1 Inleiding
Je wilt weten of een product niet te duur is in het gebruik, of het wel tegen een stootje kan en hoe lang het eigenlijk wel mee gaat. Een transformator krijgt daarom een ook afnamekeuring, ook wel “Factory Acceptance Test” ( F.A.T. ) genoemd. Die F.A.T. bestaat uit een groot aantal proeven en elke proef omvat meerdere metingen. Je controleert dan of de transformator aan de internationale normen voldoet en aan de eisen van de klant. De aanname is dat deze transformator dan geschikt is voor 50 jaar “normaal” bedrijf, maar dat is geen 100% zekerheid.
Een aantal proeven is mede interessant vanuit historisch perspectief. Ter illustratie zal ik een vergelijking maken tussen de auto en een transformator. Dat doen we dan op drie punten.
- Als eerste : Hoeveel geld kost het als je de auto/transformator gebruikt.
- Ten tweede : Blijft de auto/transformator het nog doen als er plotseling een “incident” is.
- Ten derde : Hoe hard slijt de auto/transformator bij “normaal” gebruik en hoe lang gaat hij mee.
Eerst iets algemeens over proeven doen. Iedereen kan een getal aflezen van een meetapparaat en dat opschrijven, maar je moet jezelf steeds kritische vragen stellen zoals: Wat betekent het, klopt het wel met mijn verwachting, zijn er verstoringen die de resultaten beïnvloeden, ben ik iets vergeten. Ja, meten is een VAK.
Meten is weten, maar weet wel wat je meet. Het is een wat filosofische opmerking, maar beproeven houdt in dat je altijd heel kritisch naar de resultaten moet kijken. Ter illustratie het volgende praktijk voorbeeld.
Hoe kan dat?? Het uitgangspunt van alle meters is dat de stroom mooi sinusvormig is, maar die is dat nu niet meer. De ene meet de topwaarde en deelt het getal door √2. De ander meet de gemiddelde waarde en vermenigvuldigt dat met 1,1. Weer een ander meet alleen het deel van de stroom wat groter is dan nul en vermenigvuldigt dat met 2. De stroomwet van Kirchhoff klopt nog steeds, dus helaas geen Nobelprijs.
Een beproeving van een transformator ( maar ook een auto ) moet zo goed mogelijk de werkelijkheid nabootsen, maar ook praktisch uitvoerbaar zijn. Dat klinkt simpel, maar is het niet.
Elk meetresultaat bevat een zekere mate van onzekerheid. Als je meetresultaten gaat extrapoleren, via natuurkundige wetten, worden de onzekerheden nog groter. Dit is het best te illustreren met 2 voorbeeldjes.
-
Je meet de doorslagspanning van papier na 10 minuten ( zeg 20,0 kV of is het 20,1 kV ) en na 100 minuten ( zeg 19,0 kV of is het 18,9 kV ). Is de doorslagspanning bij 30 jaar dan zeker 3,0 kV of toch maar 2,5 kV.
-
De weersvoorspelling is ook een vorm van extrapoleren. Hoe verder weg, hoe groter de onzekerheid.
Proeven kun je onderverdelen in drie categorieën, zowel bij een transformator als een auto. Je moet daarbij wel in het achterhoofd houden realiseren dat de auto een serieproduct is en de vermogenstransformator op klantenspecificatie gebouwd wordt.
- Als eerste heb je de routine testen die je altijd doet, ook bij een onderhoudsbeurt. Bij een auto denk je dan aan testen van de remmen en bij een transformator aan het meten van de weerstanden.
- Als tweede heb je de type testen, die worden vaak gedaan op verzoek van de klant. Die test doe je als er iets bijzonders is of als er iets is aangepast. Bij een auto denk je dan aan een corrosietest voor een bijzondere klimaat omstandigheden en bij een transformator aan een verwarmingsproef bij een nieuw ontwerp.
- Als derde zijn er de bijzondere testen die vaak veel geld en tijd kosten. Een autofabriek doet dat in de vorm van steekproeven om te zien of de kwaliteit nog steeds goed is. Denk hierbij aan een botsproef, alhoewel de auto daarna niet meer gebruikt kan worden. Bij een transformator is dat een kortsluitproef, maar na een succesvolle test kan die wel gewoon in het net gezet worden.
2. Hoeveel geld kost het gebruik van een transformator (of hoeveel benzine verbruikt jouw auto als je rijdt)
We kijken eerst eens naar het benzineverbruik van een auto. Dat is vooral belangrijk vanwege de kosten en de CO2 uitstoot.
Zo gaat het ook met de verliezen van een transformator. De fabrikant meet het nullastverlies bij 90%, 100% en 110% van de nominale spanning. Je kunt zo het nullastverlies van transformatoren onderling vergelijken. In de praktijk zit de spanning ergens tussen de 90% en 110%.
De fabrikant meet het kortsluitverlies bij de nominale stroom en de omgevingstemperatuur
( is in de winter anders dan in de zomer ). Die verliezen worden omgerekend naar een referentie temperatuur van 75 oC. Zo kun je het kortsluitverlies van transformatoren onderling vergelijken. In de praktijk is de temperatuur van de transformator afhankelijk van de stroom, de stand van de regelschakelaar en de temperatuur van de omgeving. Het totale verlies meten zoals de transformator gebruikt wordt is praktisch niet uitvoerbaar.
Het totale verlies ( het nullastverlies plus het kortsluitverlies ) weet je in de praktijk dus niet precies, net zoals met je benzine verbruik. De software in de besturing van het elektriciteitsnet helpt wel om zuiniger de energie te transporteren.
Het is natuurlijk ook zo dat goed onderhoud van de auto ( bandenspanning controleren, afstellen van de motor, goede motorolie, etc ) het benzineverbruik vermindert en de auto langer meegaat. Dit is bij goed onderhoud aan een transformator niet anders.
3 Wat als er plotseling iets gebeurt? Hoe weet ik of de transformator daar tegen kan?
We blijven even bij de auto. Je wilt ook dat een auto veilig is. Wat als je plotseling moet remmen ( de remtest ) of ineens uit moet wijken ( de elandtest ). Deze tests zijn bedoeld om te kijken of de auto geschikt is voor dit soort incidenten. Als er dan zoiets gebeurt, dan kan de auto daarna gewoon verder rijden.
Het elektriciteitsbedrijf wil weten of de transformator gewoon kan blijven functioneren als er plotseling “iets“ gebeurt. Een blikseminslag geeft zeer hoge spanningen en er mag geen doorslag in de transformator optreden. Een kortsluiting ergens in het net mag niet leiden tot het mechanisch falen van de transformator door de hoge kortsluitkrachten die hierbij in de transformator ontstaan.
De stootspanningsproef
In het net kunnen allerlei soorten overspanningen ontstaan door het in- en uitschakelen van kabels en lijnen, maar ook door blikseminslagen. Dit was al bekend, maar men wist vroeger niet hoe die spanningen eruit zagen, want men kon dit nog niet meten. Het waren wel spanningsgolven met een stijl front, want men kon er wel aan rekenen.
Er werd een proef bedacht om golven te maken met een stijl front. ( zie periodieke mededelingen nr 23 in 1929 ) Je stelt de bollenvonkbrug ( zie fig 2 ) in op een wisselspanning die 30% hoger is dan de nominale spanning. Je regelt de spanning op en de bollenvonkbrug slaat door op de topwaarde van de wisselspanning. De lichtboog wordt uitgeblazen met een luchtstroom en bij de volgende topwaarde (dat is 10 milliseconden later ) slaat hij weer door. Dit doe je dan 1000 keer. De proef duurt dan ook maar 10 sec. Als er geen doorslag optreedt in de transformator, dan is de proef geslaagd. Als er wel een doorslag optreedt, dan is de isolatie beschadigd ( ter illustratie zie fig 1 ).
Pas veel later is de kathodestraaloscillograaf uitgevonden, dat is een onderdeel van de oscilloscoop. Spanningsgolven kon men zo meten, maar een enkele golf meten was nog lastig. Je kon een fotocamera op het schermpje monteren en het oplichtende signaal fotograferen.
Je weet nu hoe de spanningsgolf eruit ziet, dan kun je vervolgens een apparaat bedenken dan zo’n spanningsgolf kan maken. Dat is de stootspanningsgenerator. Je hebt ook apparatuur nodig om die spanning te meten. Je gebruikt een spanningsdeler om de hoge spanning naar een lage waarde te transformeren, om die vervolgens aan te sluiten op de stootspanningsoscillograaf ( zie fig 3 ).
De kortsluitproef
Een kortsluiting in het net geeft een zeer hoge stroom, de kortsluitstroom. De beveiliging detecteert dat en binnen een halve seconde wordt de stroom uitgeschakeld. Die kortsluitstroom loopt ook door de transformator en die moet bestand zijn tegen de hoge magnetische krachten t.g.v. deze hoge stroom.
Je kunt een kortsluitproef doen. Je sluit de transformator kort aan de laagspanningszijde met een dikke koperen strip. Je zet dan in een keer de volle spanning op de hoogspanning en er gaat dan een kortsluitstroom lopen. Deze kortsluitproef kan alleen uitgevoerd worden in speciale laboratoria, want je hebt een zeer groot vermogen nodig. Het grootste kortsluitlaboratorium ter wereld staat bij de Kema in Arnhem aan de Rijn. Ze kunnen daar zelfs 800 kV transformatoren beproeven. Deze transformatoren worden opgebouwd in een binnenvaartschip. Dit schip vaart naar het kortsluitlaboratorium waar ze het dan aansluiten op de voeding.
( Voor foto’s van gefaalde transformatoren zie fig 16 t/m fig 20 van Uniek onderzoek aan kortsluitvastheid van transformatoren door Boersma en Wildeboer (willemsmithistorie.nl) )
Leuke en spectaculaire video’s en foto’s kun je vinden op internet. ( Zoektermen : Kortsluitproef en Kema. ) Dan zie je ook waarom ik dit vak zo leuk vind.
Informatie over de geschiedenis van dit kortsluitlaboratorium is te vinden in:
TESTING POWER ninety years of high voltage and high power laboratories at KEMA 1927 – 2017 ISBN 9 789080 331785
4 Hoe weet ik of de transformator lang mee gaat?
We blijven nog steeds even bij de auto. Een auto slijt als je hem gebruikt, zelfs als hij stil staat. Alles slijt tijdens het gebruik, niet alleen een auto maar ook een transformator. Maar hoe bepaal je wanneer iets versleten is. Een auto wordt maar een beperkt aantal uren per jaar gebruikt en staat meer stil dan dat hij rijdt. Je kunt een auto dus testen door dag en nacht te rijden. Na een jaar staat er zo’n ½ miljoen op de teller. Je kunt hem daarna uit elkaar halen en inspecteren. Dit kun je zo niet doen bij een transformator, want die staat al dag en nacht aan. Je moet dus iets anders verzinnen.
De verwarmingsproef
De temperatuur van een automotor mag niet te hoog worden. De motor wordt gekoeld met olie, die zelf ook niet te heet mag hebben. Een autofabrikant doet dus ook onderzoek naar de temperatuurverdeling in de motor en hoe hij de motor kan beveiligen. De beveiliging moet heel betrouwbaar zijn en niet te ingewikkeld. Dit geldt voor een auto, maar ook voor een transformator.
De temperatuurverdeling in een transformator is ook onderzocht door Smit. Dat is gepubliceerd in het blad Electrotechniek van 1930 op blz 340 – 351. “Temperatuur-verdeeling in Olie-transformatoren” door Dr. Ir. H.G. Nolen. ( zie ook Biografie Prof. Dr. Ir. H.G. Nolen (1890 - 1986) (willemsmithistorie.nl) )
Een groot aantal thermokoppels zijn aangebracht in drie transformatoren met een vermogen van respectievelijk 85 kVA, 500 kVA en 3000 kVA. Een transformator van 3000 kVA was toen zo’n beetje het maximale vermogen wat Smit maakte. De temperaturen zijn gemeten bij de nominale stroom ( vollast ) en 20% lagere en 20% hogere stroom. ( zie fig 6 ).
De resultaten van dit onderzoek zijn gebruikt bij het ontwikkelen van een goede thermische beproeving. Dit noemt men dan een verwarmingsproef. De meetresultaten daarvan kun je gebruiken om de transformator thermisch te beveiligen en om de thermische veroudering ( zeg maar slijtage ) te berekenen.
Je kunt meten hoelang het duurt voordat het papier thermisch verouderd is. Je doet de meting bij temperaturen van 250 oC en 200 oC. De gemeten tijden kun je extrapoleren naar 30 jaar en je vindt dan een temperatuur van 98 oC. Die temperatuur is vastgelegd in de norm en die geldt voor de maximale temperatuur ergens in de wikkeling bij de nominale stroom.
De temperatuur van de wikkeling kun je niet meten als de transformator in bedrijf staat, want er staat een hoge spanning op.
Grote vermogenstransformatoren worden niet in series gebouwd en de gebruiker wil wel weten wat de temperatuur van de wikkeling is in zijn transformator. Je moet dus een truc bedenken. In elke transformator wordt de temperatuur van de olie onder het deksel ( die noemt men topolie ) gemeten. Je moet nu een proef bedenken om het temperatuurverschil te meten tussen de olie en de wikkeling. Dat noemt men de verwarmingsproef, een logische naam. De resultaten van die verwarmingsproef en de meting van de olietemperatuur tijdens bedrijf gebruik je om de hoogste temperatuur in de wikkeling te berekenen. Dat was lastig in het pre-computer tijdperk en ook al omdat je het wilt weten als je bij de transformator staat. Dat alles werd opgelost met de temperatuur nabootser.
Hoe doe je een verwarmingsproef. Je voedt de hoogspanningswikkeling met de nominale stroom en de laagspanningswikkeling is kortgesloten. Na een aantal uren is de temperatuur van de olie stabiel. Je schakelt de stroom af en heel snel ( in zo’n 2 a 3 minuten ) sluit je de Ohm meter aan en meet je de weerstanden van de wikkelingen. De weerstand is evenredig met de temperatuur, dus je meet gewoon de afkoeling van de wikkeling. ( zie fig 9 ). De wikkeling koelt in zo’n 15 minuten af naar de olietemperatuur. Je kunt, via extrapolatie, bepalen hoe hoog de temperatuur was op het moment van afschakelen. ( 74 oC in fig 9 ). Je weet ook wat de olietemperatuur was op het moment van afschakelen. Je weet dus nu het temperatuur verschil tussen wikkeling en olie. Dat getal ga je gebruiken als de transformator in bedrijf staat.
Dat doe je met een temperatuurnabootser. ( ref : Periodieke Mededelingen uit 1928 en 1930 ). Maar hoe werkt die dan?
Je stopt een temperatuurmeter en een weerstand in een gesloten huls ( zie fig 10 ). Die huls las je in het deksel ( zie fig 11 ). De omgeving van de huls heeft nu de topolie temperatuur. De stroom door de wikkeling ( zie fig 13 ) gaat door die weerstand. De olie binnen in de huls wordt dus wat warmer. Je kiest nu de weerstand zodanig dat de extra temperatuurverhoging in de huls gelijk is aan het gemeten temperatuurverschil van olie en wikkeling bij de verwarmingsproef. Is de stroom lager, dan is de extra temperatuurverhoging ook ( kwadratisch ) lager.
De temperatuurnabootser wijst in bedrijf dus de warmste temperatuur van de wikkeling aan op een thermometer die je van een grote afstand kunt aflezen ( dat is wel zo veilig als er spanning op de transformator staat ). Uiteraard doe je een speciale proef om te laten zien dat het werkt ( zie fig 14 )
Thermokoppeldraad is elektrisch geleidend en een thermokoppel kun je dus niet binnen in een wikkeling monteren. Tegenwoordig zijn er glasvezelsensoren en glasvezel is elektrisch isolerend. Glasvezel sensoren kun in een wikkeling monteren en zo de temperatuur meten terwijl de transformator in bedrijf staat. ( zie fig 15 ).
De ontladingsmeting
Elektrische (deel)ontladingen kunnen we horen als uit het geritsel bij hoogspanningslijnen. Dat hoor je vooral bij vochtig of mistig weer. In het donker kun je het soms zien en dat verschijnsel noemt men corona. Ontladingen in lucht geven een chemische reactie en er ontstaat Ozon ( zie Wikipedia ). Ontladingen in lucht worden trouwens ook nuttig gebruikt, zoals in laser printers en elektro filters.
Ontladingen in olie resulteren in het ontleden van olie in verschillende gassen en is iets wat je niet wilt. Er is ook geen nuttige toepassing.
Ontladingen in vaste stof beschadigen het isolatie materiaal. Het isolatie materiaal verbrand en dat geeft roet. Roet is elektrisch geleidend en de ontlading zal groeien en dat zal uiteindelijk leiden tot een doorslag. Het groeien van de ontlading noemt men “electrical treeing” want het ziet eruit als een boom die groeit. Ontladingen worden ook nuttig gebruikt bij het vonk verspanen. Je kunt zo metalen bewerken.
Je wilt weten of de isolatie meer dan 50 jaar de spanning kan houden en heel blijft. Hoe bepaal je dat eigenlijk?
In de beginjaren van de transformator waren er beproevingen met een hoge wisselspanning. Als de transformator de dubbele spanning een minuut kon houden, dan was de isolatie goed voor de komende 30 jaar. Een simpele en goede methode, maar het kan beter. Je weet namelijk niet of er een isolatie defect(je) is met ontladingen. Je doet nu een extra wisselspanningsproef waarbij je gaat meten of er ontladingen in de transformator zitten.
De transformator wordt beproefd zoals die in het veld staat. Je induceert een spanning die ca 1,6 maal hoger is dan de nominale spanning. Gedurende een uur meet je of er ontladingen ontstaan en hoe groot ze zijn. Het ontladingsniveau moet lager zijn dan 50 picoCoulomb. Een pico is 10-12 ( zeg maar 1 miljoenste van een miljoenste ) en dus héééél klein.
Die ontladingseis stelt vervolgens hoge eisen aan de werkwijze in je eigen productie. Alle metalen onderdelen mogen geen scherpe randen hebben, dus alles moet mooi afgerond worden. Er mogen geen vuildeeltjes in de transformator zitten, dus “Transformator hygiëne” is een belangrijk onderdeel van de training van medewerkers. De droogprocessen en vacuümprocessen worden goed bewaakt en zijn van de hoogste kwaliteit. Je vult de transformator met droge en gefilterde olie terwijl die onder vacuüm staat, zo voorkom je luchtbellen in het isolatiemateriaal.
De kwaliteit van de isolatie van de transformator is zo verder verbeterd en dat leidt tot een verlenging van de levensduur. De transformator gaat dus zeker langer mee, alleen je kunt het niet in een getal uitdrukken.
Kees Spoorenberg
Reacties mogelijk gemaakt door CComment