Presentatie: Smit-introductie en Moeten we de transformatorverliezen voor lief nemen? Royal Smit Transformers Nijmegen 19 november 2014

Transcriptie

1 Presentatie: Smit-introductie en Moeten we de transformatorverliezen voor lief nemen? Royal Smit Transformers Nijmegen 19 november 2014 L Programma 1. Introductie Smit SGB groep 2. Geschiedenis van Smit in Nijmegen Technische presentatie Henk Fonk 3. Energietransport 4. Basis transformator 5. Kern 6. Wikkelingen 7. Ontwerp 8. Koeling Rondleiding door de productie Afsluiting in kantine 2 1

2 DE SMIT-SGB SGB TRANSFORMATOR GROEP SGB-SMIT SMIT Group SGB SMIT Management 100% 100% 100% 100% 100 % 100 % SMIT Nijmegen (Netherlands) SGB Regensburg (Germany) SBG Neumark (Germany) RETRASIB Sibiu (Romania) AMSGB Nilai (Malaysia) OTC / SGB USA (USA) Large power transformers (up to 1,200 MVA/ kv) Special transformers (phase shifters) Shunt reactors Medium and small power transformers ( MVA) Cast resin transformers (50kVA - 25 MVA) e.g. for wind farms Distribution transformers (50-6,300 kva) Compact stations (up to 2,500 kva) Verkoopen vertegenwoordiging voornederland in Nijmegen Power transformers (up to 600MVA/500kV) Service and repair Service Medium and small power transformers (up to 30 MVA) Distribution transformers (50-5,000 kva) Cast resin transformers (500-2,500 kva) Cast resin transformers (500-2,500 kva) Service & Refurbishment OTC Service Ohio USA, service en revisie Smit Transformator Service, Nijmegen, Energieweg Transformator installatie, (turn key) projecten, service, olieanalyse, FAT en SAT, long-term-storage. Alle fabricaten, alle uitvoeringen, oliegevuld én gietharsuitvoering, alle typen regelschakelaars

3 Royal SMIT Transformers B.V. Nijmegen Transformatorfabriek Groenestraat Transportroute tbv verscheping

4 SMIT Transformator Service, Nijmegen Servicelocatie Energieweg SMIT Transformers Nijmegen, Nederland Welkom Moeten we de transformatorverliezen voor lief nemen? 8 4

5 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting. 9 Energietransport Principe conventioneel AC net Centrale (generator) +/- 27 kv Transformator Lokaal transportnet 150 kv of Transformator Landelijk koppelnet 380 kv Transformator Lokaal transportnet 150 kv Transformator Lokaal/gemeentelijk net 50 kv/10 kv Transformator Woonwijk 10 kv Transformator Huisaansluiting 380/220 V 10 5

6 Energietransport Principe HVDC net Opwekking 3 fasen 690 V AC en via transformator naar 25 kv AC Bundelen van 25 kv AC en via transformator naar 150 kv AC Van 150 kv AC via transformator en gelijkrichter naar 800 kv DC 800 kv DC kabel. Massieve geleider via 1 of 2 aders. (Retourstroom via aarde) Van 800 kv DC via wisselrichter en transformator naar het 380 kv koppelnet Bron : Siemens 11 Energietransport Situatie in Nederland HV DC : +/-450 kv Rood : 380 kv koppelnet Groen : 220 kv koppelnet Blauw : 150 kv distributienet Zwart : 110 kv distributienet Aantal transformator stations 380/220 kv : /110 kv : 279 Met 1 of meerdere transformatoren per station Bron : TenneT 12 6

7 Energietransport Verliezen De Transformator Vermogens tussen de 50 kva en 1100 MVA. Bij 500 MVA (380 kv) => Totaal ongeveer 1210 kw verlies. Rendement transformator is 99,76 %(bij volle belasting). Verbruik transformator 0,5x 1210 x 24 x 365 = 5,3 GWhper jaar. Verbruik gezinswoning +/ kwh per jaar. 5,3 GWh is voldoende voor 1400 gezinswoningen. 13 Energietransport Verliezen In Nederland : +/- 60 van deze transformatoren geïnstalleerd (2013). Totaal verlies is +/- 310 GWh/jaar. Dit is voldoende voor Nijmegen gedurende een jaar. Echter zonder transformatoren : Transport van groot vermogen over grotere afstanden niet mogelijk. Heel veel lokale opwekkers met veel verlies. Beperkte leverbetrouwbaarheid. Nikola Tesla (AC) Wanneer eventueel HV DC : Op zee : Afstand > 100 km Over land : Afstand > 800 km Thomas Edison (DC) 14 7

8 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting. 15 Basis transformator De transformator De 3 fasen transformator constructief. Magnetische Kern Primaire wikkeling Secundaire wikkeling 16 8

9 Basis transformator Voorbeeld 100 kva, HS 20 kv, LS 380 V (transformatorhuisje in de woonwijk) Bak gevuld met olie Koelribben Actief deel 17 Basis transformator Voorbeeld 336 MVA, HS 762 kv, LS 247 kv (transportnet over grote afstand) Actief deel Koelers 18 9

10 Basis transformator Werking en verliezen De transformator in nullast IJzerverlies Als N 2 = N 1, U 2 = U 1 Als N 2 > N 1, U 2 >U 1 19 Basis transformator Werking en verliezen De transformator in nullast Op de primaire wikkeling de nominale voedingspanning. Daardoor : In de primaire wikkeling de magnetiseringstroom. In de kern een magnetisch veld. In de kern magnetiseringsverliezen (ijzerverliezen)

11 Basis transformator Werking en verliezen De transformator in vollast IJzer en koper verliezen Als N 2 = N 1, I 2 = I 1 Als N 2 > N 1, I 2 <I 1 21 Basis transformator Werking en verliezen De transformator in vollast Door de primaire en secundaire wikkeling de belastingstroom. Daardoor : In de wikkelingen een magnetisch lekveld. In de wikkelingen gelijkstroomverliezen (weerstand van het koper). In de wikkelingen verliezen als gevolg van het magnetisch lekveld

12 Basis transformator Werking en verliezen Aantal windingen en kern sectie Basis relatie Kern (A) A = kern sectie [m 2 ] N = aantal winding [-] U = spanning [V] f = frequentie [Hz] B = inductie [T] (B : tussen 1,5 en 1,9 [T]) Wikkelingen (N) 23 Basis transformator Werking en verliezen Aantal windingen en kernsectie : Veel windingen => relatief hoog koperverlies met laag ijzerverlies. weinig windingen => relatief laag koperverlies met hoog ijzerverlies. De keuze voor het aantal windingen wordt vooral door de technisch eisen bepaald (het deel rechts van het = teken) niet door de verliezen. Verliesverhouding koper/ijzer : 6 < Cu/Fe <

13 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting. 25 De kern Een 3 fasen, 3 poot kern

14 De kern De 3 fasenkern Aanzicht 3 fasen kern Doorsnede kernpoot kerndoorsnede is opgebouwd uit 15 a 17 verschillende plaatbreedten 27 De kern Productie Het stapelen van de kern Handwerk 28 14

15 De kern Productie Rechtop zetten van de kern Air pallet transport 29 De kern Kwaliteiten kern (verliezen) Uitgangsmateriaal voor de productie van de kern (blik) Verliezen bij 50 Hz en 1,7 Tesla : M070 : 0,70 W/kg, (0,23 mm) M075 : 0,75 W/kg, (0,23 mm) M080 : 0,80 W/kg, (0,27 mm) M090 : 0,90 W/kg, (0,27 mm) M105 : 1,05 W/kg, (0,30 mm) M130 : 1,30 W/kg, (0,30 mm) 30 15

16 Kern Ontwikkeling Ontwikkeling : 80 jaar kernen Kern Ontwikkeling IJzerverlies bij een 50 kva transformator. IJzerverlies Reactief vermogen 1913 : 405 Watt=> 0,81 % 3454 VA => 6,9 % 2012 : 100 Watt => 0,20 % 221 VA => 0,4 % 32 16

17 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting. 33 De wikkelingen Laagspanning Voorbeeld : Lage spanning met hoge stroom (weinig windingen, dikke draad) 5 parallele kabels Koelspleet Kern 34 17

18 De wikkelingen Laagspanning De wikkeling tijdens productie 4 parallelle CTC kabels 35 De wikkelingen Hoogspanning Voorbeeld : Hoge spanning met lage stroom (veel windingen, dunne draad) Kern 36 18

19 De wikkelingen Hoogspanning Wikkeling tijdens productie Spoelovergang Wikkelmachine : in hoogte verstelbaar 37 De wikkelingen Materiaal Fysische eigenschappen materialen Koper Aluminium Weerstand : 0, ,03375 [Ω x m/ mm 2 ] Dichtheid: [Kg/m 2 ] Treksterkte : < 340 < 140 [N/mm 2 ] Prijs (LME nov.) : 5,42 1,66 [ /kg] 38 19

20 De wikkelingen Materiaal Papier geïsoleerde massieve geleider : Papier geïsoleerde CTC (ContinuousTransposed Cable) : GiantCTC zonder papier: 39 De wikkelingen Verliezen Koperverlies in de massieve geleider (3 componenten) Hoogte [h] B rad. I B ax. Breedte [d] Verhouding dc/(ax+rad) : 80/

21 De wikkelingen Verliezen Koperverlies in de CTC (3 componenten) Height [h] I B radial Width [d] B axial Verhouding dc/(ax+rad) : 95/5 41 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting

22 Het ontwerp Ontwerp parameters Belangrijk voor het transformator ontwerp Klant specificatie IEC or IEEE normen Technische eisen Het doorgaande vermogen (MVA). Korsluitspanning (%). Toegekende spanningen voor HS, MS, LS (kv). Beproevingsniveau s SI/LI/AC (kv). Afmetingen / gewicht beperkingen op het fundament. Economische eisen Transport mogelijkheden en beperkingen. Operationele kosten voor ijzer- en koperverliezen (waardering Euro/kW). Kostprijs (Euro). 43 Het ontwerp De optimale transformator Kosten transformator bij hoge waardering verliezen (Euro/kW) Kosten materialen 44 22

23 Het ontwerp De optimale transformator Kosten transformator bij lage waardering verliezen (Euro/kW) Kosten materialen De optimale transformator In Europa De Europese Unie Implementing Directive 2009/125/EC for small, medium and large P.T. The Peak Efficiency Index (PEI) Eis per 1 Juli 2015 : PEI > 99,737 % Eis per 1 juli 2021 : PEI > 99,770 % P 0 P Co P k S r = IJzerverliezen [kw] = Koelerverliezen [kw] = Koperverliezen [kw] = Vermogen[kVA] 46 23

24 De optimale transformator In Europa Typisch voorbeeld trafo voor Nederlandse eindgebruiker : Vermogen IJzerverlies Koperverlies Koelerverlies : 500 MVA : 150 kw : 1060 kw :- kw PEI = 99,944 % > PEI eis per 1 Juli 2021 (> 99,770 %) P 0 P Co P k S r = IJzerverliezen [kw] = Koelerverliezen [kw] = Koperverliezen [kw] = Vermogen[kVA] 47 De optimale transformator In Europa Bepalend voor het ontwerp van de transformator : Technische eisen en betrouwbaarheid (kwaliteit). Transporteerbaarheid. Inpassing in de omgeving. Een concurrerende (wereldmarkt)prijs. Waardering verliezen (Euro/kW) De groene visie van de eindgebruiker. Europese regelgeving (meestal niet doorslaggevend) 48 24

25 Overzicht Energietransport. Basis transformator. De kern. De wikkelingen. Het ontwerp. Koeling. Afsluiting. 49 Koeling Afvoeren verliezen Koeling 50 25

26 Koeling Warmtetransport intern Natuurlijke oliestroming in de wikkeling Koeler Luchtstroming Natuurlijke oliestroming IJzerverlies Koperverlies 51 Koeling Warmtetransport Natuurlijke oliestroming Warmtebeeld van een natuurlijk gekoelde transformator tijdens een test 52 26

27 Koeling Eisen Eisen aan de temperaturen (IEC / IEC ) Gemiddelde omgevingstemperatuur 20 C. Max. topolie temperatuur : = 80 C. Max. wikkeling temperatuur : = 85 C. Max. hotspot temperatuur : = 98 C. Bij 98 C. hotspot continu heeft de transformator een levensduur van tenminste 30 jaar. Hotspottemperatuur is meestal bepalend voor het koelerontwerp. 53 Koeling Eisen Eisen aan de temperaturen (IEC / IEC ) De praktijk. Topolie temperatuur : = 70 C. Wikkeling temperatuur : = 75 C. Hotspot temperatuur : = 98 C. De Hotspot bevindt zich vrijwel altijd in het bovenste gedeelte van de wikkeling

28 Koeling Methoden De meest toegepaste koelsystemen bij olie gevulde transformatoren. Intern Extern ON AN Oil Natural Air Natural ON AF Oil Natural Air Forced OD AN Oil Directed Air Natural OD AF Oil Directed Air Forced OD WF Oil Directed Water Forced Intern : Koeling in wikkeling/koelers en de methode. Extern : Koelmedium (lucht/water) en de methode. In alle gevallen gaat de energie verloren! 55 Koeling Intern (ON) Natuurlijke koeling (ONAN/ONAF) Oil Natural Air Natural / Oil Natural Air Forced Olie uit Oil in 56 28

29 Koeling Extern (AN/AF) Natuurlijke koeling (ONAN/ONAF) Koelers Ventilatoren 57 Koeling Intern (OD) Forced cooling (ODAF/ODWF) Oil Directed Air Forced / Oil Directed Water Forced Olietoevoer middels pomp 58 29

30 Koeling Extern (AF) Forced cooling (ODAF) Koeler Transformator Ventilator Oliepomp 59 Koeling Extern (WF) Forced cooling (ODWF) Transformator Oliepomp Water-olie koelers 60 30

31 Koeling Inpassing in omgeving Efficiëntie van de verschillende systemen Systeem Capaciteit Temp. verh. Volume Opp. [-] [kw] [K] [M 3 ] [kw/m 2 ] ONAN ,7 ONAF ,1 ODAF ,7 ODWF ,3 61 Koeling Alternatieve methoden Heat recovery system in woonwijk d.m.v. warmtewisselaars

32 Koeling Alternatieve methoden Heat recovery system in woonwijk d.m.v. warmtewisselaars. Hoge bedrijfstemperatuur transformator (75 water => 90 olietemp. ). Maatregelen nodig om levensduur te kunnen garanderen (hotspot> 98 ). Backup koeling met volle capaciteit bij geen/onvoldoende warmtevraag. Backup verwarming met volle capaciteit bij trafo uit bedrijf. Kosten. 63 Alternatieve koeling Alternatieve methoden Heat recovery system d.m.v. warmtewisselaars met warmtepomp en boiler. Bedrijfstemperatuur transformator normaal tot laag. M.b.v. boiler is vraag en aanbod beter op elkaar af te stemmen. Backup koeling met volle capaciteit bij geen/onvoldoende warmtevraag. Backup verwarming met volle capaciteit bij trafo uit bedrijf. Opslag koelvloeistof in bewoonde omgeving. Complexer systeem. Duur systeem. Toegepast in Finland

33 SMIT Transformers Nijmegen, the Netherlands Moeten we transformatorverliezen voor lief nemen? Ja, (voorlopig) wel, maar wel : Toepassen van steeds hoogwaardigere materialen. Transformatorblik en wikkeldraad. Eventueel : Verliezen inzetten voor lokale energiebehoefte. Toekomst : Meer lokale opwekking (zonnepanelen) => mogelijk minder transport. Mogelijk meer toepassen van gelijkspanning 65 Bronnen Finalreport ; LOT 2 Distribution and power transformers. VITO NV in opdracht van de Europese unie. Directive2009/125/EC Publicatie Europese parlement. Recoveryof transformerlossesbyutilizingheatpump technology. Cigre publicatie van H. Ristamaki, M. Hinkkanen, M. Jouppila Groot gelijk, de toekomst van gelijkspanning in Nederland. Verkenning naar de mogelijkheden en kansen voor gelijkspanning IEC /10 Website : Website :

34 Partners in Power Bedankt voor uw aandacht. Heeft u nog vragen? Kan ook via: service@smit-trafo.nl Royal SMIT Transformers Nijmegen en Smit Transformator Service al 101 jaren KWALITEIT EN VAKMANSCHAP 34