Transcript Lezing excursie Smit Transformator Service

20.11.2014
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
20.11.2014
DE SMIT
SMIT--SGB TRANSFORMATOR
GROEP
20.11.2014
3
SGB--SMIT Group
SGB
SGB SMIT Management
100%
100%
SMIT Nijmegen
100%
SGB Regensburg
SBG Neumark
RETRASIB Sibiu
AMSGB Nilai
OTC / SGB USA
(Netherlands)
(Germany)
(Germany)
(Romania)
(Malaysia)
(USA)
Large power
transformers
(up to 1,200 MVA/
kV)
Medium and small
power transformers
(10 - 150 MVA)
Cast resin transformers
Special transformers
(phase shifters)
(50kVA - 25 MVA)
Distribution
transformers
(50 - 6,300 kVA)
100%
Power transformers
(up to 600MVA/500kV)
Service and repair
Compact stations
100 %
Medium and small
power transformers
(up to 30 MVA)
Distribution
transformers
(up to 2,500 kVA)
(50 - 5,000 kVA)
e.g. for wind farms
100 %
Cast resin
transformers
(500 - 2,500 kVA)
Service &
Refurbishment
Cast resin
Shunt reactors
transformers
(500 - 2,500 kVA)
Verkoop en vertegenwoordiging voor Nederland in
Nijmegen
•
•
Service
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
20.11.2014
4
2
20.11.2014
Royal SMIT Transformers B.V. Nijmegen
Transformatorfabriek Groenestraat
20.11.2014
5
Transportroute tbv verscheping
20.11.2014
6
3
20.11.2014
SMIT Transformator Service, Nijmegen
Servicelocatie Energieweg
20.11.2014
7
SMIT Transformers
Nijmegen, Nederland
Welkom
Moeten we de transformatorverliezen voor lief
nemen ?
8
4
20.11.2014
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
20.11.2014
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
: 40
150/110 kV
: 279
Met 1 of meerdere
transformatoren per station
Bron : TenneT
12
6
20.11.2014
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 0,5 x 1210 x 24 x 365 = 5,3 GWh per jaar.
•
Verbruik gezinswoning +/- 3750 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 :
Nikola Tesla (AC)
•
Transport van groot vermogen over grotere afstanden niet mogelijk.
•
Heel veel lokale opwekkers met veel verlies.
•
Beperkte leverbetrouwbaarheid.
Wanneer eventueel HV DC :
•
Op zee
: Afstand > 100 km
•
Over land
: Afstand > 800 km
Thomas Edison (DC)
14
7
20.11.2014
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
20.11.2014
Basis transformator
Voorbeeld
100 kVA, HS 20 kV, LS 380 V (transformatorhuisje in de woonwijk)
Koelribben
Actief deel
Bak gevuld met olie
17
Basis transformator
Voorbeeld
336 MVA, HS 762 kV, LS 247 kV (transportnet over grote afstand)
Actief deel
Koelers
18
9
20.11.2014
Basis transformator
Werking en verliezen
De transformator in nullast
IJzerverlies
Als N2 = N1, U2 = U1
Als N2 > N1, U2 > U1
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).
20
10
20.11.2014
Basis transformator
Werking en verliezen
De transformator in vollast
IJzer en koper
verliezen
Als N2 = N1, I2 = I1
Als N2 > N1, I2 < I1
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.
22
11
20.11.2014
Basis transformator
Werking en verliezen
Aantal windingen en kern sectie – Basis relatie
Kern (A)
A = kern sectie [m2]
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 < 8
24
12
20.11.2014
Overzicht
Energietransport.
Basis transformator.
De kern.
De wikkelingen.
Het ontwerp.
Koeling.
Afsluiting.
25
De kern
Een 3 fasen, 3 poot kern.
26
13
20.11.2014
De kern
De 3 fasen kern
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
20.11.2014
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
20.11.2014
Kern
Ontwikkeling
Ontwikkeling : 80 jaar kernen
1995
2013
1937
31
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
20.11.2014
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
20.11.2014
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
20.11.2014
De wikkelingen
Hoogspanning
Wikkeling tijdens productie
Spoelovergang
Wikkelmachine : in hoogte verstelbaar
37
De wikkelingen
Materiaal
Fysische eigenschappen materialen
Koper
Aluminium
0,02139
0,03375
[Ω x m/ mm2]
Weerstand
:
Dichtheid :
8890
Treksterkte
:
< 340
< 140
[N/mm2]
Prijs (LME nov.)
:
5,42
1,66
[€/kg]
[Kg/m2]
2700
38
19
20.11.2014
De wikkelingen
Materiaal
Papier geïsoleerde massieve geleider :
Papier geïsoleerde CTC
(Continuous Transposed Cable) :
Giant CTC zonder papier:
39
De wikkelingen
Verliezen
Koperverlies in de massieve geleider (3 componenten)
Hoogte [h]
I
B rad.
Breedte [d]
B ax.
Verhouding dc/(ax+rad)
: 80/20
40
20
20.11.2014
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.
42
21
20.11.2014
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
20.11.2014
Het ontwerp
De optimale transformator
Kosten transformator bij lage waardering verliezen (Euro/kW)
Kosten materialen
45
45
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 %
P0
PCo
Pk
Sr
= IJzerverliezen [kW]
= Koelerverliezen [kW]
= Koperverliezen [kW]
= Vermogen[kVA]
46
23
20.11.2014
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 %)
P0
PCo
Pk
Sr
= 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
20.11.2014
Overzicht
Energietransport.
Basis transformator.
De kern.
De wikkelingen.
Het ontwerp.
Koeling.
Afsluiting.
49
Koeling
Afvoeren verliezen
Koeling
50
25
20.11.2014
Koeling
Warmtetransport intern
Natuurlijke oliestroming in de wikkeling
Koeler
Natuurlijke
oliestroming
Luchtstroming
IJzerverlies
Koperverlies
51
Koeling
Warmtetransport
Natuurlijke oliestroming
Warmtebeeld van een natuurlijk gekoelde transformator tijdens een test
52
26
20.11.2014
Koeling
Eisen
Eisen aan de temperaturen (IEC 60076-2 / IEC 60076-7)
•
Gemiddelde omgevingstemperatuur 20° C.
•
Max. topolie temperatuur
•
Max. wikkeling temperatuur
•
Max. hotspot temperatuur
: 20 + 60 = 80° C.
: 20 + 65 = 85° C.
: 20 + 78 = 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 60076-2 / IEC 60076-7)
•
De praktijk.
•
Topolie temperatuur
: 20 + 50 = 70° C.
•
Wikkeling temperatuur
: 20 + 55 = 75° C.
•
Hotspot temperatuur
: 20 + 78 = 98° C.
De Hotspot bevindt zich vrijwel altijd in het bovenste
gedeelte van de wikkeling.
54
27
20.11.2014
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
Extern
: Koeling in wikkeling/koelers en de methode.
: 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
20.11.2014
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
20.11.2014
Koeling
Extern (AF)
Forced cooling (ODAF)
Transformator
Koeler
Ventilator
Oliepomp
59
Koeling
Extern (WF)
Forced cooling (ODWF)
Transformator
Oliepomp
Water-olie
koelers
60
30
20.11.2014
Koeling
Inpassing in omgeving
Efficiëntie van de verschillende systemen
Systeem
[-]
Capaciteit
[kW]
Temp. verh.
[K]
Volume
[M3]
Opp.
[kW/M2]
ONAN
1500
32
552
21,7
ONAF
1445
25
305
39,1
ODAF
980
42
52
81,7
ODWF
3200
34
95
110,3
61
Koeling
Alternatieve methoden
Heat recovery system in woonwijk d.m.v. warmtewisselaars.
62
31
20.11.2014
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.
64
32
20.11.2014
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
Final report ; LOT 2 Distribution and power transformers.
VITO NV in opdracht van de Europese unie.
Directive 2009/125/EC
Publicatie Europese parlement.
Recovery of transformer losses by utilizing heatpump 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 60076-1/10
Website : www.tennet.org
Website : www.siemens.com
66
33
Partners in Power
20.11.2014
20.11.2014
Bedankt voor
uw aandacht.
Heeft u nog vragen?
Kan ook via:
[email protected]
20.11.2014
67
Royal SMIT Transformers Nijmegen
en Smit Transformator Service
al 101 jaren
KWALITEIT
EN
VAKMANSCHAP
34