hoge leveringsbetrouwbaarheid van energie en dat noemt men redundantie. Shuntspoelen worden ingezet als de belasting van het net gering is. Deze twee uitgangspunten vormen het idee van de Tracom.  

Twee transformatoren van 150 kV voeden allebei in op de 10 kV. De eerste transformator blijft dat doen en neemt vervolgens de belasting van de tweede transformator over. De tweede transformator blijft aan het 150 kV net “hangen”. De 10 kV zijde wordt omgeschakeld van het 10 kV net naar een 10 kV shuntspoel met behulp van een 10 kV schakelaar ( zie fig 24 ). In geval van een probleem kun je de tweede transformator zo weer omschakelen om het 10 kV net te voeden.

Je gebruikt dus de combinatie van een normale regelbare transformator en een shuntspoel als een regelbare shuntspoel voor het 150 kV net. Je regelt de spanning aan de 10 kV zijde en dus de stroom door de shuntspoel door de regelschakelaar in een andere stand te zetten. Dat alles doe je aan de 10 kV zijde, wat het geheel bedrijfszekerder en goedkoper maakt. Het alternatief is namelijk een regelbare shuntspoel aan de 150 kV lijn, met behorend 150 kV schakelmateriaal.

Uiteraard kan de shuntspoel ook aan de transformator geschakeld blijven als die aan 10 kV geschakeld zit, alleen is de shuntpoel dan niet meer regelbaar omdat de 10 kV constant gehouden moet worden. Dit principe is gepatenteerd, maar slechts een keer toegepast. De transformator met regelschakelaar en shuntspoel stonden in een bak ( zie fig 25 ).

 

Bron: Archief Royal Smit Transformatoren, door: Kees Spoorenberg

 

Reacties mogelijk gemaakt door CComment

Cloud tag

Laatste artikelen

Laatste reacties

      LEES MEER

Wie is online

We hebben 113 gasten en geen leden online

Statistieken

Aantal bekeken pagina's
9445083
DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd