Unterschiede im Kernwerkstoff zwischen ölgefüllten Verteiltransformatoren aus amorpher Legierung und konventionellen Siliziumstahl-Verteiltransformatoren

1. Interne Struktur und physikalische Form

Amorphmetall-Transformator: Das Kernmaterial ist ein extrem dünnes amorphes Magnetband. Die Atome in diesem Material sind in einer ungeordneten, nicht-kristallinen Struktur angeordnet (auch als metallisches Glas bekannt). Da das Material extrem dünn und spröde ist, lässt es sich schwer scheren und wird daher typischerweise zu einer Wickelkernstruktur geformt.

Herkömmlicher Siliziumstahl-Transformator: Der Kern wird üblicherweise aus gestapelten Siliziumstahlblechen mit hohem Siliziumgehalt zusammengesetzt. Die Oberfläche jedes Blechs ist mit einem Isolierlack beschichtet. Dies ist ein Material mit kristalliner Struktur.

2. Elektromagnetische Leistung und Verluste

Amorphmetall-Transformator: Da die amorphe Struktur keine magnetokristalline Anisotropie und keine Korngrenzen aufweist, bietet sie eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivfeldstärke. Darüber hinaus ist der elektrische Widerstand von Amorphmetall das 2–3-fache von Siliziumstahl, was Wirbelstromverluste effektiv reduziert. Infolgedessen sind die Leerlaufverluste deutlich niedriger als die herkömmlicher Siliziumstahl-Transformatoren.

Ölgefüllter Amorphmetall-Leistungsverteilungstransformator

Herkömmlicher Siliziumstahl-Transformator: Obwohl Siliziumstahlbleche ebenfalls eine gute magnetische Leistung bieten, bleiben ihre Hysterese- und Wirbelstromverluste bei gleicher Arbeitsflussdichte deutlich höher als die von Amorphmetallmaterial.

3. Kernfüllfaktor, Gewicht und Abmessungen

Amorphmetall-Transformator: Aufgrund der Materialeigenschaften und Einschränkungen im Wickelprozess ist der Kernfüllfaktor niedriger. Bei gleicher Nennkapazität sind das Gewicht und die Abmessungen eines Amorphmetall-Transformators in der Regel größer als die eines herkömmlichen Siliziumstahl-Transformators.

Herkömmlicher Siliziumstahl-Transformator: Der Blechfüllfaktor von Siliziumstahlblechen ist höher, was eine kompaktere Gesamtstruktur und ein geringeres Gewicht ermöglicht.

4. Betriebseigenschaften und mechanische Festigkeit

Amorphmetall-Transformator: Amorphmetall weist eine höhere Magnetostriktion auf, was eine stärkere Verformung unter wechselnden elektromagnetischen Feldern bedeutet. Infolgedessen ist das Betriebsgeräusch in der Regel höher als das von Siliziumstahl-Transformatoren. Darüber hinaus ist das Amorphband sehr spannungsempfindlich und relativ spröde, was zu einer etwas geringeren Kurzschlussfestigkeit führt. Im Schadensfall ist eine Reparatur vor Ort in der Regel nicht möglich und das Gerät muss an das Werk zurückgeschickt werden.

Herkömmlicher Siliziumstahl-Transformator: Siliziumstahlbleche bieten eine hohe mechanische Festigkeit und eine starke Kurzschlussfestigkeit. Vibrationen und Geräusche während des Betriebs sind relativ gering, und die anschließende Wartung ist bequemer.

5. Thermische Stabilität und Überlastfähigkeit

Amorphmetall-Transformator: Amorphmetallmaterial ist temperaturempfindlich. Wenn die Betriebstemperatur die Kristallisationstemperatur überschreitet, wird die amorphe Struktur zerstört, was zu einer starken Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften führt. Folglich ist seine Langzeit-Überlastfähigkeit der von Siliziumstahl-Transformatoren unterlegen, und die Auslegung erfordert in der Regel eine reduzierte Arbeitsflussdichte.

Herkömmlicher Siliziumstahl-Transformator: Siliziumstahlbleche haben eine kristalline Struktur mit höherer Curie-Temperatur und Kristallisationstemperatur, was eine hervorragende thermische Stabilität bietet. Sie können erheblichen kurzzeitigen Überlastungen und einem langfristigen Hochlastbetrieb standhalten.

6. Wicklungsstruktur und Kurzschlussfestigkeitsmechanismus

Amorphlegierungstransformator: Da das amorphe Band extrem dünn und spröde ist, kann es nicht wie Siliziumstahlbleche gestapelt werden und muss eine rechteckige Wickelkernstruktur verwenden. Dies erfordert, dass sowohl die Hoch- als auch die Niederspannungswicklungen als rechteckige Spulen ausgeführt werden. Unter Kurzschlussbedingungen neigen radiale elektromagnetische Kräfte auf rechteckige Wicklungen dazu, Verformungen zu verursachen, was zu einer geringeren Kurzschlussfestigkeit führt. Zusätzlich wird der amorphe Kern typischerweise aufgehängt, um Spannungsschäden am Kern zu vermeiden, was die gesamte mechanische Stützfestigkeit weiter verringert.

Herkömmlicher Siliziumstahltransformator: Verwendet herkömmliche Rundwicklungen und eine geschichtete Kernstruktur. Kern und Wicklungen stützen sich gegenseitig, was eine hohe mechanische Gesamtfestigkeit und eine hervorragende Kurzschlussfestigkeit bietet.

7. Kosten und wirtschaftliche Vorteile

Amorphlegierungstransformator: Da die Herstellung und Verarbeitung von Amorphlegierungsband komplexer ist, sind die anfänglichen Beschaffungskosten in der Regel höher als die von herkömmlichen Siliziumstahltransformatoren. Die extrem niedrigen Leerlaufverluste bedeuten jedoch, dass die zusätzlichen Vorabinvestitionen typischerweise innerhalb weniger Betriebsjahre amortisiert werden, wonach erhebliche Einsparungen bei den Stromkosten anfallen.

Herkömmlicher Siliziumstahltransformator: Die anfänglichen Herstellungskosten sind niedriger, aber aufgrund der relativ höheren Betriebsverluste sind die langfristigen Gesamtkosten des Stromverbrauchs höher.

Geschlossener ölgefüllter Leistungstransformator

8. Umweltvorteile und Lebenszyklus

Amorphlegierungstransformator: Neben den Energieeinsparungen während des Betriebs ist der Produktionsprozess für Amorphlegierungsband erheblich vereinfacht, wobei der Energieverbrauch bei der Herstellung nur 20%–25% des für die Siliziumstahlblechproduktion erforderlichen Verbrauchs beträgt. Darüber hinaus verlangsamen die extrem niedrigen Betriebsverluste und der reduzierte Temperaturanstieg die Alterungsrate des Isolieröls erheblich, was die Emission schädlicher Gase reduziert und einen hohen Umweltwert bietet.

Herkömmlicher Siliziumstahltransformator: Die Produktion von Siliziumstahlblechen ist ein energieintensiver Prozess, und die höheren Betriebsverluste und der Temperaturanstieg beschleunigen die Alterung des Isolieröls.

Zusammenfassung

Der Hauptvorteil des Amorphlegierungstransformators liegt in seinen extrem niedrigen Leerlaufverlusten, was ihn zur idealen Wahl für den Dauerbetrieb über lange Zeiträume und energieempfindliche Anwendungen macht. Er weist jedoch Einschränkungen auf, darunter höhere Anschaffungskosten, größere Abmessungen, höhere Geräuschentwicklung und geringere Stoßfestigkeit. Der herkömmliche Siliziumstahltransformator bleibt trotz höherer Leerlaufverluste aufgrund seiner niedrigeren Kosten, hohen mechanischen Festigkeit und kompakten Größe der Marktführer. Die tatsächliche Auswahl sollte den Lastfaktor, die Betriebsumgebung und das Budget berücksichtigen, um die optimale Balance zwischen Anfangsinvestition und Lebenszyklus-Energieeffizienz zu finden.

Bearbeitet von: Leon