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02 Eisenkernform

Der Eisenkern besteht aus einer Eisenkernsäule und einem Eisenjoch. Die Eisenkernsäule ist mit Wicklungen umwickelt, und das Eisenjoch verbindet die Eisenkernsäule zu einem geschlossenen magnetischen Kreis.

Abb. 1A zeigt einen Einphasentransformator, Abb. 1B einen Dreiphasentransformator. Der Eisenkern lässt sich in zwei Teile unterteilen: C ist der Spulenkern, auch Kernsäule genannt. Y ist der Teil, der den magnetischen Kreis schließt und als Joch bezeichnet wird. Einphasentransformatoren besitzen zwei Kernsäulen, Dreiphasentransformatoren drei.

Da der magnetische Fluss im Transformatorkern ein Wechselstrom ist, wird der Kern zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten üblicherweise aus hochohmigen Siliziumstahlblechen mit bestimmten Abmessungen gefertigt. Die Siliziumstahlbleche des Kerns werden zunächst in die gewünschte Form und Größe zugeschnitten (Stanzblech) und anschließend überlappend miteinander verbunden. Abbildung 2A zeigt den Kern eines Einphasentransformators. Jede Lage besteht aus vier Stanzblechen. Abbildung 2B zeigt den Kern eines Dreiphasentransformators. Jede Lage besteht aus sechs Stanzblechen. Die Stanzbleche zweier Lagen werden unterschiedlich angeordnet, um die Verbindungsstellen der Magnetkreise zu versetzen. Diese Montageart, die sogenannte Überlappungsmontage, verhindert Wirbelströme zwischen den Stahlblechen. Durch die Verzahnung und Ineinanderlagerung der Lagen können beim Pressen des Kerns weniger Befestigungselemente benötigt werden, was die Struktur vereinfacht. Beim Zusammenbau werden die Stanzteile zunächst überlappend zu einem ganzen Eisenkern zusammengefügt, dann wird das untere Joch eingeklemmt, die oberen Jochstanzteile werden herausgezogen, um die Eisenkernsäule freizulegen, die vorgefertigten Wicklungen werden auf die Eisenkernsäule gesetzt und schließlich werden die gezogenen oberen Jochstanzteile eingesetzt.

Je nach Wicklungsanordnung im Kern werden Transformatoren in Kern- und Manteltransformatoren unterteilt. Der Hauptunterschied liegt in der Verteilung des magnetischen Kreises: Beim Manteltransformator umschließt der Kernjoch die Spule, während beim Kerntransformator der größte Teil der Spule im Kern liegt; nur ein Teil der Spule befindet sich außerhalb des Eisenjochs und bildet einen magnetischen Kreis.

03 Wärmeableitung des Eisenkerns

Im Normalbetrieb eines Transformators erzeugt der Eisenkern aufgrund von Wärmeverlusten Wärme. Je größer Gewicht und Volumen des Kerns sind, desto mehr Wärme entsteht. Transformatoröltemperaturen über 95 °C begünstigen die Alterung des Öls. Daher sollte die Kernoberflächentemperatur möglichst unterhalb dieses Wertes gehalten werden. Dies erfordert eine effiziente Wärmeableitung des Kerns. Die Wärmeableitung dient hauptsächlich der Vergrößerung der Wärmeableitungsfläche des Kerns. Sie umfasst im Wesentlichen die Wärmeableitung über die Ölkanäle und die Luftkanäle des Kerns.

Bei großvolumigen, ölgekühlten Transformatoren werden zur Verbesserung der Wärmeableitung häufig Ölkanäle zwischen den Lamellen des Eisenkerns angeordnet. Diese Ölkanäle lassen sich in zwei Typen unterteilen: einen parallel zum Siliziumstahlblech und einen vertikal dazu (siehe Abb. 4). Die vertikale Anordnung bietet eine bessere Wärmeableitung, ist jedoch komplexer.

Der Eisenkern des Trockentransformators wird luftgekühlt. Um sicherzustellen, dass die Temperatur des Eisenkerns den zulässigen Wert nicht überschreitet, ist häufig ein Luftkanal im Eisenkerngehäuse und im Eisenjoch installiert.

04 Geräusche des Eisenkerns

Transformatoren erzeugen im Betrieb Geräusche. Die Ursache dieser Geräusche ist die Magnetostriktion des Siliziumstahlblechs im Eisenkern. Magnetostriktion bezeichnet die Ausdehnung des Siliziumstahlblechs entlang der magnetischen Feldlinien, wenn der Eisenkern erregt wird. Senkrecht dazu verringert sich die Ausdehnung. Darüber hinaus beeinflussen die Struktur und die geometrischen Abmessungen des Eisenkerns sowie dessen Fertigungstechnologie den Geräuschpegel.

Der Geräuschpegel des Eisenkerns kann durch folgende technische Maßnahmen reduziert werden:

(1) Es sollte hochwertiges Siliziumstahlblech mit einem kleinen magnetostriktiven ε-Wert verwendet werden.

(2) Die magnetische Flussdichte des Kerns verringern.

(3) Verbesserung der Struktur des Eisenkerns.

(4) Wählen Sie eine angemessene Kerngröße.

(5) Einsatz fortschrittlicher Verarbeitungstechnologien.

05 Erdung des Eisenkerns

Im Normalbetrieb des Transformators entsteht zwischen den stromführenden Wicklungen und Zuleitungen sowie dem Öltank ein ungleichmäßiges elektrisches Feld, in dem sich der Eisenkern und seine Metallteile befinden. Aufgrund des unterschiedlichen elektrostatischen Induktionspotenzials ist auch das Ruhepotenzial des Eisenkerns und seiner Metallkomponenten unterschiedlich. Wenn die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten die Isolation zwischen ihnen durchschlägt, entsteht eine Funkenentladung. Diese Entladung kann das Transformatoröl beschädigen und die Feststoffisolierung zerstören. Um dies zu verhindern, müssen sowohl der Kern als auch seine Metallkomponenten zuverlässig geerdet sein.

Der Kern muss an einem Punkt geerdet sein. Wenn der Eisenkern oder andere Metallkomponenten an zwei oder mehr Punkten geerdet sind, bildet sich ein geschlossener Stromkreis. Dadurch entsteht ein Stromfluss, der mitunter mehrere zehn Ampere erreichen kann. Dies kann zu lokaler Überhitzung, Ölzersetzung und sogar zum Durchbrennen des Erdungselements und damit zum Ausfall des Eisenkerns führen. Solche Zustände sind unzulässig. Daher muss der Kern geerdet und zusätzlich leicht geerdet sein.

II. Transformatorwicklungsstruktur

Funktion der Wicklung 01

Die Wicklung ist der grundlegendste Bestandteil eines Transformators. Sie dient der Erzeugung des Magnetfelds und der Übertragung elektrischer Energie. Üblicherweise besteht sie aus isolierendem Papier, Kupferdraht oder Aluminiumdraht, der um den Transformatorkern gewickelt wird. Der Transformatorkern muss über ausreichende Isolationsfestigkeit, mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit verfügen.

Wicklungsart

Die Wicklungsstruktur von Transformatoren lässt sich grundsätzlich in zwei Kategorien unterteilen: die Lagen- und die Segmentbauweise. Bei der Lagenbauweise sind die Windungen entlang der Achse durchgehend angeordnet. Diese Bauweise wird typischerweise bei verlustarmen Leistungstransformatoren der Baureihen S8 und S9 verwendet. Die Segmentbauweise hingegen zeichnet sich dadurch aus, dass die Windungen radial zu einem Segment gewickelt und anschließend axial zu vielen Segmenten zusammengesetzt werden. Sie kommt üblicherweise bei großen und sehr großen Transformatoren mit Hochspannungen ab 110 kV zum Einsatz.

Die Wicklungen chinesischer Leistungstransformatoren sind in der Regel konzentrisch aufgebaut. Konzentrische Wicklung bedeutet, dass die Wicklungen außen um den Kern gewickelt sind und in jedem Querschnitt des Kerns die gleiche zylindrische Form aufweisen. Zwischen den Hoch- und Niederspannungswicklungen sowie zwischen den Niederspannungswicklungen und dem Eisenkern muss ein bestimmter Isolationsabstand und ein Kühlkanal (Ölkanal) vorhanden sein, der durch ein isolierendes Papprohr getrennt ist. Der Isolationsabstand hängt von der Wicklungsspannung und dem erforderlichen Abstand des Kühlkanals ab. Da die Niederspannungswicklung nahe am Kern angeordnet ist, ist der erforderliche Isolationsabstand zum Kern relativ gering. Dadurch kann die Wicklungsgröße und somit auch die Gesamtgröße des Transformators reduziert werden.

Der Dreiphasentransformator ist in Stromversorgungssystemen weit verbreitet. Die Verwendung eines Dreiphasentransformators zur Verbindung von Übertragungssystemen mit drei unterschiedlichen Spannungen ist wirtschaftlicher, platzsparender und wartungsfreundlicher als die Verwendung von zwei herkömmlichen Transformatoren. Dreiphasentransformatoren mit drei Wicklungen sind üblicherweise in YY-△-Schaltung ausgeführt, d. h. Primär- und Sekundärwicklung sind in Sternschaltung (Y) geschaltet, die dritte Wicklung in Dreieckschaltung (△), wie in Abbildung XX dargestellt. Die Dreieckschaltung bildet einen geschlossenen Stromkreis, durch den der dritte Harmonischestrom in derselben Phase verläuft. Dadurch tritt die dritte Harmonische in der Y-Schaltung nicht auf. So wird ein Neutralpunkt für Primär- und Sekundärseite geschaffen. In Fernübertragungssystemen kann die dritte Wicklung auch mit einem Synchrongenerator verbunden werden, um den Leistungsfaktor der Leitung zu verbessern.

III. Transformatoranschlussstruktur

01 Blei und seine Klassifizierung

Die Wicklungen des Transformators sind extern mit dem vorderen Ende des Drahtes, der als Zuleitung bezeichnet wird, verbunden. Über die Zuleitung wird die elektrische Leistung vom Transformator an die externe Stromversorgung und anschließend nach außen übertragen.

Es gibt hauptsächlich folgende Arten von Leads:

(1) der Zuleitungsdraht, der mit dem Wicklungsdrahtende und dem Gehäuse verbunden ist;

(2) Verbindungsleitungen zwischen den Wicklungsenden;

(3) Der Wicklungsabgriff ist mit der Abgriffsleitung verbunden, die mit dem Schalter verbunden ist.

Das Bleimaterial ist im Allgemeinen:

(1) Blanker Kupferstab, Anwendungsbereich: Transformatoren der 10-kV-Klasse mit einer Leistung von 6300 kVA und darunter;

(2) Mit Papier umwickelte runde Kupferstange, Anwendungsbereich: 10 ~ 35 kV Kleintransformator;

(3) Blanker Kupferstab, Anwendungsbereich: Niederspannungswicklungsanschlüsse bei 10 kV und darunter;

(4) Kupferlitze, Anwendungsbereich: alle Spannungsebenen, insbesondere 110 kV und darüber;

(5) Kupferrohr, Anwendungsbereich: Transformatorzuleitung ab 220 kV.

Um einen ausreichenden Isolationsabstand zu gewährleisten, müssen die Leitungen durch Laminatholz und Kartonisolierung die Anforderungen an elektrische Eigenschaften, mechanische Festigkeit und Temperaturanstieg erfüllen. Die Auswahl der Leitungen erfolgt daher unter Berücksichtigung der elektrischen Feldstärke, der mechanischen Festigkeit sowie des Temperaturanstiegs bei Kurzschluss und unter Dauerlast.

02 Anschluss der Leitung

Die Anschlussarten für Transformatorleitungen sind: Hartlöten, Gasschweißen, Kaltpressschweißen und Schraubverbindungen.

Die Lötelektrode für die Verbindung zwischen dem Wicklungsausgang und dem Zuleiter sowie zwischen den Zuleitern ist aus einer Phosphor-Kupfer-Legierung herzustellen.

Gasschweißen wird zum Schweißen von Kupferstangen, Bleidrähten und Kabeldurchführungen sowie zum Durchstechen von Gehäusen verwendet.

Beim Kaltpressschweißen werden die beiden durch die Zuleitung verbundenen Anschlüsse in ein Metallrohr eingeführt und anschließend mithilfe einer Form zusammengepresst. Da beim Kaltpressschweißen keine Erhitzung erforderlich ist, ist die Schweißung relativ sicher, es treten keine Fehlschweißungen auf und die Zuleitungen oder andere Isolationsteile können nicht beschädigt werden. Die Schweißnaht weist eine hohe Extrusionsqualität und eine gute Zugfestigkeit auf. Daher ist das Kaltpressschweißen das gängigste Verfahren zur Zuleitungsverbindung bei großen Transformatoren.

Die Schraubverbindung dient hauptsächlich der Verbindung des Zuleitungsdrahtes mit der Führungsstangenhülse. Der Zuleitungsdraht ist demontierbar und gleicht Längenabweichungen aus. Die gebogene Zuleitungsstruktur ermöglicht in der Regel eine freie Ausdehnung; dies wird auch als flexible Verbindung bezeichnet.

03 Befestigung der Leitung

Um den Isolationsabstand der Zuleitung zu gewährleisten und den Vibrationen und Stößen der elektrischen Energie während des Betriebs sowie Kurzschlüssen ohne Verschiebung und Verformung standzuhalten, müssen Klemmteile verwendet werden, um die Zuleitung festzuziehen.

Die Klemmvorrichtungen für die Zuleitungen müssen ausreichend mechanisch und elektrisch belastbar sein. Daher besteht die Klemmvorrichtung in der Regel aus einer Holzkonstruktion, die die Klemmvorrichtungen mit den Metallteilen des Transformatorgehäuses verbindet. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit werden Metallschrauben verwendet. Zwischen den Klemmvorrichtungen selbst müssen jedoch zusätzlich Epoxidharzschrauben zum Einsatz kommen, um ein Verklemmen der Zuleitungen zu verhindern. Um ein Einklemmen der Zuleitungen zu vermeiden, sollte zusätzlich eine Isolierplatte angebracht werden.

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