Artikelen Smit Trafo

De hoogspanning beproevingstransformator.

Je koopt een transformator en je wilt er wel zeker van zijn dat hij meer dan 30 jaar goed blijft functioneren. Een simpele vraag, maar hoe bepaal je dat? In de beginjaren van het elektriciteitsnet was het al duidelijk: Je moet alle componenten elektrisch beproeven; Transformatoren, kettingisolatoren, kabels vermogensschakelaars, scheiders, etc……….. Je wilt er zeker van zijn dat ze vele jaren de nominale spanning kunnen houden. Deze componenten dienen ook nog eens bestand te zijn tegen een veelvoud van schakeloverspanningen en bliksemspanningen.
De fabrikant was in het allereerste begin aangewezen op beproeving met wisselspanning. Men beproefde met een veel hogere wisselspanning ( 2 tot 4 keer de nominale spanning ) gedurende een korte tijd ( ca 1 minuut ). De hoogte en de tijdsduur van de proefspanning legde men later vast in internationale normen. Deze proef werd dan voorgeschreven in de bestelling.

Wat is de aangelegde spanning?

Het is eigenlijk heel simpel. Op een punt sluit je de wisselspanning aan en op een ander punt is de spanning nul volt, want dat punt leg je aan aarde. Er is GEEN elektrisch geleidende verbinding tussen deze twee punten in de vorm van een koperdraad. Je legt de spanning dus gewoon aan.
Er loopt toch een wisselstroom, want tussen deze punten is er wel een capaciteit. Denk maar aan een condensator, die bestaat uit twee metalen platen die elektrisch geïsoleerd zijn van elkaar. Je legt een plaat aan een wisselspanning en de andere plaat leg je aan aarde, dan gaat er een stroom lopen. De grootte van die stroom wordt bepaald door de capaciteit ( uitgedrukt in Farad ). Ter illustratie : Een hoogspanningslijn ligt aan spanning en de grond is een elektrisch geleidend aardvlak. Er is dus een capaciteit tussen hoogspanningslijn en aarde. Men noemt dat een parasitaire capaciteit, want hij is niet gewenst.

Beproeven met de aangelegde spanning.

Voor het beproeven met een aangelegde spanning heb je een beproevings-transformator nodig. Je moet daarbij denken aan een transformator met een zeer hoge nominale spanning van 1000 kV ( een miljoen Volt ) en een lage nominale stroom van ongeveer 1 Ampere. Het vermogen is dan maar 1000 kVA en dat is net zoveel als een transformator in een transformatorhuisje op de hoek van de straat. De afmetingen zijn echter heel wat groter ( zie fig 13 en fig 23 ).

Het beproeven van een transformator met de aangelegde spanning is wat ingewikkelder dan bij een vermogensschakelaar of kettingisolator. Alle aansluitklemmen van bijvoorbeeld de hoogspanning worden met elkaar doorverbonden en hierop wordt de proefspanning aangelegd. Alle andere onderdelen, zoals kern, kast, laagspanningswikkelingen zijn dan aan aarde gelegd. Je beproefd nu wel de elektrische isolatie van die hoogspanningswikkeling t.o.v. zijn hele omgeving. Je hebt wel last van de parasitaire capaciteit tussen de hoogspanningswikkeling en zijn omgeving. Een transformator beproeven met een hoge wisselspanning is trouwens niet zo moeilijk. Je sluit op de laagspanning “gewoon” een 2 keer zo hoge wisselspanning aan en de hoogspanning is dan ook 2 keer zo hoog. Je induceert dan een hoge spanning. Je hebt dan alleen een aangelegde proefspanning nodig voor het sterpunt van de transformator en die proefspanning is veel lager dan de proefspanning aan de hoogspanningskant.

Het niet-lineaire gedrag van de isolatiewaarde

De elektrische isolatiewaarde van een materiaal is niet-lineair. Als voorbeeld: Voor 100 kV heb je een afstand nodig van 50 mm, voor 200 kV is dat al 135 mm maar voor 400 kV is dat al 350 mm.
De oplossing is het opsplitsen van de constructie in delen, om zo de afmetingen te beperken. Je kunt isoleren voor 400 kV met één stuk van 350 mm of met 4 stukken van 50 mm in serie. Je ziet, dat scheelt heel wat millimeters.
Je kunt het vergelijken met het beklimmen van de Mount Everest. Men splitst de route naar de top in stukken. De stukken zijn verbonden via kampen en je klimt van kamp naar kamp tot je de top bereikt hebt. Je boordeelt elk stuk op de risico’s en de haalbaarheid. Een lang stuk met allerlei haarspeldbochten is vaak veiliger en gemakkelijker dan een kort maar steil stuk.

Een beproevingstransformator voor de TU Eindhoven ( jaar 1960 )

Een beproevingstransformator met een “hoge” spanning van maar 100 kV ( zie fig 1 en fig 2 ) is wel wat gecompliceerder qua wikkelingsopbouw maar is nog redelijk te doen. De transformator heeft een twee poots kern. De laagspanningswikkelingen staan parallel. De hoogspanningswikkeling bestaat uit vier stukken die in serie staan. Dit gebeurt op zo’n manier dat de spanningsverschillen tussen de afzonderlijke stukken zo laag mogelijk zijn ( zie fig 3 ).
Elk stuk hoogspanningswikkeling bestaat uit negen, een beetje verschoven lagen ( zie ook fig 3 ). Er staat wel 25 kV over het zo’n stuk, maar de afstand tussen begin en eind is nu veel groter door het verschuiven. Linksboven op poot I begin je met 0 kV en na 9 lagen heb je 25 kV. Je schakelt dat in serie met een volgende lagenwikkeling rechts op poot II die de spanning verhoogt van 25 kV tot 50 kV. Die staat weer in serie met een wikkeling op poot I en daarna weer een op poot II. Zo krijg je een spanning van 100 kV, maar de spanning tussen wikkelingen is nooit meer dan 50 kV. Dit principe is al eerder toegepast op een 300 kV transformator voor eigen gebruik. ( Zie fig 4: uit het boek: “100 jaar SMIT transformatoren – pag 71 en 72 ).
Dit ontwerp is wel complex, maar resulteert wel in een laag gewicht. Een gewichtsbeperking was waarschijnlijk de reden voor dit ontwerp.



Als de nominale spanning van de beproevingstransformator hoger wordt dan 500 kV, dan wordt het ontwerp een stuk gecompliceerder. Dat is wel te zien aan de foto’s van fig 6 t/m fig 8. De doorvoering zit gemonteerd aan de kastwand. Zo heb je een kleinere kast nodig en zit de hoogspanningsaansluiting niet zo hoog boven de grond. Je kunt nu met de hoogwerker gemakkelijker bij de doorvoering.



Soms is er geen doorvoering beschikbaar is voor zo’n hoge spanning. Een mogelijke oplossing is het in cascade ( in serie ) zetten van transformatoren. Volgens Wikipedia : Cascade kan verwijzen naar een getrapte waterval. Een aantal watervalletjes achter elkaar dus.

De cascade schakeling van transformatoren

Het principe: Je zet drie transformatoren naast elkaar. Elke transformatoren heeft zijn eigen ijzeren kast en een doorvoering die geschikt is voor 175 kV. De eerste kast staat op de grond en is geaard. De laagspanningswikkeling bekrachtigd de hoogspanningswikkeling tot 175 kV. De tweede kast staat op steunisolatoren en verbind je elektrisch met de hoogspanning van de eerste transformator. De kast staat dus op een spanning van 175 kV.

Deze transformator verhoogt de spanning van 175 kV naar 350 kV, maar de doorvoering ziet maar een spanningsverschil van 175 kV. De derde kast staat op lange steunisolatoren en staat op een spanning van 350 kV. De derde transformator verhoogt de spanning vervolgens naar 525 kV. Elk voordeel heeft echter zijn nadeel. Je hebt een doorgeefwikkeling nodig in elke transformator. Die voedt de laagspanningswikkeling van de volgende transformator, maar heeft wel een spanning ten opzichte van aarde van 175 kV. ( zie principeschema in fig 12 en details in schema van fig 22 ). 



De cascade schakeling van wikkelingensets in één olievolume.

Je redt het niet met zo’n soort cascade schakeling van transformatoren, als de spanning nog hoger wordt. Je hebt dan ZES transformatoren nodig om 1000 kV te maken en dat is zeker niet praktisch. Er speelt ook nog iets anders, namelijk de parasitaire capaciteiten, zowel binnen in de transformator als van de transformator naar zijn omgeving. Je hebt normaal geen last van deze parasitaire capaciteiten en je kunt ze dus ook verwaarlozen. Deze parasitaire capaciteiten zijn niet meer te verwaarlozen bij zeer hoge spanning en zeer lage stroom. Ze hebben een grote invloed op het ontwerp en de constructie van de transformator. Om zo maar even te noemen: Je moet de hoogspanningswikkelingen opsplitsen over meerdere kernen. Je moet dit ook al doen vanwege het niet-lineaire gedrag van de isolatiewaarde. Maar elk voordeel heeft zijn nadeel. Het voordeel is dat er nooit hoge spanningsverschillen zijn tussen wikkelingen en de bijbehorende kern zijn. De isolatieafstanden zijn dus klein. Het nadeel is dat de spanning zich niet-lineair verdeeld over de afzonderlijke wikkelingen als gevolg van de parasitaire capaciteiten.
Lage resonantiefrequenties. De coëfficiënt van zelfinductie is zeer hoog vanwege het grote aantal windingen. Een hoogspanningswikkeling van 500 kV, zoals bij de transformator van de TU Delft, heeft 15000 windingen. De parasitaire capaciteit en de grote zelfinductie resulteren samen in een lage resonantiefrequentie. Het gevolg daarvan is weer een spanningsvervorming. Je sluit aan de laagspanningszijde een mooie sinusvormige spanning aan, maar aan de hoogspanningszijde ontstaat dan een vervormde spanning. De vraag is dan : Wat meet je met de voltmeter en waar beproef je de component mee? De oplossing: Verlaging van de zelfinductie en dus verhogen van de resonantiefrequentie.
Dat kan op twee manieren:

  • Je maakt een spleet in de kern van het transformator. Dit is gedaan bij de transformator voor de Kema.
  • Of je plaatst losse spoelen binnen in de transformator. Die spoelen kun je in- of uitschakelen. Dit is gedaan voor de TU Delft.

Beveiligen tegen kortsluitstromen. De component die je beproefd kan elektrisch doorslaan en dan heb je dus een kortsluiting. De kortsluitstroom mag niet te groot zijn, want daar kan de beproevingstransformator niet tegen. Je kunt de kortsluitstroom verlagen door tussen de transformator en het beproevingsobject een dempweerstand te plaatsen. Dat zijn de lange cilinders, het lijken wel sigaren, die de elektrische verbindingen vormen tussen transformator, spanningsmeter en het beproevingsobject. Een andere methode is het gebruik van een snelle ( elektronische ) zekering, die de voeding van de beproevingstransformator afschakelt.



Een hoogspanningsbeproevingstransformator is een essentieel stuk gereedschap van een hoogspanningslaboratorium. Die mag dus niet ontbreken bij een instituut als de Kema of het nieuwe laboratorium van de TU Delft. Smit wil ook laten zien dat ze zo’n transformator kan maken. Een visitekaartje voor de vele bezoekers van Kema en TU. Het ontwerp is een complexe klus en dat is een kolfje naar de hand van Jacques Claessen. Hij is ontwerper op de afdeling Berekening van Smit en is de geestelijke vader van het ontwerp en de constructie van deze beproevingstransformatoren.

De 1000 kV transformator voor de Kema ( ontwerp in 1965 )

Het principe van de cascadeschakeling was al eerder gemaakt door Smit ( zie fig 9 ), maar de spanning moet nu 1000 kV zijn!! De constructie moet anders, compacter en simpeler. De kern met wikkelingen wordt gedraaid, zodat de as van de wikkelingen horizontaal is. De cascade van transformatoren komt dan “automatisch” boven elkaar te staan. ( zie fig 12 ) Deze transformator bestaat uit 2 kernen met elk 2 poten. Om elke poot zit een hoogspanningswikkeling van 250 kV. Dat levert samen 4 x 250 kV = 1000 kV. De eerste hoogspanningswikkeling wordt bekrachtigd door een laagspanningswikkeling aan de buitendiameter, die we nu even bekrachtigingswikkeling noemen. De buitendiameter van de hoogspanningswikkeling zit aan aarde en de binnendiameter op 250 kV. Aan de binnendiameter van de deze hoogspanningswikkeling zit de doorgeefwikkeling. Die laatste levert de energie voor de bekrachtigingswikkeling van de volgende poot.
Die bekrachtigingswikkeling zit nu aan de binnendiameter van de volgende poot. ( zie fig 8 ). De volgende hoogspanningswikkeling verhoogd de spanning van 250 kV aan de binnendiameter naar 500 kV aan de buitendiameter. Daar wikkel je dan de volgende doorgeefwikkeling op. De kern ligt op een spanning van 250 kV. De isolatieafstand tussen kern en wikkelingen kan dus klein zijn. Je hebt alleen 2 x 250 kV = 500 kV tussen de wikkelingen aan de twee buitendiameters.
Een intelligente organisatie van wikkelingen reduceert de spanningsverschillen. Je krijgt zo een “toren” van wikkelingen. Deze hele toren monteer je in een cilindrische constructie gevuld met olie ( zie fig 13 ). Deze cilinder bestaat uit 4 isolatiecilinders die elk 250 kV isoleren. Elektrische afschermelektrodes zitten tussen isolatiecilinders en “sturen” zo het elektrische veld.






De 1500 kV transformator voor de TU Delft ( ontwerp in 1969 ).

Het nieuwe hoogspanningslaboratorium van de TU Delft had ook een beproevingstransformator nodig voor wetenschappelijk onderzoek. De variatie in proeven is groot en het geheel dient dus een grote mate van flexibiliteit te hebben. Er is gekozen voor 1500 kV, opgebouwd uit een cascade van 3 transformatoren van elk 500 kV. Elke transformator heeft een twee poots kern, waarbij maar een poot bewikkeld is ( zie fig 20 van de hoogspanningswikkeling en fig 21 van het actief deel). De ervaring in ontwerp, constructie en productie opgedaan bij de Kema transformator wordt nu benut.
Elke transformator heeft zijn eigen omhulling, dus je hebt eigenlijk 3 beproevingstransformatoren van elk 500 kV die je in cascade kunt zetten ( zie fig 22 en fig 23 ). Elke transformator heeft een luchtkussen onderstel voor het verplaatsen binnen het laboratorium. Je bent dus ook flexibel in het opbouwen van een proefopstelling en het inrichten van het laboratorium.. De wikkelingsopbouw komt overeen met die van de Kema.


De installatie is ingewikkeld en groot. Je “bouwt” een elektrische schakeling en dat doe je niet “even”. Je dient ook kennis te hebben van de beproevingstransformator en de component die je wilt beproeven. Je kunt deze twee niet los van elkaar zien.
Smit heeft twee beproevingstransformatoren volgens dit concept gemaakt en ze staan nog steeds in volle glorie bij de Kema en TU Delft. Dit vormt daarmee ook het bewijs van de flexibiliteit om de kennis en kunde van Smit in te zetten. Smit maakt dit soort transformatoren niet meer. Er zijn maar een of twee fabrikanten in de wereld die ze maken. De marktomvang is nu eenmaal te klein om deze technologie rendabel in te blijven zetten.

Bron: Archief Royal Smit Transformatoren/ Stichting Willem Smit Historie. 

Reacties mogelijk gemaakt door CComment

Cloud tag

Laatste artikelen

Laatste reacties

      LEES MEER

Wie is online

We hebben 190 gasten en geen leden online

Statistieken

Aantal bekeken pagina's
9696280
DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd