Nettransformatoren

Een transformator is een elektrisch apparaat, dat wordt toegepast voor het omzetten van een bepaald spanningsniveau naar een lager of hoger spanningsniveau.
Zo wordt bijvoorbeeld voor het gebruik van een elektrisch toestel de netspanning van 230 volt (V) naar een gewenste lagere wisselspanning omgezet. Dat kan variëren tussen een beltransformator - die spanningen aflevert van 3 V, 5 V en 8 V - en transformatoren voor verlichtingsdoeleinden.
Het omzetten van de netspanning naar het gewenste spanningsniveau gebeurt voor kleine vermogens met eenfasetransformatoren.
Op plaatsen waar grote vermogens worden afgenomen en getransporteerd, wordt in plaats van de eenfasige wisselspanning, een hoge driefasige wisselspanning toegepast, onder meer om het transportverlies te beperken. Voor het omzetten naar diverse spanningsniveaus worden om die reden driefasentransformatoren toegepast. Een driefasentransformator kan worden beschouwd als een combinatie van drie eenfasetransformatoren.
Voor de middenspanningsnetten – ook wel distributienetten genoemd – gebruikt men als regel een spanning van12 kV, waarvoor men genormaliseerde driefasennettransformatoren toepast.

Principe van de transformator

De sterk vereenvoudigde afbeelding van een eenfasetransformator, laat de voornaamste elementen hiervan zien. Een eenfasetransformator is namelijk opgebouwd uit een weekijzeren kern waarop twee wikkelingen zijn aangebracht: de primaire wikkeling en de secundaire wikkeling.
Als de primaire wikkeling op een wisselspanning U₁ wordt aangesloten, dan wordt er in de weekijzeren kern een wisselend magnetisch veld φ opgewekt. Dit magnetische veld – de flux - is door het gesloten ijzercircuit gekoppeld met de secundaire wikkeling en wekt daardoor in die wikkeling een inductiespanning U₂ op. De hoogte van deze opgewekte spanning is afhankelijk van het aantal windingen van de secundaire wikkeling.
Het verband tussen de aangesloten spanning U₁ en de flux φ is:

Ook de secundaire spanning U₂ is op gelijke wijze te berekenen, namelijk:

Als nu verder wordt gekeken naar de verhouding tussen beide spanningen, dan geldt het volgende:

De primaire spanning U₁ en de secundaire spanning U₂ blijken zich dus evenredig met het aantal windingen te verhouden. De verhouding tussen het aantal windingen van de primaire en de secundaire spoel geeft de factor aan waarmee de spanning omhoog, dan wel omlaag wordt getransformeerd. Dit noemt men de transformatieverhouding.
Als er van wordt uitgegaan, dat het in- en uitgaande vermogens van de transformator gelijk aan elkaar zijn (P₁ = P₂ = P), dan zijn daaruit de stromen I₁ en I₂ van de transformator af te leiden uit de algemene formule voor het vermogen, namelijk:

Getallenvoorbeeld:
De primaire spanning van eenfasetransformator bedraagt 400 volt (V). De secundaire spanning van deze transformator = 230 V. Het vermogen van de transformator = 6,3 kVA ¹⁾ = 6300 VA. Met deze gegevens kunnen de stromen I₁ en I₂ worden berekend, namelijk:

Nettransformatoren

Middenspanningsruimten

Via het hoofdtransportnet - bestemd voor grootschalig, bovenregionaal transport van elektriciteit - wordt de in de centrales opgewekte energie verder geleid. Via de transportnetten van 110 kV en 150 kV wordt verbinding gemaakt met de distributienetten. Deze verbindingen vormen dus de schakel tussen de transportnetten en de verbruikers, en verzorgen de voeding van de middenspanningsruimten.
De distributie van elektriciteit is in twee categorieën te verdelen, namelijk de middenspanningsdistributie van 12 kV tot ca 30 kV en de laagspanningsdistributie van 400 V en 230 V. De laagspanningsdistributie wordt vanuit de middenspanningsruimten verder naar de gebruikers geleid. Deze middenspanningsruimten zijn uitgevoerd als schakelstations, waar in- en afschakelingen worden uitgevoerd.

Transformatorhuisjes

Betreedbaar transformatorhuisje in een woonwijk

Voor de distributie van de elektriciteit in de woonwijken van de steden, zijn de zogenaamde transformatorhuisjes aanwezig, waar het spanningsniveau via nettransformatoren geschikt wordt gemaakt voor bedrijven en voor huishoudelijk gebruik. De vermogens van de in de transformatorhuisjes aanwezige nettransformatoren zijn genormaliseerd, en lopen van 50 kVA tot 2500 kVA, meestal bij een primaire spanning van 12 kV en een secundaire spanning van 420 V.

Hoewel de normale driefasige netspanning 400 V is, moet de spanning op de uitgaande 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.

Voor een middelgrote wijk kunnen in een transformatorhuisje enkele transformatoren zijn opgesteld van 630 kVA of 1000 kVA.
Grootverbruikers in de industrie hebben over het algemeen een aansluiting van 12 kV of 30 kV of zijn rechtstreeks met het transportnet verbonden.

Klemaanduidingen en schakelingen

De aansluitingen van de hoogspanningswikkelingen bij een nettransformator, worden aangeduid met 1U, 1V en 1W. De aansluitingen van de laagspanningswikkelingen worden aangeduid met 2U, 2V en 2W. Als de sterpunten van de nettransformatoren naar buiten worden uitgevoerd, dan worden deze aangeduid met N voor de hoogspanningszijde en met n voor de laagspanningszijde. De wikkelingen van een nettransformator kunnen op drie manieren worden geschakeld, namelijk in:

• Sterschakeling
• Driehoekschakeling
• Zigzagschakeling

Sterschakeling

Op de afbeelding zijn de hoogspanningswikkelingen in ster geschakeld. Op de volgende afbeelding is deze sterschakeling ook aanwezig, alleen is de manier van weergeven aangepast.

• Als de hoogspanningswikkelingen in ster zijn geschakeld, dan wordt dit met Y aangeduid.
• Als de laagspanningswikkelingen in ster zijn geschakeld, dan wordt dit met y aangeduid.

Bij een Yy-schakeling zijn dus zowel de hoog- als de laagspanningswikkelingen in ster geschakeld.
Op de afbeelding is een Yy-schakeling weergegeven met een naar buiten uitgevoerd sterpunt aan de secundaire zijde, waardoor dit een Yyn-schakeling wordt.

De spanning aan de laagspanningszijde tussen 2V en 2U, tussen 2U en 2W en tussen 2V en 2W noemt men de lijnspanning U_lijn ( U_l ). De lijnspanning wordt ook wel met de gekoppelde spanning aangeduid. De spanning tussen 2U en n, tussen 2V en n en tussen 2W en n wordt de fasespanning U_fase (( U_f ) genoemd.
Het verband tussen U_l en U_f wordt gegeven door de betrekking:

Rekenvoorbeeld
In een bakkerij moeten machines worden aangedreven en is spanning nodig voor kleinere apparatuur en verlichting. Er wordt een spanning U_l aangeboden van 400 V voor de machines en een de fasespanning U_f voor de verdere apparatuur en de verlichting. Hoe hoog is hier de fasespanning U_f ?

Driehoekschakeling

Op de afbeelding zijn de hoogspanningswikkelingen in driehoek geschakeld. Op de volgende afbeelding is deze driehoekschakeling ook aanwezig, alleen is de manier van weergeven aangepast.

• Als de hoogspanningswikkelingen in driehoek zijn geschakeld, dan wordt dit met D aangeduid.
• Als de laagspanningswikkelingen in driehoek zijn geschakeld, dan wordt dit met d aangeduid.

Bij een Dd-schakeling zijn dus zowel de hoog- als de laagspanningswikkelingen in driehoek geschakeld, zoals de afbeelding laat zien.

Bij een driehoekschakeling wordt het verband tussen U_l en U_f en tussen I_l en I_f gegeven door de betrekking:

Zigzagschakeling

In situaties waarbij nettransformatoren niet gelijkmatig worden belast, past men soms een zogenaamde zigzagschakeling toe.

Meestal is de laagspanningszijde uitgevoerd als zigzagschakeling (z) en de primaire zijde in ster (Y). De secundaire zijde van de transformator bevat dan zes gelijke wikkelingen in plaats van drie. Elke fase is hierbij over twee kernen verdeeld, waarmee de belasting zoveel mogelijk in evenwicht blijft.

Bij zowel de sterschakeling als de driehoekschakeling, worden soms aan de hoogspanningszijde omschakelbare aftakkingen aangebracht, om de netspanning aan de laagspanningszijde zo constant mogelijk te houden bij toename van het afgenomen vermogen.

Normalisatie

De nettransformatoren zijn genormaliseerd in een reeks, lopend van een vermogen van 50 kVA tot 2500 kVA. In de tabel zijn deze vermogens opgenomen met de bijbehorende nullast- en kortsluitverliezen, en de kortsluitspanningen. Deze inwendige verliezen zijn zeer belangrijk, aangezien de nettransformatoren als regel het gehele jaar door onder spanning staan. Dit houdt dus in, dat ook gedurende het gehele jaar de zogenaamde nullastverliezen (ijzerverliezen) doorgaan, ook als een transformator niet of nauwelijks belast wordt. De kortsluitverliezen (koperverliezen) – die samenhangen met het kwadraat van de stroom I - zijn er alleen als de transformator wordt belast.
De kortsluitspanning is het percentage van de spanning waarbij – als de aansluitklemmen secundair zijn kortgesloten – de nominale stroom I_l aanwezig is.

P (kVA)	Nullastverlies (W)	Kortsluitverlies (W)	Kortsluitspanning (%)
100	145	1750	4
160	210	2150	4
250	300	2460	4
400	405	3325	4
630	545	5000	4
1000	695	7575	6
1600	990	11075	6
2000	1205	14150	6
2500	1450	17400	6

Tabel van vermogens, verliezen en kortsluitspanningen van
genormaliseerde, met olie gevulde nettransformatoren bij nominale belasting

Uitvoeringsvormen

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 steeds meer exemplaren van giethars worden toegepast.
De meest gebruikte nettransformatoren worden uitgevoerd in gesloten metalen omhulsels en met olie gevuld, en wel om twee redenen, namelijk om de transformator te koelen en om de isolatie van de wikkelingen in goede staat te houden.
Nettransformatoren met gietharsisolatie past men meestal toe op plaatsen waar brandgevaar absoluut moet worden vermeden. Door de toepassing van organische stoffen als kwartsmeel of glasweefsel wordt het giethars zo goed als onbrandbaar gemaakt.

<<<Nettransformator 630 kVA>>>

Het merendeel van de nettransformatoren heeft een schakeling
Dyn 5, waarbij dus de primaire wikkeling in driehoek is geschakeld (D) en de secundaire wikkeling in ster (y). De letter n geeft aan, dat aan de secundaire zijde het sterpunt - de nul - naar buiten is uitgevoerd. Het getal 5 heeft te maken met het zogenaamde klokgetal.

In het kort kan hierover worden gezegd, dat het klokgetal de faseverschuiving per 30° aangeeft tussen de primaire en de secundaire spanning.

Op de afbeelding is een met olie gevulde nettransformator weergegeven van 630 kVA, opgesteld op een fabrieksterrein in de openlucht. Om te voorkomen, dat de aansluitingen door weersomstandigheden in het ongerede raken, is de bovenzijde afgedekt. De nettransformatoren zijn voorzien van koelribben om het afkoelend oppervlak te vergroten. Bovendien is 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 deze 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.

Rekenvoorbeeld:

De kortsluitstroom berekenen van een transformator van 630 kVA, als de aansluitklemmen secundair zijn kortgesloten.

Rekenvoorbeeld

De belastingsgraad in procenten van een transformator van 630 kVA vaststellen, waarbij de kortsluitverliezen gelijk zijn aan de nullastverliezen. (Voor bijzonderheden: zie de Tabel van vermogens, verliezen en kortsluitspanningen )

Koeling

De meeste nettransformatoren zijn van het type, dat met olie gevuld wordt, en wel om twee redenen, namelijk om de transformator te koelen en om de isolatie van de wikkelingen in goede staat te houden.
In de transformatoren wordt door de ijzer- en koperverliezen namelijk warmte ontwikkeld, waardoor de temperatuur stijgt. Deze temperatuurstijging is aan grenzen gebonden, aangezien dit van invloed is op de levensduur van de transformator en van de transformatorolie. Doordat de olie door natuurlijke circulatie in aanraking komt met de bak, wordt er warmte aan de omgeving afgestaan. Dit wordt nog bevorderd door de koelribben op de bak waardoor het koelend oppervlak wordt vergroot. Bovendien wordt een primerlaag en een aflaklaag aangebracht ter bescherming en met als doel het stralingsaandeel bij de afvoer van warmte te verhogen.

In de transformatoren wordt door de ijzer- en koperverliezen warmte ontwikkeld

De uitzetting van de olie door de opgenomen warmte wordt opgevangen door een expansieruimte gevuld met stikstof.
Transformatoren met een vermogen van 630 kVA en groter worden veelal uitgerust met een olieconservator. Deze conservator speelt de rol van een expansievat tijdens de opwarming van de wikkelingen. Deze conservator is dikwijls voorzien van een peilindicator, een luchtdroger en een beveiligingsrelais.
Bij de met olie gevulde transformatoren dient aandacht te worden besteed aan brandpreventie en moet een opvangbak aanwezig zijn om bij calamiteiten de olie te kunnen opvangen.
Waar een grote mate van brandveiligheid wordt vereist, past men ook gietharstransformatoren toe, zoals in grote gebouwen en appartementencomplexen. Op plaatsen waar rekening moet worden gehouden met belastingspieken, past met geforceerde koeling toe met behulp van ventilatoren.
De aanschafprijs van transformatoren van giethars is belangrijk hoger dan die van met olie gevulde transformatoren.

Beveiliging

Bij niet al te grote vermogens van de nettransformatoren, past men voor de beveiliging tegen kortsluitingen meestal vertraagde smeltveiligheden toe. Het vertragende karakter van de smeltveiligheden zorgt er voor, dat het inschakelen van de transformator zonder problemen verloopt. Bij het onbelast inschakelen van een transformator kunnen namelijk pieken van 5 tot 6x de nominale stroom optreden. Bij transformatoren van een wat groter vermogen, past men overstroom-tijdrelais toe. Zowel bij een fout in de transformator als in het net achter de transformator wordt er dan afgeschakeld.
Er kunnen zich ook plaatselijke doorslagen voordoen in de olievulling door luchtinsluitingen of andere verontreinigingen of een defect in de papierisolatie. Een thermische oververhitting op een plek in de transformator - een zogenaamde hot spot - leidt tot pyrolyse van het isolatiemateriaal waardoor gassen als koolwaterstofgassen en waterstofgas worden gevormd, die opstijgen en verzameld worden in een gasrelais, het Buchholzrelais. Dit relais heeft een tweeledige taak, namelijk:

• Bij gasvorming, waarbij niet onmiddellijk gevaar dreigt een alarm af te geven, waardoor tijdig kan worden ingegrepen²⁾
• Onmiddellijke uitschakeling van de transformator in werking zetten, als de oorzaak van de gasvorming tot problemen zou leiden.

Verder geeft het Buchholzrelais een alarm af bij een laag olieniveau en wordt de transformator uitgeschakeld als dit olieniveau ontoelaatbaar laag wordt.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

¹⁾Bij transformatoren wordt het vermogen altijd in VA (voltampère) of kVA uitgedrukt en niet in watt (W), aangezien de achterliggende belasting bijna altijd inductief is, waardoor er een faseverschuiving optreedt. Hierdoor zijn de stroom I en de spanning U niet meer in fase met elkaar. Dat houdt in, dat ze niet gelijktijdig hun maximum of hun minimum bereiken. Deze faseverschuiving wordt uitgedrukt in de cos φ van het net.

Dat inductieve karakter is afkomstig van motoren, de voorschakelapparatuur van gasontladingslampen, TV-toestellen, computers en andere elektronische apparatuur.

²⁾Bij signalering van het Buchholzrelais, worden soms oliemonsters genomen, waarna door gasanalyse de hoeveelheid opgeloste koolwaterstofgassen en waterstofgas kan worden gedetecteerd. Bij overschrijding van de gestelde normen, kan worden besloten de transformator uit bedrijf te nemen. Zie hiervoor ook:Gasanalyse van transformatoren.