1. Het meten van de elektrische verliezen van een transformator.
Hoe kun je iets nauwkeurig meten. Als voorbeeldje gaan we bepalen hoeveel bier er in een bierpul zit.
Als je in een café alleen het bier hoeft te betalen en niet het schuim, dan zal er anders getapt gaan worden. In het rechter glas hoef je niet veel te betalen, maar aan de bar moeten ze wel hetzelfde doen als bij het linker glas. Het glas spoelen, tappen, serveren en afrekenen. Dit is maar een simpel voorbeeldje, maar dat moeten we vertalen naar de elektrische energietechniek. Het bier noemen we het actief vermogen en daarvoor moet je betalen. Het schuim noemen we het blind vermogen en daar hoef je niet voor te betalen. De energieleverancier stelt dus eisen aan jouw installatie, die mag niet teveel blindvermogen vragen.
Als je een wisselspanning op een spoel ( dan wel transformator ) zet, dan gaat er een stroom lopen. Er wordt dan vermogen aan de spoel geleverd. Dat bestaat uit een klein beetje actief vermogen (dat komt door de verliezen ) en heel veel inductief blindvermogen (dat komt door het magnetische veld ). Het meten van de verliezen wordt dan net als het meten van de hoeveelheid bier in het rechter glas.
De verliezen van een transformator bestaat uit twee delen. Het nullast (of ijzer) verlies ( zie hfdst. 2 ) wat voor het grootste deel in de kern zit. Het kortsluit ( of koper) verlies ( zie hfdst 3 ) zit voor een groot deel in het koper van de wikkelingen, maar ook in allerlei metalen constructiedelen zoals kern, kast en aandrukconstructie.
Als je verliezen wilt garanderen, dan moeten ze ook te meten zijn. Je wilt weten of de garantie overeenkomt met de werkelijkheid. In 1930 was al discussie over de indeling van de verliezen. ( Zie periodieke mededelingen No 30 “Indeelen en garandeeren der verliezen in Transformatoren” ). Er is toen afgesproken om te verwijzen naar de meetmethodes van de verliezen. We spreken over “nullastverlies” en “kortsluitverlies”. Het nullastverlies zit grotendeels in de ijzeren kern ( maar je spreekt niet over “ijzerverlies” ) en het kortsluitverlies zit voor een groot deel in het koper van de wikkelingen ( maar je spreekt niet over “koperverlies” ).
Zie ook: De verliezen van de transformator (willemsmithistorie.nl)
Men neemt nu aan dat deze twee verliezen onafhankelijk van elkaar zijn en dus apart gemeten kunnen worden. We tellen ze gewoon bij elkaar op om het totale verlies te krijgen. Metingen aan “kleine” transformatoren hebben aangetoond dat deze aanname redelijk goed is. Een meting van beide verliezen tegelijk is niet zo eenvoudig en vereist bovendien een meetopstelling met 2 identieke transformatoren ( zie paragraaf 4 ). Het kortsluitverlies is temperatuurafhankelijk. Je meet dus de omgevingstemperatuur en het kortsluitverlies bij die omgevingstemperatuur, die in de winter uiteraard anders is dan in de zomer. Je moet dus een referentie temperatuur afspreken om verliezen onderling te kunnen vergelijken. Smit was voorstander van een referentietemperatuur van 15 oC. Die ligt het dichtst bij de temperatuur die je normaal al hebt tijdens de meting. De referentie-temperatuur van 75 oC is internationaal afgesproken, dit is de temperatuur van de transformator bij nominaal bedrijf.
2. Het nullastverlies
Het nullastverlies en de nullaststroom zijn eenvoudig te meten. Je sluit de voeding aan op de laagspanningswikkeling en de hoogspannings wikkeling is niet aangesloten. Je regelt de spanning op en je leest de waarden af bij 90%, 100% en 110% van de nominale spanning. De nullaststroom is veel kleiner dan de nominale stroom. Die stroom is trouwens niet mooi sinusvormig ( zie fig 1 ). Dat komt door het niet-lineaire magnetische gedrag van het kernblik.
Het magnetische veld zit alleen in de kern. Het kernblik gaat pas in verzadiging als de spanning hoger is dan ca 120% van de nominale spanning en dat komt in de praktijk niet voor.
3 Het kortsluitverlies
De meting is, op papier, heel simpel. Je sluit de laagspanningswikkeling kort en de voeding sluit je aan op de hoogspanningswikkeling. Je regelt de spanning op totdat de nominale stroom door de wikkelingen loopt. De waarde van die spanning noemt men de kortsluitspanning en die drukt men uit in procenten van de nominale spanning. Bij kleine transformatoren zoals in de trafohuisjes in de wijk is dat ongeveer 4%, maar bij grote 400 kV transformatoren is dat wel 20%.
Er is dan ampère-windingen evenwicht. Dat is het best te illustreren met een voorbeeldje.
De laag- en hoogspanningswikkeling hebben respectievelijk 70 en 500 windingen. De hoogspannings-stroom is 80 Ampere, dan is de laagspanningstroom - 500/70 x 80 = - 571,4 Ampere.
Anders gezegd : 500 x 80 + 70 x -571,4 = 0
De verliezen in de stalen kastwand kun je verlagen door die magnetisch af te schermen. Dat kan met aluminium platen of met blikpakketten van kernblik. ( zie fig 3 ).
Een getallenvoorbeeldje van een 500 MVA – 400 kV driefase transformator.
Fasestroom : 722 A
Spanning bij kortsluitmeting : 80 kV ( de kortsluitspanning )
( 80/400 = 20% noemt men de relatieve kortsluitspanning )
Verlies : 1000 kW = 1 MW Het rendement is dus 99,8 %
Je voert bij de verliesmeting een vermogen toe van 100 MVA ( 20% van 500 MVA ). De Watt Watt verliezen zijn 1 MW). Vertaald naar de bierpul: Er zit 1% bier in de bierpul, dus je ziet eigenlijk alleen maar schuim!!! Je moet dan ook nog eens realiseren dat je het verlies heel nauwkeurig moet bepalen. Wil je het verlies op 1 kW nauwkeurig weten, dat is 0,1% van 1000 kW. De meetopstelling moet dan globaal 0,1% maal 1% = 0,001% aan kunnen. Dat is een leuke technische uitdaging voor de medewerkers van het hoogspanningslab.
De verliescomponent in de stroom is maar een zeer klein deel van de nominale stroom, dat stelt dus hoge eisen aan de nauwkeurigheden van spannings- en stroommeting. De voeding moet bovendien heel veel stroom kunnen leveren, maar de kWh uur meter geeft niet zo veel aan. Een netbeheerder wil dat niet en Smit is daarom gedwongen een eigen voeding te bouwen.
Hoe los je dat dan op?
Stap 1.
Je koopt een voedingsinstallatie die bestaat uit een motor met op dezelfde as een generator. De motor wordt aangesloten op het net en die vraagt alleen maar kiloWatten. Je regelt de spanning en stroom via de bekrachtiging van de rotor op de generator. De generator levert dus de hoge stroom met daarin het beetje stroom dat hoort bij het verlies. Maar wat als de generator niet genoeg stroom kan leveren ( is trouwens wel een 20 MW generator ).
Stap 2.
Als je een wisselspanning op een condensator zet, dan gaat er een stroom lopen. Er wordt dan capacitief blindvermogen aan de condensator geleverd. ( dat komt door het elektrische veld ). De stroom in een condensator is in tegenfase met de stroom door een spoel. Een condensator die parallel geschakeld is aan een spoel zorgt er voor dat de totale stroom kleiner is. Dit noemt men ook wel parallel resonantie. Je gaat nu een condensatorbatterij parallel schakelen aan de transformator. De stroom die de generator moet leveren is dan kleiner. Het capacitief blindvermogen compenseert het inductief blindvermogen Als je dit principe toepast op het glas bier, dan neemt de condensator een groot deel van het schuim weg.
Je kunt niet de hele installatie op een foto zetten. De motorgenerator-set staat in een aparte ruimte opgesteld vanwege het geluid. De tussentransformator(en) staan buiten en de condensatorbatterij kan ( voor een deel ) in een aparte ruimte staan of zelfs buiten. De transformator zelf staat natuurlijk in de hal.
Je vindt de gemeten waarden in elk beproevingsprotocol.
Zie ook Beproevingsprotocol Smit Transformatoren (3 april 1913) (willemsmithistorie.nl)
4 De back-to-back test
We hebben de verliezen nu afzonderlijk bekeken, maar je kunt ze ook samen meten. Dat kan met een “back-to-back” test. Je zet twee identieke transformatoren “met de rug” tegen elkaar. De stand van de regelschakelaar is wel verschillend, want je moet het spanningsverlies compenseren. Je bouwt een hoogspanningslijntje tussen de twee transformatoren. Het lijkt zo simpel, maar het kost heel veel tijd en aandacht om de proef voor te bereiden en om zo’n schakeling te bouwen.
Het magnetische veld van de kern ( zoals bij de nullastproef ) en het magnetische veld van de wikkelingen beïnvloeden elkaar, maar hoe?? Je wilt eigenlijk twee dingen weten: Ten eerste of het de totale verlies groter is dan de som van het nullast- en kortsluitverlies. Ten tweede of de kern ergens niet te heet wordt.
Een eerste proef vindt plaats in 1972. Je gebruikt twee 200 MVA transformatoren voor het P.E.B. Friesland (1972). De hoogspanning is 220 kV, de middenspanning is 110 kV en de laagspanning is “maar” 20 kV.
De standen van de regelschakelaar van de twee transformatoren zijn verschillend en er gaan circulatiestromen lopen in het 110 kV ( 1090 A ) en 220 kV ( 474 A ) circuit. De temperaturen worden gemeten op veel plaatsen in de kern gemeten.
Voor meer details zie het artikel van directeur de Kuijper. Hij was gevraagd om de stand van de techniek samen te vatten en te presenteren op de Cigre conferentie in Parijs en dat is een hele eer. Je wordt alleen gevraagd als je aan de top staat van het vakgebied.
[1] Design tests and service considerations associated with temperature rise and temperature distribution in transformers.
C.E.M. de Kuijper Cigre 12-04 ( 1972 )
Een tweede proef was in 1977 en werd gedaan met twee 77 MVA – 150 kV transformatoren van de P.N.E.M. Deze proef was op verzoek van de klant.
Bij deze proef werd op veel plaatsen het magnetische veld door de kern gemeten. De meetwaarden kwamen overeen met de berekende waarden van het magnetische model. Je hebt nu de berekeningsmethode gevalideerd. Dit onderzoek was zeer vernieuwend en resulteerde in twee wetenschappelijke publicaties.
Het totale verlies was ca 5% minder dan de som van het nullastverlies en kortsluitverlies. Dit kwam met name doordat het magnetische veld van de wikkelingen een tegengestelde richting had dan het magnetische veld in de kern.
Literatuur van Smit medewerkers over deze “back to back” test.
[2] Performance of the magnetic circuit of a transformer in service. A.K. Bose en G.J. Hulsink Elektrotechniek 56 ( 1978 ) nr 7 juli pag 516 – 527
[3] The loading of the magnetic circuit A.K. Bose , C. Kroon en J. Wildeboer. Cigre report 12.09 ( 1978 )
5 De “Geomagnetic Induced Current” test
Transformatoren zijn zeer gevoelig voor gelijkstromen. Die stromen kunnen in hoogspanningslijnen geïnduceerd worden door grote activiteit van de zon. Dit noemt men “Geomagnetic Induced Current”. Je kunt op het Internet veel leuke afbeeldingen vinden die dit illustreren. Het noorderlicht is een spectaculair verschijnsel van deze zonneactiviteit.
Je moet een “back to back” test doen om het effect van die gelijkstroom op de transformator te meten. Het lijkt zo simpel, maar zo’n meting vraagt veel voorbereiding. Je laat een gelijkstroom ( via gelijkspanningsbron = DC – source ) rond lopen in de twee hoogspanningswikkelingen en tegelijk induceer je de nominale spanning van 500 kV in de hoogspanningswikkeling via de laagspanningswikkeling ( aangesloten op de AC source ). ( zie schema fig 9 ).
Deze proef is later “herhaald” in het onderstation bij de klant in Virginia ( U.S.A. ) terwijl de transformatoren in bedrijf waren. Alle resultaten worden gepubliceerd op een internationale
conferentie van Cigre in Parijs in 2024.
Je ziet, het hoogspanningslab van Smit doet gewoon grensverleggend wetenschappelijk onderzoek. Als klanten eenmaal weten wat je kunt, vragen ze om ook zo’n proef te doen aan hun transformator ( zie fig 11 ).
6 De verliezen meten van een shuntspoel.
Het meten van de verliezen van een shuntspoel lijkt eenvoudiger, maar is veel moeilijker dan van een transformator. Bij een transformator doe je twee metingen. Een meting met nominale spanning ( de nullast meting ) en een met nominale stroom ( de kortsluit meting ) en de verliezen tel je gewoon op. Een spoel heeft maar een wikkeling en die heeft tegelijk de nominale spanning én de nominale stroom. Als de nominale spanning “laag” is ( dat is lager dan 95 kV ) dan kun je de shuntspoel rechtstreeks aansluiten op het vermogensrek. Als de spanning hoog is ( en dat is meestal het geval ) dan heb je een grote (hulp)transformator nodig.
De verliezen van de (hulp)transformator moet je dan weer aftrekken van het gemeten verlies. Je moet goed nadenken hoe je het inductief blindvermogen van de spoel gaat compenseren met het capacitief blindvermogen van een condensatorbatterij. Er zijn daarbij twee mogelijkheden.
Er zijn trouwens maar weinig transformator fabrieken die shuntspoelen maken. Het vereist een grote investering om ze te kunnen beproeven, niet alleen financieel maar ook in kennis.
De spoel staat parallel aan een hoogspanningscondensator. De hulptransformator hoeft maar een kleine stroom te leveren. Dit is uitgevoerd bij de eenfase 500 kV shuntspoel voor DWPLA in Californië. ( zie Shunt spoelen – verleden, heden en toekomst (willemsmithistorie.nl) ). Dit is “simpel” bij een eenfase spoel. Bij een driefase spoel heb je dan 3 hoogspanningscondensatoren nodig en dat vreet ruimte. Een andere oplossing is dan nodig.
De condensatorbatterij zit aan de laagspanningszijde van de hulptransformator en het inductief vermogen van de spoel moet door de hulptransformator. Die heeft dan ook een groot vermogen.
Een laatste opmerking ter afsluiting.
Meten is een VAK met nog steeds veel interessante technische uitdagingen.
Kees Spoorenberg
Reacties mogelijk gemaakt door CComment