Transformatorer – i varje korsning i elströmmens vägnät
Omvandlingen från en spänningsnivå till en annan i elnätet sköts av transformatorer, de är stora eller små men är alla alldeles nödvändiga för vår elförsörjning.
Från kraftverkens generatorer till förbrukare i fastigheter och fabriker finns ett otal transformatorer utplacerade. Oftast ser de ut som fyrkantiga plåtlådor och de kan vara i alla storlekar, från krafttransformatorernas bjässar på fem meters höjd till enmeters kylflänslådor på en stolpe i skogen.
För Hitachi Energy börjar historien om krafttransformatorer 1893 när Asea byggde den första kraftöverföringen av trefas växelström från Hellsjön till Grängesberg.
Före dess var det tekniskt nödvändigt att ha kraftverket i närheten av elförbrukningen, eftersom ström med den låga spänningen som generatorn åstadkom inte gick att transportera i några större mängder, elen försvann på vägen, som värme.
Med en nyutvecklad transformator höjdes spänningen på elen som därigenom kunde transporteras utan större förluster. Vid kraftledningens slut väntade en ny transformator som tog ner spänningen till en nivå lämplig för förbrukaren.
Idag finns krafttransformatorer bland annat vid de stora kraftverken där de omvandlar generatorns 20 kV till kraftledningens 400 kV. Med styrkan av 400 kV kan elströmmen ledas 100 mil eller mer, till transformatorer som tar ner spänningen till en lägre nivå för det regionala elnätet, kanske 130 kV för en stad eller 20 kV för landsbygd. Elnäten förgrenar sig sedan mer och mer, transformatorer i mindre och mindre storlekar omvandlar stegvis till lägre spänning och till slut går ledningen med 400 V in i fastigheten. Hitachi Energy tillverkar storlekar från 50 kVA distributionstransformatorer till 1 000 MVA krafttransformatorer och är idag världsledande på transformatorer.
Beprövad teknik
Inuti transformatorn finns en järnkärna med vanligtvis tre ben, som ett liggande E som sammanfogas upptill med en överliggare. Järnkärnan är byggd av mycket tunna plåtar noggrant staplade på varandra. Varje ben motsvarar en av elströmmens tre faser och omges av två lindade spolar av koppartråd, eller annan ledare, utanför varandra och helt isolerade från varandra med specialpapper eller lack.
Strömmen matas in i den ena delen av spolen som då skapar ett magnetiskt flöde i kärnan. Detta i sin tur alstrar önskad spänning i den andra delen av spolen, för den ström som matas ut på nätet. Alla stora och de flesta mindre transformatorerna är oljekylda vilket innebär att hela lådan är fylld med olja som kyler kärna och spolar. Några transformatorer i Hitachi Energys sortiment är torrisolerade och kyls med luft.
Effektivare omvandling
Konstruktionen är i sin grund beprövad men utveckling pågår ständigt och ett av målen är mer energieffektiva transformatorer.
Det gäller att få ut så mycket som möjligt av den elenergi som matas in och få minsta möjliga förluster i form av värme inuti transformatorn. Den mest betydelsefulla förlusten är tomgångsförlusten, den som skapas hela tiden vare sig det går mycket ström igenom transformatorn eller ej. Tomgångsförlusten beror på hur strömmen styrs genom kärnan och kan minskas genom skicklig konstruktion, hög materialkvalitet och omsorgsfull tillverkning.
Utöver tomgångsförluster har en transformator belastningsförluster när fullt strömflöde passerar igenom den, och ett tredje mått på effektivitet och strömbesparande egenskaper är verkningsgrad. Men det är svårt att höja verkningsgraden ytterligare, den ligger normalt mellan 99 och 99,5 procent.