Transformators vormen het hart van bijna ieder hoogspanningsstation. In een transformator wordt de elektrische spanning van grootte veranderd zodat netten en verbindingen met verschillende netspanningen aan elkaar gekoppeld kunnen worden.

Denk even aan de St(r)oomcursus. Op schakelstations wordt elektrisch vermogen alleen maar van richting veranderd, maar op transformatorstations wordt ook de elektrische spanning veranderd. De machines die dit doen heten transformators. Zonder transformators zou het huidige elektriciteitsnet met verschillende netvlakken onmogelijk zijn.

220-20 kV-tramsformators achter scherfmuren op Weiwerd

De twee grote groene machines zijn vermogenstransformators. Deze staan op Delfzijl Weiwerd en ze transformeren 220 kV omlaag naar 20 kV: een transformatieverhouding van 1:11. Ze krijgen hun invoeding van bovenaf, waar 220 kV aan de portalen hangt. De secundaire zijde van 20 kV gaat via grondkabels zijn weg. Merk ook de zogeheten scherfmuur op. Foto door forumlid ET.

Hoe werkt een transformator?

Een transformator, in Nederland vaak afgekort tot trafo en in België tot transfo, is een grote machine waarin zich afhankelijk van het type twee of zes zware geïsoleerde wikkelingen koperkabel en een ringvormige metalen (weekijzeren) kern bevinden.
De koperwikkelingen, spoelen geheten, zijn om de kern heen gewikkeld. Een van de spoelen is echter veel vaker om de kern gewikkeld dan de andere. De spoel met de meeste wikkelingen wordt over het algemeen de primaire zijde genoemd en de spoel met minder wikkelingen heet de secundaire zijde. Wanneer er een elektrische wisselspanning op de spoel met de meeste wikkelingen wordt gezet, dan ontstaat in de koperwikkelingen een magnetisch veld. Daardoor wordt ook de weekijzeren kern, het blikpakket geheten, magnetisch geladen. De andere spoel reageert op zijn beurt op het magnetisch veld dat de kern heeft verkregen en uit deze tweede spoel zal de stroom weer tevoorschijn komen, maar nu met een lagere spanning omdat de tweede spoel minder wikkelingen heeft. Op die manier kan het voltage worden teruggebracht. Maar de stroomsterkte gaat juist omhoog omdat er geen elektrisch vermogen kan achterblijven in de trafo. 

Er zijn veel filmpjes over hoe een transformator werkt, maar het materiaal van Learn Engineering is buitengewoon geduldig en duidelijk, ook grafisch. Men bouwt een vermogenstrafo op en laat daarbij zien hoe hij elektrisch werkt. Het enige jammere is dat het filmpje engelstalig is, maar zelfs zonder tekst is het zeer verhelderend.

110 kV-transformator in Meppel

110/10 kV-transformator in Meppel. Met deze grote machine zit het plaatselijke middenspanningsnet aangesloten op het hoogspanningsnet. De tank rechtsboven is het expansievat voor de koelolie en de ronde dingen onderaan zijn ventilatorkorven om de radiators extra te koelen. Foto door Hans Nienhuis.

Dit kunstje werkt ook de andere kant op. Wanneer we een wisselspanning op de secundaire spoel aansluiten zal de primaire spoel reageren door de elektriciteit er weer uit te laten met een veel hogere spanning en een lagere stroomsterkte.
Met een transformator kan je dus de elektriciteit van karakter laten veranderen. En dat is precies wat het woord transformator betekent. (Transformator is herleid van van het Engelse transformer, wat op zijn beurt afstamt van het Latijnse transformis, wat zoiets als veranderen betekent.)
Het natuurkundige principe achter de transformator is al heel lang bekend. En net zoals met de meeste uitvindingen is ook de transformator niet door één persoon bedacht. De huidige transformators, met een weekijzeren kern, meerdere koperwikkelingen en soms mogelijkheden om een beetje te kunnen spelen met de marges (autotrafo's), zijn het resultaat van opeenvolgende uitvindingen en inzichten van in hoofdzaak Michael Faraday, Pavel Jablochkoff, Michail Dobrowolski en Nikola Tesla.

Een wereld vol transformators

Transformators heb je in soorten en maten. Niet alleen in de hoogspanningswereld. De kleinste exemplaren zijn nog geen kubieke centimeter groot en je kan ze vinden op printplaten in je computer. Een slag groter is de meest bekende schaal: hangend in het stopcontact (waar ze meestal adapters genoemd worden) zijn het notoire ergerniswekkers omdat ze continu energie gebruiken, in de weg hangen voor de tweede aansluiting, niet naast elkaar in een stekkerdoos passen of omdat ze te pas en te onpas uit het stopcontact naar beneden kletteren. (Een plotselinge klap, duisternis, afgebroken stekkerpootjes… krijg je het kerstmisgevoel al?)

Grotere exemplaren kan je aantreffen in oudere lasapparaten en andere machines op driefasig 400 volt. Daar zijn de transformators al behoorlijk zware dingen geworden die zich lastig laten optillen. Waarschijnlijk heeft de transformator vanwege deze nadelen een betrekkelijk slechte naam op huiskamerniveau.
Kijken we weer een slag groter, dan komen we bij bedrijven, industriepanden en paaltransformators terecht. Deze transformators voor middenspanning (tot 20 kV ongeveer) wegen al snel een paar honderd kilo tot een ton of wat. Ze kunnen een vermogen van tientallen tot honderden kilowatts of zelfs een paar megawatt aan.

Trafo's in het hoogspanningsnet in het Drechtstedengebied

Waar bevinden zich transformators? Op een netkaart is dat eenvoudig te zien aan de labels. Ieder station biedt plek aan een of meer trafo's.  

De allergrootste trafo's die we kennen vinden we uiteindelijk in het hoogspanningsnet. Met een specifiek woord noemt men ze vermogenstransformators en deze categorie trafo's begint zo ongeveer bij een vermogen van 10 MVA. De bovengrens moet je in onze streken zoeken in de orde van 500 tot 750 MVA en deze machines wegen met gemak 300 ton. In Nederland en België zijn ze zo hier en daar te vinden in het 380 kV-net. De zwaarste trafo's die in de Benelux dienst doen staan in Meeden, in het noorden van Nederland. Daar staan twee exemplaren met beide een capaciteit van 1000 MVA per stuk.

150/50 kV transformator op Dodewaard

Trafo op Dodewaard. Dit exemplaar transformeert 150 kV omlaag naar 50 kV. Het vermogen is ongeveer 30 MVA en dat betekent dat het voor hoogspanningsbegrippen een kleintje is, maar wie hem moet verplaatsen zal daar wellicht anders over denken. Foto door Hans Nienhuis.

Wanneer we een transformator van dichtbij bekijken zien we dat een aantal onderdelen altijd aanwezig zijn. De aansluitingen voor de fasedraden van de aangekoppelde netten zitten doorgaans bovenop (keramische isolators) en de hele trafo staat soms op een kort stukje spoorrail van een paar meter. Maar er zijn ook onderdelen die je niet altijd aantreft. Dat heeft voornamelijk te maken met de manier waarop de trafo gekoeld wordt – iets wat op zijn beurt bepaald door het vermogen en of het apparaat binnen of buiten staat. 

Vermogenstransformators kunnen moeiteloos beide kanten op werken, afhankelijk vanaf welke zijde het vermogen wordt aangeleverd. Maar je hebt ook types trafo's (zogeheten step-up- of opspantrafo's) die alleen omhoog kunnen transformeren. Dit type is met name te vinden in grote elektriciteitscentrales en we zien deze vrijwel niet op hoogspanningsstations. Een transformator, van welk soort dan ook, kan echter alleen werken met wisselstroom. Dat is ook de reden waarom wisselstroom lang geleden de Oorlog der Stromen heeft gewonnen. Gelijkstroom van spanning laten veranderen is een hele klus wanneer er een groot vermogen in het spel is, terwijl dat met wisselstroom gedaan kan worden met een relatief simpele machine die in essentie niets anders is dan een groot stuk hardware zonder delicate kwetsbare stuurelektronica.

Als je nog meer wilt weten over de precieze technische werking van transformators, lees hier verder of bezoek eens een website van een fabrikant, zoals SGB-Smit in Nijmegen. 

Torenhoog rendement

Voor vermogenstransformators geldt dat het machines zijn met een bijna onwaarschijnlijk hoog rendement. Bij grote transformators geldt dat vrijwel alle elektrische energie die erin gaat er ook weer uit komt als elektriciteit. Over het algemeen neemt het rendement toe met het formaat, zodat de grootste trafo's die we kennen (denk nogmaals aan een paar honderd MVA en groter) ook de meest rendabele exemplaren zijn. Ze halen doorgaans een indrukwekkend rendement van ruim boven 99%.

Dat mag ook wel, want de energie die helaas toch verloren gaat komt voor het grootste deel vrij in de vorm van warmte. En omdat er een vermogen van tientallen tot honderden megawatts in de trafo wordt gestopt is zelfs een verliespost van 1% al een warmteafgifte van honderden kilowatts of zelfs meerdere megawatts.
Dat is zoveel warmte dat de trafo zichzelf zou smelten of vernielen wanneer hij niet afdoende gekoeld wordt. Bij kleine exemplaren is het vaak voldoende om de buitenzijde koelribben te geven en het ding gewoon 'op de wind te zetten', oftewel in de buitenlucht. Daar kan de warmte verdwijnen door op te stijgen of te verwaaien met de wind.

220/110 kV koppeltrafo op Hessenweg

220-110 kV koppeltrafo op trafostation Hessenweg. Aan de rechterzijde komt een circuit van 220 kV de trafo binnen, om als circuit van 110 kV de trafo links weer te verlaten. Merk op dat de spanning halveert (te zien aan de lengte van de isolatorkettingen) terwijl de stroomsterkte verdubbelt (de fasedraden aan de 110 kV-zijde zijn opeens tweebundels geworden). Foto door Hans Nienhuis.

Grote trafo's moeten actief worden meegeholpen met afkoelen. Binnenin de transformator bevinden de koperwikkelingen en het blikpakket zich in een oliebad. Olie geleidt geen stroom, maar kan wel warmte opnemen en zodoende als koelvloeistof dienen. De olie binnenin wordt langs de heet wordende componenten gepompt waarna deze in externe radiatoren of koelblokken de warmte kan afgeven. Bij hele grote trafo's is dat nog niet genoeg en daar moeten op hun beurt ook de externe radiators gekoeld worden. De koeling bestaat daar uit twee trappen.

Koelregimes

De manier waarop de trafo gekoeld wordt heet het koelregime. Er zijn veel mogelijkheden maar de meest gebruikte manieren hebben met lucht en olie te maken. Ze zijn in vijf categorieën in te delen.

ONAN – Oil Natural Air Natural. Wordt vooral bij kleine trafo's gebruikt. Door hem gewoon op de tocht of in ieder geval vrij van de muren te plaatsen kan het ding zijn warmte voldoende kwijt door koelribben en natuurlijke convectie in de olie.

OFAN – Oil Forced Air Natural. Dit zien we veel bij middelgrote trafo's in de buitenlucht. De olie wordt geforceerd langs de hete delen gepompt, maar buiten is het (meestal) koud genoeg om zonder problemen de warmte weg te dissiperen met radiators.

ONAF – Oil Natural Air Forced. Wanneer de trafo binnen staat (waar het niet waait) is het soms nodig om geforceerd lucht langs de machine te blazen om voldoende afkoeling te verkrijgen.

OFAF – Oil Forced Air Forced. Zeer grote trafo's hebben zoveel koeling nodig dat zowel de olie alsook de lucht geforceerd langs de hete componenten en radiators worden geleid of geblazen. OFAF kan soms redundant zijn aangelegd of er zijn twee systemen tegelijk aanwezig waarbij nummer twee pas aanspringt als het nodig is.

ODAF – Oil Directed Air Forced. Hierbij zijn beide koelingen geforceerd, maar de olie wordt door middel van een specifiek ontwerp van de trafo nauwkeuriger langs de hete delen geleid. Hierdoor kan de trafo kleiner blijven.

Er zijn nog een aantal varianten op het thema die afwijkend werken, zoals olie-watergekoelde trafo's (OFWF, ONWF, ONWN, OFWN) en in sommige zeer specifieke gevallen ook trafo's die met nog een andere koelvloeistof- of wijze werken.

Paaltransformator in Duitsland50 kV-trafo in Nijkerk

Links: paaltransformator in Duitsland (10 kV naar 400V) die gekoeld wordt door natuurlijke convectie (ONAN). Rechts: 50 kV-vermogenstrafo in Nijkerk met actieve koeling in de vorm van OFAF, foto's door Hans Nienhuis en Ot Lesley. 

Trafobrom

Naast warmte en een magneetveld verlaat een nog kleiner deel van de verloren energie de transformator in de vorm van geluid. De aangekoppelde hoogspanningskabels knetteren wel eens wat en de kern van de trafo wordt bij elke wisseling van het magnetisch veld (op 50 Hertz is dat 100 keer per seconde) een klein beetje vervormd onder de immense magnetische krachten die erin omgaan. Die beweging horen we als geluid. Het staat bekend als transformatorbrom of trafobrom en het is een zware, indringende brom van precies 100 Hertz die behoorlijk hinderlijk kan zijn voor mensen en dieren in de buurt, of wanneer het trafostation in een gebied staat waar verder geen ander geluid de brom overstemt. Het geluid in kwestie heeft een typische eigen klank die je direct herkent als je het ooit eens gehoord hebt.

Transformatorbrom

Denk niet te snel dat dat niets voorstelt.

Zelfs deze (naar verhouding) piepkleine fractie verloren energie is bij grote vermogenstransformators geen halve maatregel. Wanneer men de trafo flink belast kan hij op tien meter afstand een geluidsdruk van 85 decibel geven, zodat je moet schreeuwen om elkaar nog te kunnen verstaan.

Transformatorbrom heeft een typisch, zeer herkenbaar geluid. In dit filmpje is dat goed te horen (vanaf ca. 42 seconden). Voor een minuut is dat leuk om te horen, maar het is geen pretje om er dag en nacht naast te wonen.

In dichtbevolkte streken wordt er tegenwoordig vaak voor gekozen om de trafo's dan maar binnen te zetten in een geïsoleerd gebouw. Dat is duurder en lastiger met koelen, maar het voorkomt overlast door bromgeluid. Bij bestaande machines die langzaam ingesloten raken tussen oprukkende bebouwing is ombouw naar een binnenstation echter niet altijd mogelijk in verband met ombouwkosten, ruimtebeslag en het bestaande koelregime. 

De scherfmuur

Een andere manier om geluidsoverlast te beperken is een zogeheten scherfmuur. Dit meestal U-vormige schuurtje met een open dak schermt het geluid deels af door het omhoog te richten. Een mooie bijvangst, maar eigenlijk is dat niet de primaire functie van een scherfmuur. Die heeft in eerste instantie tot doel om de schade en gevolgen te beperken wanneer er onverhoopt een calamiteit is. Trafo's waarvan de koeling uitvalt, waarin kortsluiting optreedt of die een fatale overbelasting krijgen door een schakelfout, kunnen in brand vliegen of zelfs ontploffen. Zo'n gebeurtenis komt neer op brandende olie, gewelddadige vlamboogvorming en weggeslingerde brokstukken die meerdere tonnen kunnen wegen.

scherfmuur

Betonnen scherfmuren achter de 110 kV-trafo's op station Emmen-Bargermeer. Ze lijken misschien op bushokjes die bedoeld om de trafo's uit de wind te houden, maar in feite zijn ze bedoeld om de schade bij een calamiteit te beperken. Helemaal rechts in beeld staat overigens een derde trafo zonder scherfmuur. Foto door Bart Sondaar.

Tegen calamiteiten moeten naastliggende trafo's, andere objecten en (uiteraard) mensen en dieren in de omgeving worden beschermd. Een scherfmuur bestaat uit zware platen of gegoten muren van gewapend beton die tegen een stootje kunnen en die een eventuele brand in ieder geval lang genoeg binnenboord kunnen houden om het hele trafostation af te schakelen zodat er geblust kan worden. Scherfmuren worden soms ook wel als trafocellen aangeduid. Beide termen zijn in principe uitwisselbaar.

150 kV-trafo met een scherfmuur

Deze 150 kV-trafo op Lelystad is achter een scherfmuur geplaatst om de gevolgen van een calamiteit te beperken. De scherfmuur is van gewapend beton. Een dergelijke scherfmuur kan ook dienstdoen als geluidswand, maar dat is op dit station (ver weg van bewoning) niet nodig. Foto door ET.

Fataal falende trafo's op hoogspanningsniveau zijn behoorlijk zeldzaam in onze streken. Maar onmogelijk is het niet. In het najaar van 2011 vloog er op trafostation Tiel een exemplaar in brand, maar er volgde geen ontploffing. Dat gebeurde helaas wel bij het meest recente voorbeeld, dat zich voordeed zich op 16 maart 2014 op trafostation Monceau-II (ook wel aangeduid als Monceau sur Sambre) in het zuiden van België. Door een oorzaak die wellicht nooit gevonden zal worden ontplofte een zware 220-150 kV-dwarsregeltransformator. Persoonlijke ongevallen bleven beperkt tot drie lichtgewonde brandweermannen, maar de klap was zo groot dat het hele station zwaar beschadigd raakte en de koppelfunctie met Frankrijk er geruime tijd mee wegviel.

Betrouwbaar, maar moeilijk in de omgang

Het huidige hoogspanningsnet, met een handvol netspanningen, deelgebieden en interconnecties, zou niet kunnen functioneren zonder transformators. Misschien dat vermogenselektronica ooit concurrerend wordt met de grote groene brommende machines achter de scherfmuren, maar tot nader order is de transformator de enige wijze waarmee men op een snelle, betrouwbare, relatief eenvoudige en efficiënte manier sturing kan geven aan het hoogspanningsnet.
Toch wil dat nog niet zeggen dat ze goedkoop zijn, makkelijk te bouwen zijn of snel vervangen kunnen worden als er iets mis gaat. Kritische exemplaren zijn vaak redundant uitgevoerd en soms heeft men zelfs een extra exemplaar voorhanden op het trafostation die bij eventuele problemen in een mum van tijd kan worden ingezet. Dat moet ook wel, want de bouw en het transport van een vermogenstrafo is niet even in een week geregeld.

Eigenlijk is het dus maar goed dat transformators zo betrouwbaar zijn, want als je ziet wat voor een geheister het is om een grote vermogenstrafo te verplaatsen… 

 


Omhoog