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Schematische Darstellung der Hauptkomponenten des Transformators

Transformatorenherstellungsprozess

Transformatorkern

Hauptinhalt der Einführung in den Transformatorkern ist das Schneiden, Stapeln und Befestigen des Transformatorkerns sowie die neueste Stapeltechnologie zur Reduzierung der Leerlaufverluste.

2. Transformatorkern

Der Kern ist die grundlegende Komponente des Transformators. Er besteht aus einem magnetischen Leiter und einer Klemmvorrichtung. Er erfüllt zwei Funktionen: Prinzipiell bildet der magnetische Leiter des Eisenkerns den Magnetkreis des Transformators. Dieser wandelt die elektrische Energie des Primärkreises in magnetische Energie um und gibt diese wiederum in elektrische Energie des Sekundärkreises ab, der somit als Medium der Energieumwandlung dient. Strukturell trägt der Eisenkern alle internen Komponenten des Transformators, wie beispielsweise das Gehäuse und die Zuleitungen.

Der Eisenkern des Transformators ist eine rahmenförmige, geschlossene Struktur. Der Teil, der die Spule umschließt, wird als Kernsäule bezeichnet. Der Teil, der die Spule nicht umschließt und lediglich den magnetischen Kreis schließt, wird als Eisenkern bezeichnet.

Arten von Eisenkernen

Je nach Lage der Wicklung zum Eisenkern lassen sich Eisenkerne in zwei Kategorien einteilen: Kern- und Mantelkerne. Hier wird zunächst nur der Kernkern erläutert. Bei Einphasentransformatoren gibt es verschiedene Bauformen des Eisenkerns, beispielsweise zweireihige, einreihige und vierreihige sowie zweireihige und vierreihige Kerne.

Bei Drehstromtransformatoren gibt es verschiedene Kernbauformen, z. B. zwei- und zweispaltig (Drehstrom-Drehstromtransformator), drei- und vierspaltig (Drehstrom-Drehstromtransformator mit fünf Spalten). Die Wahl der Kernbauform hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. einer optimalen Anordnung der Wicklungen, Materialeinsparung und Einhaltung der Transporthöhe. Durch den Bypass lassen sich Streufluss und Magnetisierungsstrom der fünften und siebten Welle reduzieren.

Elektrostahlband (Siliziumstahlblech):

Als Material für den Eisenkern des magnetischen Leiters wird Elektroblech mit hohem Siliziumgehalt verwendet, auch bekannt als Siliziumstahlblech.

Es gibt zwei Arten von Siliziumstahlblechen: kaltgewalzte und warmgewalzte. Kaltgewalzte Siliziumstahlbleche werden wiederum in zwei Typen unterteilt: nicht orientiert und orientiert.

Die magnetischen Eigenschaften warmgewalzter Siliziumstahlbleche sind schlecht; die magnetische Flussdichte erreicht lediglich 1,5 T, und die spezifischen Verluste sind zu hoch, weshalb sie nicht mehr verwendet werden. Kaltgewalzte, kornorientierte Siliziumstahlbleche hingegen weisen eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit, eine hohe magnetische Sättigungsdichte, geringe spezifische Verluste und eine hohe spezifische Erregerkapazität auf und finden daher heutzutage breite Anwendung.

Die Dicke von kaltgewalztem, kornorientiertem Siliziumstahlblech ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich, z. B. 0,35 mm, 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm usw. Am häufigsten wird eine Dicke von 0,3 mm verwendet, die jedoch immer weiter reduziert wird. Hauptzweck dieser Reduzierung ist die Verringerung der Querdehnungsverluste im Leerlauf.

Die wichtigsten Produktionsstandorte für Siliziumstahlbleche sind derzeit Japan, Westeuropa, Russland, Südkorea sowie das heimische Unternehmen Wuhan Iron and Steel.

Die Spezifikationen von kaltgewalzten, kornorientierten Siliziumstahlblechen werden hauptsächlich durch die Dicke und den spezifischen Verlust (W/kg) bei einer magnetischen Flussdichte von 1,7 T bei 50 Hz angegeben, zum Beispiel:

•Neu entwickeltes Siliziumstahlblech unter Verwendung von Laserbestrahlung und mechanischer Gravurtechnologie

Scheren von Siliziumstahlblech für Transformatorkerne:

Das Siliziumstahlblech wird als ca. 1000 mm breite Spule im Werk angeliefert. Es muss mit speziellen Schermaschinen (z. B. der deutschen Georger-Drahtschere) in die gewünschte Form geschnitten werden. Der Schnittgrat darf dabei nicht größer als 0,02 mm sein.

Stapelung von Eisenkernen:

●Da die Spule des Kerntransformators kreisförmig ist, müsste auch der Querschnitt des Kerns kreisförmig sein. Dies ist jedoch schwierig und unwirtschaftlich, weshalb er stufenförmig (gestufter Zylinder) ausgeführt wird. Jede Stufe bildet ein Rechteck, dessen äußere Begrenzung auf demselben Umkreis liegt. Die Anzahl der Stufen ist begrenzt und muss unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit sorgfältig abgewogen werden.

●Beim Stapeln der Eisenkerne werden die Kernsäule und die Eisenkernstücke des Eisenjochs abwechselnd durch ein oder mehrere Stücke überlappt, sodass die Stoßfugen der oberen und unteren Lagen der Siliziumstahlbleche abwechselnd versetzt sind und sich gegenseitig abdecken. Dadurch werden Erregerstrom und Leerlaufverluste reduziert, während gleichzeitig die Festigkeit erhöht wird.

Überlappungsverbindung des Eisenkernstücks:

Derzeit ist der Transformatorkern als Vollschrägverbindung ausgeführt, d. h. der Winkel zwischen Kernsäule und Eisenjoch beträgt 45°. Diese Verbindungsform ist optimal auf die Eigenschaften des heutzutage üblicherweise verwendeten, hochmagnetisch orientierten Siliziumstahlblechs abgestimmt und gewährleistet eine möglichst gleichmäßige Magnetisierung.

Bei großen Transformatorkernen mit Vollschnittfugen erfolgt die Stapelung üblicherweise in Form zweistufiger Fugen. Um die Leerlaufeigenschaften des Transformatorkerns weiter zu verbessern, wird eine mehrstufige Nahtform des Kerns ausgebildet, der sogenannte StepLap-Kern.

Im laminierten Kern sind die Nähte der Siliziumstahlbleche versetzt angeordnet. Trifft der magnetische Fluss eines bestimmten Blechs auf den Luftspalt an der Naht, ist der magnetische Widerstand des Luftspalts um ein Vielfaches höher als der des Siliziumstahlblechs. Der größte Teil des Flusses durchdringt die angrenzenden Siliziumstahlbleche, die diese Naht überbrücken. Der ursprüngliche magnetische Fluss der Lamellen an den Überbrückungsstellen und die überbrückenden magnetischen Flüsse überlagern sich. Die Dichte kann eine Sättigung erreichen, wodurch die Leerlaufverluste und der Leerlaufstrom im Nahtbereich (lokal) sprunghaft ansteigen und somit die gesamten Leerlaufverluste zunehmen.

Die Stufenlaminierung ist eine in diesem Jahr eingeführte neue Laminiertechnologie, die die magnetische Dichte des Siliziumstahlblechs im Verbindungsbereich verbessert und dadurch die Leerlaufverluste und das Rauschen des Kernteils effektiv reduziert.

Kernisolierung:

Die Isolierung des Eisenkerns hat einen direkten Einfluss auf die Qualität des Transformatorkerns. Die Isolierung des Eisenkerns lässt sich in zwei Teile unterteilen: die Isolierung zwischen den Blechen und die Isolierung zwischen den Blechen und den Strukturbauteilen.

Die Isolation zwischen den Chips wird hauptsächlich durch zwei Aspekte erreicht: zum einen durch die Beschichtung der Oberfläche des laminierten Blattes und zum anderen durch das Einlegen einer isolierenden Kartonschicht mit einer bestimmten Dicke in jeden Stapel während des Stapelvorgangs, die gleichzeitig als Wärmeableitungskanal dient.

Um die im Eisenkern entstehende Wärme durch das zirkulierende Transformatoröl abzuführen, befinden sich in der Kernsäule und im Joch Kühlölkanäle. Diese Kanäle können aus Siliziumstahlblechen gestanzt oder aus auf Siliziumstahlbleche geschweißten Stahlstäben bestehen. Bei Transformatorkernen mit vollständig schrägen Verbindungen werden zur Reduzierung der Verluste Lamellen aus nichtmetallischem Material zur Trennung der Ölkanäle verwendet.

Erdung des Eisenkerns:

Während des Betriebs des Transformators entstehen aufgrund der unterschiedlichen Positionen des Eisenkerns und seiner Metallstrukturen im elektrischen Feld unterschiedliche Potenziale. Erreicht die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten einen bestimmten Wert, kommt es zu einer Entladung. Diese kann das Transformatoröl zersetzen oder die Isolierung beschädigen. Um dies zu vermeiden, müssen der Eisenkern und seine Metallstrukturen wirksam geerdet sein.

Zubehör für Eisenkern

Teil II. Transformatorwicklung

Der Hauptinhalt des Abschnitts über die Transformatorwicklung besteht aus dem Draht und der Wickelmethode der Transformatorwicklung.

Die Spule bildet den elektrischen Schaltkreis für die elektrische Eingangs- und Ausgangsenergie des Transformators und ist dessen grundlegendes Bauteil. Spulen müssen so konstruiert sein, dass sie folgende grundlegende Anforderungen erfüllen:

1. Elektrische Stärke

Blitzstoßfestigkeit

Betriebsstoßspannungsfestigkeit

Netzfrequenz-Stehspannung

2. Hitzebeständigkeit

Aufgrund der durch den Dauerbetriebsstrom erzeugten Wärme sollte die Lebensdauer der Spulenisolierung mindestens 20 Jahre betragen.

Bei den Betriebsbedingungen des Transformators kann es an jedem Leitungsende zu einem plötzlichen Kurzschluss kommen. Die Spule muss in der Lage sein, der durch den Kurzschlussstrom erzeugten Wärme standzuhalten, ohne Schaden zu nehmen.

3. Mechanische Festigkeit

Spulentyp;

Die Wahl des Spulentyps richtet sich hauptsächlich nach den Relaxationseigenschaften, wie beispielsweise der Spulenspannung. Dabei werden auch die elektrische und mechanische Festigkeit, die Wärmeableitung sowie die Machbarkeit des Herstellungsprozesses berücksichtigt. Die Spulenstruktur ist nicht einheitlich, und es stehen mitunter mehrere Strukturformen zur Auswahl. Dies hängt auch mit den traditionellen Vorgehensweisen verschiedener Transformatorenhersteller zusammen.

Transformatorspulen lassen sich grob in zwei Typen unterteilen: Lagenspulen und Tortenspulen. Stiftspulen können in spiralförmige, durchgehende, verwickelte, durchgehend verwickelte, durchgehend geschirmte und versetzte Bauformen unterteilt werden.

Spulendraht:

Wicklungsdrähte lassen sich nach Leitermaterial in Kupfer und Aluminium, nach Leiterform in Rund- und Flachdraht sowie nach Isoliermaterial in Papier-, Lack- und Glasfaserdraht unterteilen. Leistungstransformatoren verwenden üblicherweise mit Papier umwickelte Flachdrahtspulen aus Stahl.

Papierummantelter Flachstahldraht lässt sich in verschiedene Typen unterteilen: gewöhnlicher papierummantelter Draht, Kombinationsdraht, Transpositionsdraht und weitere. Je nach Zugfestigkeit unterscheidet man zwischen gewöhnlichem Draht (0,0 ≤ 120 MPa) und halbhartem Kupferdraht (120 MPa < 0,0 ≤ 210 MPa). Eine weitere Kategorie ist der selbstklebende Transpositionsdraht, bei dem ein einzelner Flachdraht mit einer Epoxidharzschicht überzogen ist (die Dicke der Lackschicht beträgt beidseitig …).

Die Drahtstärke beträgt 0,06 ± 0,02 mm. Ziel ist es, die einzelnen Drähte nach dem Aushärten des Lackfilms miteinander zu verkleben, um die Kurzschlussfestigkeit der Spule zu verbessern. Aktuell wird in China die neueste Technologie zur Drahtverdrahtung eingesetzt, und entsprechende Produktionslinien wurden eingeführt.

Wicklungsdrähte lassen sich nach Leitermaterial in Kupfer und Aluminium, nach Leiterform in Rund- und Flachdrähte sowie nach Isoliermaterial in Papier-, Lack- und Glasfaserdrähte unterteilen. Leistungstransformatoren verwenden üblicherweise mit Papier umwickelte Flachkupferdrähte.

Papierummantelte Flachdrähte aus Kupfer lassen sich in verschiedene Typen unterteilen: gewöhnliche papierummantelte Drähte, Kombinationsdrähte, Transpositionsdrähte und weitere. Je nach Zugfestigkeit unterscheidet man zwischen gewöhnlichen Drähten (0,2 ≤ 120 MPa) und halbharten Kupferdrähten (120 MPa < 0,0 ≤ 210 MPa). Eine weitere Variante ist der selbstklebende Transpositionsdraht. Hierbei wird ein einzelner Flachdraht mit einer Epoxidharzschicht überzogen (Schichtdicke beidseitig: 0,06 ± 0,02 mm). Durch Erhitzen der Beschichtung werden die einzelnen Drähte nach dem Aushärten miteinander verklebt, um die Kurzschlussfestigkeit der Spule zu erhöhen. Aktuell werden in China Transpositionsdrähte in Netzverpackung eingesetzt, und entsprechende Produktionslinien wurden eingeführt.

Wicklungen werden üblicherweise in zwei Typen unterteilt: Lagenwicklung und Tortenwicklung.

Die Windungen der Wicklung sind in axialer Richtung angeordnet und kontinuierlich gewickelt; dies wird als Lagenwicklung bezeichnet. Jede Lage ähnelt einem Zylinder. Tonnenwicklung.

Die Windungen der Wicklung verlaufen kontinuierlich in radialer Richtung und bilden eine kuchenförmige (segmentartige) Form. Eine Wicklung, die aus vielen axial angeordneten Segmenten besteht, wird als Kuchenwicklung bezeichnet. Dazu gehören kontinuierliche, verschlungene und eingefügte kapazitive Wicklungen.

Gängige Wicklungsformen:

Gängige Wicklungsarten sind zylindrisch, spiralförmig, durchgehend und verschlungen.

Die zylindrische Wicklung ist die einfachste Wicklungsart und besteht in der Regel aus einer oder mehreren Wicklungen. Beim Wickeln wird der Draht entlang der Drahtspindelachse nahezu parallel gewickelt, ähnlich einer eng gewickelten Spiralfeder. Sie zeichnet sich durch einfaches Wickeln, gute Verarbeitung und gute Wärmeableitung durch die Ölkanäle zwischen den Lagen aus, besitzt jedoch kleine Auflageflächen und eine geringe mechanische Festigkeit.

Die Spiralwicklung besteht aus Flachdraht, dessen Windungen nicht eng beieinander liegen, sondern durch isolierende Abstandshalter (Ölkanal) voneinander getrennt sind, ähnlich einer gespannten Schraubenfeder. Der Vorteil liegt im einfachen Wickelvorgang und dem vorhandenen Wärmeableitungs-Ölkanal, allerdings ist diese Wicklung für Wicklungen mit einer großen Windungszahl ungeeignet.

Die Spiralwicklung besteht aus mehreren parallel um den harten Reifenschlauch gewickelten Drähten. Sie kann als einfache Helix, mit mehr parallelen Drähten als Doppel- oder Vierfachhelix ausgeführt werden. Bei der Parallelschaltung mehrerer Drähte müssen diese vertauscht werden, da sonst aufgrund der unterschiedlichen Drahtlängen ein Ausgleichsstrom entsteht.

Die Endloswicklung besteht aus einem oder mehreren Flachdrähten, die in einem speziellen Verfahren zu einer Vielzahl von kuchenförmigen Drahtsegmenten auf den Isolierzylinder oder die Drahtformstreben gewickelt werden. Vorteile sind hohe mechanische Festigkeit und gute Wärmeableitung. Der Wickelprozess ist jedoch komplexer.

Die Verbindung zwischen dem durchgehenden Drahtkuchen und dem Drahtkuchen erfolgt abwechselnd auf der Innenseite und Außenseite der Wicklung, sodass, solange die Drahtlänge ausreichend ist, eine durchgehende Wicklung ohne Lötstellen möglich ist.

Die eingefügte kapazitive Wicklung entsteht durch Einlegen eines Drahtes (abgeschirmter Draht) mit einer Längskapazität zwischen die Windungen auf der Innenseite des geschlossenen Wicklungsdrahtes. Die Drahtstärke und die Anzahl der Windungen richten sich nach der gewünschten Kapazität. Da der Betriebsstrom durch den abgeschirmten Draht fließt, werden üblicherweise sehr dünne Drähte verwendet.

Die eingefügte kapazitive Wicklung ist als durchgehende Wicklung ausgeführt, wodurch im Vergleich zur verwickelten Wicklung die Anzahl der Schweißpunkte deutlich reduziert wird. Die Windungszahl des eingefügten Schirmdrahts ist frei einstellbar, sodass die Längskapazität nach Bedarf angepasst werden kann. Sie findet derzeit breite Anwendung in Transformatorwicklungen von Großtransformatoren mit Spannungen ab 110 kV.

Drahtumsetzung

Bei hohen Transformatorströmen besteht die Spule aus mehreren parallelen Drähten. Ohne Gegenmaßnahmen ist der Draht nahe der Mittelachse kurz und der Draht weiter entfernt lang. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und Positionen der Drähte im Magnetfeld sind Widerstand und induktive Reaktanz unausgeglichen, was zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung zwischen den Leitern führt. Um eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten und zusätzliche Verluste zu reduzieren, müssen die parallelen Leiter vertauscht werden (Transposition).