Hur fungerar en Sugtransformator?

Sugtransformatorer började användas av SJ redan på 1920-talet för att återleda returströmmen i det svenska järnvägsnätet. Detta är och var nödvändigt för att inte få störningar i tele och signalkablar som ligger i banvallen.
På 1990-talet utvecklades en sugtransformator av Chalmers Tekniska Högskola för att vara anpassad till fastigheters elsystem. Med fyrledarsystemet i fastighet skapade det problem med returströmmen vagabonderade.

Sugtransformator tåg

Det finns olika system för att distribuera elenergi till tåg. Systemet som använts i järnvägsnätet i Sverige ända sedan på 1920-talet då elektrifieringen av järnvägen påbörjade är BT. Namnet BT står för Booster Transformer, sugtransformator på engelska. I BT-tekniken återleds returströmmen med sugtransformatorer,se bild. Via kontaktledningen kommer strömmen kommer till tåget och går sedan tillbaka via rälsen. Det är svårt att hålla rälsen isolerad från marken t.ex. vid snöslask och problem blir då att strömmen kan ge sig ut och vagabondera och orsaka magnetfält och tekniska störningar, t.ex. i tele och signalkablar som ligger i banvallen. Med sugtransformatorerna tvingar man strömmen att passera dess lindningar och ”suger” därmed returströmmen till återledningen. Sugtransformatorns ena lindning går kontaktledningsströmmen, den andra lindningen är förbunden med rälsen och en återledare. Antal varv är lika, måste det gå en lika stor ström genom denna lindning, varför hela rälsströmmen sugs upp och går vidare i återledaren.

Transformator princip

Transformatorn består av 2 eller mer lindningar på en järnkärna. Skickar man en växelström i en lindning kommer det alstras magnetfält i transformatorns järnkärna. Magnetfältet inducerar då ström i de andra lindningarna. En transformators uppgift är att transformera antingen spänning eller ström. Om man bortser från förluster i transformatorn, så är ingående effekten lika stor som utgående effekten.

Transformator förhållande

Med en transformator med 2 lindningar kommer ingående linding med lindningsvarv N₁ och utgående linding med lindningsvarv N₂, så blir spänningen ut, U₂ på utgående lindning N₂/N₁ gånger spänningen in, U₁. Eftersom effekt är lika med ström gånger spänning, är utgående ström, I₂ i transformatorn lika med N₁/N₂ gånger den ingående strömmen, I₁. I en sugtransformator har alla lindningar samma antal varv och då är ingående ström lika med utgående ström.

transformator

Sugtransformator i fastighet

En sugtransformator fungerar i en fastighet eller byggnad som har vagabonderande strömmarna i fyrledarsystemet. 4-ledarsystemet eller TN-C-systemet är neutral- och skyddsledarfunktionen kombinerad i en gemensam ledare. Återgångsströmmen går inte tillbaka via matningsledningen utan finner en annan väg via skyddsjord och metalliska strukturer.
Installerar man en sugtransformator med fyra lika lindningar (3st för fas-ledare och 1st för PEN-ledare) så skulle sugtransformatorn se till att lika stor ström skulle gå tillbaka i PEN-ledaren som summan av de tre fasströmmarna, hela återgångsströmmen skulle går tillbaka i PEN-ledaren och inga vagabonderande strömmar skulle uppkomma. Endast en ideal sugtransformator eliminerar dock hela den vagabonderande strömmen. Verkliga installerade sugtransformatorer eliminerar en större eller mindre andel av strömmen. Detta beroende på hur effektiva de är och hur många man installerar.

transformator

Sugtransformator effektivitet

Vid installation av en sugtransformator träs eller rullas på den matande kabeln passerar ledarna kärnan en gång och vi har då en envarvig sugtransformator. Detta är den valigaste formen och vi kallar detta att montera i serie. För att få en effektivare sugtransformator kan man installera flera kärnor på kabeln i serie. Man kan även trä kraftkabeln flera varv genom kärnan, då ökar effektiviteten med varvtalet i kvadrat, dvs. t.ex 1 st sugtransformator med 3 varv motsvarar då att installera 8 st sugtransformatorer i serie (se bild). Denna installationsmetod kallar vi "Sugtransformator med slinga".

transformator

Rekommendationer för sugtransformator i fastighet

I slutrapport "Elektriska och magnetiska fält i byggnader" från Chalmers Tekniska Högskola står det "Verkliga sugtransformatorer eliminerar en större eller mindre andel av strömmen beroende på hur effektiva de är."

I examensarbete "Utredning av för- och nackdelar med TN-S respektive TN-C system" inom elektroteknik från Kungliga Tekniska Högskolan står det "Vagabonderande strömmar som ger upphov till magnetiska fält anses inte vara ett stort problem i dagens samhälle, eftersom det finns olika metoder för att minimera den risken. Som exempel kan sugtransformator användas i känsliga anläggningar för att förhindra störningar"

I regelverket "Elinstallationer i lantbruk och hästverksamhet" från Lantbrukets Brandskyddskommitté och Brandskyddsföreningen står det "Om kraftiga vagabonderande strömmar vandrar i elsystemet installeras till exempel sugtransformatorer på inkommande huvudledning."
Lantbrukets Brandskyddskommitté, LBK, är ett samarbetsorgan för lantbruket, myndigheter, organisationer och försäkringsbolag.

I Elforsk rapport "Elsystem, jordning och transientskydd, För moderna fastigheter med bredbandsinstallationer" står det "I installationer med extremt mycket olinjär last kan dock problem med vagabonderande strömmar ändå uppstå. Installation av sugtransformator på serviskabeln kan ofta eliminera problemet."
Elforsk AB är Svenska elföretagens forsknings- och utvecklingsaktiebolag.