Artikelen Smit Trafo

Meettransformatoren - nodig om hoge spanningen en grote stromen te kunnen meten

1 Inleiding

Je kunt bij de doe-het-zelf winkel een eenvoudige multimeter kopen. ( zie fig 1 ) Je kunt dan spanningen, stromen en weerstanden meten en zoiets mag eigenlijk niet in je gereedschapskist ontbreken. Een luxere variant beschikt over een ampèretang. Je sluit de tang om de geleider en je kunt de stroom aflezen ( Fig 2 ). Je kunt dan heel eenvoudig spanning en stroom meten zonder steeds de spanning uit te schakelen om zo draadjes te moeten verplaatsen.

Multimeters hebben voldoende bereik en genoeg nauwkeurigheid voor eigen gebruik. De maximale stroom die je kunt meten is zo’n 10 Ampère en een maximale spanning zo’n 1000 Volt. Je ziet, wel voldoende voor thuis, maar veel te beperkt voor het elektriciteitsnet.

Je vraagt je natuurlijk af: Hoe doen ze dat dan daar??

2 Het meten van de spanning via de spanningstransformator

Je wilt weten hoe hoog de spanning is die op een doorvoering staat. Die spanning kun je niet zomaar met een draadje aansluiten op een Voltmeter. Je moet de hoge spanning eerst transformeren naar een lage en veilige waarde. Dat doe je dus met een spannings(meet)transformator. Die moet nauwkeurig zijn tussen ca 80% en 120% van de nominale spanning. Hogere en lagere wisselspanningen komen toch niet voor bij normale bedrijfsomstandigheden in installaties. Je wilt de spanning weten om het te kunnen regelen in het net, maar ook om te bepalen wat het vermogen is dat door de transformator omgezet wordt. In het hoogspanningslaboratorium bij Smit is wel een heel grote nauwkeurigheid vereist over een veel groter gebied. Voor de diepere theorie en normen verwijzen we naar Wikipedia: Spanningstransformator - Wikipedia 

Het is verder een “normale” transformator, alleen de stroom door de wikkelingen is heel klein. Deze transformator wordt nauwelijks belast en staat eigenlijk in nullast. De primaire ( zeg maar hoogspanning ) wikkeling heeft heel veel windingen van heel dunne draad.  De spanning over de wikkeling stelt hoge eisen aan de isolatie in de wikkeling zelf. De spanningsmeettransformator is daarom ook gevuld met olie ( zie fig 3 t/m fig 5).  

Zie ook : Stroom-transformator (1940 - 1950) (willemsmithistorie.nl)

De eerste spanningstransformatoren werden gewikkeld met katoen omsponnen koperdraad. Er is hierover helaas geen informatie meer te vinden. In een later stadium werd gelakt koperdraad gebruikt en papier als extra isolatie waar nodig. Als de olie warm wordt, dan zet die uit. Er kan dan in hoge druk ontstaan in het kastje. Je kunt de expansie van de olie opvangen in een conservator ( zie fig 5 ) . Dit is te vergelijken met het expansievat in de centrale verwarming. Een conservator kost geld en vraagt onderhoud. Een constructie zonder conservator is te prefereren.

Smit had in 1954 de firma Olthof in Ede had overgenomen. De productie van meettransformatoren werd vervolgens daar geconcentreerd.

Zie ook: Smit Ede - Meisjes voor de fijnwikkelarij (willemsmithistorie.nl)

In 1938 werd in Zwitserland octrooi aangevraagd op epoxyhars, wat in 1940 verleend werd. In 1947 werden al proeven gedaan om delen van een meettransformator te isoleren door een gietproces. Smit nam in 1955 een licentie van Moser-Glaser uit Zwitsersland. Smit kon zo snel opstarten met de fabricageprocessen en met de ontwikkeling van giethars producten.

Giethars is een zeer goed isolatiemateriaal en nagenoeg onbrandbaar. Je mengt twee componenten, hars en harder genoemd, in de juiste verhouding. Je kunt eventueel vulmiddel ( kwarts of glas ) toevoegen om de eigenschappen te verbeteren maar ook om de materiaalkosten te verlagen. Je monteert de hoogspanningswikkeling in een gietmal. Je trekt vacuüm op de gietvorm ( zie fig 16 ) en dan vul je die met giethars. Je moet wel de constructie geschikt maken voor giethars, want die moet overal in doordringen. Er mogen geen luchtbellen in zitten en er mogen geen scheuren ontstaan. Het hele gietproces is dus niet eenvoudig en vereist veel kennis en vakmanschap.

In een later stadium werden de beide wikkelingen samen ingegoten. Een volgende stap was om het geheel in te gieten. Er ontstaat dan een elektrisch en mechanisch solide geheel. Vocht en vuil kunnen ook niet indringen. ( zie ook: Meettransformatoren met gietharsisolatie uit Smit Mededelingen 1958 ).

3 Het meten van de stroom via de stroomtransformator

De stroom die door een lijn loopt is heel wat groter dan 10 A en die lijn staat ook nog eens op een hoge spanning naar aarde. Die stroom kun je dus om twee redenen niet zo maar aansluiten op een ampèremeter. Je moet de hoge stroom transformeren naar een lage stroomwaarde op een laag en veilig spanningsniveau. Dat doe je dus met een stroom(meet)transformator.

De variatie in stroomtransformatoren is echter veel groter als bij spanningstransformatoren.  ( zie ook Smit Periodieke Mededelingen 1925 en 1932 ). Er is een grote variatie in:

• nominale stroom, van 100 A oplopend tot wel 5000 A
• constructie principe, zoals doorstroomtype ( fig 24 ), gewikkelde primaire wikkeling ( fig 29 ) en dwarsgat ( fig 25 ). Er kunnen ook meerdere stroomtransformatoren in lijn
  gemonteerd worden bij het doorstroomtype. Je “schuift” de geleider door de afzonderlijke ringkernen met elk hun eigen secundaire wikkeling ( zie ook fig 27 ).
• nominale spanning variërend van laagspanning ( < 550 V) tot hoogspanning ( > 3500 V).
• En de middenspanning daar tussen in ( 550V < < 3500 V).

Opm : Tegenwoordig noemen we dit allemaal laagspanning.

De elektrische isolatie bestaat uit porseleinen vormdelen en de lucht. Dat kan omdat er geen hoge spanning staat over de hoogspanningswikkeling, zoals bij de spanningstransformator. Bij lage spanningen naar aarde heb je zelfs geen porseleinen isolator meer nodig tussen de wikkelingen. ( zie fig 29 ). Een oliedicht stalen vat is trouwens niet handig. Een grote stroom maakt een sterk magnetisch veld wat veel wervelstroomverliezen geeft in staal.  Dit effect kennen we ook van inductie koken.

Stroomtransformatoren werden in grote series gemaakt. Per transformator heb je er vaak al zes nodig. Drie aan de laagspanningskant en drie aan de hoogspanningskant. Dat telt natuurlijk lekker aan.

 

Stroomtransformatoren worden ook om verschillende redenen toegepast. Dit leidt ook weer tot een variatie in het ontwerp.

• Soms moet je nauwkeurig de stroom weten tussen 0% en 120% van de nominale waarde. Die zijn dus nodig voor de vermogensmeting en dus voor financiële verrekening.
• Soms moet je redelijk nauwkeurig weten wat de waarde is van een hoge (kortsluit) stroom. Die zijn dus nodig voor de beveiliging en sturen schakelaars aan om een kortsluiting af te schakelen.
• Je hebt stroomtransformatoren die, alleen of in combinatie, de stroomwet van Kirchhoff controleren. Als niet voldaan is aan deze wet, dan komt dat omdat er ergens een lekstroom naar aarde gaat. De beveiliging schakelt dan meteen uit. De differentiaalbeveiliging van een transformator werkt zo. Zo’n stroomtransformator zit ook in je meterkast en vormt het hart van de aardlekschakelaar. ( zie fig 34 ) Die bepaalt het verschil tussen in- en uitgaande stroom. Als dat NIET nul is, dan is er een probleem en wordt de spanning uitgeschakeld.

 

 Voor meer achtergrondinformatie, zie ook Wikipedia Stroomtransformator - Wikipedia

Smit beveiligde in de beginjaren transformatoren met een differentiaalbeveiliging ( zie fig 35 en 36 ) Men plaatste stroomtransformatoren in de kast. De LS uitloper ging dan gewoon door de kern
( zoals in fig 30 het doorstroom type ). De HS uitloper ging dan conform de overzetverhouding ( 10000/2000 = 5 keer in Fig 35 ) en ( 6000/230 = 26 keer in Fig 36 ) door de kern.
Een derde wikkeling genereerde de stroom voor het beveiligingsrelais. In bedrijf zou de totale stroom door het kerntje nagenoeg nul zijn. Als er een fout in de LS of HS wikkeling zou ontstaan dan loopt er een stroom door het relais en wordt de transformator afgeschakeld. Dit werkte in 1925 net zoals de aardlekschakelaar nu. Dit principe werkt niet als er een regelwikkeling in de transformator zit. De overzetverhouding verandert dan.

Een enorme variatie in gebruik, nominale spanning en nominale stroom. Dit resulteert dan ook in een veelvoud van constructieve uitvoeringen van stroomtransformatoren. De creativiteit van de technici van Smit was al aanwezig in de twintiger jaren van de vorige eeuw en dat is al meer dan 100 jaar niet verandert.

De meettransformatoren werden steeds meer gestandaardiseerd. Het gebruik van giethars als isolatie en constructiemateriaal maakte de weg vrij voor massaproductie. De productie in Ede was echter te kleinschalig en de opbrengst dus te gering om voldoende te investeren in R&D. Er waren andere bedrijven met een gigantische omzet die zich dit wel konden permitteren. De kleinschalige productie in Ede werd te duur. De productie van meettransformatoren werd beëindigd met de sluiting van de fabriek in Ede in 1977.

Kees Spoorenberg