Grundlagen von Leistungstransformatoren

1. 2. Klassifizierung nach Wicklung

2. (1) Doppelwicklungstransformator: wird verwendet für Aufwärtstransformatoren, Abwärtstransformatoren, Fabriktransformatoren usw.

3. (2) Dreiwicklungstransformator: wird für Abwärtstransformatoren, Koppeltransformatoren usw. verwendet.

4. (3) Selbstkoppelnder Transformator: wird für Abwärtstransformatoren, Verbindungstransformatoren usw. verwendet.

5. (4) Geteilter Transformator: Es gibt zwei Arten von geteilten Transformatoren: axial geteilte und radial geteilte. Sie werden für Werkstransformatoren und Anlauftransformatoren verwendet.

7.3. Klassifizierung nach Struktur

8. (1) Einphasentransformator: wird für 330~1000kV-Transformatoren verwendet.

9. (2) Dreiphasentransformator: wird für 10~500 kV-Transformatoren verwendet.

10. (3) Kombinierter Transformator: Der Transformator wird in mehrere Teile zerlegt und erst nach Ankunft am Einsatzort wieder zusammengefügt. Er wird in Gebieten mit schlechter Verkehrsanbindung eingesetzt.

12.4. Klassifizierung nach Kühlmethode

13. (1) Öltransformator: verwendet für 10~1000kV Transformatoren.

14. (2) Trockentransformator: wird für 10~110 kV Transformatoren verwendet.

15. (3) SF6-Transformator: wird derzeit für 110-kV-Transformatoren verwendet.

17.5. Modell eines Leistungstransformators

19. (1) Die Bedeutung der Buchstaben im Modell

21. D – Einphasig F – Ölimmersion-Luftkühlung

22. O – Selbstumlauf P – Zwangsumlaufölkreislauf

23. S – Dreiphasen- oder Dreispulen-System J – Ölgekühltes System

24. Z – Spannungsregler unter Last, L – Aluminiumspule

26. * Kupferspulen und Doppelspulen benötigen keine zusätzlichen Symbole.

28. (2) Beispiel

30. SFPSL—120000/110: 110 kV, 120 MVA dreiphasiger Dreispulentransformator mit Zwangsumlaufschmierung und luftgekühlten Aluminiumspulen

32. OSFPSZ—240000/330: 330 kV, 240 MVA dreiphasiger, dreispuleniger, lastspannungsgeregelter, luftgekühlter, selbstkoppelnder Transformator mit Zwangsumlaufschmierung.

Zweitens die Spule des Leistungstransformators

Die Spule ist das wichtigste und komplexeste Bauteil des Leistungstransformators. Sie besteht aus Kupfer- (oder Aluminium-) Draht und setzt sich aus speziellen Isolierteilen zusammen.

1. Spirale

Das Hauptmerkmal der Spiralspule ist die große Anzahl paralleler Drähte, die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Drahtbündel einer Spule mit einer Windung entspricht. Die Spiralspule zeichnet sich durch gute mechanische Stabilität, gute Wärmeableitung und hochwertige Verarbeitung aus und findet breite Anwendung in Niederspannungs- und Hochstromspulen von Transformatoren.

Je nach Stromstärke kann die Wendelspule in drei Strukturen gewickelt werden: Einzelhelix, Doppelhelix und Vierfachhelix.

2. Endlosspule

Besteht die Spule aus mehreren Drahtsegmenten, die entlang der axialen Richtung verteilt sind und nicht miteinander verschweißt werden müssen, so spricht man von einer durchgehenden Spule.

Die Endauflagefläche der durchgehenden Spule ist groß, die axiale Kraft hoch, der Kurzschlusswiderstand stark und jedes Spulensegment verfügt über eine hohe Wärmeableitungskapazität. Diese Spulenart findet unabhängig von Spannung und Kapazität vielfältige Anwendung.

3. Verhedderte Spule

Eine verwickelte Spule besteht aus mehreren verwickelten Liniensegmenten (Kuchen). Spulen, die ausschließlich aus verwickelten Liniensegmenten (Kuchen) bestehen, werden als vollständig verwickelte Spulen bezeichnet und finden breite Anwendung in Transformatoren mit Spannungen ab 220 kV. Eine Spule, die aus einem Teil des verwickelten Liniensegments (Kuchen) und einem Teil des durchgehenden Liniensegments besteht, wird als verwickelte durchgehende Spule bezeichnet und kommt in Transformatoren mit Spannungen ab 66 kV zum Einsatz.

Da nicht benachbarte Windungen zwischen benachbarte Windungen der Spule eingefügt werden, entstehen versetzte, verschlungene Liniensegmente und eine verschlungene Spule. Dies erhöht die Längskapazität der Spule und bewirkt, dass die Impulsspannung entlang ihrer axialen Höhe verläuft. Die Verteilungseigenschaften werden verbessert, weshalb diese Bauweise in verschiedenen Hochspannungsspulen weit verbreitet ist.

4. Innere abgeschirmte Spule

Die innere Schirmspule dient der Verbesserung der Impulsspannungsverteilung durch Erhöhung der Serienkapazität zwischen den Leitungssegmenten. Ihre Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass die zusätzlichen Kondensatorwindungen direkt innerhalb des Leitungssegments gewickelt sind. Die Enden der Kondensatorwindungen sind isoliert und im Leitungssegment aufgehängt. Die Kondensatorwindungen führen keinen Strom und arbeiten nur unter Impulsspannung.

Intern geschirmte, durchgehende Spulen sind strukturell in Form von Zwei-, Vier- und Acht-Sektions-Jumpern sowie Segmentverbindungen erhältlich.

Drittens der Eisenkern des Leistungstransformators

Der Eisenkern ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil des Leistungstransformators. Er wird durch Stapeln von hochpermeablen Siliziumstahlblechen und anschließendes Zusammenklemmen mit Stahlklammern oder Umwickeln mit Glasbändern hergestellt.

1. Siliziumstahlblech

Die in Leistungstransformatoren verwendeten Siliziumstahlbleche sind kaltverformte Gadolinium-Siliziumstahlbleche mit einer Dicke von 0,3 bis 0,5 mm. Derzeit können nur das Eisen- und Stahlwerk Wuhan und Shanghai Baosteel solche kaltverformten Gadolinium-Siliziumstahlbleche herstellen. Siliziumstahlbleche für große Transformatoren müssen jedoch aus Japan importiert werden.

2. Der Aufbau des Eisenkerns

(1) Einphasen-Zweisäulen-Eisenkern, verwendet für verschiedene Einphasentransformatoren.

(2) Einphasen-Sektions-Spalten-Seitenjochkern, verwendet für Hochspannungs-Großleistungs-Einphasentransformatoren.

(3) Für Hochspannungs- und Höchstspannungstransformatoren mit großer Kapazität wird ein einphasiger zweispaltiger Jochkern verwendet.

(4) Der dreiphasige Dreisäulen-Eisenkern wird für verschiedene Dreiphasentransformatoren verwendet.

(5) Fünf-Säulen-Eisenkern für Dreiphasentransformatoren mit hoher Kapazität.

Viertens der Öltank des ölgekühlten Transformators

1. Der fassförmige Öltank wird hauptsächlich für verschiedene kleine ölgefüllte Transformatoren und extra große ölgefüllte Transformatoren verwendet.

2. Öltank in Glockenform, weit verbreitet bei 110~500kV-Öltransformatoren.

3. Der vollständig abgedichtete Öltank ist kurz davor, durch Schweißen unbrauchbar zu werden. Er wurde in den letzten Jahren nur noch in ölgekühlten Transformatoren ab 110 kV verwendet.

5. Ölausgleichsbehälter eines ölgekühlten Transformators

Der Ölbehälter des Transformators hat zwei Funktionen: Zum einen bietet er Platz für die thermische Ausdehnung und Kontraktion des Transformatoröls im Öltank; zum anderen isoliert er das Transformatoröl von der äußeren Atmosphäre, um dessen Alterung zu verhindern.

1. Kapselförmiger Ölkonservator, bei dem Gummikapseln das Transformatoröl von der äußeren Atmosphäre trennen und Raum für die thermische Ausdehnung und Kontraktion des Transformatoröls bieten.

2. Der Membranölkonservator verwendet eine Gummimembran, um das Transformatoröl von der Außenatmosphäre zu trennen und bietet Raum für die Ausdehnung und Kontraktion des Transformatoröls.

3. Der Wellblech-Ölausgleichsbehälter nutzt einen aus gewellten Metallblechen bestehenden Metallexpander, um das Transformatoröl von der Außenatmosphäre zu trennen und ihm Raum für die thermische Ausdehnung und Kontraktion zu geben. Es gibt zwei Arten von Wellblech-Ölausgleichsbehältern: solche mit Innen- und solche mit Außenöl. Die Ausführung mit Innenöl bietet eine bessere Leistung, hat aber ein größeres Volumen.

6. Kühlverfahren für ölgekühlte Transformatoren

1. Symbole zur Darstellung von Kühlmethoden

Der erste Buchstabe: O – Mineralöl, K – synthetische Isolierflüssigkeit, L – Isoliergas.

Der zweite Buchstabe: N – natürliche Konvektionszirkulation, F – erzwungene Ölzirkulation, D – erzwungene Führungszirkulation.

Der dritte Buchstabe: A – Luft, W – Wasser.

Vierter Buchstabe: N – natürliche Konvektion, F – Zwangsumwälzung (Ventilator, Pumpe).

2. Beispiele

ONAN – Freie Kühlung

ONAF - Luftkühlung

OFAF – Zwangsumlauf-Luftkühlung mit Ölumlauf

ODAF – Geführte Kühlung mit Zwangsumlauföl

Sieben, Transformatordurchführung

1. Isolierdurchführung aus reinem Porzellan für 40 kV und darunter

Diese Gehäuseart gibt es in zwei Ausführungen: mit Führungsstange und mit Kabeldurchführung. Die Ausführung mit Führungsstange wird für Niederspannungsdurchführungen von Transformatoren verwendet; die Ausführung mit Kabeldurchführung für Hochspannungsableitungen von 10 bis 20 kV.

2. Hochstromdurchführung von 40 kV und darunter

Diese Durchführungsart gibt es in zwei Ausführungen: als Führungsstangen- und als kapazitive Ausführung. Die rein keramische Führungsstangendurchführung wird für den Niederspannungswicklungsausgang von Generatortransformatoren mittlerer Leistung verwendet; die kapazitive Durchführung hingegen für den Niederspannungswicklungsausgang von Generatortransformatoren großer Leistung.

3. Öl-Papier-Kapazitivdurchführung mit 66 kV und mehr

Die innere Isolierung dieser Hülse besteht aus einem Kondensatorkern, der aus abwechselnd gewickeltem Isolierpapier und Aluminiumfolie gefertigt ist. Kondensatorkern und Porzellanhülse sind mit Isolieröl gefüllt. Die Verbindung zwischen Hülse und Wicklung kann entweder als Führungsstange oder als Kabel ausgeführt werden. Der Öl-Papier-Kondensatorkern ist abwechselnd mit 0,08–0,12 mm dickem Kabelpapier und 0,01 mm dicker Aluminiumfolie um das leitfähige Rohr gewickelt.

4. Bandpapier-Kapazitivdurchführungen von 66 kV und höher

Die innere Isolierung dieser Hülse besteht aus einem Kondensatorkern, der aus abwechselnd gewickeltem Klebepapier und Aluminiumfolie gefertigt ist. Kondensatorkern und Porzellanhülse sind mit Isolieröl gefüllt, wobei der untere Teil der Hülse keine Porzellanhülse benötigt. Allerdings ist der Verlustfaktor (tanδ) dieser Gehäuseart hoch, und das Klebepapier neigt zu Rissen und Teilentladungen. Die Produktion wurde daher eingestellt.

5. Kondensatorbuchse aus Harzguss

Die Hauptisolierung dieser Hülse besteht aus einem Kondensatorkern, der durch abwechselndes Wickeln von Isolierpapier und Aluminiumfolie gebildet wird. Anschließend wird Epoxidharz außen aufgetragen, um eine feste Isolierhülse zu bilden. Diese Art von Durchführung kann als Öl-Gas-Durchführung eingesetzt werden. Der obere Teil wird in die Rohrleitung des GIS (Gas-Instrumenten-Systems) eingesetzt und mit SF6-Gas befüllt; der untere Teil wird in Transformatoröl eingetaucht.

8. Spannungsregelungsverfahren für Leistungstransformatoren

1. Spannungsregelungsverfahren

Es gibt zwei Arten der Spannungsregelung für Transformatoren: die Leerlaufspannungsregelung und die Lastspannungsregelung. Die Leerlaufspannungsregelung, auch bekannt als Spannungsregelung unter Last, dient der Spannungsregelung im Stillstand des Transformators ohne Last. Das entsprechende Regelgerät wird als Leerlaufstufenschalter bezeichnet; das Regelgerät unter Last als Laststufenschalter.

2. Spannungsregelungsposition unter Last

Es gibt drei Arten der Spannungsregelung unter Last an Transformatoren: Neutralpunktregelung, Mittelspannungs-Leitungsendregelung und Hochspannungs-Spulenendregelung. Die Neutralpunktregelung ist in Aufbau und Verfahren vergleichsweise einfach und findet vielfältige Anwendung.

3. Spannungsreglerschalter für den Betrieb unter Last

Der Druckregelschalter ist gleichzeitig ein Stufenschalter. Derzeit ist die Qualität der im Inland hergestellten Stufenschalter für den Lastbetrieb nicht ausreichend, weshalb die meisten Stufenschalter importiert werden, vorwiegend von den deutschen Herstellern MR und ABB.

Neun, Transformatorenöl

1. Die Zusammensetzung von Transformatorenöl

Transformatorenöl ist Mineralöl, das eine Mischung aus vielen Kohlenwasserstoffmolekülen mit unterschiedlichen Molekulargewichten ist. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Kohlenwasserstoffverbindungen wie Alkane, Naphthene und eine geringe Menge aromatischer Kohlenwasserstoffe.

2. Funktion und Güteklasse von Transformatorenöl

Transformatorenöl dient als Isolieröl für ölgekühlte Transformatoren. Es hat nicht nur eine Isolierfunktion, sondern auch eine Funktion der Wärmeableitung.

Transformatorenöl wird anhand seines Gefrierpunkts in Öl Nr. 25 und Öl Nr. 45 unterteilt. Der Gefrierpunkt von Öl Nr. 25 liegt bei -25 °C, der von Öl Nr. 45 ebenfalls bei -45 °C.

Transformatorenöl Nr. 25 ist ein Paraffinöl, Transformatorenöl Nr. 45 hingegen ein Naphthenöl. Früher musste Transformatorenöl Nr. 45 importiert werden, heute kann die Karamay-Raffinerie in Xinjiang es selbst herstellen.

10. Herstellungsprozess des Leistungstransformators

Der Leistungstransformator besteht aus zwei Teilen: dem Gehäuse und dem Zubehör. Das Gehäuse setzt sich aus Spule, Isolierteilen, Eisenkern, Stufenschalter, Transformatoröl und Ölbehälter zusammen. Zum Zubehör gehören Ölbehälter, Kühler, Durchführungen, Gasrelais, Druckentlastungsventil und Thermometer. Kühler, Isolieröl, Durchführungen, Stufenschalter, Gasrelais, Druckentlastungsventile und Thermometer werden extern bezogen. Im Folgenden werden die Fertigungsprozesse einiger Hauptkomponenten kurz erläutert.

1. Spulenwicklung: Montage des Wicklungsgerüsts - Spulenwicklung - Drahtschweißen - Isolierpaket - Spulenformung - Spulenprüfung.

2. Montage des Eisenkerns: Zuschneiden des Siliziumstahlblechs - Entgraten - Stapeln des Eisenkerns - Anbringen der Zugplatte und der Abschirmung - Binden des Eisenkerns - Eisenkernprüfung - Anbringen der Eisenkernklammern.

3. Bearbeitung der Isolierteile: Zuschneiden der Isolierteile - Entgraten - Abschrägen der Ecken - Feuchtigkeitsschutzbehandlung.

4. Bearbeitung von Kraftstofftanks und Öllagertanks: Stahlplattenzuschnitt - Schweißen von Kraftstofftanks und Öllagertanks - Entrosten - Sandstrahlen - Grundieren - Lackieren - Prüfung der mechanischen Festigkeit.

5. Allgemeine Montage: Einbau des Eisenkerns - Einbau der Kraftstofftankleitung - Einsetzen der Spule - Stapeln des Eisenjochs - Einbau des Stufenschalters - Schweißen des Zuleitungsdrahts - Umwickeln der Zuleitungsisolierung - Prüfung des Halbfertigprodukts - Trocknung des Gehäuses - Fertigstellung des Gehäuses - Montage des Kraftstofftanks - Montage der Zubehörteile - Ölbefüllung - Dichtheitsprüfung - Heißölzirkulation - statische Aufstellung.

11. Werksprüfung des Leistungstransformators

Die Werksprüfung von Leistungstransformatoren gliedert sich in drei Arten: Routineprüfung (Werksprüfung), Typprüfung und Sonderprüfung. Die Routineprüfung ist eine Prüfung, die an jedem Transformator vor Verlassen des Werks durchgeführt werden muss und wird üblicherweise als Werksprüfung bezeichnet. Die Typprüfung wird stichprobenartig an ein bis zwei Transformatoren eines Produkttyps durchgeführt. Die Sonderprüfung wird vom Anwender vorgeschlagen und die Prüfpunkte werden mit dem Hersteller abgestimmt.

1. Grundlegende Anforderungen und Vorschriften für die Hochspannungsisolationsprüfung

Die Transformatorwicklungen werden gemäß der höchsten Betriebsspannung Um und dem entsprechenden Isolationsniveau geprüft. Die folgende Tabelle enthält die in der nationalen Norm GB1094.3-2003 „Leistungstransformator Teil III: Isolationsniveau, Isolationsprüfung und äußerer Isolationsluftspalt“ festgelegten Isolationsprüfpunkte.

2. Routinemäßige (Werks-)Prüfpunkte

(1) Gleichstromwiderstandsmessung der Wicklung: Messung an allen Anzapfungen.

(2) Verhältnismessung: Messung an allen Abgriffpositionen.

(3) Erkennung der Verdrahtungsgruppe: Prüfung an der Nennabgriffsposition.

(4) Messung des Isolationswiderstands, des Absorptionsverhältnisses und des Polarisationsindex: Den Polarisationsindex können nur Transformatoren ab 220 kV messen.

(5) Wicklungs-tanδ- und Kapazitätsprüfung: Transformatoren ab 35 kV sollten auf tanδ geprüft werden.

(6) Prüfung von Durchführungen auf Verlustfaktor (tanδ) und Kapazität: Kapazitive Durchführungen ab 66 kV müssen auf Verlustfaktor (tanδ) und Kapazität geprüft werden.

(7) Transformatorenölprüfung: Ölanalyse, Durchschlagsfestigkeit, Verlustfaktor (tanδ), chromatographische Analyse und weitere Parameter. Bei Transformatoren ab 750 kV ist zusätzlich die Partikelgröße des Öls zu prüfen. Darüber hinaus wurden die chemische und die chromatographische Ölanalyse während des gesamten Prüfprozesses wiederholt.

(8) Leerlaufverlust- und Leerlaufstrommessung: Die Prüfung ist unter Nennspannungsverdrahtung durchzuführen.

(9) Messung der Lastverluste und der Kurzschlussimpedanz: Prüfung unter Nennspannungsverdrahtung.

(10) Teilentladungsprüfung: Die Entladungsmenge wird nicht zur Beurteilung herangezogen, sondern dient lediglich als Referenzwert für die Frage, ob eine Hochspannungsprüfung durchgeführt werden kann.

(11) Blitzstoßprüfung: Transformatoren ab 220 kV und 120 MVA.

(12) Funktionsprüfung: Transformatoren ab 330 kV.

(13) Induktive Spannungsfestigkeitsprüfung mit Teilentladungsmessung: Transformatoren ab 110 kV.

(14) Prüfung der Spannungsfestigkeit der Niederspannungswicklung und des Neutralpunkts bei externer Bauartfrequenz.

(15) Teilentladungsprüfung: Diese Prüfung ist eine Überprüfung des Werksprüfwertes.

(16) Elektrische Messung des Öldurchflusses: Transformatoren mit Ölpumpen von 330 kV und darüber.

(17) Teilentladungsprüfung von rotierenden Ölpumpen: Transformatoren mit Ölpumpe ab 330 kV.

2. Testaufgaben vom Typ „Typ“

(1) Temperaturanstiegstest.

(2) Die Blitzbegrenzungswelle wurde getestet.

(3) Blitzschlagprüfung mit voller Welle am Neutralpunkt.

(4) Funkstörungsprüfung

3. Spezielle Testaufgaben

(1) Schallpegelmessung.

(2) Nullimpedanzmessung von Dreiphasentransformatoren.

(3) Harmonische Messung des Leerlaufstroms.

(4) Messung der vom Lüftermotor und vom Ölpumpenmotor aufgenommenen Leistung.

(5) Messung der transienten Spannungsübertragungscharakteristik.

(6) Kurzschlussfestigkeitsprüfung.