SCB- und SGB-Trockentransformatoren erklärt

1. Einführung

Ein Transformator arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Die Hauptkomponenten eines Transformators sind die Wicklungen und der Kern. Während des Betriebs dienen die Wicklungen als Leitungsweg für den elektrischen Strom, während der Kern als Leitungsweg für den magnetischen Fluss dient. Wenn elektrische Energie in die Primärwicklung eingespeist wird, erzeugt der Wechselstrom ein wechselndes Magnetfeld im Kern (d. h., elektrische Energie wird in magnetische Feldenergie umgewandelt). Aufgrund der magnetischen Verkettung (Flussverkettung) ändert sich der durch die Sekundärwicklung passierende magnetische Fluss ständig, was eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Sekundärwicklung induziert. Wenn ein externer Schaltkreis angeschlossen ist, wird die elektrische Energie an die Last übertragen (d. h., die magnetische Feldenergie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt). Dieser "Strom–Magnetismus–Strom" Umwandlungsprozess wird auf der Grundlage des Prinzips der elektromagnetischen Induktion realisiert, und dieser Energieumwandlungsprozess bildet das Arbeitsprinzip eines Transformators.

U1N2 = U2N1

U1: Primärspannung；N1: Anzahl der Windungen der Primärwicklung；U2: Sekundärspannung；N2: Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung

Laut dem chinesischen Nationalstandard GB 1094.16 wird ein Trockentransformator klar definiert als ein Transformator, dessen Kern und Wicklungen nicht in einem Isolierflüssigkeit eingetaucht sind. Sein Isolier- und Kühlmedium ist Luft. Im weitesten Sinne können Trockentransformator in zwei Haupttypen unterteilt werden: gegossen und offen gewickelt.

• Der Typ "SC(B)" bezieht sich auf einen mit Epoxidharz gegossenen Trockentransformator (das "B" in der Modellbezeichnung bedeutet, dass die Wicklungen aus Kupferfolie bestehen; das "B" in "SG(B)" hat die gleiche Bedeutung). Die Hochspannungswicklung ist vollständig mit Epoxidharz gegossen, während die Niederspannungswicklung normalerweise nicht vollständig mit Epoxidharz gegossen wird—nur die Endwindungen sind mit Epoxidharz versiegelt (dies liegt auch daran, dass die Niederspannungsseite einen höheren Strom führt und ein vollständiges Guss würde die Wärmeabgabe negativ beeinflussen). Derzeit sind SC(B)-Trockentransformator die Hauptprodukte auf dem Markt, und dieser Artikel verwendet sie als Beispiel für die Analyse. Die meisten SC(B)-Transformator haben eine F-Klasse Isolation, einige wenige sind auf H-Klasse eingestuft.

• Der Typ "SG(B)" ist ein offen gewickelter Trockentransformator, der NOMEX Isolierungspapier von DuPont (USA) für die Wicklung-zu-Wicklung-Isolation verwendet. Die Niederspannungswicklung besteht aus Kupferfolie, und sowohl die Hoch- als auch die Niederspannungswicklungen unterliegen einer VPI (Vakuumdruckimpregnierung) Isolierung. Die Oberfläche ist mit einer Schicht Epoxidharz Isolierlack überzogen. Die meisten SG(B)-Trockentransformator haben eine H-Klasse Isolation, einige wenige sind auf C-Klasse eingestuft.

• Es gibt noch einen anderen Typ von Trockentransformator, der als "SCR(B)" bezeichnet wird, der ein gegossener Typ ist, aber nicht mit Epoxidharz gegossen. Er ist vollständig mit NOMEX Papier und Silikon gel gegossen, basierend auf französischer Technologie. Dieses Produkt hat eine sehr begrenzte Marktnachfrage. Alle SCR(B)-Trockentransformator haben eine H-Klasse Isolation.

2 Vorteile von Trockentransformatoren

• Sicher, brandschutzbeständig, feuerfest, explosionsfest, verschmutzungsfrei und kann direkt im Lastzentrum installiert werden;

• Wartungsfrei, mit niedrigen Gesamtbetriebskosten;

• Hervorragende Feuchtebeständigkeit—kann bei 100% relativer Feuchte normal betrieben werden und kann nach dem Abschalten ohne Vorwärmung wieder eingespeist werden;

• Geringe Verluste, geringe Teilentladung, geringes Geräusch, starke Wärmeabgabe und fähig, bei 150% der Nennlast unter gezwungener Luftkühlung zu betreiben;

• Ausgestattet mit einem umfassenden Temperaturschutz- und -steuerungssystem, das eine zuverlässige Sicherheit für den sicheren Betrieb bietet;

• Kompakte Größe, geringes Gewicht, kleiner Fußabdruck und niedrige Installationskosten.

3. Nachteile von Trockentransformatoren

• Bei gleicher Kapazität und Spannungsklasse sind Trockentransformatoren teurer als ölgetränkte Transformatoren;

• Die Spannungsklasse ist begrenzt—normalerweise bis 35 kV, wobei nur wenige Modelle 110 kV erreichen;

• Normalerweise für Innenraumanwendungen; bei Außenanwendungen ist eine Schutzhülle mit hoher Schutzklasse (IP) erforderlich;

• Für Harzgegossene Wicklungen müssen sie bei Schaden oft komplett entsorgt werden, da Reparaturen in der Regel schwierig sind.

4. Struktur von Trockentransformatoren

4.1 Wicklungen
(1) Lagenwicklung: Herstellung durch Stapeln flacher oder runder Leiter und Helical-Wicklung zu mehreren Lagen. Zwischen den Lagen werden Isoliermaterialien oder Lüftungskanäle angeordnet. Die Wicklung wird unter Vakuum in einem Formwerkzeug und speziellen Gießeinrichtungen gegossen und ausgehärtet. Prozess: Helical-Wicklung → in Formwerkzeug platzieren → Vakuum-Guss.

(2) Folienwicklung: Herstellung durch Wickeln dünn und breiter Leiter, mit einer Windung pro Lage. Die Lagenisolierung dient auch als Wicklung-zu-Wicklung-Isolation. Folienwicklungen verwenden in der Regel axiale Kühlkanäle: Bei der Wicklung werden Spacers an bestimmten Windungspositionen eingelegt und später entfernt, um axiale Luftkanäle zu bilden. Nach dem Wickeln auf einem Folienwickelmaschine muss die Spule nur erhitzt und ausgehärtet werden—kein Formwerkzeug oder Guss ist erforderlich.

Warum wird die Hochspannungswicklung auf der äußeren Schicht und die Niederspannungswicklung auf der inneren Schicht platziert?
Da die Niederspannungsseite mit einem niedrigeren Spannungsniveau arbeitet und einen kleineren Isolationsabstand benötigt, führt das Näherbringen an den Kern zur Verringerung des Abstands zwischen Wicklung und Kern, was die Gesamtgröße und -kosten des Transformators reduziert. Darüber hinaus hat die Hochspannungswicklung in der Regel Anzapfungen; durch das Platzieren auf der Außenseite wird der Betrieb bequemer und sicherer.

4.2 Kern

• Er wird durch Stapeln mehrerer Lagen von Siliziumstahl, die mit isolierender Lackierung versehen sind, konstruiert;

• Der Kern wird hauptsächlich durch Klammerrahmen und Klammerbolzen fixiert;

• Oberer und unterer Klammerrahmen drücken den Kern und die Wicklungen über Stabilisierungsbolzen oder -platten zusammen;

• Kernisolierungskomponenten umfassen Rahmenisolierung, Bolzenisolierung oder Plattenisolierung.

Warum muss der Kern geerdet sein?
Während des normalen Betriebs muss der Transformatorkern einen und nur einen zuverlässigen Erdpunkt haben. Ohne Erdung würde eine schwankende Spannung zwischen dem Kern und der Erde entstehen, was zu intermittierenden Durchschlagentladungen vom Kern zur Erde führen würde. Die Erdung des Kerns an einem Punkt eliminiert die Möglichkeit einer schwebenden Spannung. 

Wenn jedoch der Kern an zwei oder mehr Punkten geerdet wird, führen ungleiche Potentiale zwischen den Kernabschnitten zu Zirkulationsströmen zwischen den Erdpunkten, was zu Mehrfach-Erdungsschäden und lokalen Überhitzungen führt. Solche Kernerdungsschäden können zu schweren lokalen Temperatursteigerungen führen, die potenziell zu Schutz-Ausschaltungen auslösen. In Extremfällen verursachen geschmolzene Stellen auf dem Kern Kurzschlüsse zwischen den Lagen, was die Kernverluste erheblich erhöht und die Leistung und den Betrieb des Transformators stark beeinträchtigt—manchmal ist sogar der Austausch der Siliziumstahllagen für die Reparatur erforderlich. Daher dürfen Transformatoren nicht mehrere Erdpunkte haben; es ist nur ein und genau ein Erdpunkt erlaubt.

5. Temperaturkontrollsystem

Die sichere Betriebsfähigkeit und Haltbarkeit eines Trockentransformators hängt weitgehend von der Sicherheit und Zuverlässigkeit der Wicklungsisolierung ab. Wenn die Wicklungstemperatur die thermische Belastbarkeitsgrenze der Isolierung überschreitet, wird die Isolierung beschädigt—dies ist einer der Hauptgründe für Transformatordefekte. Daher ist die Überwachung der Betriebstemperatur und die Implementierung von Alarmsystemen und Ausschaltkontrollen entscheidend wichtig.

(1) Automatische Ventilatorsteuerung: Temperatursignale werden durch Pt100-Widerstandstemperaturmesser, die im heißesten Teil der Niederspannungswicklung eingebettet sind, gemessen. Mit zunehmender Last und steigender Betriebstemperatur startet das System die Kühlventilatoren automatisch, wenn die Wicklungstemperatur 110°C erreicht, und stoppt sie, wenn die Temperatur auf 90°C fällt.

(2) Hochtemperaturalarm und Überhitzungsausschaltung: Temperatursignale von den Wicklungen oder dem Kern werden durch PTC-nichtlineare Thermistoren, die in der Niederspannungswicklung eingebettet sind, gesammelt. Wenn die Wicklungstemperatur weiter ansteigt und 155°C erreicht, gibt das System ein Überhitzungsalarm-Signal aus. Wenn die Temperatur weiter auf 170°C steigt, kann der Transformator nicht mehr sicher betrieben werden, und ein Überhitzungsausschaltungssignal muss an das sekundäre Schutzkreissystem gesendet werden.

(3) Temperaturanzeigesystem: Temperaturwerte werden durch Pt100-Thermistoren, die in der Niederspannungswicklung eingebettet sind, gemessen und geben die Temperatur jeder Phasenwicklung (mit Dreiphasenüberwachung, Anzeige des maximalen Werts und Aufzeichnung des historischen Spitzenwertes) direkt an. Das System bietet einen 4–20 mA analogen Ausgang für die höchste Temperatur. Bei Bedarf einer Fernübertragung zum Computer (bis zu 1200 Meter entfernt) kann es mit einem Computerinterface und einem Sender ausgestattet werden, wodurch gleichzeitig bis zu 31 Transformatoren überwacht werden können. Das Pt100-Thermistor-Signal kann auch Überhitzungsalarme und -ausschaltungen auslösen, was die Zuverlässigkeit des Temperaturschutzsystems weiter verbessert.

6. Gehäuse von Trockentransformatoren

Je nach den Eigenschaften der Betriebsumgebung und den Schutzanforderungen können Trockentransformatoren mit verschiedenen Arten von Gehäusen ausgestattet werden. Typischerweise wird ein Gehäuse mit IP20-Schutzgrad ausgewählt, welches die Eindringung von festen Fremdkörpern größer als 12 mm Durchmesser und kleinen Tieren wie Ratten, Schlangen, Katzen und Vögeln verhindert, wodurch schwere Fehlfunktionen wie Kurzschlüsse und Stromausfälle vermieden und eine Sicherheitsbarriere für lebende Teile bereitgestellt wird.

Wenn der Transformator im Freien installiert werden muss, kann ein Gehäuse mit IP23-Schutzgrad verwendet werden. Neben dem Schutz, der durch IP20 geboten wird, schützt es auch vor Wassertropfen, die in Winkeln bis zu 60° zur Vertikalen fallen. Allerdings reduziert das IP23-Gehäuse die Kühlleistung des Transformators, sodass bei der Auswahl dieses Gehäusetyps darauf geachtet werden muss, die Betriebskapazität entsprechend herunterzustufen.

7. Kühlverfahren von Trockentransformatoren

Trockentransformatoren verwenden zwei Kühlverfahren: natürliche Luftkühlung (AN) und gezwungene Luftkühlung (AF).

Bei der natürlichen Luftkühlung kann der Transformator kontinuierlich bei seiner Nennleistung für einen längeren Zeitraum betrieben werden.

Bei der gezwungenen Luftkühlung kann die Ausgabelistung des Transformators um 50% erhöht werden, was ihn für intermittierende Überlastbetriebsbedingungen oder Notfallüberlastzustände geeignet macht. Allerdings steigen während des Überlastbetriebs die Verluste und der Impedanzwiderstand signifikant, was zu uneirtschaftlichem Betrieb führt; daher sollte ein langer kontinuierlicher Überlastbetrieb vermieden werden.

8. Prüfarten für Trockentransformator

• Messung des Diodenwiderstands der Wicklungen:
  Überprüft die Schweißqualität der inneren Leiter, den Kontaktzustand zwischen Stufenwechseln und Anschlüssen und ob die Phasenwiderstände ungleichmäßig sind. Im Allgemeinen sollte das Ungleichgewicht des Widerstands zwischen den Leitern nicht mehr als 2% und das Ungleichgewicht zwischen den Phasen nicht mehr als 4% betragen. Ein zu hohes Ungleichgewicht des Diodenwiderstands kann zu Zirkulationsströmen zwischen den drei Phasen führen, wodurch Zirkulationsstromverluste steigen und unerwünschte Effekte wie Überhitzung des Transformators auftreten.

• Überprüfung des Spannungsverhältnisses an allen Stufen:
  Verifiziert, ob die Anzahl der Wicklungen korrekt ist und ob alle Stufenverbindungen ordnungsgemäß verdrahtet sind. Wenn 1000 V auf die Hochspannungsseite (und deren verschiedenen Stufen) angelegt werden, wird überprüft, ob der Transformator etwa 400 V auf der Niederspannungsseite ausgibt.

• Überprüfung der Dreiphasenwicklungsverbindung und Polarität.

• Messung des Isolationswiderstands der kernisolierten Befestigungselemente und des Kerns selbst.

• Messung des Isolationswiderstands der Wicklungen:
  Bewertet das Isolationsniveau zwischen Hochspannungs-, Niederspannungs-Wicklungen und Erde. In der Regel wird ein Megohmmeter mit 2500 V verwendet, und die gemessenen Isolationswiderstandswerte (HV-LV, HV-Erde, LV-Erde) müssen den vorgegebenen Standardwerten überschreiten.

• Wechselspannungs-Durchgangsspannungsprüfung der Wicklungen:
  Bewertet die Hauptisolationsspannung zwischen HV, LV und Erde durch die Durchgangsspannungsprüfung. Diese Prüfung ist entscheidend, um lokale Fehlstellen zu entdecken, die während der Herstellung eingeführt wurden. Für Trockentransformator sind die typischen Prüfspannungen: 35 kV für die 10 kV-Wicklung und 3 kV für die 0,4 kV-Wicklung, jeweils 1 Minute ohne Durchschlag angewendet, um als akzeptabel zu gelten.

• Schalt- und Verriegelungstests für Sicherungen auf allen Seiten des Transformators:
  Überprüft die Zuverlässigkeit der Schutzrelaisoperationen und bestätigt, dass die Schalteinrichtungen intakt und fehlerfrei sind.

9. Impuls-Schaltspannungs-Test

(1) Beim Abschalten eines unbelasteten Transformators kann eine Schaltspannung auftreten. In Stromsystemen mit einer ungebundenen Neutralleitung oder einer Neutralleitung, die über einen Bogenlöschdrossel gebunden ist, kann die Spannungshöhe 4–4,5-mal die Phasenspannung erreichen; in Systemen mit direkt gebundener Neutralleitung kann sie bis zu 3-mal die Phasenspannung erreichen. Um zu überprüfen, ob die Isolation des Transformators die volle Spannung oder die Schaltspannung aushalten kann, ist ein Impulstest erforderlich.

(2) Das Energieversorgen eines unbelasteten Transformators erzeugt einen Magnetisierungsvorschubstrom, der 6–8-mal den Nennstrom erreichen kann. Der Vorschubstrom fällt zunächst schnell ab – in der Regel auf 0,25–0,5-mal den Nennstrom innerhalb von 0,5–1 Sekunde –, aber der vollständige Abfall kann viel länger dauern, bei großen Kapazitäten sogar bis zu zehn Sekunden. Aufgrund der großen elektromagnetischen Kräfte, die durch den Vorschubstrom erzeugt werden, wird der Impulstest durchgeführt, um die mechanische Festigkeit des Transformators zu beurteilen und zu prüfen, ob die Schutzrelais während der frühen Abfallphase des Vorschubstroms fehlschlagen könnten.
Allgemein werden neu installierte Transformatoren 5 Impulstests unterzogen, während überholte Transformatoren 3 Impulstests erhalten.

10. Leerlauf-Test

Das Ziel des Leerlauftests ist:

• Die Messung des Leerlaufverlustes und des Leerlaufstromes des Transformators;

• Die Überprüfung, ob die Konstruktion und Herstellung des Kerns den technischen Spezifikationen und Standards entsprechen;

• Die Detektion von Kernfehlern wie lokalem Überhitzen oder schlechter lokaler Isolation.

Während des Tests wird die Hochspannungsseite kurzgeschlossen, und die Nennspannung wird auf die Niederspannungsseite angelegt. Der Leerlaufverlust besteht hauptsächlich aus Kern- (Eisen-) Verlusten.

Mittels des Leerlauftests detektierbare Fehler sind:

• Schlechte Isolation zwischen Siliziumstahl-Laminaten;

• Lokale Kurzschlüsse oder Verbrennungen zwischen den Kernlaminaten;

• Isolationsausfälle in Kern-Durchgangsbolzen, Stahlfesselbändern, Klemmblechen, oberen Jochen usw., die Kurzschlüsse verursachen;

• Locker, fehlpositionierte Siliziumstahlblätter oder zu große Luftlücken im magnetischen Kreis;

• Mehrfach-Bindung des Kerns;

• Zwischenwindungs- oder Zwischenschichtkurzschlüsse in den Wicklungen oder ungleiche Windungen in parallelen Zweigen, die zu einem Ampere-Umlaufungleichgewicht führen;

• Verwendung von hochverlustbehafteten, minderwertigen Siliziumstahlblättern oder Fehler in den Designberechnungen.

11. Kurzschlußtest

Der Kurzschlussversuch misst hauptsächlich die Kurzschlussverluste und den Widerstand. Er wird bei der Inbetriebnahme durchgeführt, um die Richtigkeit der Wicklungsstruktur zu überprüfen, und nach einem Wicklungsaustausch, um erhebliche Abweichungen von früheren Prüfergebnissen festzustellen.

Die Versorgungsspannung für den Test kann dreiphasig oder einphasig sein und wird auf der Hochspannungsseite angelegt, während die Niederspannungsseite kurzgeschlossen ist. Während des Tests wird der Strom auf der Hochspannungsseite auf seinen Nennwert erhöht, und der Strom auf der Niederspannungsseite wird so gesteuert, dass er am Nennstrom bleibt.

12. Behandlung von Störungen an Trockentransformatoren

12.1 Unnormale Geräusche des Transformators

• Mechanische Geräusche verursacht durch:

• Locker sitzende Bolzen zur Befestigung des Kerns;

• Verformung der Kernencken aufgrund unsachgemäßer Handhabung während des Transports oder der Montage;

• Fremdkörper, die Teile des Kerns verbinden;

• Locker sitzende Schrauben zum Befestigen des Lüfters oder Fremdkörper im Lüfter;

• Locker sitzende Schrauben zur Befestigung des Gehäuses, die zu Vibrationen und Geräuschen führen;

• Locker sitzende Befestigungsschrauben der Niederspannungsleiter oder Fehlen flexibler Verbindungen, was zu Vibrationen und Geräuschen führt.

• Zu hohe Eingangsspannung, die zu Übererregung und lauterem Summen führt.

• Geräusche durch höhere Harmonische: unregelmäßig in Muster—variierend in Lautstärke und zeitweise vorhanden. Hauptsächlich durch harmonische erzeugende Geräte (z.B. Elektroöfen, Thyristor-Gleichrichter) auf der Versorgungs- oder Lastseite, die Harmonische zurück in den Transformator einspeisen.

• Umweltfaktoren: kleiner Transformerraum mit glatten Wänden, der einen resonanten "Lautsprecherkasten"-Effekt erzeugt und das wahrgenommene Geräusch verstärkt.

12.2 Unnormale Temperaturanzeige

• Sensor nicht in die Buchse auf der Rückseite der Temperaturanzeigeeinheit eingesteckt—Fehlerindikator leuchtet;

• Lockerer Kontakt an der Sensorbuchse erhöht den Widerstand und führt zu falsch hoch liegenden Temperaturanzeigen;

• Unendliche Temperaturanzeige bei einer Phase weist auf einen offenen Schaltkreis im Platinwiderstand des Sensors hin;

• Unnormale hohe Anzeige bei einer Phase deutet darauf hin, dass der Platinwiderstand in einem teilweise defekten (intermittierenden) Zustand ist.

Ein Transformator arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Die Hauptkomponenten eines Transformators sind die Wicklungen und der Kern. Während des Betriebs dienen die Wicklungen als Pfad für den elektrischen Strom, während der Kern als Pfad für den magnetischen Fluss dient. Wenn elektrische Energie in die Primärwicklung eingespeist wird, erzeugt der Wechselstrom einen wechselnden Magnetfeld im Kern (d.h., elektrische Energie wird in magnetisches Feldenergie umgewandelt). Aufgrund der magnetischen Verknüpfung (Flussverknüpfung) ändert sich der durch die Sekundärwicklung hindurchgehende magnetische Fluss ständig, wodurch eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Sekundärwicklung induziert wird. Wenn ein externer Schaltkreis angeschlossen ist, wird die elektrische Energie an die Last geliefert (d.h., die magnetische Feldenergie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt). Dieser "Elektrizität–Magnetismus–Elektrizität"-Wandlungsprozess wird auf der Grundlage des Prinzips der elektromagnetischen Induktion realisiert, und dieser Energiewandlungsprozess bildet das Arbeitsprinzip eines Transformators.