Shunt spoelen – verleden, heden en toekomst

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.

Lees meer

Smit maakt ( bijna ) alles – bijzondere spoelen

De jaren vijftig en zestig, dat was de tijd van onderzoek naar de toepassing van kernenergie. Het splijten van zware atoomkernen wordt toegepast in de huidige kerncentrales. Het fuseren van waterstof kernen wil men toepassen voor toekomstige kernfusie centrales. Dit onderzoek vindt plaats bij diverse wetenschappelijke instituten en universiteiten in Nederland. Je hebt wel sterke magnetische velden nodig bij kernfysisch onderzoek. Het verloop van het magnetische veld moest wel aan allerlei eisen voldoen. Dat was afhankelijk van het soort onderzoek dat men deed. Als je wist hoe het verloop moest zijn, ging je van daaruit de vorm van de spoel(en) bepalen. Je hebt vaak wel een combinatie van spoelen nodig om het juiste magnetische veld te maken. Als je de vorm van de spoelen wist, ging je een fabrikant zoeken die spoel(en)  kan maken.

De wetenschapper ontwerpt de spoelvorm, maar is die ook maakbaar?. Het is logisch dat men bij Smit Transformatoren uitkwam met de vraag:  “Kunnen jullie een spoel voor ons wikkelen met zo’n vorm en die eigenschappen”. Smit kon dat natuurlijk, want voor een technische uitdaging werd niet weggelopen.

Het maken van een wikkeling vereist het nodige vakmanschap van de wikkelaar. Het zetten van de uitlopers, het “vasthouden” van de eerste winding(en), het maken van laag- dan wel schijfovergangen, etc.  De kwetsbare elektrische isolatie van de geleider mag daarbij niet beschadigen. De wikkelbank dient ook zonder schokken aan te lopen en te remmen, want anders komen de windingen los te zitten. Dit alles is bij Smit al aanwezig voor het maken van wikkelingen voor transformatoren. 

Opm : De begrippen “wikkeling” en “spoel” worden vaak gewoon door elkaar gebruikt. Bij een wikkeling denken we aan een deel een apparaat, zoals een transformator. Bij een spoel denken we aan een losse component, die je gewoon als onderdeel kunt kopen. 

In onderstaande foto’s geven een goed beeld te zien van de variatie in spoelvormen die gewikkeld werden. Informatie van de opdrachtgever(s) en de toepassing van de spoel is zoveel mogelijk vermeld. Soms resteert helaas alleen de foto. Mochten sommige lezers nog informatie hebben, laat het dan even weten. Dan zetten we de tekst erbij.

Dit verhaal geeft al snel een opsomming in een chronologische volgorde. Het ontwerp en constructie van deze spoelen lag vaak op de grens van wat op dat moment mogelijk was. Dat alles was voor Smit natuurlijk een uitdaging. Dit verhaal laat dan ook een beeld zien van de technische kwaliteiten van de medewerkers van Smit, van ontwerpers en constructeurs tot wikkelaars en monteurs. 

Betatron voor afdeling Technische Physica van de TU Delft geleverd in 1950/51 

Dit project omvat een watergekoelde spoel voor de betatron met daarbij een magnetische sluitjuk.      

Lees meer

Uniek onderzoek aan kortsluitvastheid van transformatoren door Boersma en Wildeboer

Als er een kortsluiting is in het elektriciteitsnet gaat er een grote stroom lopen, de kortsluitstroom.  Deze stroom gaat dan ook door de transformator en die dient daar tegen te kunnen.  Deze grote stroom resulteert namelijk in grote Lorentz krachten in de wikkelingen.

• De HS ( hoogspannings) wikkeling ondervindt een radiale kracht naar buiten toe en wil dus een grotere diameter krijgen. Die drukkracht is goed te beheersen, denk maar aan een plastic fles waarin je lucht blaast. Blijft mooi heel en rond.
• De LS ( laagspannings) wikkeling ondervindt een radiale kracht naar binnen toe en wil dus een kleinere diameter krijgen. Die vacuümkracht is moeilijk te beheersen, denk maar als je de lucht uit een plastic flesje zuigt.  De fles gaat plotseling ergens veel vervormen en dat noemt men knikken ( zie fig 2  maar kijk ook eens op youtube – buckling of plastic bottle ). Het vereist uitvoerige proeven ( zie fig 1 ) om ontwerp criteria te bepalen voor de radiale kortsluitvastheid van LS-wikkelingen. 

Fig 1   De kop van het artikel. Gepubliceerd in 1962 op een internationaal congres van Cigre	Fig 2  Knikvormen van de LS wikkeling. Het zeesterren tussen alle spiëen en de willekeurige knikvorm met een spie als “draaipunt”.

Fig. 3   Zo ziet knikken er ook uit als de rails te heet wordt en dan uitzet. Als de rails niet kan uitzetten dan ontstaat in het staal een grote drukspanning. Als de druk te hoog wordt, knikt de rails.
( zoek voor “leuke” foto’s op internet naar : knikken van spoorrails)  --->

Het kortsluitapparaat – een revolutionair idee van R. Boersma en J. Wildeboer           

Boersma en J. Wildeboer (zie foto) bedachten een apparaat dat hetzelfde magnetische veld maakt in de wikkelingen als bij de kortsluitstroom. Je krijgt dan dezelfde kortsluitkrachten, maar in dit apparaat hebt je maar een klein stukje hoogte van de wikkelingen nodig.

Het werkt als volgt : Je wikkelt twee dubbelspoelen met een totale hoogte van 90 mm en een gemiddelde diameter van 770 mm. Dat vormt de LS-wikkeling. De HS-wikkeling maak je ook zo maar dan met iets sterkere geleider en met een gemiddelde diameter van 890 mm. Je hebt zo een “schijfje” uit de wikkelingen, maar veel goedkoper en ook veel gemakkelijker te beproeven. Deze wikkelingen zitten opgesloten in een “kern” waarbij hetzelfde magnetische veld ontstaat als in de transformator. ( zie fig 4 en fig 9 ).

Deze “kern” bestaat uit een onder- en bovenjuk ( zie fig 5 ). De LS wikkeling is gepositioneerd op het onderjuk. Het zit om een kern van kernblik met een houten opvulring. ( zie fig 6 ) Zo simuleer je de kern van de transformator en de afsteuning van de LS wikkeling op de kern via kernspieën. De HS wikkeling zit gemonteerd tegen het bovenjuk en aan de buitenzijde van de HS wikkeling zit een cilinder van kernblik. Zo kan het magnetische veld zich goed sluiten ( zie fig 9 ).

Lees meer

Kortsluitstroom begrenzende smoorspoelen

Als ik thuis een kortsluiting maak, dan gaat er een grote stroom lopen. Als die stroom niet afgeschakeld wordt, dan kan er plaatselijk veel hitte ontstaan en ontstaat er vaak een brand.
Je kunt de stroom afschakelen met een zekering. Dat heette vroeger een stop en dan sloegen dus de stoppen door. Als een stop doorgeslagen was, moest je er een nieuwe indraaien. Je had dan ook altijd reserves in huis. Tegenwoordig is dit vervangen door een schakelkast. Veel veiliger en handiger, want je hoeft geen reserve onderdelen meer in huis te hebben.

In het elektriciteitsnet gebeurt nu hetzelfde, alleen kunnen de kortsluitstromen zo groot zijn dat onderdelen in het net beschadigd zijn alvorens de stroom is afgeschakeld. In de steden waren vroeger de generatoren van de elektriciteitscentrales direct gekoppeld aan het 10 kV net. Zo’n sterke voeding zorgde voor hoge kortsluitstromen. Tegenwoordig zit er een machine-transformator met een grote impedantie tussen de generator en het elektriciteitsnet. Die transformeert dan van de generatorspanning van ca 20 kV naar het hoogspanningsnet met 150 kV dan wel 400 kV, wat leidt tot een veel kleinere kortsluitstroom in het net.

Het was dus zaak om deze kortsluitstroom te beperken door een impedantie in het circuit op te nemen in de vorm van een smoorspoel. In de zeventiger jaren, met de komst van de warmtekrachtkoppelingen, werden er meerdere kleine generatoren tegelijk aangesloten op het 10 kV net. Daardoor was er kleine opleving in de marktvraag voor seriesmoorspoelen.

Fig 1  Uit de krant van NRC (1933) bij het opleveren van een schakelhuis in Tilburg.  Fig 2 Reclamefolder-Smit Transformatoren 1929 (klik op de foto of artikel om te vergroten).

Deze smoorspoelen moeten dan natuurlijk zelf niet bezwijken bij een kortsluitstroom.  De spoel kan op dit aspect gekeurd worden bij de Kema in Arnhem, door middel van een kortsluitproef. Door de kortsluitstroom ontstaat er zeer groot magnetisch veld, wat leidt tot grote Lorentzkrachten op de draden in de spoel. De spoel moet daarom in zijn geheel een stabiele mechanische constructie zijn 

De beton smoorspoel. 

Lees meer