Vi tenker neppe over det til daglig, men det står et enormt antall transformatorer i strømnettverket rundt om i landet og sørger for at alle får den strømmen vi er blitt så avhengige av. De minste står nærmest forbrukerne og gir oss den lave spenningen vi har i hus og bedrifter. Det gjør at strømmen slipper å vandre så langt før den forbrukes.
Her er det kanskje verd å skjenke en varm takk til Nicola Tesla og George Westinghouse som skjønte at det måtte vekselstrøm til for å overføre elkraft langt. Hadde Thomas Edisons foretrukne likestrøm vunnet fram, hadde det ikke vært langt mellom hvert småkraftverk, og forbruket av kull ville vært enormt. Det ville vært vanskelig å etablere vannkraft i byene.
Høy til lav spenning og motsatt
Det var ikke Tesla som fant opp transformatoren. Den æren går til tre ungarere Otto Blathy, Karoly Zipernowski og Miksa Deri. I 1885 bygget de en innretning som kunne omforme en vekselstrøm med en viss spenning og strømstyrke til en annen.
Grunnlaget for oppfinnelsen var Michael Faraday sin oppdagelse av elektromagnetisk induksjon i 1831. Her formulerte han hvordan den elektromotoriske spenningen hang sammen med hastigheten når et magnetfelt forandret seg.
Transformatoren
Konseptet med en transformator er fascinerende enkelt, men du verden så effektivt. Vi har lang erfaring i å designe transformatorer. Grovt sett er det to materialer man jobber med; jern og kobber.
Transformatorer gjør at vi kan transformere spenningen fra vannkraften vår helt opp til 420.000 volt. Så transformerer vi den ned i flere trinn fra transmisjonsnettet via regionalnettet til distribusjonsnettet som ender i stikkontaktene, der spenningen er på 230 volt og i noen tilfeller 400 volt. Skulle vi overført spenningen fra generatoren til byene på 230 volt ville det aller meste av energien varmet kråkene på veien, og det hadde neppe vært mange volt igjen til slutt.
To viklinger
De tre ungarerne fant ut at det trengs to viklinger på en jernkjerne for å endre spenningen.
Når det går en vekselstrøm gjennom primærviklingen genereres en magnetisk flux i jernkjernen. Altså et magnetfelt. Denne fluxen (strømningen) produserer, eller som vi sier; induserer, en elektromotorisk spenning i sekundærviklingen når det er snakk om vekselstrøm.
Poenget med en transformator er at primærviklingen har et antall turn som er forskjellig fra det i sekundærviklingen. Har f.eks. primærviklingen dobbelt så mange turn som sekundærviklingen, og vi sender strømmen inn på den, vil den kommer ut med halve spenningen og den dobbelte av strømstyrken på den andre viklingen.
Typisk endrer spenningen seg med rundt 100 volt per turn (vikling) når det er snakk om lav spenning, mens den kan være 320 volt/turn ved høyspent. Er det mange volt per turn trengs det mer kjernemateriale, altså jern. Det vil alltid være samme spenning / turn i de forskjellige viklingene i en transformator.
Den enkle likningen er Up/Np=Us/Ns, der U er spenningen, N er antall turn, p er primærviklingen og s er sekundærviklingen.
Kutter 3000 tonn CO2 i året
Tap
Transformatorer er dessverre ikke uten tap. Noe annet ville krevd superledere. Tapene kommer i form av ohmske tap, det vil si elektrisk motstand, og belastningstap. Det er også litt såkalte virvelstrømstap, men de er små i forhold. Magnetfeltet går stort sett pent rundt i jernkjernen, men av og til «stikker det litt av» og det skaper tap.
Heldigvis er tapene små og virkningsgraden på en trafo er på rundt 99 prosent. Men siden det er mange trafoer mellom generator og forbruk kan det bli noen prosent til sammen. I det såkalte sentralnettet, som overfører strøm over hele landet på de høyeste spenningene, er det rundt 5000 transformatorer. I regionalnettet er det rundt 2500 og i distribusjonsnettet er det hele 120.000 transformatorer.
De aller beste trafoene har normal blikktetthet, men mer kobber fordelt på tynne ledere i parallell som er isolert fra hverandre. De kan komme opp i virkningsgrader på over 99,8 prosent. Men dette er virkelig store enheter. Jo mindre trafoene er, jo dårligere virkningsgrad har de. Nye krav til virkningsgrad gjør at mange i distribusjonsnettet skal skiftes ut, og kråkene går kalde vintre i møte.
Konstruksjonskunst
Industrielle trafoer, og de som står i nettet, har gjerne rektangulære ledere for å få høy fyllfaktor. Det vil si at det blir mest mulig kobber i forhold til luft. De har så små tråder som mulig uten at de blir for tynne til å tåle mekaniske krefter som kan komme om f.eks. et tre faller over linjen og kortslutter den. Typisk kan det være opptil 50–60 kobbertråder i parallell som hver er 1,3 ganger 5 til 7 mm. Det er viktig at trådene er like lange, slik at de påvirkes likt av magnetfeltet. Derfor vikles de på slik at de krysser hverandre. Kobbertrådene isoleres fra hverandre med lakk og støpes sammen med epoxy slik at de får høy mekanisk styrke.
Det er på lavspentsiden hvor strømstyrken er høy det er flest parallelle ledere. På høyspentsiden kan det være fra en til fire ledere. Typisk designer man trafoer for en strømstyrke på mellom 2,5 og 3,5 A/mm².
Oljekjøling
Selv om tapene i store trafoer over 8 til 10 MVA (grovt sett MW) er små, kan det bli varmt når belastningen er høy. Da bruker man olje som kjølemiddel. Selve trafoen bygges inn i en kasse, og den er fylt med olje. Oljen pumpes inn og ut av kassa og kjøles med uteluft eller vann.
Oljen har en viktig egenskap som en slags helsesensor for trafoen. Feil som begynnende overslag mellom to ledere, en leder og jord, eller feil i spoler vil kunne spores i oljen i form av ulike oppløste gasser. Derfor analyseres det årlig oljeprøver fra de fleste trafoer på fra 2 MVA og oppover.
Lever veldig lenge
Svært mange av transformatorene i Norge er veldig gamle. Snittalderen er mellom 40 og 50 år. På mange områder innen elektro kan det lønne seg å bytte ut komponentene på grunn av teknologisk forbedring. Slik er det sjelden med transformatorer. Selv gamle enheter har høy virkningsgrad, men de blir av og til overhalt for å gi dem høyere kapasitet.
Et eksempel på en slik ombygging er en gammel transformator som er modernisert av ABBs verksted i Drammen. Den hadde en kapasitet på 360.000 kVA både før og etter moderniseringen, men tapene var redusert. Tomgangstapene med 41 kW og belastningstapene på 100 kW.
Det store antallet elbiler setter store krav til distribusjonsnettet. Av og til er det nødvendig å overbelaste den transformeringskapasiteten som finnes når mange skal lade og varme hus samtidig. En rimelig løsning er bedre kjøling, men mange små trafoer har bare kjøleribber.
Blikket
Jernkjernen i transformatorer består av en stabel med tynt blikk av silisiumstål. Blikkstabelen behandles på ulike måter slik at det blir så lett som mulig å snu magnetfeltet i de rundt 5 mm store magnetiske domenene som etablerer seg.
Over en periode på 100 år har tomgangstapene per kilo blikk blitt redusert fra 2 til 1 watt/kg ved 1,5 Tesla (T). Likevel er det kobberet som står for de største tapene i form av belastningstap. Det koster mer å redusere tomgangstap fordi det krever mer blikk, men det trekker også med seg behov for mer kobber. Likevel er tomgangstap viktig, for de har man hele tiden – og de er grovt sett tre ganger viktigere å redusere enn belastningstap.
Man kan redusere tomgangstapene og ha samme kjernetverrsnitt ved å bruke en bedre, men dyrere blikk-kvalitet. Blikk-kvalitetene ABB benytter har W/kg fra 1,38 ned til 0,68 ved 1,7 T og 50 Hz.
Kilder: Fagansvarlig for transformatorer, siv.ing. Arnt Tødenes, og ing. Helge Julsrud i ABB.
Forsker på solstormer: Kan slå ut både strøm- og mobilnett
