Wie verhindert der TTC-Serien-Trockentransformator-Temperaturcontroller das Überhitzen des Transformators?

1. Funktion von Transformatortemperaturreglern

Heutzutage werden Leistungstransformatoren hauptsächlich in zwei Arten unterteilt: ölgefüllte und trockene Transformatoren. Trockentransformatoren werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile – wie inhärente Sicherheit, Feuerbeständigkeit, Nullverschmutzung, wartungsfreier Betrieb, geringe Verluste, minimale partielle Entladung und lange Lebensdauer – weit verbreitet in Kraftwerken, Umspannstationen, Flughäfen, Eisenbahnen, intelligenten Gebäuden und smarten Wohnanlagen eingesetzt.

Ein wesentlicher Vorteil trockener Transformatoren ist ihre geplante Lebensdauer, die in der Regel mehr als 20 Jahre beträgt. Je länger die Betriebsdauer, desto niedriger ist die Gesamtkosten des Besitzes. In der Praxis hängt der sichere Betrieb und die Haltbarkeit eines trockenen Transformers weitgehend von der Zuverlässigkeit seiner Wicklungen ab. Eine der Hauptursachen für Transformatorenversagen ist das Versagen der Isolierung, das durch Überschreiten der thermischen Belastungsgrenze des Isolierungsmaterials verursacht wird.

Darüber hinaus wird die Lebensdauer eines trockenen Transformers in der Regel durch sein „thermisches Leben“ begrenzt. Um die Betriebsdauer zu maximieren, ist es notwendig, die Wicklungstemperatur mit einem Temperaturregelsystem zu überwachen und bei Bedarf zeitnah Schutzmaßnahmen, wie zwingende Kühlung oder Warnmeldungen, umzusetzen.

2. Arten von Transformatortemperaturreglern

2.1 Nach der Temperaturmessmethode: Mechanisch vs. Elektronisch

• Mechanische Temperaturregler sind in der Regel Ausdehnungsvorrichtungen, die eine ölgefüllte Kugel als Sensorelement verwenden und nach dem Prinzip der thermischen Ausdehnung und Kontraktion arbeiten. Aufgrund ihres voluminösen Ölkugels und der unpraktischen Montage werden sie in der Regel nur bei ölgefüllten Transformatoren verwendet.

• Elektronische Temperaturregler verwenden Temperatursensoren wie Widerstandsthermometer (z.B. Pt100, PTC) oder Thermoelemente. Dank ihrer hohen technologischen Fortschrittlichkeit, umfassenden Funktionalität, hoher Genauigkeit und benutzerfreundlichen Bedienung werden elektronische Regler jetzt sowohl bei ölgefüllten als auch trockenen Transformatoren weit verbreitet eingesetzt.

2.2 Nach der Installationsmethode: Einbaulösung vs. Außenmontage

• Einbauregler werden direkt am Transformerklemmbrett (für Gehäuselose) oder integriert in das Gehäuse des Transformers montiert.

• Außenmontage- (Wandmontage-) Regler werden an Wänden (für Gehäuselose) oder an der Außenseite des Transformergehäuses befestigt.

Trockentransformatoren erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme, niederfrequente Vibrationen und elektromagnetische Störungen – Bedingungen, die einbaugleiche Temperaturregler, die am Klemmbrett oder im Gehäuse installiert sind, stark beeinträchtigen.

Es ist allgemein bekannt, dass elektronische Bauteile, ähnlich wie trockene Transformatoren selbst, eine endliche „thermische Lebensdauer“ haben. Die Einbaumethode reduziert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Reglers erheblich. Im Gegensatz dazu sind Außenmontageregler effektiv von dieser harten Umgebung isoliert, was besseren Schutz und längere Haltbarkeit gewährleistet.

3. TTC-Serie Trockentransformator-Temperaturregler

JB/T 7631-94 „Widerstandsthermometer für Transformatoren“ ist ein Standard, der 1994 vom chinesischen Ministerium für Maschinenbau veröffentlicht wurde, speziell für Temperaturanzeigen und -regler, die bei trockenen Transformatoren verwendet werden. Er enthält Anforderungen aus GB/T 13926-92 „Elektromagnetische Verträglichkeit für industrielle Prozessmess- und Steuereinrichtungen.“

Die TTC-Serie Temperaturregler entsprechen dem aktualisierten Standard GB/T 17626-1998 „Elektromagnetische Verträglichkeit – Prüf- und Messverfahren“ (äquivalent zu IEC 61000-4:1995).

3.1 Arbeitsprinzip

3.1 Schaltkreisblockdiagramm & Temperaturmessprinzipien (Pt100 und PTC)

Der Pt100-Temperatursensor arbeitet nach dem Prinzip, dass sein elektrischer Widerstand annähernd linear mit der Umgebungstemperatur ändert. Wie in der Widerstand-Temperatur-Kurve (rechts) dargestellt, steigt der Widerstand eines Pt100-Platinwiderstands stetig und fast linear mit steigender Temperatur.

Der Temperaturregler nutzt diese Eigenschaft, um kontinuierliche, genaue Temperaturüberwachung des Transformers zu ermöglichen. Der angezeigte Temperaturwert wird direkt aus den Messungen des Pt100-Sensors abgeleitet.

Dank seiner ausgezeichneten Wiederholbarkeit und dem ein-zu-eins-Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur ermöglicht der Pt100 präzise punktuelle Temperaturmessungen und erreicht in der Regel eine Genauigkeitsklasse von 0,5.

3.2 Gewährleistung der Pt100-Temperaturmessgenauigkeit

Der Pt100-Temperatursensor kann in Zweidraht-, Dreidraht- oder Vierdrahtkonfigurationen verkabelt werden. In den meisten industriellen Temperatursteuerungsanwendungen wird die Dreidrahtverbindung verwendet, da sie effektiv die durch Leitungsdrähte verursachten Messfehler kompensiert.

Zum Beispiel: Das Verstärkerschaltkreis ist in der Regel eine Weizenbrücke. Während der Herstellung und Kalibrierung werden Kurzschlussschalter zur Justierung verwendet. Allerdings führt in der realen Anwendung, wenn die Sensorkabel angeschlossen sind, ihr inhärenter Widerstand zu Messfehlern. Die Dreidrahtkonfiguration minimiert diesen Fehler, indem sie den Brückenschaltkreis ausgleicht.

Obwohl die Widerstand-Temperatur-Kurve des Pt100 nahezu linear ist, ist sie nicht perfekt linear. Um die Genauigkeit zu verbessern, teilen unsere Temperaturcontroller die 0–200°C Pt100 Widerstand-Temperatur-Kurve in fünf Segmente. In jedem Segment wird eine Gerade verwendet, um die tatsächliche Kurve durch lineare Anpassung zu approximieren, was die Gesamtgenauigkeit der Messung erheblich verbessert.

3.3 PTC-Thermistor als alternatives Sensor in TTC-300 Series Controllern

Der PTC (Positive Temperature Coefficient) Thermistor ist ein weiterer Temperatursensor, der in unserer TTC-300 Serie von Transformertemperaturcontrollern verwendet wird. PTC-Thermistoren werden aus bariumtitanathaltigen polykristallinen Keramikmaterialien hergestellt, die dotiert werden, um spezifische „Schwellen“- oder „Schalttemperatur“-Werte zu erreichen.

Im Gegensatz zu Platinwiderständen (Pt100) zeigen PTC-Thermistoren ein deutlich nichtlineares Verhalten: Ihr Widerstand bleibt bei niedrigeren Temperaturen relativ stabil, steigt jedoch bei Erreichen einer vordefinierten Schwellenwert – bekannt als Curie-Punkt oder Aktionstemperatur – sprunghaft, fast treppenartig an.

Wie dargestellt, ändert sich der PTC-Widerstand unterhalb der Aktionstemperatur nur wenig mit der Temperatur. Sobald die Temperatur jedoch diesen kritischen Punkt annähert und überschreitet, steigt der Widerstand dramatisch – oft um mehrere Größenordnungen.

Das Funktionsprinzip der PTC-basierten Temperaturmessung besteht darin, diese abrupte Widerstandsänderung zu erkennen, um festzustellen, ob ein bestimmter Temperaturschwelle erreicht wurde. Daher können PTC-Sensoren nur einen einzelnen Temperaturpunkt anzeigen – sie können keine kontinuierlichen, vollständigen Temperaturmessungen wie Pt100 liefern.

Unsere Produkte nutzen das Ein-/Aus-Schaltverhalten von PTC-Sensoren, um Überhitzungsalarms und -schutz für Transformatoren zu implementieren. Um Produktkonsistenz, Zuverlässigkeit und hohe Qualität zu gewährleisten, verwenden wir PTC-Bauteile von Siemens–Matsushita Electronic Components Co., Ltd.

3.4 TC Temperaturmessprinzip

Der Temperaturcontroller erfasst Temperatursignale sowohl von PTC- als auch von Pt100-Sensoren über seine interne Schaltung und verwendet logisches Urteilsvermögen, um zu bestimmen, ob ein Überhitzungsalarm oder ein Überhitzungsschaltzeichen ausgelöst werden soll. Dieses Doppelschutzsystem verhindert effektiv Versäumnisse oder Fehlalarme.

Die Temperaturen der Transformerspulen (Phasen A, B, C) und des Kerns (D) werden mithilfe von Pt100- und PTC-Sensoren überwacht. Mit der Temperaturänderung ändert sich der Widerstand dieser Sensoren entsprechend. Der Controller wandelt diesen Widerstand in ein Spannungssignal um, das dann durch Filterung, Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und fortschrittliche Algorithmen verarbeitet wird, um den entsprechenden Temperaturwert zu berechnen.

Basierend auf diesen beiden Arten von Temperatureingängen:

• zeigt der Controller die Kanalnummer und den Echtzeit-Temperaturwert auf dem Frontpanel-Bildschirm an.

• gleichzeitig wendet er logische Algorithmen an, um die gemessene Temperatur mit benutzerdefinierten Sollwerten zu vergleichen. Überschreitet die Temperatur den Schwellenwert, aktiviert der Controller entsprechende Ausgänge – wie das Starten/Stoppen von Kühlventilatoren, das Auslösen von Alarmsignalen oder das Initieren eines Schaltbefehls.

Benutzer können Systemparameter – einschließlich Ventilatorstart/Stop-Temperaturen, Kernüberhitzungs-Warnschwellen und andere Einstellungen – über die Frontpanel-Tasten konfigurieren.

Darüber hinaus führt das System ständig Selbsttests durch. Im Falle eines Sensorscheiterns oder eines internen Hardwarefehlers im Temperaturcontroller gibt es sofort akustische und visuelle Alarme sowie ein Fehlerzeichen, um die Bediener zu warnen.