Artikelen Smit Trafo

Inleiding

Het koppelen van elektriciteitscentrales werd voor de tweede wereldoorlog al veel gedaan. In geval van een storing kon men elkaar steunen, zodat de elektrische energie voorziening aan de gebruikers geen hinder ondervond. De plannen om grote stedelijke centrales op 150 kV niveau te koppelen kwamen rond 1930 al op. Dit 150 kV koppelnet begon in de 50-tiger jaren het karakter te krijgen van een transportnet. Het verbruik van elektrische energie bleef maar stijgen en een volgende stap was dus nodig.
Het hing al enige tijd in de lucht. De S.E.P. ( de voorloper van TenneT ) wil een 380 kV net bouwen. Dit 380 kV net moet de bestaande 150 kV en 220 kV netten koppelen, maar ook de elektriciteits centrales die verspreid staan over het land. Dit 380 kV net bestrijkt niet alleen heel Nederland, maar maakt ook koppelingen mogelijk met België en Duitsland.
Smit ging zich al in een vroeg stadium voorbereiden, want dit is een grote sprong in transformatortechniek, namelijk van 220 kV naar 380 kV. Smit was al op volle snelheid bezig toen begin 1966 de opdracht binnenkwam. Wat moet je allemaal niet technisch onderzoeken om deze sprong mogelijk te maken en hoe verliep die sprong. Wat leverde al die technische onderzoeken nog meer op, want de spin off van zo’n project is vaak heel groot. Smit is na dit succes gepromoveerd naar de eredivisie van de 400 kV transformatorfabrikanten en dankzij de resultaten van al dit werk draait Smit nog steeds mee in de top van deze eredivisie. Er ligt een nieuwe markt open met veel technische uitdagingen.
In een eerder verhaal van Erik de Vries is al aandacht besteed aan dit project en de rol van Smit Transformatoren hierin. (1966 start bouw landelijk koppelnet 380 kV.) Dit onderstaande verhaal kijkt vanuit een technische invalshoek.

Een één fase transformator uit 1968-JoopKuipers-HR
Een één fase transformator van Smit uit 1968, bron collectie Joop Kuipers.

Hoe doen anderen het?

Ontwikkelen begint altijd met de vraag: Hoe doen anderen het? Je maakt eerst een overzicht van ontwerpgegevens en constructiedetails uit de literatuur. Die meeste literatuur was van west Europese transformatorfabrikanten, die zo hun technische kunde lieten zien aan potentiële klanten. In die tijd waren en in Europa nog veel fabrikanten van grote transformatoren. Het aantal fabrikanten in Europa is tegenwoordig veel kleiner door de vele fusies en reorganisaties. Het merendeel van de ontwerpen in de literatuur waren eenfase transformatoren en de regeling van de spanning werd meestal gedaan met een aparte regeltransformator. Dit onderzoek is uitgevoerd door Frank den Outer, technische specialist bij Smit. Tegenwoordig noemen we zoiets een marktonderzoek.


Wat wil de klant precies?

De opbouw van het Nederlandse elektriciteitsnet vereiste echter een totaal ander ontwerp. De afzonderlijke 150 kV netten zijn indirect geaard en het 380 kV net wordt niet bij elke transformator direct geaard. Er kunnen dus hoge spanningen op de sterpunten komen bij eenfase kortsluitingen in het net. De sterpunten van de 150 kV en 380 kV wikkelingen moeten dan ook met hoge spanningen beproefd worden. Een aparte regeltransformator is, praktisch gezien, niet meer mogelijk.

De spanningsregeling doet men nu met een regelwikkeling in het sterpunt van de 380 kV. De regelwikkeling en de regelschakelaar zien dus hoge spanningen tijdens de beproeving en in bedrijf. Je moet daar wel voor ontwerpen. De tertiaire wikkeling heeft een nominale spanning van 50 kV en dat is heel wat meer dan de gebruikelijke 10 kV.

Je ziet: Een transformator bouwen volgens de specificatie van SEP was nog nooit gedaan en dat betekent veel technisch onderzoek, en niet alleen voor Smit.

Welk onderzoek was er nu eigenlijk nodig?

Details van de technische onderzoeken staan in de bijlagen. Het verhaal wordt dan wat korter en de hoofdlijn is dan duidelijker. De zijlijnen staan dan in de bijlagen.
Je wilt weten of de isolatiematerialen bestand zijn tegen hogere elektrische veldsterktes tijdens de duur van hun hele leven. Je doet dus levensduur onderzoek. Het resultaat was dat er maar 1% kans was op een doorslag in een periode van 60000 jaar. Nou, dat is dus geen probleem. Voor meer details zie bijlage A
Een transformator krijgt in het veld veel hoge spanningspieken te verdragen. Dat kunnen stootspanningen ( zeg maar blikseminslagen ) zijn, maar ook schakeloverspanningen. Die laatsten ontstaan door in- en uitschakelen van de transformator. Deze spanningspieken worden bepalender naarmate de nominale spanning hoger wordt. Je moet dus gaan rekenen en meten. Hoe zien deze spanningen er uit en hoe hoog zijn de piekwaarden. De isolatieconstructie en de afmetingen van de regelschakelaar ( zie fig 2 ). worden hierdoor bepaald. Voor meer details zie bijlage B
De elektrische veldsterkte mag nergens te hoog worden Dat kan leiden tot elektrische ontladingen of zelfs een doorslag. Je wilt dus weten hoe het elektrische veld er uit ziet in een isolatieconstructie. Je wilt daarbij het elektrische veld sturen met mooie afgeronde elektrostatische afschermingen. Je kunt ze in figuur 1 herkennen. Dat zijn de afgeronde zwarte vlakjes aan de boven- en onderzijde van de wikkelingen. Maar hoe bepaal je die mooie afgeronde vormen? Voor meer details zie bijlage C

Hoe ziet het samenstel van de wikkelingen er uiteindelijk uit?

De wikkelingen die samen om één kernpoot zitten noemt men een wikkelingenset.



De wikkelingen zijn ten opzichte van elkaar geïsoleerd met barrières. Tussen de 150 kV wikkeling en de 380 kV wikkeling bestaat de barrière uit vaste isolatie ( licht groen gekleurd ). De regelwikkelingen zijn aan de binnendiameter voorzien van een scherm met daarop vaste isolatie.


De regelschakelaar

De regelschakelaar moest ook aangepast worden. De afstand tussen de contacten moest vergroot worden, vanwege de hoge spanning over de regelwikkeling. Dat resulteert in een grotere diameter van de isolatiecilinder. De spanningen van de contacten naar onder- en bovenkant van de kast zijn ook hoger. Dat resulteert dus in een langere isolatiecilinder. Al met al wordt het dan een heel grote regelschakelaar. ( zie fig 2 ).


De wikkelingen

De 150 kV en 380 kV wikkeling zijn spoelenwikkelingen. De spoelen zijn intern gelust om de interne capaciteit te vergroten ( zie Lit 2 ) De 150 kV wikkeling had daarbij ook nog eens 3 parallelle secties die intern verwisseld moesten worden voor een gelijke stroomverdeling ( zie ook Lit 2 ). Dit zijn complexe wikkelingen en die zijn moeilijk te wikkelen. Het aantal produktie uren in de wikkelarij was dus aanzienlijk.

De wikkelingenset

Er is voorafgaande aan de produktie van de transformatoren een hele wikkelingenset gemaakt.Het stootspanningsgedrag werd gecontroleerd met RSO metingen. Dit is een extra controle op de metingen aan het schaalmodel en berekeningen van Oerlikon. ( zie ook bijlage B ) De wikkelingenset is daarna, met succes, volledig elektrisch beproefd onder toeziend oog van de Kema. Je ziet, er werd niets aan het toeval overgelaten om deze sprong naar 380 kV te laten slagen


Een tekening van wikkelingen set bevat veel details. Een paar details worden beschreven. ( zie bijlage D ). Je ziet dan meteen hoeveel know-how er in zo’n tekening zit.


Het vervolg in Nederland

Er moest ook nog een koppeling komen tussen het 380 kV koppelnet en het 220 kV-net in het noorden. Deze koppeling is in het onderstation bij ENS ( Friesland ). Die koppeling bestaat uit
spaartransformatoren van 380 kV op 220 kV. Het vermogen is 750 MVA en de spanningsregeling is in de 380 kV. Dat zou weer een volgende uitdaging voor Smit worden. Een onderwerp voor een volgend verhaal.
Het koppelnet moest natuurlijk verder uitgebreid worden in Nederland. Smit had ondertussen zoveel ervaring en kennis opgedaan dat het mogelijk was om een bank van drie eenfase
transformatoren te vervangen door één driefase transformator. Dat resulteert in veel lagere verliezen en een lagere priis.
Ter illustratie : Een driefase bank heeft een nullastverlies van 3 x 97 = 291 kW en een kortsluitverlies van 3 x 631 = 1893 kW. De getallen voor de eerste driefase transformator zijn
respectievelijk 213 kW en 1292 kW. ( zie omcirkelde nummer 1 als stap 1 in fig 11 )


Maar daar stopte de ontwikkeling niet. Dat zie je al aan de vermindering van de kortsluitverliezen over de jaren heen. ( zie fig 11 ). Deze stappen worden weergegeven met een volgnummer in de gemiddelde verliezen ( rode lijn ). Je ziet, de ontwikkeling blijft maar door gaan.


In stap 2 was het mogelijk was het mogelijk om de verliezen aanzienlijk te reduceren. Dat was midden in de oliecrises van de zeventiger jaren. De ontwerpen waren onderling nog wat verschillend, maar dat veranderde.
In stap 3 werd het vermogen werd opgekrikt van 450 MVA naar 500 MVA. Het ontwerp werd voor een aantal jaren vastgezet. Het project Randstad 380 werd door TenneT in gang gezet
In stappen 4, 5 en 6 konden de verliezen steeds verder gereduceerd worden door de technische verbeteringen. De hoge verlieswaarderingen stimuleerden dat ook.
Je ziet ook dat de gemeten verliezen niet exact op de lijn liggen. Als je een transformator maakt, heb je te maken met allerlei toleranties. Getallen in een ontwerp en op een tekening zijn wel exact, maar papier is geduldig. Je hebt toleranties in de materialen die je gebruikt, je hebt produktie toleranties en ook nog eens meettoleranties. Het steeds beter beheersen van deze toleranties resulteert in een betere voorspelbaarheid van de elektrische verliezen en dat leidt vaak weer tot lagere verliezen. Een leuke technische uitdaging voor de medewerkers van Smit, waar continu aan gewerkt wordt.
De stappen in reductie van het kortsluitverlies werden wel steeds kleiner, maar de ontwikkelingen blijven wel doorgaan. De energie transitie is daarbij een grote stimulans. Het bestaande 380 kV net moet verder uitgebreid worden om de transportcapaciteit te vergroten, maar de elektrische verliezen in dat net wil je wel zo klein mogelijk hebben. De volgende stap is een nog verdere reductie van de kortsluitverliezen. Je ziet meer dan genoeg uitdagingen bij Smit en als technicus verveel je je niet bij Smit.

Conclusies

De sprong van 220 kV naar 380 kV was een groot succes voor Smit. Smit heeft nu een referentie voor toegang tot de markt van transformatoren met een hoogspanning van 400 kV ( Europa ) en 500 kV ( Noord Amerika ). De volgende sprong was in 2012 van 500 kV naar 800 kV.
Er was ook een sprong in ontwikkeling van software. Die software voor stootspannings-berekeningen en elektrische veldberekeningen is noodzakelijk gereedschap voor het ontwerpen van transformatoren met hoge spanningen.
De behoefte aan een spoelenwikkeling met een hoge interne capaciteit en minder complex en minder wikkeluren deed zich voelen. Dit leidde tot de uitvinding van de Smit spoelenwikkeling. Die wikkeling is een groot succes. Diverse collega fabrikanten hebben die wikkeling later gekopieerd voor eigen gebruik.



Bijlage A Levensduuronderzoek

Je wilt weten of de isolatiematerialen bestand zijn tegen hogere elektrische veldsterktes tijdens de duur van hun hele leven. Je doet dus levensduur onderzoek. Je kunt dat het best te illustreren aan de hand van een voorbeeldje van een automotor.

Je kunt de automotor heel zwaar beproeven door Max Verstappen er continu in de auto te laten rijden. Na een maandje is er zeker veel levensduur verbruikt. De vraag is of die test een goede voorspellende waarde heeft voor de levensduur bij “normaal” gebruik gedurende zo’n 15 jaar?
Je kunt ook een “gemiddelde” automobilist elke dag veel “gemiddelde” ritten laten maken. Die rijdt dan zo’n 500 km per dag. Na een jaar staat er 180.000 km op de teller en dan onderzoek je in hoeverre de motor versleten is. Na nog een jaar herhaal je dat en je hebt dan een meetpunt bij 360000 uur. Je hebt dus 2 meetpunten bij 1 en 2 jaar en dat extrapoleer je naar 15 jaar. Je ziet : Het duurt wel wat langer voor je resultaat hebt, maar die staat wel dichter bij de dagelijkse realiteit.
In deze transformatoren is de elektrische veldsterkte in het papier wat hoger dan normaal. Smit begint daarom een onderzoek om de levensduur ( zeg maar “elektrische slijtage” ) van het papier te bepalen. Zo’n onderzoek heeft nu eenmaal een lange doorlooptijd. Er werd al begonnen voordat de opdracht voor de eenfase transformatoren verleend werd. Dit onderzoek werd uitgevoerd door Frank den Outer en Theo Thoeng, beiden technisch specialist bij Smit.

Hoe doe je levensduuronderzoek aan papierisolatie. Je belast geïsoleerde stukken draad met een heel hoge elektrische veldsterkte, zo’n 4 tot 6 keer zo hoog als nominaal. Je bepaalt voor elk draadstuk de tijd tot er een doorslag optreed. Dat kan vele maanden duren. Dat doe je bij twee hoge waarden van de veldsterkte, bijvoorbeeld 19 kV/mm en 15 kV/mm. Deze doorslagtijden extrapoleer naar de nominale veldsterkte van 5 kV/mm. Die waarde moet dan natuurlijk wel véél groter zijn dan de levensduur van de transformator. Het resultaat was dat er maar 1% kans was op een doorslag in een periode van 60000 jaar. Nou, dat is dus geen probleem.


Bijlage B Stootspanningsonderzoek naar de spanningsverdeling in de transformator.

Een transformator krijgt in het veld veel hoge spanningspieken te verdragen. Dat kunnen
stootspanningen ( zeg maar blikseminslagen ) zijn, maar ook schakeloverspanningen. Die laatsten
ontstaan door in- en uitschakelen van de transformator. Deze spanningen zijn hoogfrequent en
verdelen zich niet lineair over de wikkelingen. Er kunnen ook lokaal spanningsresonanties ontstaan die
kunnen leiden tot een doorslag.
In de zestiger jaren waren er wel computers, maar die hadden een beperkte rekenkracht. Er
was ook nog geen software om te rekenen aan de spanningsverdeling in wikkelingen van een
transformator. Men was gedwongen om metingen te doen aan schaalmodellen Je kunt de meting ook
doen aan de transformator, maar die is dan al klaar. Je doet dat alleen als een laatste controle.
Hoe meet je dat dan? Je sluit een voeding aan op het schaalmodel ( of de transformator
voordat die in de kast geplaatst wordt ).


De voeding noemt men “Repetitive Surge Oscillator” en men spreekt over RSO metingen.
Deze voeding kan continu allerlei hoogfrequent spanningen maken, zoals stootspanningen. Een
transformator gedraagt zich als een lineair systeem voor dit soort spanningen, zodat je bij lage
spanningen kunt meten. Je meet de spanningsverschillen tussen allerlei punten in de wikkelingen en tussen de wikkelingen. ( zie fig B.1 en fig B.2 van literatuur 1 ) Je controleert of die
spanningsverschillen niet te hoog zijn, want anders moet je het ontwerp van de wikkelingen of isolatieconstructie aanpassen. Je doet RSO metingen vooral als de wikkelingenset “abnormaal”
samengesteld is. In het geval van deze eenfase transformatoren was dat zeker het geval.


De spanningsvormen worden met een oscillograaf gemeten en dat geeft mooie plaatjes. Je meet de spanningsverschillen voor elke stand van de regelschakelaar. Je concentreert je daarbij op de meest kritische constructiedelen. Je moet dan denken aan de spanning over de regelwikkeling. ( zie fig
B.3 ). Die spanning staat ook tussen contacten van de regelschakelaar. Het spanningsverschil tussen het de 380 kV aansluiting en het midden van de 150 kV wikkeling kan wel 2000 kV!! worden. Deze spanning wordt hoger naarmate de interne capaciteit van de 150 kV wikkeling lager is. ( zie fig B.4 H0 – M0 )



Het maken van een schaalmodel kost veel tijd en het is erg lastig om iets te veranderen. Een
computermodel is natuurlijk veel flexibeler en je hebt ook sneller resultaat. Machinen Fabrik Oerlikon
uit Zwitserland, was ook een van de leveranciers van de eenfase transformatoren en had al de
beschikking over zo’n computermodel. Zij waren bereid om het ontwerp van Smit eens door te
rekenen en te vergelijken met de metingen van Smit. Berekening en meting kwamen goed overeen.
Dit maakte wel een ding duidelijk. Smit moet ook een computermodel ontwikkelen want dat is
noodzakelijk gereedschap voor het ontwerpen van 380 kV transformatoren. Cor Kroon maakte in 1970
een eerste versie van zo’n computerprogramma. Het was nu het mogelijk om aan een beperkt aantal
wikkelingsconfiguraties te rekenen ( zie fig B.5 en fig B.6 ).



De resultaten waren zo bemoedigend, dat het programma uitgebreid werd voor andere wikkelingsconfiguraties. Je moet daarbij denken spaartransformatoren en tertiaire wikkelingen die in
driehoek staan met daarin serie smoorspoelen. ( zie lit 4 en lit 5 )

Bijlage C Elektrische veldsturing

De elektrische veldsterkte mag nergens te hoog worden, maar hoe bepaal je nu die mooie afgeronde vormen van elektrostatische afschermingen?.
In het pre-computer tijd was Smit aangewezen op een meetmethode, namelijk de elektrolytische trog. Hoe werkt dat? Je maakt metalen elektrodes met de vorm van de afschermingen en die leg op de juiste plaats in een bak met een geleidende vloeistof. Je zet vervolgens een wisselspanning van 1000 Volt tussen de elektrodes. Je kunt dan de lijnen van gelijke spanning ( 100 V, 200 V etc ) in de vloeistof meten. Dat noemt men equipotentiaallijnen. Hieruit kun je dan weer de veldsterkte afleiden. Je ziet een bewerkelijke methode die niet zo flexibel is.



Smit ziet de noodzaak in van een snellere en flexibelere methode. Cor Kroon schrijft hiervoor een computerprogramma. Je legt een rooster over een tekening. ( zie fig C.2 ). Je maakt een handige invoermethode om voor elk snijpunt in het rooster de situatie te beschrijven. Dat geeft voor elk punt een wiskundige vergelijking voor het elektrische veld. Je krijgt dan zo een stelsel van wel 2000 vergelijkingen. Je hebt een computer nodig om dat op te lossen. Die computer stond in Rijswijk.
Joop ten Zweege was constructeur, maar werd opgeleid tot berekenaar van het elektrische veld. Hij tekende de constructie en het rooster. Hij maakte de invoer voor de computer met ponskaarten. Daarna met de fiets naar van Heugten, een ingenieursbureau aan de St Annastraat. Daar stond de ponskaartenlezer en was de verbinding met de computer in Rijswijk. Vervolgens wachten op het resultaat en maar hopen dat je geen invoerfoutje gemaakt hebt. Joop moest dus heel accuraat zijn. Na een week van tekenen, ponskaarten typen, op en neer fietsen had je resultaat.

De huidige software en hardware zijn tegenwoordig veel beter. Je hebt nu in een paar uur al resultaat met ook nog eens een veel grotere nauwkeurigheid.


Bijlage D Details van de wikkelingenset


Rood omlijnd de vast barrière tussen 150 kV en 380 kV wikkeling. Vaste barrières zijn opgebouwd uit dikke cilinders van papier ( 15 mm ) en dunne oliekanalen ( 2,5 mm ) voor de koeling. Ze worden sinds de jaren zeventig niet meer toegepast.

Blauw omlijnd de kragen aan de binnendiameter van de 380 kV wikkeling. Dit verbetert de isolatie in de richting van de 150 kV wikkeling.
Paars omlijnd de barrière tussen 380 kV wikkeling en de regelwikkeling. Dit is de “normale” barrière van dunne papieren cilinders ( 3 mm ) en dikke oliespleten ( 13 mm ).
Groen omlijnd de afschermelektrode van de 380 kV uitloper. Die zit tegen de tegen de 380 kV wikkeling gemonteerd. De koperen draden van de wikkeling worden met zilver gesoldeerd op een stift die binnen in de afschermelektrode zit.

Bijlage E Literatuur

  1. Stootspanningsmodelonderzoek voor grote transformatoren
    F.R. den Outer Smit Mededelingen 22 (1967) No 3 pag 105-122

  2. Regelbare driewikkelingstransfomatoren 380/150/50 kV voor het nederlandse koppelnet
    J.W.M. Höppener Smit Mededelingen 23 (1968) No 2 pag 36-46

  3. Eerste driefasengroep 380 kV transformatoren van Smit bedrijfsvaardig opgesteld
    Smit Mededelingen 24 (1969) No 3 pag 132-136

  4. Digital computer calculations of surge voltage distribution in transformer windings 
    C. Kroon Holectechniek 2 (1972) 1 pag 23-29

  5. Overvoltages in low-voltage windings of three winding transformers, due to lightning
    C. Kroon Holectechniek 3 (1973) 2 pag 76-81

Reacties mogelijk gemaakt door CComment

Cloud tag

Laatste artikelen

Laatste reacties

      LEES MEER

Wie is online

We hebben 94 gasten en geen leden online

Statistieken

Aantal bekeken pagina's
9864351
DMC Firewall is a Joomla Security extension!