Aufbau eines Transformatoren

Transformatorenkonstruktion und wesentliche Komponenten

Ein Transformatoren besteht hauptsächlich aus einem magnetischen Kreis, einem elektrischen Kreis, einem dielektrischen Kreis, einem Tank und Hilfskomponenten. Seine Kernkomponenten sind die Primär- und Sekundärwicklungen sowie ein Stahlkern, wobei der Kern aus Siliziumstahl gebaut wird, um einen kontinuierlichen magnetischen Pfad zu bilden. Transformatorkerne sind in der Regel gelagert, um Strömungsverluste zu minimieren.

Magnetkreis

Der magnetische Kreis besteht aus dem Kern und dem Joch, die einen Weg für den magnetischen Fluss bereitstellen. Er verfügt über einen gelagerten Stahlkern mit zwei isolierten Spulen (Primär- und Sekundärspule), die voneinander und vom Kern isoliert sind.

• Kernmaterial: Gelagerter Stahl oder Siliziumstahlplatten, die aufgrund ihrer geringen Hystereseverluste bei Standardflussdichten gewählt werden.

• Bauteile:

• Beine: Vertikale Abschnitte, an denen die Wicklungen angeordnet sind.

• Joch: Horizontale Abschnitte, die die Beine verbinden, um den magnetischen Pfad abzuschließen.

Elektrischer Kreis

Der elektrische Kreis besteht aus Primär- und Sekundärwicklungen, die in der Regel aus Kupfer bestehen:

• Leiterarten:

• Leiter mit rechteckigem Querschnitt: Verwendet für Niederspannungswicklungen und Hochspannungswicklungen in großen Transformator.

• Leiter mit kreisförmigem Querschnitt: Verwendet in Hochspannungswicklungen kleiner Transformator.

Transformator werden nach Kernbauweise und Wicklungsaufstellung in folgende Kategorien unterteilt:

Kernbauweise des Kerntransformators

Bei der Kernbauweise des Kerntransformators wird der Kern durch das Lagern von rechteckigen Rahmenstrukturen gebildet. Die Laminierungsschichten werden in der Regel in L-förmige Streifen geschnitten, wie in der Abbildung unten dargestellt. Um den magnetischen Widerstand an den Laminierungsnähten zu minimieren, werden die Schichten in einer versetzten Anordnung angeordnet, was eine kontinuierliche Nahtlinie eliminiert und einen glatten magnetischen Pfad sicherstellt.

Primär- und Sekundärwicklungen werden ineinandergeschaltet, um den Leckfluss zu minimieren, wobei die Hälfte jeder Wicklung entweder nebeneinander oder konzentrisch auf jedem Kernbein angeordnet ist. Bei der Platzierung wird Bakelit-Formisolierung zwischen dem Kern und der Niederspannungswicklung (NSW), zwischen NSW und Hochspannungswicklung (HSW), zwischen den Spulen und dem Joch und zwischen dem HSW-Bein und dem Joch eingefügt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die NSW wird näher am Kern positioniert, um die Isolationsanforderungen zu reduzieren und sowohl Materialwirtschaftlichkeit als auch elektrische Sicherheit zu optimieren.

Hüllebauweise des Hülletransformators

Bei einem Hülletransformator werden die einzelnen Laminierungsschichten in lange E- und I-förmige Streifen (wie in der Abbildung unten gezeigt) geschnitten, um zwei magnetische Kreise mit einem dreibeinigen Kern zu bilden. Das zentrale Bein, das doppelt so breit wie die äußeren Beine ist, trägt den gesamten magnetischen Fluss, während jedes äußere Bein die Hälfte des Flusses leitet, was die magnetische Effizienz optimiert und den Leckfluss minimiert.

Hülletransformatorbauweise und Transformatorkomponenten

Hülletransformatorwicklung und -kernstruktur

Der Leckfluss in Hülletransformator wird durch die Unterteilung der Wicklungen und die Reduzierung des Blindwiderstands minimiert. Primär- und Sekundärwicklungen sind auf dem zentralen Bein gemeinsam angeordnet: die Niederspannungswicklung (NSW) liegt direkt am Kern, während die Hochspannungswicklung (HSW) darum herum gewickelt ist. Um die Laminierungskosten zu senken, werden die Wicklungen vorab in zylindrische Formen gebracht, in die dann die Kernlaminierungselemente eingesetzt werden.

Dielektrischer Kreis

Der dielektrische Kreis besteht aus Isoliermaterialien, die leitfähige Teile trennen. Kernlaminierungselemente (0,35–0,5 mm dick für 50-Hz-Systeme) werden mit Lack oder einer Oxidschicht beschichtet, um Strömungsverluste zu minimieren und die elektrische Isolation zwischen den Schichten sicherzustellen.

Tanks und Zubehör

Konservierer

Ein zylindrischer Tank, der auf dem Dach des Haupttanks des Transformators montiert ist, fungiert der Konservierer als Reservoir für Isolieröl. Er nimmt die Ölweiterung während des Betriebs unter vollem Lastgang auf, um Druckanstieg bei Temperaturschwankungen zu vermeiden.

Atemrohr

Als "Herz" des Transformators regelt das Atemrohr die Luftzufuhr während der Ölweiterung und -zusammenziehung. Silicagel im Inneren absorbiert Feuchtigkeit aus der eintretenden Luft und bewahrt die Ölqualität: frisches blau gefärbtes Gelb färbt sich rosa, wenn es gesättigt ist, und trockenes Gel kann die Taupunkte der Luft unter -40°C senken.

Explosionsventil

Ein dünnwandiger Aluminiumrohr, der an beiden Enden des Transformators installiert ist, dient das Explosionsventil dazu, übermäßigen inneren Druck durch plötzliche Temperaturanstiege abzubauen und den Transformator vor Schäden zu schützen.

Radiator

Abnehmbare Radiatoreinheiten kühlen das Transformatoröl durch natürliche Konvektion: Heißes Öl steigt in den Radiator, kühlt ab und kehrt durch Ventile in den Tank zurück, wodurch ein ständiger Kühlzyklus aufrechterhalten wird.

Buchsen

Isoliergeräte, die es ermöglichen, elektrische Leiter durch den Tank zu führen, widerstehen Buchsen hohen Spannungsfeldern. Kleine Transformator verwenden massive Porzellanbuchsen, während große Einheiten ölgefüllte Kondensatorbuchsen einsetzen. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist ein Hauptversagensmodus, der durch Leistungsfaktortests (z. B. Doble-Leistungsfaktortest) erkannt werden kann, die die Isolierungsdegradation überwachen.