Artikelen Smit Trafo

De energie huishouding van een gemiddeld gezin: verleden - heden - toekomst


Bron: Pixabay (free of copyrights)

Een “gemiddeld” gezin is heden ten dage aangesloten op het aardgas om het huis te kunnen verwarmen en het warme water voor het douchen. De elektriciteit wordt gebruikt voor verlichting, tv en koken en de auto loopt op benzine. Je ziet: Een “gemiddeld” gezin heeft nu drie energiestromen tot zijn beschikking op elk moment van de dag en de opslag van de energie is geen probleem. (zie fig 1). In de nabije toekomst zal dat veranderen en zal er nog zeer waarschijnlijk maar één energiestroom zijn, namelijk de elektriciteit. De huisaansluiting zal dan standaard driefasig zijn. Indien het “gemiddelde” gezin zo overstapt door een warmtepomp te installeren voor verwarming en warm water en men de benzine auto inruilt voor een elektrische auto, dan zal dat grote consequenties hebben voor het elektriciteitsnet en voor de transformator in het bijzonder.

Energietransitie Het “gemiddelde” gezin zal het jaarverbruik zien toenemen van 3000 kWh naar 8300 kWh, dus bijna een verdrievoudiging (zie fig 2). Bij deze vereenvoudigde berekening is trouwens uitgegaan van 100% rendement ( dus geen energieverliezen ), geen verandering in levensstijl en geen extra isolatiemaatregelen aan de woning. Het piekverbruik zal daarentegen veel meer toenemen. In de winter leveren de zonnepanelen nagenoeg geen energie, de warmtepomp draait op vol vermogen en de accu van de auto moet dan ook nog opgeladen worden. In de zomervakantie, op een niet te hete dag, leveren de zonnepanelen veel energie, de meeste auto’s zijn in het buitenland en de warmtevraag is beperkt en de warmtepomp staat dan ook niet in de airco-stand. Er is dus geen piekverbruik, maar een pieklevering. Er is echter nog geen opslagmedium die het teveel aan elektrische energie opslaat voor een tijdstip dat de vraag hoog is, tenzij men daarvoor de accu van de auto’s (niet alleen van je eigen auto maar misschien ook die van de buren) wil gaan gebruiken.

 


Uit deze vergelijking tussen heden en toekomst is wel duidelijk dat het jaarverbruik, maar zeker het piekverbruik, zal reduceren als de woning goed geïsoleerd is en men alleen zuinige elektrische apparatuur gebruikt. Het is zelfs aannemelijk dat je straks meer moet betalen per kWh als je elektriciteit afneemt tijdens de piek, zoals nu al veel voorkomt bij bedrijven. Dat alles betekent dus een vast tarief ( dat hoger is dan nu ) maar aanvullend een flexibel tarief wat lager is in de nacht ( dat kennen we al ) maar veel hoger is tijdens de piekvraag.

Foto elektriciteitshuisje, bron: http://www.electriciteitshuisjes.nl/  ->>

Dit alles zal ook resulteren naar transformatoren met zo laag mogelijke verliezen. Bij dit alles dient men zich te realiseren dat de netspanning van 230 V “slechts” 10% mag variëren. Dus niet lager dan 207 Volt en niet hoger dan 253 Volt. De drie-fasespanning van 400 V mag dan variëren van 360 Volt tot 440 Volt.

De vragen die we nu gaan bekijken, zijn:

  • Wat betekent dat nu voor de nettransformator, als component, die in dat elektriciteitshuisje staat in de wijk?
  • Welke andere oplossingen zijn er nog meer, waarbij een “transformator” noodzakelijk is voor het functioneren?
  • Welke technische uitdagingen zijn er voor de ( jonge ) elektrotechnici met een specialiteit in de elektrische energietechniek?  

De nettransformator in verleden en heden (en ook nog wat toekomst?)

In het verleden was het duidelijk. Elektriciteit wordt opgewekt in centrale’s en vervolgens getransporteerd via het hoogspanningsnet tot het uiteindelijk op 10 kV niveau komt in de wijk. Als er niet veel elektriciteit gebruikt werd in die wijk dan stond de aftakschakelaar in een lage stand, maar als het jaarverbruik veel toenam dan kon de schakelaar een standje hoger gezet worden. Op die manier werd de spanningsdaling gecompenseerd en bleef de 400 V binnen de gestelde grenzen. Er waren natuurlijk toen ook wel pieken in het verbruik. Vroeger was namelijk maandag - wasdag en de fabrieken moesten ook weer opstarten na het weekend, maar dat soort pieken was te overzien. Het resultaat: Nederland staat vol met “dezelfde” nettransformatoren, alleen vermogen en verliezen zijn soms wat anders, maar de functionaliteit is steeds identiek. 


Fabricage nettransformatoren 1960-1970, Bron: bedrijfstotograaf, copyright Smit Transformatoren.

Tot aan WO II had Nederland zeer veel zelfstandige elektriciteitsbedrijven. Iedere stad had zijn eigen Gemeentelijk Elektriciteitsbedrijf (GEB) en het platteland werd bediend door de Provinciale Elektriciteitsbedrijven (PEB). Ieder elektriciteitsbedrijf had zijn eigen specificatie. Dat moest ook wel want in het begin had ieder bedrijf gekozen voor een hoogspanningen die hem het beste uit kwam, zo was er 2,3,4,5,6 en 10 kV bij de laagspanning zag men 220 en 380 V.Op het platteland koos men uit economische overwegingen voor een gering vermogen met een relatief laag nullast verlies en relatief hoog kort sluitverlies, terwijl in de steden een groter vermogen met een relatief lager kort sluitverlies gewenst was. Een allegaartje waarbij slechts standaardisatie per elektriciteitsbedrijf mogelijk was. Hierdoor was het aantal identieke transformatoren klein en kon men niet rationeel (goedkoop) grote series op voorraad bouwen. 

Na WO II kwamen de GEB’s stapsgewijs in handen van de PEB’s welke laatste ook weer samensmolten tot grote interprovinciale bedrijven. De hoogspanningsnetten van 2 t/m 6 kV met allemaal verschillende schakelingen, werden vervangen door voornamelijk 10 kV met in enkele gebieden 20 kV en standaard klokgetallen. (zie ook het artikel van Prof. Dr. Ir. H.G. Nolen uit 1944 over de klokgetallen ). Hierdoor nam het aantal verschillende specificaties sterk af. In 1968 besloten de toenmalige elektriciteitsbedrijven om een Nederlandse Norm trafo in het leven te roepen en deze te bestellen via de Coopra in Rotterdam (destijds een coöperatieve inkoop vereniging voor de openbare nutsbedrijven). Het voordeel van deze constructie was dat de landelijke fabrikanten (Smit en IEO ) grote identieke series op voorraad konden bouwen wat een positief effect beoogde op de kostprijs en de bestel procedure terug bracht tot het eenvoudig afroepen bij de fabrikant waarbij het contract beheer in handen kwam van de Coopra. De basis prijs die voor ieder afnemer gold, werd eens per jaar vastgesteld. Omdat de fabrikanten geacht werden een voldoende voorraad van de meest courante vermogens (100,160,250,315, 400 en 630 kVA) te hebben hoefde de afnemers geen prognoses van de behoefte te maken, hetgeen met de enorme groei van de vraag mede door de uit de grond schietende Vinex locatie vaak erg complex was. De Coopra bestaat al jaren niet meer, want dat was iets uit de tijd van de Nutsbedrijven. De marktwerking heeft nu zijn stempel op de transformator wereld gedrukt. 

De aftakschakelaar

De aftak schakelaar ( ook wel DETC = DeEnergized TapChanger ) mag alleen schakelen als er geen spanning op de transformator staat. Als je dat wel doet ontstaat er een vonk, die de contacten van de aftak schakelaar beschadigen en ook nog eens een interne kortsluiting veroorzaken. In autotermen: Je mag pas schakelen als de auto stilstaat en de motor uitgezet is. Doe je dat niet dan beschadigen de tandwielen in de versnellingsbak en kan zelfs de motor ontploffen.


Foto 4 : Aftak schakelaar type HR van ASP – Frankrijk geschikt voor nominale spanning van 30 kV en doorgaande stroom van 63 A. De genummerde aftakkingen zijn in het schema (fig 3 ) aan de linkerzijde aangegeven bij een hoogspanningswikkeling. Zie ook : Het aangeven van Faze-richtingen door klokgetallen van Prof. Dr. Ir. H.G. Nolen *1).

Elektrisch schema

Figuur 3 : Elektrische schema. In de tabel aan de onderzijde wordt aangegeven in welke stand van de schakelaar welke aftakkingen met elkaar verbonden zijn en wat dan de spanning is. Voorbeeld – bovenste regel van tabelletje: Bij 10500 Volt zijn 1-2 doorverbonden en dat noemt men schakelaar stand 1. De aftak schakelaar maakt een verbinding tussen twee naast elkaar liggende contacten.

 

Links: Foto 5 Aftak schakelaar aan 10 kV zijde van een oude transformator van Smit uit de jaren dertig van de vorige eeuw en omklembaar onder het deksel aan laagspanningszijde. Omklembaar naar een andere spanning dan wel naar een ander klokgetal. zie ook *1). Rechts: Foto 6, een aftak schakelaar gemonteerd onder het deksel van een moderne net transformator. Copyright Royal Smit Transformers.

De regelbare nettransformator in de toekomst

De belasting van de nettransformator varieert in de toekomst veel meer gedurende de dag. Er kan op een zonnige winterdag een piekvraag zijn in de ochtend, maar ook een pieklevering in de middag door de vele zonnepanelen. Dat kan resulteren in te grote spanningsvariaties, waardoor apparatuur ongewenst afschakelt. Er zijn nu meerdere oplossingen om de spanningsvariatie te beperken, zowel op 400 Volt niveau als op 10 kV niveau.
De meest simpele oplossing is het vervangen van de aftak schakelaar door een regelschakelaar (foto7 ). Het is simpel, maar in het net zijn na WO II zoveel nettransformatoren geplaatst, dat een “simpele” uitwisseling in een periode van ca 10 jaar op zich al een hele grote logistieke en financiële operatie is. De regelschakelaar is bovendien een component met bewegende onderdelen en dat vraagt een zekere mate van onderhoud.

 
Links: foto 7 - Met dank aan SGB-SMIT *2),  rechts: foto 8 Smarttrafo na kortsluitproef bij de Kema 23 mei 2003 *3).

Een andere optie is een schakelaar op basis van vermogenselektronica. De eisen die gesteld worden aan de vermogenselektronica zijn net zo hoog als bij alle andere onderdelen in de transformator. Vanwege de hoge spanning wil je de elektronica onder olie monteren, maar dan dienen alle materialen ca 30 jaar bestand te zijn tegen warme transformatorolie van zo’n 100 graden Celcius zonder onderhoud. Dat is een hele zware eis, voor de vermogenstransistoren, de onderdelen op de printplaten, de IC’s en de printplaten zelf. Indien dat niet kan, zoals toen in 2003, wordt lucht dus het isolatie- en koel medium. De hele constructie wordt dan tamelijk volumineus. (foto 8 ), want de elektrische isolatieafstanden in lucht zijn een factor 50 groter dan in olie.
Bij het ontwerp dien je tevens rekening te houden met het onbedoeld kortsluiten van de regel wikkeling door de elektronica. De transformator dient bestand te zijn tegen zo’n kortsluiting. Een prototype van zo’n transformator is toen onderworpen aan een kort sluitproef en is voor deze proef geslaagd. (foto 8).

Regelaars om de spanning binnen de grenzen te houden (De 10 kV regelaar)

Een separate 10 kV regelaar werd al toegepast in 1930, echter om een andere reden dan nu ( foto 9 ). Men durfde nog niet een 50 of 110 kV transformator regelbaar te maken met een regelschakelaar in het sterpunt van de hoogspanning. Men loste dat dan op door een separate regeltransformator in de 10 kV laagspanning te plaatsen ( foto 9 ). Na een groot onderzoek werd het wel mogelijk geacht. In veel landen word de regelschakelaar nog steeds ingebouwd in een separaat compartiment, dit vanwege de risico’s die men meent te zien dan wel vanwege onderhoudsmotieven.

De regeltransformator werd later toegepast voor de spanningshuishouding in lange 10 kV verbindingen op het platteland. Dus een bestaande oplossing voor een ander doel. Er zijn 2 twee technische oplossingen voor zo’n regelaar, waarbij de indirecte regeling nu gangbaarder is. De directe regeling (zie schema 10b ) De regelschakelaar (bruine cilinder zie foto 10a ) voert de grote doorgaande stroom van nominaal 1250 Ampère. De regelschakelaar zit op zijn ontwerpgrens van 1200 Ampère en wordt dus zwaar belast en daardoor is er ook meer onderhoud nodig. 

Gebouwd in de periode tot 1990. De indirecte regeling (zie schema 11b ) die uit twee transformatoren bestaat (zie foto 11a ). Aan de linkerkant de serietransformator en rechts de regeltransformator. De groene cilinder is de regelschakelaar en via de regeltransformator is nominale stroom door de schakelaar slechts 110 Ampère. Dit is veel lager dan de ontwerpgrens van 300 Ampère en de regelschakelaar vraagt veel minder onderhoud. Het nadeel van een extra transformator wordt meer dan gecompenseerd door de lagere kosten en de grotere betrouwbaarheid van de regelschakelaar. Gebouwd in de periode 1990 tot 2003 bij Smit en later overgenomen door het zusterbedrijf in Neumark.(Duitsland).

<-Foto 9 : Regeltransformator – als “vervanging” van regelschakelaar in het sterpunt van de hoogspanning.
 Bron: Stichting Willem Smit Historie Nijmegen, Copyright Royal Smit Transformers.
 

 

Links: figuur 10a directe regeling 23 MVA 10,6 kV +/- 6 x 0,15 kV , Rechts: figuur 11a indirecte regeling 23 MVA 10,6 kV +/- 6 x 0,15 kV

Links: figuur 10b Elektrische schema directe regeling, rechts: figuur 11b Elektrische schema indirecte regeling.

Het doorgaande vermogen van de getoonde regelaars is 23 MVA en de uitgaande spanning kan + en – 10% variëren. De regelaars zijn uitgevoerd als een spaartransformator en daardoor is het typevermogen maar 10% van de 23 MVA. Dat is de reden waarom de schakelaar, in verhouding, zo groot is ten opzichte van de kern met wikkelingen.

Als de 10 kV spanning verandert, verandert de 400 V spanning ook gedeeltelijk mee. Je kunt nu in de 10 kV verbinding een regelaar plaatsen die de spanning iets regelt. In de verschillende 10 kV delen van het net kan er een grote variatie in belasting zijn, dus dient de 10 kV spanningshuishouding lokaal geregeld te worden. Je zou kunnen zeggen: De 10 kV regelaar is aan zijn derde toepassing toe.

De laagspanningsregelaar

Wat aan de 10 kV zijde kan, kan natuurlijk ook aan de 400 V zijde. Je kunt een regelaar plaatsen om de 400 V iets bij te sturen. Het voordeel van de lage elektrische spanning, wordt echter teniet gedaan door het nadeel van de hoge stroom door de regelaar. Bovendien is het doorgaand vermogen beperkt, want de regelaar staat in serie met een standaard normtransformator.
Dit type oplossing is al bekend. De RELO regelaar (Relais Loze regelaar maar ook wel Axa regelaar genoemd ) is een oplossing uit het verleden. De “transformator” bestond uit een drie-fase motor waarvan de as in hoek vastgezet kon worden via een stappenmotor. De stator- en rotor wikkeling stonden in serie, maar door de fase draaiing tussen de stator- en rotorspanning varieerde de som van de spanningen. Dus daarmee regelde je dus de spanning.

 

Links: foto 12 LS - LS regelaar (in lucht) - indirecte regeling (met dank aan Mart Arts – Enexis). Rechts: figuur 13 De combinatie van 2 transformatoren en een serie smoorspoel levert een nieuwe functionaliteit als koppelaar tussen de 10 kV zijde’s van de 150 kV en 110 kV transformatoren in het hoogspanningsnet.

Een regelaar met vermogenselektronica is veel simpeler en onderhoudsvriendelijker. De werking is in principe gelijk aan de 10 kV indirecte regelaar ( foto 9b ) alleen is de regeltransformator plus regelschakelaar vervangen door een vermogens-elektronische omzetter. De ingangsspanning is gewoon de 400 V en de uitgangsspanning van de omzetter is aangesloten op de serietransformator. Hoe geavanceerd de omzetter ook is, een transformator blijft dus steeds nodig.

Een warmte krachtkoppeling bij een tuinder. Levert warmte aan de kassen en elektriciteit aan het net. Dit is dus een producent van elektriciteit op het laagspanningsnet, net zoals zonnepanelen en een lokale windmolen. Foto: Wikipedia/ Creative Commons.org

De koppelaar

In een onderstation staan meerdere transformatoren opgesteld. Aan de 150 kV zijde kunnen ze gewoon parallel staan, maar aan de 10 kV zijde niet. Het vermogen is zo groot, dat in geval van kortsluiting in een deel van het 10 kV net, de kortsluitstroom veel te groot wordt. Het nadeel is wel dat de 10 kV netten elkaar niet kunnen ondersteunen in normaal bedrijf. Door deze 10 kV netten te koppelen met een component die de vermogensverdeling kan sturen, maar de kortsluitstroom beperkt, kan de spanningsverandering ook beperkt worden.
De 10 kV koppelaar ( is een soort kort-sluit stroombegrenzer ) bestaat uit een regeltransformator en serietransformator, die we al kennen van de 10 kV indirecte regelaar. De serie smoorspoel beperkt de stroom in geval van een kortsluiting in het net. Een regelunit kan de spanningsval over de hele koppelaar naar nul regelen en dan zijn de twee 150 kV transformatoren “gewoon” parallel geschakeld aan de 10 kV zijde. In geval van kortsluiting in een van de 10 kV netten ( die duurt trouwens maximaal 3 seconden maar is in de praktijk ca 0,5 sec ) draagt dan een van de 150 kV transformatoren nauwelijks bij aan de kortsluitstroom.


Wat zijn nu de antwoorden op de eerder gestelde vragen:

Wat betekent dat nu voor de net transformator die in dat elektriciteitshuisje staat in de wijk?
In de toekomst, en die begint nu al, zal er een andere net transformator in het trafo huisje komen te staan. Hij zal groter en zwaarder zijn door de eisen t.a.v. verliezen en regelbaarheid, maar het geheel zal er wel in moeten passen. De hoeveelheid signalen voor de bewaking en beveiliging moeten in goede banen geleid worden, met als gevolg dat de complexiteit van de regelingen toe zal nemen.

Welke andere oplossingen zijn er nog meer, waarbij een “transformator” noodzakelijk is?
Met regelaars, zowel op 10 kV als 400 V niveau, kan de spanning binnen de gestelde grenzen blijven. Maar elke regelaar bevat een of meerdere transformatoren.

Welke technische uitdagingen zijn er voor de ( jonge ) elektrotechnici met een specialiteit in de elektrische energietechniek?.
De verschillende type regelaars, regelbare net transformatoren en de aftakbare nettransformatoren moeten ingepast worden in het elektriciteitsnet. Ze moeten goed samenwerken om te zorgen voor een stabiel en betrouwbaar elektriciteitsnet. Genoeg uitdagingen dus voor de komende jaren !

Literatuur

  • 1) Het aangeven van Faze-richtingen door klokgetallen
    Prof. Dr. Ir. H.G. Nolen Elektrotechniek – Economische Technisch Tijdschrift
    22-e jaargang 21 juli 1944 No 15 pag. 199 t/m 203
  • 2) New generation voltage regulation distribution transformer with an on load tap changer for power quality improvement in the electrical distribution systems
    Sudheer Mokkapaty1, Jens Weiss1, Frank Schalow1, Jan Declercq2
    1 SBG Transformers, Design Department, Neumark, Germany
    2 SGB-SMIT Group, Research and Development, Nijmegen, The Netherlands
  • 3 Slimme transformator
    Marjolein Roggen Elektrotechniek 4 mei 2004 pag. 28 t./m 31 


Bron: Pixabay (free of copyrights) 

Bijdrage door: Kees Spoorenberg, gepensioneerd ingenieur van Royal Smit Transformers uit Nijmegen.

DMC Firewall is a Joomla Security extension!