Leistungstransformator – 17 Fragen und Antworten! Testen Sie Ihr Wissen!

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Warum sollte der Kern des Transformators geerdet sein?

Im Normalbetrieb eines Leistungstransformators muss der Eisenkern sicher geerdet sein. Ohne Erdung führt die im Eisenkern gegen Erde entstehende Sperrspannung zu intermittierenden Durchschlägen und Entladungen. Durch die Erdung des Eisenkerns wird die Bildung einer Sperrspannung verhindert. Bei einer Erdung des Kerns an mehr als zwei Punkten entsteht jedoch eine Potenzialdifferenz zwischen den Erdungspunkten, die zu einem Erdschluss durch Erhitzung des Kerns führen kann.

Ein Erdschluss im Eisenkern des Transformators führt zu lokaler Überhitzung. In schweren Fällen kann die lokale Temperaturerhöhung des Eisenkerns zu leichter Gasentwicklung und sogar zu einer Auslösung durch starke Gasentwicklung führen. Durch das teilweise Verbrennen des Eisenkerns entsteht ein Kurzschluss zwischen den Eisenspänen, was die Eisenverluste erhöht und die Leistung und den ordnungsgemäßen Betrieb des Transformators erheblich beeinträchtigt. Daher ist zur Reparatur der Austausch des Siliziumstahlblechs im Eisenkern erforderlich. Transformatoren dürfen daher nicht mehrpunktgeerdet, sondern nur einpunktgeerdet sein.

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Warum werden für Transformatoren Siliziumstahlbleche als Kerne verwendet?

Der Kern eines Transformators besteht üblicherweise aus Siliziumstahlblech. Siliziumstahl ist eine Art Siliziumstahl (auch Silizium genannt) mit einem Siliziumgehalt von 0,8 bis 4,8 %. Der Kern des Transformators wird aus Siliziumstahl gefertigt, da Siliziumstahl selbst ein magnetisches Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit ist. In der erregten Spule kann er eine hohe magnetische Induktion erzeugen, wodurch das Volumen des Transformators reduziert werden kann.

Wie wir wissen, arbeitet der Transformator stets im Wechselstrombetrieb, und die Leistungsverluste entstehen nicht nur durch den Spulenwiderstand, sondern auch durch den vom Wechselstrom magnetisierten Eisenkern. Die Leistungsverluste im Eisenkern werden üblicherweise als „Eisenverluste“ bezeichnet. Eisenverluste haben zwei Ursachen: Hystereseverluste und Wirbelstromverluste.

Hystereseverluste sind die Eisenverluste, die durch das Hysteresephänomen während der Magnetisierung des Eisenkerns entstehen. Die Größe dieser Verluste ist proportional zur Fläche der Hystereseschleife des Materials. Siliziumstahl weist eine schmale Hystereseschleife auf, wodurch die Hystereseverluste des als Transformator verwendeten Eisenkerns gering sind und sich dessen Erwärmung deutlich reduzieren lässt.

Da Siliziumstahl die oben genannten Vorteile bietet, warum nicht den gesamten Siliziumstahl als Kern verwenden und ihn auch zu Blechen verarbeiten?

Das liegt daran, dass der Lamellenkern eine andere Art von Eisenverlusten reduziert, die sogenannten Wirbelstromverluste. Im Transformatorbetrieb fließt Wechselstrom durch die Spule, wodurch ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt wird. Dieser sich ändernde Fluss induziert einen Strom im Eisenkern. Der im Eisenkern erzeugte induzierte Strom zirkuliert in der Ebene senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses und wird daher als Wirbelstrom bezeichnet. Wirbelstromverluste führen außerdem zu einer Erwärmung des Kerns. Um die Wirbelstromverluste zu reduzieren, ist der Eisenkern des Transformators mit voneinander isolierten Siliziumstahlblechen gestapelt. Dadurch fließt der Wirbelstrom durch einen kleinen Abschnitt in einem langen und schmalen Stromkreis, was den Widerstand im Wirbelstrompfad erhöht. Gleichzeitig erhöht das Silizium im Siliziumstahl den spezifischen Widerstand des Materials und trägt ebenfalls zur Reduzierung des Wirbelstroms bei.

Für den Eisenkern eines Transformators wird üblicherweise 0,35 mm dickes, kaltgewalztes Siliziumstahlblech verwendet. Je nach benötigter Kerngröße wird es in lange Bleche geschnitten und anschließend in Sonnen- oder Mundform überlappt. Prinzipiell gilt: Je dünner das Siliziumstahlblech und je schmaler die Überlappungsstreifen sind, desto geringer ist die Wirbelstrombildung. Dies reduziert nicht nur Wirbelstromverluste und Temperaturanstieg, sondern spart auch Material. Allerdings führt die Herstellung eines Eisenkerns aus Siliziumstahlblech neben den genannten Vorteilen zu einem erheblich höheren Arbeitsaufwand und einer Verringerung des effektiven Kernquerschnitts. Daher sollte bei der Fertigung eines Transformatorkerns aus Siliziumstahlblech die jeweilige Situation berücksichtigt, die Vor- und Nachteile abgewogen und die optimale Größe gewählt werden.

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Was umfasst der Gasschutz?

1) Mehrphasiger Kurzschluss im Inneren des Transformators.

2) Kurzschluss zwischen den Windungen, Kurzschluss zwischen Wicklung und Eisenkern bzw. Gehäuse.

3) Eisenkernversagen.

4) Öl unter der Oberfläche oder Ölaustritt.

5) Schlechter Kontakt des Stufenschalters oder ungenügende Verschweißung des Drahtes.

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Worin bestehen die Unterschiede zwischen dem Differenzialschutz des Haupttransformators und dem Gasschutz?

1. Der Differenzialschutz des Haupttransformators ist nach dem Prinzip des Ausgleichsstroms ausgelegt und gefertigt, und der Gasschutz ist nach den Eigenschaften des bei einem internen Transformatorausfall entstehenden oder zersetzten Gases ausgelegt und gefertigt.

2. Der Differenzialschutz ist der Hauptschutz des Transformators, der Gasschutz ist der Hauptschutz gegen interne Fehler des Transformators.

3. je nach Schutzumfang:

Differenzialschutz:

1) Die Hauptzuleitung des Transformators und die Transformatorspule weisen einen mehrphasigen Kurzschluss auf.

2) schwerwiegender einphasiger Windungsschluss.

3) Erdschluss der Schutzspule und des Zuleitungsdrahts in einem Hochstrom-Erdungssystem.

B-Gas-Schutz:

1) Interner mehrphasiger Kurzschluss im Transformator.

2) Windungsschluss, Windungsschluss und Kern- bzw. Außen- und Kurzschluss.

3) Ausfall des Eisenkerns (Heiz- und Verbrennungsverlust).

4) Öl unter der Oberfläche oder Ölaustritt.

5) Schlechter Kontakt des Stufenschalters oder schlechte Verschweißung des Drahtes.

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Wie behebt man einen Defekt am Haupttransformatorkühler?

1. Bei Ausfall der Stromversorgung der Kühlerabschnitte I und II wird das Signal „Stromausfall #1, #2“ ausgegeben. Der Haupttransformator des Kühlers schaltet sich ab und der Auslösekreis wird aktiviert.

2. Im Falle eines Ausfalls der Schaltstromversorgung in Abschnitt I und II während des Betriebs leuchtet die Kontrollleuchte „Kühler alle Stopps“ auf. Daraufhin wird der Haupttransformator-Kühler-Stopp- und Auslösekreis aktiviert. Der ausgelöste Schutz ist unverzüglich der Leitstelle zu melden und zu deaktivieren. Anschließend ist umgehend eine manuelle Umschaltung durchzuführen.

3. Wenn einer der Kühlkreisläufe ausfällt, muss der defekte Kühlkreislauf isoliert werden.

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Welche Folgen hat der Parallelbetrieb von Transformatoren, die die Bedingungen für den Parallelbetrieb nicht erfüllen?

Bei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen und Parallelbetrieb kommt es zu Rückkopplungen, die die Transformatorleistung beeinträchtigen. Ebenso kann bei unterschiedlichen Impedanzen und Parallelbetrieb die Last nicht proportional zur Transformatorleistung verteilt werden, was ebenfalls die Transformatorleistung beeinflusst. Sind die Verdrahtungsgruppen nicht identisch und parallel geschaltet, kann es zu einem Kurzschluss des Transformators kommen.

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Was verursacht das ungewöhnliche Geräusch des Transformators?

1) Überlastung;

2) Schlechter interner Kontakt, Entladungszündung;

3) Einige Teile sind locker;

4) Es liegt ein Erdschluss oder Kurzschluss im System vor;

5) Große Motoranläufe verursachen relativ große Laständerungen.

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Wann darf der Stufenschalter des Lastspannungsreglers des Transformators nicht verstellt werden?

1) Überlastbetrieb des Transformators (außer in Sonderfällen)

2) Wenn häufig ein Warnsignal für den Leichtgasschutz des unter Last stehenden Druckreglers erscheint.

3) wenn sich kein Öl an der Ölmarkierung der unter Last stehenden Druckregeleinrichtung befindet.

4) Wenn die Anzahl der Regeldrücke die vorgegebene Anzahl überschreitet.

5) Fehlfunktion der Druckregelvorrichtung.

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Welche Leistungsdaten sind auf dem Typenschild des Transformators angegeben?

Die Nennleistung eines Transformators ist die vom Hersteller festgelegte Vorgabe für den normalen Betrieb des Transformators. Im spezifizierten Nennbetriebszustand gewährleistet der Transformator einen langfristig zuverlässigen Betrieb und eine gute Leistung. Die Nennleistung umfasst Folgendes:

1. Nennleistung: Transformator im Nennzustand mit garantierter Ausgangsleistung, Einheit mit Voltampere (VA), Kilovoltampere (kVA) oder Megavoltampere (MVA), da der Transformator einen hohen Wirkungsgrad hat, ist üblicherweise der Nennleistungswert der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gleich.

2. Nennspannung: Bezeichnet den garantierten Wert der Klemmenspannung des Transformators im Leerlauf, angegeben in Volt (V) und Kilovolt (kV). Sofern nicht anders angegeben, ist die Nennspannung die Spannung an der Anschlussleitung.

3. Bemessungsstrom: bezeichnet den aus der Bemessungskapazität und der Bemessungsspannung berechneten Leitungsstrom, angegeben in Ampere (A).

4. Leerlaufstrom: Erregerstrom des Transformators im Leerlaufbetrieb in Prozent des Nennstroms.

5. Kurzschlussverlust: Eine Seite der Wicklung wird kurzgeschlossen, die andere Seite der Wicklung wird so mit Spannung versorgt, dass beide Seiten der Wicklung den Nennstrom erreichen. Der Wirkverlust wird in Watt (W) oder Kilowatt (kW) angegeben.

6. Leerlaufverlust: bezeichnet den Wirkleistungsverlust des Transformators im Leerlaufbetrieb, ausgedrückt in Watt (W) oder Kilowatt (kW).

7. Kurzschlussspannung: auch Impedanzspannung genannt, bezieht sich auf den Fall, dass eine Seite der Wicklung kurzgeschlossen wird und die andere Seite der Wicklung die Nennstromspannung und den Nennspannungsprozentsatz erreicht.

8. Anschlussgruppe: Zeigt die Anschlussart der Primär- und Sekundärwicklungen sowie die Phasendifferenz zwischen den Leiterspannungen an, die durch ein Uhrwerk dargestellt wird.

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Warum benötigen Stromquellenumrichter eine hohe Transformatorleistung?

Transformatoren werden im Allgemeinen für ihre Nennkapazität und nicht für ihre Nennleistung ausgelegt, da ihr Strom nur von der Nennkapazität abhängt. Bei Spannungszwischenkreisumrichtern sind Nennkapazität und Nennleistung nahezu identisch, da der Leistungsfaktor am Eingang nahe bei 1 liegt. Bei Stromzwischenkreisumrichtern ist dies nicht der Fall; der Leistungsfaktor des Eingangstransformators entspricht höchstens dem Leistungsfaktor des Asynchronmotors. Daher ist die Nennkapazität des Stromzwischenkreisumrichters bei gleicher Motorlast höher als die des Spannungszwischenkreisumrichtertransformators.

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Wovon hängt die Kapazität eines Transformators ab?

Die Wahl des Eisenkerns hängt von der Spannung ab, die Wahl des Drahtes hingegen vom Strom. Das heißt, die Drahtstärke ist direkt vom Heizwert abhängig. Die Leistung des Transformators hängt somit ausschließlich vom Heizwert ab. Bei einem ausgelegten Transformator mit unzureichender Wärmeabfuhr in der Umgebung kann die Leistung von 1000 kVA durch eine verbesserte Wärmeabfuhr auf 1250 kVA erhöht werden.

Darüber hinaus hängt die Nennleistung des Transformators auch von der zulässigen Temperaturerhöhung ab. Beispielsweise beträgt die zulässige Temperaturerhöhung bei einem 1000-kVA-Transformator 100 K. Kann er unter besonderen Umständen bis zu 120 K betrieben werden, erhöht sich seine Leistung auf über 1000 kVA. Es zeigt sich auch, dass sich die Nennleistung des Transformators durch eine verbesserte Wärmeabfuhr steigern lässt. Umgekehrt kann bei gleicher Umrichterleistung das Volumen des Transformatorgehäuses reduziert werden.

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Wie lässt sich die Transformatoreffizienz verbessern?

1) Versuchen Sie, einen Transformator mit geringen Verlusten, hohem Wirkungsgrad und Energieeinsparung zu wählen.

2) Wählen Sie entsprechend der Last einen Transformator mit angemessener Kapazität.

3) Der durchschnittliche Auslastungsgrad des Transformators sollte größer als 70 % sein.

4) Wenn der durchschnittliche Lastkoeffizient häufig unter 30 % liegt, sollte der Transformator mit geringer Kapazität gegebenenfalls ausgetauscht werden.

5) Verbessern Sie den Leistungsfaktor der Last, um die Fähigkeit des Transformators zur Übertragung von Wirkleistung zu verbessern.

6) Angemessene Lastkonfiguration, um die Anzahl der Transformatoreinsätze so weit wie möglich zu reduzieren.

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Warum sollte die technische Umgestaltung von Hochenergie-Verteilungstransformatoren beschleunigt werden?

Bei Verteiltransformatoren mit hohem Energieverbrauch handelt es sich hauptsächlich um Transformatoren der Serien SJ, SJL, SL7, S7 und andere. Die Eisenverluste und Kupferverluste sind wesentlich höher als bei den derzeit weit verbreiteten Transformatoren der Serie S9. Beispielsweise sind die Eisenverluste bei S7 im Vergleich zu S9 um 11 % höher und die Kupferverluste um 28 % höher.

Neue Transformatoren wie der S10 und der S11 sind energiesparender als der S9. Der Eisenverlust des Transformators aus amorpher Legierung beträgt lediglich 20 % des S7. Transformatoren haben in der Regel eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Der Austausch eines Hochenergietransformators gegen einen hocheffizienten Energiespartransformator verbessert nicht nur die Energieumwandlungseffizienz, sondern senkt auch den Stromverbrauch über die gesamte Lebensdauer.

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Was ist Wirbelstrom? Welche schädlichen Auswirkungen hat die Wirbelerzeugung?

Wenn Wechselstrom durch einen Draht fließt, entsteht um den Draht herum ein magnetisches Wechselfeld. Im gesamten Leiter wird durch dieses Wechselfeld ein induzierter Strom induziert, da dieser Strom im Leiter einen geschlossenen Stromkreis bildet, ähnlich einem Wasserwirbel. Diese Wirbelströme führen nicht nur zu Energieverlust und verringern die Effizienz elektrischer Geräte, sondern verursachen auch eine Erwärmung der verwendeten elektrischen Anlagen (z. B. des Transformatorkerns), was den ordnungsgemäßen Betrieb der Geräte erheblich beeinträchtigen kann.

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Warum sollte der Überspannungsschutz von Transformatoren Kurzschlussströme bei niedrigen Spannungen vermeiden?

Bei der Betrachtung der Selektivität des Relais-Schutzmechanismus, insbesondere des Schnellabschaltmechanismus auf der Hochdruckseite, ist der Schutz vor schweren externen Transformatorfehlern eingeschränkt, wenn bei der Einstellung des maximalen Kurzschlussstroms die Niederspannungsseite des Transformators nicht berücksichtigt wird. Da die Niederspannungsseite nahe am Ausgang liegt und der dortige Kurzschlussstromwert gering ist, führt dies zu einer Ausdehnung des Schnellabschaltmechanismus auf die Niederspannungsseite und damit zum Verlust der Selektivität. Ein Verlust der Selektivität erhöht zwar die Zuverlässigkeit des Schutzes, bringt aber Nachteile mit sich. Beispielsweise verfügen viele Industrieanlagen über 10-kV-Transformatorräume (10-kV-Sammelschiene + Ausgangsleistungsschalter), während Werkstätten über Niederspannungs-Transformatorräume (Ringnetzschrank + Transformator) verfügen. Wird der maximale Kurzschlussstrom auf der Niederspannungsseite des Transformators nicht durch den Leistungsschalter abgeleitet, löst der Niederspannungs-Hauptschalter (Lastschaltersicherung im Ringnetzschrank) aus und der Hochspannungs-Leistungsschalter wird aktiviert, was den Betrieb beeinträchtigt.

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Warum können zwei parallel geschaltete Transformatoren nicht gleichzeitig geerdet werden?

In Hochstromsystemen wird zur Erfüllung der Anforderungen an die Empfindlichkeitskoordination des Relaisschutzes ein Teil des Haupttransformators geerdet und der andere Teil ungeerdet.

Die Neutralpunkte der beiden Haupttransformatoren eines Kraftwerks sind nicht gleichzeitig geerdet, daher wird hauptsächlich die Koordination des Nullstrom- und Nullspannungsschutzes betrachtet.

In einem Umspannwerk mit mehreren parallel betriebenen Transformatoren ist ein Teil der Sternpunkte der Transformatoren geerdet, der andere Teil nicht. Dadurch lässt sich der Erdschlussstrom in einem angemessenen Bereich begrenzen, die Größe und die Sprunghöhe des gesamten Netznullstroms werden durch die Änderung der Betriebsart nicht beeinflusst, und die Empfindlichkeit des Nullstromschutzes des Systems wird verbessert.

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Warum muss der neu installierte oder überholte Transformator vor der Inbetriebnahme einem Stoßschließtest unterzogen werden?

Die Abschaltung von im Netz betriebenen Leerlauftransformatoren führt zu Betriebsüberspannungen. In geerdeten Niedrigstromsystemen kann die Amplitude dieser Überspannung das Drei- bis Vierfache der Nennphasenspannung betragen; in hochstromfähigen geerdeten Systemen kann die Betriebsüberspannung sogar bis zum Dreifachen der Nennphasenspannung erreichen. Um zu prüfen, ob die Isolation des Transformators der Nennspannung und den Betriebsüberspannungen standhält, sollten daher vor der Inbetriebnahme mehrere Impulsschaltversuche durchgeführt werden. Darüber hinaus erzeugt der Leerlauftransformator einen Einschaltstrom, der das Sechs- bis Achtfache des Nennstroms erreichen kann. Da dieser Einschaltstrom eine hohe elektrische Leistung erzeugt, sollten Impulsschaltversuche durchgeführt oder die mechanische Festigkeit des Transformators sowie die Wirksamkeit der Schutzrelais überprüft werden.

Quelle: Windows on Power