Driefasentransformatoren
[bewerk] Driefasentransformatoren voor hoogspanningsnetten
Op plaatsen waar grote vermogens worden afgenomen en getransporteerd, wordt in plaats van de éénfasige wisselspanning, driefasige wisselspanning van 50 Hertz toegepast. In de centrales wordt met generatoren deze driefasige spanning opgewekt.
Om de opgewekte spanning van 15 à 20 kV geschikt te maken via het hoogspanningsnet verder te kunnen worden getransporteerd, worden driefasentransformatoren tussengeschakeld. Na transport en distributie wordt de driefasige spanning met nettransformatoren naar een éénfasige wisselspanning van 230 V omgezet.
[bewerk] Onderverdeling van de driefasentransformatoren
De driefasentransformatoren in het hoogspanningsnet worden onderverdeeld in:
● middenspannings- of distributietransformatoren voor het 10 kV-net (nettransformatoren);
● transformatoren voor grote vermogens en hoge spanningen.
[bewerk] Principe van de driefasentransformatoren
Driefasentransformatoren kunnen worden gezien als drie gekoppelde éénfasetransformatoren, waarvan de drie primaire en secundaire wikkelingen op één magnetiseerbare kern zijn aangebracht (zie afbeelding).
De toegevoerde driefasenspanning wordt via de primaire wikkelingen U, V en W van de transformator omgezet naar een hogere of lagere spanning in de secundaire wikkelingen u, v en w. De wikkelingen van deze transformatoren kunnen in ster (Y) of in driehoek (Δ of D) worden geschakeld, bepaald door het netstelsel waar de transformator deel van uitmaakt.
Bij een netstelsel voor bijvoorbeeld de distributie van elektriciteit, wordt afhankelijk van het aantal geleiders, een onderscheid gemaakt tussen drie-, vier- of vijfgeleidernetten waaruit het net kan zijn opgebouwd.
Het voert op deze plek te ver om uitvoerig op deze netstelsels in te gaan. In het kort komt het hier op neer, dat bij de driegeleidernetten de secundaire zijde van de transformator in ster of in driehoek kan worden uitgevoerd. Bij de vier- en vijfgeleidernetten kunnen de secundaire zijden van de transformator alleen maar in ster worden geschakeld.
[bewerk] Genormaliseerde oliegekoelde nettransformatoren
De volgens de NEN-EN-IEC 60076-1:1999 (Energietransformatoren - Deel 1: Algemeen) genormaliseerde oliegekoelde netttransformatoren, worden in overgrote meerderheid in middenspanningsnetten (distributienetten) en fabrieksnetten met een spanning van 10 kV toegepast.
Een schakelaar met 5 standen maakt aanpassing aan de aangeboden spanning mogelijk door aftakkingen aan de hoogspanningswikkeling. De standaarduitvoering hiervan is :11250 – 11000 – 10750 – 10500 – 10250 V. De instelling op zo'n aftakking kan alleen in spanningsloze toestand worden uitgevoerd.
In de nettransformatoren wordt de spanning van 10 kV omgezet in de netspanning. Hoewel de normale driefasige netspanning 400 V is en éénfasig 400 V/√3 = 230 V bedraagt, moet de spanning op de transformatorklemmen hoger zijn dan de netspanning, wegens het spanningsverlies over de kabels naar de hoofdverdeelinrichting en de afgaande groepen. Om die reden kiest men een secundaire spanning van 420 V op de klemmen van de transformator.
[bewerk] Schakeling van de nettransformatoren
De schakeling van de genormaliseerde nettransformatoren is meestal Dyn 5, eenvoudig weergegeven in bijgaande schakeling. De hoofdletter D geeft hierbij aan, dat de primaire wikkeling in driehoek is geschakeld en kleine letter y laat zien, dat de secundaire wikkeling in ster is geschakeld. De letter n betekent, dat aan de secundaire zijde het sterpunt - de nul - naar buiten is uitgevoerd. De hoofdletters U,V en W hebben betrekkeing op de aansluitingen aan de primaire zijde van de transformator, en de kleine letters u,v en w horen bij de aansluitingen aan de secundaire zijde.
De getallen 1 tot en met 12 hebben te maken met het zogenaamde klokgetal; een begrip dat te ver voert om hier uitvoerig te worden behandeld. In het kort kan hierover worden gezegd, dat het
klokgetal de faseverschuiving per 30o aangeeft tussen de primaire en de secundaire spanning.
De afbeelding laat zien, hoe dat er bij een nettransformator Dyn5 uit ziet. De vector V van de driehoekswikkeling wijst hierbij naar 12 uur en de vector v van de sterwikkeling naar 5 uur, zodat er in dit geval een faseverschuiving van 5 . 30o = 150o aanwezig is.
De aansluitingen van de wikkelingen worden door het deksel van de bak naar aansluitklemmen aan de bovenzijde van de transformator naar buiten uitgevoerd. Voor dit doel worden meestal porseleinen doorvoerisolatoren gebruikt, hoewel hiervoor tegenwoordig ook wel exemplaren van giethars worden toegepast.
[bewerk] Uitvoering
Op de foto is een nettransformator van 630 kVA afgebeeld, opgesteld in de open lucht op een fabrieksterrein. Om te voorkomen, dat de aansluitingen door weersomstandigheden in ongerede raken, is de bovenzijde afgedekt. De nettransformatoren zijn voorzien van koelribben om het afkoelend oppervlak te vergroten. Bovendien wordt een primerlaag en een aflaklaag aangebracht ter bescherming en met als doel het stralingsaandeel bij de afvoer van warmte te verhogen. Als waarborg, dat de gegevens van zo’n transformator altijd ter beschikking staan, wordt een zogenaamde naam- en gegevensplaat op een goed leesbare plaats aangebracht. Deze bevat de voornaamste gegevens van de transformator als vermogen, primaire en secundaire spanning, klokgetal en kortsluitspanning.
[bewerk] Transformatorvermogen, verliezen en kortsluitstroom
De vermogens van de genormaliseerde nettransformatoren voor 10 kV lopen uiteen van 50 kVA tot 1600 kVA zoals de tabel laat zien.
Tabel van vermogens, verliezen en kortsluitspanningen van genormaliseerde, met olie gevulde nettransformatoren
| P (kVA) | Nullast- verliezen (W) |
Kortsluit- verliezen (W) |
Kortsluit- spanning (%) |
|---|---|---|---|
| 50 | 115 | 840 | 4 |
| 100 | 190 | 1350 | 4 |
| 160 | 260 | 1905 | 4 |
| 250 | 365 | 2640 | 4 |
| 400 | 515 | 3750 | 4 |
| 630 | 745 | 5200 | 4 |
| 1000 | 970 | 8800 | 6 |
| 1600 | 1400 | 12900 | 6 |
De verliezen in een transformator bestaan uit nullastverliezen en kortsluitverliezen. Zoals de tabel laat zien, worden naarmate de vermogens van de transformatoren toenemen, deze verliezen in verhouding kleiner.
De nullastverliezen (ijzerverliezen) worden opgewekt in de metalen kern door de magnetisering van het blikpakket, en zijn onder te verdelen in hysteresisverliezen en wervelstroomverliezen. Deze verliezen zijn onafhankelijk van de belasting, maar zijn altijd aanwezig als de transformator onder spanning staat, dus 24 uur per dag. Onder kortsluitverliezen (koperverliezen) wordt verstaan de Joulse verliezen of I2R-verliezen in de wikkelingen. Deze verliezen ontstaan in de wikkelingen door de stroomdoorgang en zijn dus anders dan de nullastverliezen wél afhankelijk van de belasting, of anders gezegd: de kortsluitverliezen zijn er alleen als er belasting wordt gevraagd. Deze verliezen zijn evenredig met het kwadraat van de stroom, zodat bij bijvoorbeeld halflast van een transformator van 630 kVA, 1300 watt aan kortsluitverliezen in warmte wordt omgezet, waardoor samen met de nullastverliezen het totaal aan verliezen dus 745 + 1300 = 2045 watt bedraagt.
In de praktijk worden nettransformatoren meestal maar enkele uren per dag volledig belast of tot bijvoorbeeld 80%, en wordt de rest van de dag een geringer vermogen afgenomen. Als per 24 uur de gemiddelde belasting 60% bedraagt, dan is per jaar het energieverlies van een 630 kVA-transformator dus: 24 . 365 . (745 + 0,62 . 5200) = 23.000 kWh. Dat is ongeveer het verbruik van 7 huishoudens!
De kortsluitspanning is de spanning die op de primaire klemmen moet worden aangelegd om bij kortsluiting van de secundaire klemmen de nominale stroom te laten vloeien. Dit wordt algemeen in een proefopstelling uitgevoerd.
Om deze nominale stroom vast te stellen, wordt als rekenvoorbeeld een transformator van 630 kVA gekozen. Uit het vermogen P kan de nominale stroom worden afgeleid, en wel met deze formule:
Hieruit volgt dan:
Als bij de transformator van 630 kVA de kortsluitspanning 4% is, dan wil dat zeggen, dat de stroom van 866 A aanwezig is bij 4% van de nominale spanning, dus bij 16,8 volt, ofwel de proefspanning bij een kwaliteits- en afnamecontrole. In de praktijk is niet deze 16,8 volt (=4%)aanwezig, maar 420 volt (= 100%), zodat de kortsluitstroom Ik bij de netspanning gelijk is aan 100/4 . I = 25 . 866 = 21650 A = 21,65 kA.
[bewerk] Genormaliseerde nettransformatoren met gietharsisolatie
Op plaatsen waar oliegekoelde nettransformatoren bezwaren kunnen opleveren, worden zogenaamde ‘droge’ nettransformatoren toegepast. Brandgevaar bijvoorbeeld in flatgebouwen is daar een voorbeeld van, maar ook de aanwezigheid van of de kans op grondwater- of bodemvervuiling. Op die plaatsen worden dan transformatoren gekozen met gietharsisolatie.
Giethars bevat een vulmiddel van kwartsmeel, waardoor de ontwikkelde warmte redelijk goed wordt afgevoerd en waardoor het giethars zo onbrandbaar mogelijk wordt gemaakt. De aanschafprijs van gietharsisolatoren is hoger dan die van de oliegekoelde transformatoren, maar de afmetingen zijn kleiner, en er hoeven geen voorzieningen te worden getroffen om eventuele olielekkages op te vangen. De koeling van deze droge transformatoren is complexer dan de oliegekoelde transformatoren. Soms moeten er speciale maatregelen worden getroffen om de temperatuur op peil te houden. De vermogens van deze transformatoren lopen net als de oliegekoelde nettransformatoren van 50 kVA tot 1600 kVA, met kortsluitspanningen van 4 tot 6%, dus volgens de tabel als eerder getoond.
[bewerk] Transformatoren voor grote vermogens en hoge spanningen
De aangeboden transportspanningen aan de primaire zijde van de transformatoren met grote vermogens in het hoogspanningsnet kunnen zijn: 110 kV, 150 kV, 220 kV of 380 kV, bij zeer grote vermogens. Sommige generatortransformatoren (machinetransformatoren) moeten bijvoorbeeld een vermogen van zo'n 500 MVA overbrengen, waarbij de in de generator opgewekte spanning van 15 à 20 kV omhoog wordt getransformeerd naar de eerder genoemde transportspanningen.
De transformatoren voor grote vermogens en hoge spanningen worden slechts door enkele gerenomeerde fabrieken geproduceerd. De eisen die aan deze grote transformatoren worden gesteld, zijn namelijk buitengewoon hoog. Tijdens de fabricage wordt bijvoorbeeld in ruime mate kwaliteitscontrole uitgevoerd, en als de transformator gereed is, wordt door een reeks zware beproevingen vastgesteld of deze geschikt is om deel uit te maken van hoogspaningsnet. Zo worden bliksemspanningsproeven uitgevoerd, waarbij bij een transformator met een bedrijfsspanning van 150 kV een testspanning van 750 kV op de aansluitklemmen wordt aangelegd.
[bewerk] Afvoer van warmte
De verliezen in de nettransformatoren en de grote transformatoren worden in het binnenwerk in warmte omgezet. Dit binnenwerk van de transformatoren is in een bak met olie geplaatst die de warmte opneemt en weer zoveel mogelijk afgeeft aan koelribben op de bakwand.
Door de ontwikkelde warmte gaat de olie circuleren en treedt inwendige koeling op. Uitwendige koeling gebeurt doordat de omringende omgevingslucht langs de bakwand gaat circuleren waardoor via de koelribben warmte wordt afgestaan. Voor de nettransformatoren met een vermogen groter dan 1000 kVA wordt de kast voorzien van een radiatorkoeler, waarbij de olie opstijgt en afkoelt. Bij de transformatoren voor het hoogspanningsnet met de zeer grote vermogens, is deze manier van koelen niet meer mogelijk, en moet door geforceerde koeling met radiatorkoelers en ventilatoren de transformator op een veilige temperatuur worden gehouden. Hoewel in verhouding met de nettransformatoren de ijzer- en koperverliezen van een de grote transformatoren relatief laag zijn, wordt natuurlijk in de kern en in de wikkelingen toch nog vrij veel warmte ontwikkeld.
[bewerk] Toestandscontrole van de transformatoren
De olie in de transformatoren heeft niet alleen een koelende functie, maar dient ook nog een ander doel, namelijk als elektrische isolatie. Hoewel de windingen natuurlijk goed geïsoleerd zijn, worden de wikkelingen door de aanwezigheid van de olie volledig van alle vocht afgesloten, waardoor optredende spanningsverhogingen in het net zonder problemen gehouden kunnen worden. De olie heeft daarnaast nog een andere bijzondere functie. Bij de nettransformatoren wordt namelijk als regel met behulp van een Buchholzrelais een door een inwendige fout ontstane gasontwikkeling gedetecteerd en gesignaleerd. Bij een plotselinge gasontwikkeling kan dit zelfs tot afschakeling leiden. Bij de grote transformatoren wordt deze methode eveneens gebruikt, maar tegenwoordig is het ook mogelijk met behulp van oliemonsters, de toestand van een transformator voortdurend onder controle te houden. Dit gebeurt door oliemonsters te nemen en vervolgens hieraan gasanalyses uit te voeren met behulp van de gaschromatografie.
[bewerk] Gasanalyses
Door temperatuurverhogingen en door veroudering van het gebruikte isolatiemateriaal lossen deeltjes hiervan op en gaan over als gasbelletjes in de transformatorolie. Dit oplossen door veroudering is een normaal verschijnsel en levert als zodanig geen groot bezwaar op. Bij periodieke controle van de transformatorolie door het nemen van oliemonsters en het maken van gasanalyses met behulp van een gaschromatograaf, worden afwijkingen van het normale patroon echter onmiddellijk waargenomen. Zo’n afwijking, meestal in de vorm van toename van opgeloste gassen, kan wijzen op een acute of een sluimerende fout in de transformator. Op het moment dat er zo’n stijging van opgeloste gassen wordt vastgesteld, wordt als regel de frequentie van de gasanalyses opgevoerd, om een eventuele fout niet te laten escaleren.
In de praktijk kunnen zowel thermische als elektrische fouten aanwezig zijn. Een thermische oververhitting op een plek in de transformator, een zogenaamde hot spot, leidt tot pyrolyse van, het isolatiemateriaal waardoor verscheidene karakteristieke gassen als koolwaterstoffen worden gevormd. Naast atmosferische gassen als stikstof (N2) en zuurstof (O2) worden bij deze fouten ook gassen als kooldioxide (CO2), koolmonoxide (CO) en waterstof (H2) aangetroffen. Deze gassen geven net als de koolwaterstofgassen methaan (CH4), ethyn (C2H2), etheen (C2H4) en ethaan (C2H6) een indicatie, dat er afwijkingen aanwezig kunnen zijn. Als hierbij bovendien propeen (C3H6) en propaan (C3H8) wordt gevonden, dan kan dit op een ernstige fout in de transformator wijzen.
Bij elektrische fouten als lichtbogen en vonkontladingen worden vooral de gassen H2 en C2H2 gevormd, begeleid door CH4 en C2H4. Bij partiële ontladingen zijn dat voornamelijk H2 en CH4 en kleine hoeveelheden C2H6.
De gevonden hoeveelheden gedetecteerd gas worden uitgedrukt in parts per million (ppm).
Voor een algemene interpretatie van de fouten worden niet alleen de absolute hoeveelheden opgelost gassen bekeken, maar ook de verhoudingen tussen bepaalde karakteristieke gassen, bijvoorbeeld: C2H2/C2H4, CH4/H2 en C2H4/C2H6. Door een verdere kwalitatieve en kwantitatieve benadering van de gevonden gassen kan een nadere interpretatie van de aanwezige fout volgen. Bij een duidelijke toename van de fout, gekenmerkt door een sterke stijging van de opgeloste gashoeveelheden, kunnen maatregelen worden getroffen om de fout nader te lokaliseren en wordt nagegaan of herstel van de transformator mogelijk is.
