Spanningstransformatoren

Een elektrisch energiesysteem is een netwerk dat elektrische energie levert, transporteert en verbruikt. Energie wordt opgewekt in centrales, overgebracht via leidingen en gebruikt in huizen. Spanningsniveaus moeten worden gemeten om een optimale overdracht te garanderen, vaak met behulp van gespecialiseerde transformatoren vanwege de hoge spanningen. Meettransformatoren, zoals spanningstransformatoren (of potentiaaltransformatoren) voor hoogspanning en stroomtransformatoren voor hoge stroom, worden gebruikt voor deze metingen. Dit artikel behandelt de constructie, werking, meting, types en toepassingen van spanningstransformatoren.

Inhoudsopgave

• Wat is een laagspanningstransformator
• Bouwwijze
• Werkingsprincipe
• Meting van de spanning met behulp van een spanningstransformator
• Soorten laagspanningstransformatoren
• Fouten in spanningstransformatoren
• Voor- en nadelen
• Toepassingen
• FAQs

Wat is een laagspanningstransformator

Een elektrisch substation is een secundair station in het elektriciteitsproductie-, -transmissie- en -distributiesysteem waar de spanning met behulp van transformatoren wordt omgezet van een hoge waarde in een lage of omgekeerde waarde. De elektrische stroom stroomt door verschillende substations tussen de centrales en de verbruiker, en de spanning kan in verschillende stappen worden gewijzigd.

De spanning die in een elektriciteitscentrale of onderstation wordt opgewekt, wordt doorgegeven aan verschillende industriële eenheden en woonwijken. Men moet zich ervan vergewissen dat de opgewekte spanning een optimale waarde heeft, en dat ook de ontvangen spanning na transmissie over verschillende lijnen geen grote verliezen heeft geleden. Daarom is het van essentieel belang deze spanningen op verschillende punten te meten.

De meting van hoogspanningen in krachtcentrales en belastingcentra kan niet worden verricht met conventionele voltmeters. Een potentiaaltransformator is een instrument dat wordt gebruikt voor het meten van hoge spanningen in een transmissie- of distributiesysteem. Het is een step-down transformator die een ingangsspanning omzet in een lagere uitgangsspanning, die vervolgens met een voltmeter kan worden gemeten.

Let op: De termen spanningstransformator en potentiaaltransformator betekenen in wezen hetzelfde, en beide termen worden in dit artikel door elkaar gebruikt.

Bouwwijze

De constructie van een spanningstransformator is vergelijkbaar met die van een conventionele vermogenstransformator met primaire en secundaire wikkelingen. De aan de belastingszijde geproduceerde spanning is evenredig met het aantal windingen in de secundaire spoel ten opzichte van dat in de primaire spoel. De spanningstransformatie wordt gegeven door,

V1 / V2 = N1 / N2

• V1: Spanning op de primaire spoel van de transformator
• V2: Spanning geproduceerd op de secundaire (belasting) spoel van de transformator
• N1: Aantal windingen in de primaire spoel
• N2: Aantal windingen in de secundaire spoel

Bij voorbeeld, een transformator met N1=1, N2=10, met een primaire wikkelspanning (V1) gelijk aan 10, zal een secundaire wikkelspanning gelijk aan 1V hebben.

Een spanningstransformator heeft een magnetische kern (figuur 2 met opschrift F) die lijkt op die van een conventionele vermogenstransformator, maar met een kern van siliciumlaminaten van grote afmetingen. De magnetische kern kan van het mantel- of kerntype zijn.

De secundaire zijde wordt naast de kern gewikkeld omdat het gemakkelijk is om een laagspanningswikkeling te isoleren (Figuur 2 met opschrift B). De primaire, hoogspanningsdragende wikkeling (Afbeelding 2 met het label A) wordt over de secundaire wikkeling gewikkeld met papiertape of katoenen isolatie (Afbeelding 2 met het label E) ertussen.

De wikkelingen zijn ondergedompeld in een met olie gevulde tank (figuur 2, markering D), waardoor een betere isolatie wordt verkregen in transformatoren met een hoge nominale spanning (meer dan 7 kV). De hoogspanningsklemmen worden uit de tank gebracht door met olie gevulde bussen (Figuur 2 met label C).

Werkingsprincipe

Een potentiaaltransformator wordt gewoonlijk gebruikt om hoge spanningen te meten. De primaire zijde van de potentiaaltransformator (in figuur 3 aangeduid met PT) is verbonden met de transmissielijn waarvan de spanning (132 kV in figuur 3) moet worden gemeten. De transmissielijn is verbonden met een belasting "A" die elektrische stroom van de lijn ontvangt. De potentiaal transformator is altijd parallel geschakeld over de lijn. De secundaire zijde van de spanningstransformator wordt aangesloten op een standaard laagspanningsmeter (figuur 3 met het label V). Een stroomtransformator wordt altijd in serie geschakeld met de lijn waarvan de stroom moet worden gemeten. Lees ons artikel voor een grondige vergelijking tussen spanningstransformatoren en stroomtransformatoren.

Wanneer spanning op de primaire wikkeling wordt gezet, induceert dit een spanning op de secundaire wikkelingen. Deze spanning is lager dan de spanning op de primaire wikkeling en is evenredig met het aantal wikkelingen op de primaire en secundaire zijde.

Meting van de spanning met behulp van een spanningstransformator

1. Sluit de primaire zijde van de spanningstransformator aan op de te meten hoogspanningslijn.
2. Sluit een standaard voltmeter (0-250V) aan op de secundaire van de potentiaaltransformator.
3. Noteer de spanningswaarde over de secundaire transformator op de voltmeter.

Als de verhouding tussen het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkeling 1200:1 is, en de voltmeter 110 V meet over de secundaire wikkeling,

• V2=110V
• N1=1200
• N2=1
• Daarom, V1=132 kV

Soorten laagspanningstransformatoren

Soorten spanningstransformatoren op basis van hun constructie

Er zijn twee hoofdtypen potentiaaltransformatoren op basis van hun constructie: het gewikkelde type en het condensator-spanningstype.

Gewikkelde potentiaal transformator

Potentiaaltransformatoren van het type met omhulsel en kern worden ingedeeld bij het gewikkelde type. De primaire en secundaire wikkelingen worden met de juiste isolatie op de kernledematen gewikkeld. Voor het meten van hoge spanningen (gewoonlijk meer dan 10 kV) wordt de constructie ingewikkeld door isolatieproblemen. Vandaar dat capacitieve potentiaaltransformatoren worden gebruikt om zeer hoge spanningen te meten.

Capacitieve potentiaal transformator

Een capacitieve potentiaaltransformator maakt gebruik van een capacitieve deler en een hulptransformator (figuur 4 met plaatje A). De condensator-deler elimineert de noodzaak van een hoogohmige potentiaal transformator.

Een capacitief-divider-netwerk (vier condensatoren in figuur 4) wordt aangesloten over de te meten hoogspanning (figuur 4, label B). Wanneer de condensator wordt aangesloten op een wisselspanning, begint hij zich op te laden tot de grootte van de spanning. De ingangsspanning wordt verdeeld over de condensatoren, waardoor de hoge ingangsspanning wordt verlaagd tot een lage waarde.

De lage spanning die door de capacitieve verdeler wordt verkregen, wordt verlaagd (figuur 4, label D) met behulp van een hulptransformator. Het gearceerde gedeelte (Figuur 4 met label C) beschrijft gezamenlijk een capacitieve potentiaalomvormer die bestaat uit een condensatorverdeler en een hulptransformator.

Soorten spanningstransformatoren op basis van de bedrijfsspanning

Op basis van de gebruikte systeemspanning worden spanningstransformatoren ingedeeld in

Hoogspanningsspanningstransformatoren

Hoogspanningspotentiaaltransformatoren werken gewoonlijk op een ingangsspanning van meer dan 69 kV. Deze toestellen zijn geschikt voor het meten van hoge spanningen op distributielijnen. Het is niet economisch om een enkele transformator te gebruiken om spanningen van meer dan 500 kV te meten (aangezien de afmetingen van de transformator enorm worden), en in dit geval worden twee transformatoren in cascade geschakeld om de vereiste spanning te produceren.

Cascadering is het proces waarbij twee transformatoren in serie worden geschakeld. Om bijvoorbeeld een hoge spanning van 100 kV terug te brengen tot 10V is een transformator nodig met een omwentelingsverhouding (aantal omwentelingen in de secundaire wikkeling: aantal omwentelingen in de primaire wikkeling) van 1:10000, waardoor de transformator zeer omvangrijk wordt. Voor hetzelfde doel kunnen twee transformatoren met een omwentelingsverhouding van 1:100 worden gebruikt. De eerste transformator verlaagt de ingangsspanning van 100 kV tot 1 kV, die wordt toegevoerd aan de primaire wikkeling van de tweede transformator. De tweede transformator verlaagt de ingangsspanning van 1 kV tot 10 V aan de uitgang. Transformatoren kunnen dus in cascade worden geschakeld om de exacte spanningsomzetting van een enkele transformator te verkrijgen, maar met veel geringere afmetingen en constructie-uitdagingen.

Middenspanningsspanningstransformatoren

Volgens de IEEE-norm worden de praktische spanningsniveaus (inkomende spanning) in 5kV-35kV vaak middenspanning genoemd. Sommige distributielijnen kunnen meer dan 35 kV bedragen, en deze lijnen worden ingedeeld bij de hoogspanningslijnen.

Een middenspanningsdistributietransformator zorgt voor de definitieve spanningstransformatie in een elektriciteitsdistributiesysteem nadat de spanning van de distributielijn is verlaagd tot een niveau dat geschikt is voor gebruik door de consument. Deze transformatoren zijn ideaal voor zowel binnen- als buitentoepassingen, afhankelijk van het bereik van de ingangsspanning (zie tabel 1).

Opmerking:De systeemspanning die in tabel 1 voor verschillende spanningstransformatortypes wordt besproken, dient slechts ter informatie en deze waarden kunnen variëren naargelang van de verschillende gebruikte normen zoals IEEE, IEC, en ANSI.

Laagspanningstransformatoren

Een laagspanningstransformator werkt op een ingangsspanning van minder dan 600V. Deze transformator wordt gebruikt met meet- of bewakingsapparatuur of als hulpstroombron in het motorbedieningspaneel.

Tabel 1: Verschil tussen laagspannings-, middenspannings- en hoogspanningstransformatoren

Type transformator	Bouw	Type isolatie	Systeemspanning	Binnen- en buitentoepassingen
Lage spanning	Eenfasig, driefasig	Resin cast, tape wound	440V	Binnen
Middenspanning	Enige pool driefasig, Dubbele pool driefasig	Hars gegoten	3.3 kV-33kV	Binnen en buiten
Middenspanning	Eenfase geaard type	Met olie doordrenkt	3.3kV-33kV	Buiten
Hoogspanning	Eenfase geaard type	Met olie doordrenkt	66 kV en hoger	Buiten

Soorten spanningstransformatoren op basis van functie

Spanningstransformatoren worden op basis van hun functie ingedeeld in meet- en beschermingstypes.

Meettype spanningstransformatoren

Spanningstransformatoren van het metertype zijn transformatoren met lage rating en hoge nauwkeurigheid die worden gebruikt voor spanningsmeting in meetapparatuur.

Beschermingstype spanningstransformatoren

Potentiaaltransformatoren van het beschermingstype worden gebruikt voor het verschaffen van isolatie en bescherming tegen hoge spanningen tijdens metingen. De wikkelingen van deze transformatoren zijn elektrisch geïsoleerd en de laagspanningszijde is niet rechtstreeks verbonden met de hoogspanningszijde.

Fouten in spanningstransformatoren

In een conventionele transformator is de uitgangsspanning in de secundaire wikkeling precies evenredig met de spanning op de secundaire transformator. In spanningstransformatoren daalt de spanning echter ten gevolge van de reactantie en de weerstand in de primaire en secundaire wikkelingen. Er zijn twee soorten fouten, namelijk faseverschuivingsfouten en spanningsverhoudingsfouten, aanwezig in de uitgangsspanning van een spanningstransformator.

Faseverschuivingsfout

De faseverschuivingsfout is het verschil tussen de fase van de primaire spanning en de omgekeerde secundaire spanning. In het ideale geval blijft de primaire spanning in fase met de omgekeerde secundaire spanning. Maar in de praktijk verschuift de fase van de secundaire spanning door de reactantie van de wikkelingen, waardoor een fasehoekfout ontstaat.

Spanningsverhouding fout

De spanningsverhoudingfout is het verschil tussen de ideale spanning die moet worden verkregen en de werkelijke spanning die op de secundaire wikkelingen wordt verkregen. Het foutenpercentage van de spanningsverhouding wordt gegeven door:

{(V1 – K_n V2) / V1} ✕100

• V1: Primaire spanning
• V2: Secundaire spanning 3
• K_n : Nominale verhouding (Nominale verhouding)

Voor- en nadelen

Voordelen:

• Meet veilig zeer hoge spanningen op transmissielijnen.
• Maakt het mogelijk om met een gewone voltmeter zeer hoge spanningen te meten.
• Biedt bescherming door de voltmeter en de hoogspanningslijn elektrisch te isoleren.

Nadelen

• Een spanningstransformator kan geen gelijkspanning meten.
• Spanningstransformatoren zijn duur in vergelijking met conventionele transformatoren.

Toepassingen

Spanningstransformatoren worden vaak gebruikt in:

• Relais- en meetcircuits
• Elektrische beveiligingssystemen
• Het meten van hoogspanningstransmissielijnen
• Synchronisatie van stroomgeneratoren en feeders (feeders zijn de stroomleidingen waarlangs elektriciteit in stroomsystemen wordt getransporteerd)

FAQs

Waar wordt een spanningstransformator voor gebruikt?

Een spanningstransformator wordt gebruikt om hoogspanningstransmissielijnen te meten en te isoleren in commerciële meetsystemen.

Wat is het verschil tussen een spanningstransformator en een stroomtransformator?

Een spanningstransformator meet een hoge spanning en wordt parallel geschakeld over de lijn. Een stroomtransformator meet een hoge stroom en wordt in serie geschakeld met de te meten leiding.

Waarom barsten potentiaal transformatoren?

Wanneer een grote stroom de transformatorwikkelingen binnendringt, kan de plotselinge piek een explosie van de transformator veroorzaken. Transformatoren zijn geprogrammeerd om uit te schakelen in geval van een piek, maar het kan tot 60 milliseconden duren voordat de uitschakeling plaatsvindt.

Hoe kies ik een potentiaal transformator?

De belangrijkste factoren voor de keuze van een potentiële transformator zijn de bedrijfsspanning, de toepassing (binnen of buiten), de plaats van installatie, de primaire en secundaire spanningswaarden, en het isolatieniveau.