Artikelen Smit Trafo

De energietransitie is de overstap van fossiele energie naar duurzame energie zoals zon, wind en water. Je hoort uitspraken zoals “vandaag is wel 80% van de elektriciteit duurzaam opgewekt”. Die elektriciteit wordt “ergens” opgewekt maar de gebruiker is “ergens anders ver weg“. De elektrische energie dient op elk gewenst moment bij elke gebruiker te komen, en de vraag is dan ook: hoe regel ik dan het transport. Denk eens aan het volgende realistische scenario: Het is bewolkt en windstil in Nederland, maar het waait flink in de Oostzee bij Duitsland. Het elektriciteitstransport over al die parallelle hoogspanningslijnen mag nergens leiden tot een overbelasting.
De eerste stap naar een oplossing is het net nog verder verzwaren. Als er nu ergens een 30 MVA transformator moet worden vervangen, dan heeft de nieuwe transformator een vermogen van 80 of 100 MVA. Staat er al een 500 MVA koppelnettransformator, zet er maar 2 extra naast.
De tweede stap is het inzetten van de dwarsregeltransformator. Deze transformator kan de energiestromen over parallelle lijnen optimaal regelen en zo het totale elektriciteitstransport maximaliseren. We gebruiken meestal het woord dwarsregelaar, dat spreekt en schrijft wat gemakkelijker.
Een dwarsregelaar was vroeger zelden nodig. Dit stukje geschiedenis van Smit begint daarom pas in 1995, want toen werd pas de eerste dwarsregelaar geleverd. De ontwikkelingen gaan heel snel, mede gestimuleerd door de energietransitie. Een dwarsregelaar is eigenlijk een normale transformator met kern en wikkelingen, alleen de wikkelingen zijn anders geschakeld. Het lijkt simpel, maar dat heeft wel veel invloed op het elektrisch en mechanisch ontwerp. Het is een technische uitdaging om een dwarsregelaar te maken door de beperkingen van zowel de regelschakelaar als het transport.
Twee praktijksituaties in Nederland worden beschreven waarbij een dwarsregelaar de oplossing was. Dat was in het 150 kV net van EZH in Zuid-Holland en in de 400 kV verbindingen naar Duitsland bij Meeden in Groningen.  

De dwarsregelaar, wat is het?
De regeltransformator ( zie bijlage A ) is al langer bekend en wordt veel toegepast in het 10 kV net. Die maakt een regelbare spanning die in fase is met de netspanning ( zie fig A.3 en A.4 ). Er zijn twee mogelijkheden om dat te doen, namelijk een directe en een indirecte ( zie fig A.1 en A.2 ) Een dwarsregelaar is een transformator die een regelbare spanning maakt die 90 graden in fase verschoven is t.o.v.de netspanning. Er zijn 4 mogelijkheden om dat te doen, maar welke wordt het?
We laten alleen de twee keuzes zien van de dwarsregelaars die in Nederland staan. 

Het eenvoudigste is de asymmetrische directe regeling ( fig 1 ). Als de dwarsspanning (horizontale rode pijltje) groot is t.o.v. de netspanning, dan is het verschil in ingaande (rode verticale pijl) en uitgaande spanning (schuine zwarte pijl) te groot. Je kunt ook zeggen dat de fasehoek ( phase shift in het engels ) boven een bepaalde grens komt. Je moet dan overstappen op een symmetrische directe regeling, die heeft dat nadeel dan niet.
De dwarsspanning van de regelwikkeling is in fase met de hoogspanningswikkeling die tussen de ander fasen zit. Deze twee groen omcirkelde wikkelingen ( zie fig 1 ) zitten om dezelfde kernpoot, alleen je maakt “gewoon” andere verbindingen in de transformator. Je ziet dat de regelwikkeling met bijbehorende bekabeling en de regelschakelaar rechtstreeks aan het net “hangen” en dus daarvoor ook geschikt moeten zijn.

De regelwikkelingen hebben samen géén sterpunt en daardoor is er één regelschakelaar per fase nodig. Je hebt dus 3 eenfase regelschakelaars bij een asymmetrisch ontwerp en 6 bij een symmetrisch ontwerp. Je snapt wel dat deze laatste oplossing de voorkeur geniet van de regelschakelaar fabrikant. Kijk maar eens naar de dwarsregelaar voor de USA ( fig 3 ). De kern en de wikkelingen zitten “verstopt” achter de regelschakelaars. Het typevermogen ( zie bijlage C ) is nog wel 350 MVA. De afmetingen van kern met wikkelingen zijn best groot, met een hoogte van 3,8 meter en een lengte van 6,5 meter.

Bij de directe regeling heeft de regelschakelaar een hoge nominale spanning naar aarde. Als de nominale spanning groter is dan 230 kV, dan is er gewoon geen regelschakelaar die dat kan hebben. Je moet dan kiezen voor een indirecte regeling.
De indirecte regeling bestaat uit twee transformatoren en die kunnen ook niet altijd in een kast. Er is een kast met de regeltransformator en een met de serietransformator. Tussen de kasten zijn totaal vier olie gevulde verbindingen. Drie daarvan zijn voor de hoogspanningskabels tussen serie- en regeltransformator en een bevat 3 kabels voor aansluiting tussen de in ster geschakelde regelwikkelingen en de in driehoek geschakelde bekrachtigingswikkelingen.

Optimaliseren van de ongelijke belasting van 2 parallelle kabels in Zuid-Holland.
Een nieuwe 150 kV kabelverbinding wordt aangelegd tussen Delft en Rotterdam ( zie fig 4 - zwarte pijltje ). Die kabel, met een 4 keer zo hoge capaciteit, staat parallel aan een oude olie-druk kabel ( rode pijltje ). EZH bestelde in 1995 de eerste dwarsregelaar bij Smit, waarbij Piet Grool van EZH de grote initiator was. Die dwarsregelaar wordt in serie gezet met de oude kabel om zo de stroomverdeling te optimaliseren en om de elektrische verliezen in het net te reduceren. Het doorgaand vermogen is 300 MVA met een hoek van 10o. ( zie fig 1 voor het schema). Een seriesmoorspoel moest toegevoegd worden om de kortsluitstroom te beperken, dit vanwege een beperking van de regelschakelaar.

Import van windenergie uit Duitsland via Meeden in Groningen

In het verleden werd de elektriciteit opgewekt in de buurt van de gebruiker. Er was wel een 400 kV koppelnet. Dat hoefde alleen maar de elektriciteitscentrales en de afzonderlijke 150 kV netten van de provinciale elektriciteitsbedrijven met elkaar te verbinden. In geval van een probleem kon men elkaar bijstaan en dan vond er pas echt energietransport plaats over het koppelnet. Er zijn ook een vijftal koppelingen met de twee buurlanden ( zie fig 8 ) om elkaar internationaal te kunnen bijstaan.
Dit koppelnet kreeg steeds meer de functie van transportnet, mede door de liberalisering van de energiemarkt. Het 400 kV net is toen al in grote mate verzwaard, maar er is nog steeds een onbalans in het energietransport over de verbindingen. Deze onbalans tussen bestaande parallelle verbindingen wordt een probleem door de steeds grotere vermogens die getransporteerd moeten worden. De oplossing was het plaatsen van twee dwarsregelaars bij Meeden in Groningen. ( zie fig 9 ). De
importcapaciteit nam daardoor toe van 3600 MW naar 5000 MW. Smit bouwde hiermee in 2001 de grootste dwarsregelaars ter wereld.

Het type vermogen van 644 MVA ( zie ook bijlage C ) is zo groot dat je twee regelschakelaars per fase nodig hebt. Een 400 kV regeltransformator van 644 MVA met zes regelschakelaars is te zwaar en te groot om zelfs in Nederland te transporteren. De beste oplossing is om over te stappen op eenfase eenheden. Smit is ( nog steeds ) de eerste in de wereld die deze heeft stap gezet, met als resultaat de grootste dwarsregelaar van de wereld.
Een eenfase schakelaar is “gewoon” een driefase schakelaar. Je zet de drie contacten van de drie fasen parallel en de stroom door de regelschakelaar is dan 3 keer zo groot. Je moet dan wel zorgen voor stroomsturing over de contacten, want de drie contacten dienen ten allen tijde dezelfde stroom te voeren. Een stroomstuurtransformator in serie met de 3 contacten zorgt daar voor.

De serietransformator en bijbehorende regeltransformator van een fase zitten samen in een kast. De 400 kV verbinding tussen serie- en regeltransformator blijft dus in de kast zelf. Als de driefase regel- en serietransformator in aparte kasten zouden zitten, dan moet je de verbinding ook in het veld maken. Dat laatste is niet zonder risico. De verbindingen voor de regel- en bekrachtigingswikkelingen worden hier gemaakt met kunststof hoogspanningskabel en bijbehorende kabel-eindsluitingen. Dit is een beproefde oplossing in de kabelwereld en is mechanisch en constructief flexibel.
In de ontwerpfase waren Tom Manders van de Kema en Jos Kanters van Tennet zeer intensief betrokken. Dit ontwerpconcept is uniek in de wereld en de betrokkenheid van klant en onafhankelijke experts is dan zeer waardevol. De kans dat je iets vergeet of ten onrechte negeert wordt zo een stuk kleiner.

De toekomst

De eerste conclusie is dat dwarsregelaars het elektriciteitstransport optimaliseren en de netverliezen reduceren. Het inzetten van dwarsregelaars levert zowel technische als economische voordelen op.
De EZH en Tennet dwarsregelaars waren de voorlopers van de velen die nog zouden volgen. De referentielijst tot 2017 is al lang en bevat zo’n 40 dwarsregelaars. Die zijn geleverd aan klanten in de USA, Engeland, Denemarken, Zwitserland en Frankrijk.
De energietransitie is pas net begonnen en de vermogens in de netten blijven toenemen. De behoefte aan de regeling van de vermogenstransporten zal ook toenemen, want er zullen nieuwe lijnen gebouwd moeten worden die parallel staan aan bestaande. De behoefte aan meer en grotere dwarsregelaars zal dan ook toenemen en dat betekent nog meer leuke technische uitdagingen voor de technici van Smit. Je ziet dat Smit mee blijft spelen in de top van de transformator champions league.
Het maximale vermogen van een dwarsregelaar wordt beperkt door de maakbaarheid en transporteerbaarheid. Smit maakt dus ontwerpen die op de grenzen van de technische mogelijkheden liggen. De uitdagingen worden dus nog uitdagender.
De bestaande regelschakelaars en doorvoeringen hebben een ook hun limiet. Twee regelschakelaars in serie zetten is al bekend, maar meer dan twee….. Die uitdaging is dan ook weer voor Smit als transformatorfabrikant.
Je ziet : Als technicus hoef je niet te vervelen bij Smit, uitdagingen genoeg!! 

Bijlage A

De 10 kV regeltransformator – hoe was dat ook alweer?

Er zijn twee ontwerpkeuzes bij een normale regeltransformator en dat is niet anders dan bij een dwarsregelaar. 

1. De directe regeling. Je hebt maar een transformator maar de grote netstroom loopt door de regelschakelaar en de regelwikkelingen, wat een nadeel kan zijn.
2. De indirecte regeling. Je hebt twee transformatoren. De regeltransformator ( exciter unit in het engels ) die bestaat uit een regelwikkeling en een hoogspanningswikkeling. De serietransformator ( series unit in het engels ). Die laatste bestaat uit een
   bekrachtigingswikkeling die verbonden is met de regelwikkeling en een seriewikkeling waarvan de beide einden aan het net zitten. Je hebt nu vrijheid om de stroom door de regelschakelaar optimaal te kiezen. Het voordeel is de simpeler bekabeling op een veel lager spanningsnivo. Het nadeel is het hogere verlies.

Er is in 2019 al een verhaal geschreven over de nettransformator. Er stond daar ook een stukje in over de regeltransformator. Ik herhaal even de foto’s en schema van een directe en indirecte regeling.
(https://willemsmithistorie.nl/wsmittransformatorenfabriek/artikelen-smit-trafo/889-denettransformator-en-de-energietransitie )

Bijlage B Het transport over twee parallelle lijnen – hoe werkt dat?

Twee knooppunten in het net met spanning Us en U1 zijn met elkaar verbonden via twee lijnen ( zie fig B.1 ). Elke lijn heeft zijn eigen inductieve impedantie zoals een spoel. De stroom zal zich verdelen en de laagste impedantie voert de grootste stroom. Je wilt de stromen balanceren, dus I1 iets groter maken en I2 iets kleiner. Ik plaats nu een regelbare spanningsbron E in een van de lijnen. Die spanningsbron maakt een circulatiestroom Ic en die heft de onbalans op ( zie fig B.2 ). Het circuit van de circulatiestroom is inductief, dat betekent dat de spanningsbron 90 graden in fase verschoven is t.o.v. van de voedende spanning. De spanning E staat dus dwars op de voedende spanning en is bovendien regelbaar. Je snapt nu de naam dwarsregelaar.

Bijlage C Het typevermogen

Hoe groot is nu een (dwars)regelaar in vergelijking met een normale transformator? De maat om dat te vergelijken is het vermogen in MVA. Het vermogen van een (dwars)regelaar wordt gedefinieerd als de nominale (dwars)regelspanning [kV] * de nominale stroom [ kA] * het aantal fasen [ 1 of 3 ]. Anders geformuleerd: Doorgaand vermogen * regelspanning/ nominale spanning. Bij een kun je dat schrijven als: Het doorgaande vermogen * sinus (fasehoek).
Men noemt dat het typevermogen. Dat is het beste te illustreren met een paar getallenvoorbeeldjes.

De 10,6 kV regelaar in bijlage A. Het doorgaande vermogen is 23 MVA en de regelspanning is 0,9 kV. De nominale stroom is 23/(10,6*√3) =1,25 kA. Het typevermogen is dan 0,9/√3 * 1,25 * 3 = 2 MVA ( anders geformuleerd : 23 x 0,9/10,6 = 2 MVA ). Je snapt nu wel waarom de regelschakelaar grotere afmetingen heeft dan de regel- en serietransformator.

De dwarsregelaar van EZH. Asymmetrische directe regeling ( zie fig 1 ). Het doorgaande vermogen is 300 MVA en de maximale hoek is 10o. Het typevermogen is dan 300 MVA x sin(10) = 52 MVA. Niet zo veel vermogen, maar de nominale spanning is wel 150 kV.

De dwarsregelaar voor Tennet in Meeden. Symmetrische indirecte regeling. ( zie fig 2 ). Het doorgaande vermogen is 1000 MVA en de maximale hoek is 37,6o. Het typevermogen is dan 1000 MVA x 2 x sin(37,6/2 ) = 644 MVA. Dat is behoorlijk veel en ook nog bij een nominale spanning van 400 kV. Ter vergelijking : Een normale 500 MVA - 400 kV koppelnettransformator van Tennet heeft een regelbereik van 60 kV ( 15% dus ). De regelwikkelingen van de 3 fasen hebben gezamenlijk een vermogen van 500 MVA * 60/400 = 75 MVA. De regelwikkelingen van de dwarsregelaar bij Meeden hebben een vermogen van 644 MVA. Dat is dus ca 8,5 maal zo veel als “normaal” en dat is niet niks!!. De regelwikkeling is daardoor veel groter en complexer en je hebt daarbij ook nog eens in totaal zes regelschakelaars nodig in plaats van eentje.