Leistungstransformatoren

Aus welchen Komponenten bestehen Leistungstransformatoren?

Kernkomponenten
Der Kern eines Transformators trägt die Wicklungen und sorgt für einen Pfad mit geringer Reluktanz für den magnetischen Fluss. Der Aufbau erfolgt durch Stapeln und Laminieren dünner Stahlbleche, die durch eine Beschichtung voneinander isoliert sind. Um Wirbelstrom- und Hystereseverluste zu minimieren, sind diese Bleche typischerweise weniger als einen Millimeter dick und haben einen Kohlenstoffgehalt unter 0,1 %. Wirbelströme werden durch die Legierung des Stahls mit Silizium weiter reduziert. Die vertikalen Abschnitte des Kerns, die die Wicklungen tragen, werden als Gliedmaßen bezeichnet, während die horizontalen Abschnitte, die die Gliedmaßen verbinden, als Joche bezeichnet werden.

Wicklungen in Leistungstransformatoren
Die Wicklungen eines Transformators bestehen aus Kupfer- oder Aluminiumspulen mit einer bestimmten Windungszahl. Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Duktilität wird im Allgemeinen Kupfer bevorzugt, wodurch die Menge des benötigten Wickelmaterials reduziert und das Umwickeln des Kerns erleichtert wird.

Isoliermaterialien
Isoliermaterialien sind für die Isolierung der Wicklungen vom Kern, zwischen der Primär- und Sekundärwicklung und zwischen den einzelnen Wicklungswindungen unerlässlich. Diese Materialien schützen den Transformator vor möglichen Schäden. Ideale Transformatorisolatoren sollten eine hohe Spannungsfestigkeit, hervorragende mechanische Eigenschaften und die Fähigkeit haben, hohen Temperaturen standzuhalten.

Isoliermaterialien
Isoliermaterialien sind für die Isolierung der Wicklungen vom Kern, zwischen der Primär- und Sekundärwicklung und zwischen den einzelnen Wicklungswindungen unerlässlich. Diese Materialien schützen den Transformator vor möglichen Schäden. Ideale Transformatorisolatoren sollten eine hohe Spannungsfestigkeit, hervorragende mechanische Eigenschaften und die Fähigkeit haben, hohen Temperaturen standzuhalten.

Tippen Sie auf Wechsler
Stufenschalter sind Geräte, mit denen die Ausgangsspannung eines Transformators durch Anpassen der Anzahl der Windungen in einer Wicklung reguliert wird. Diese Anpassung ändert das Windungsverhältnis als Reaktion auf variierende Eingangsspannungen und Lastbedingungen. Wenn der Transformator entlastet ist, steigt die Ausgangsspannung, während sie unter Lastbedingungen abnimmt. Stufenschalter werden normalerweise an die Hochspannungswicklung (HV) angeschlossen, um feine Spannungseinstellungen zu ermöglichen und Kernverluste zu reduzieren. Da außerdem der Strom in der Hochspannungswicklung geringer ist, trägt diese Konfiguration dazu bei, das Risiko einer Funkenbildung und Entzündung des Transformatoröls zu minimieren.

Buchsen in Transformatoren
Durchführungen sind isolierende Bauteile, die die Verbindung zwischen den stromführenden Leitern eines Stromnetzes und den Enden der Transformatorwicklungen ermöglichen. Typischerweise besteht die Durchführungsisolierung aus Porzellan oder Epoxidharz. Diese Durchführungen werden an der Außenseite des Haupttransformatorkessels montiert.

Transformatortank
Der Transformatorkessel (oder Hauptkessel) beherbergt und schützt den Kern, die Wicklungen und andere Komponenten vor der äußeren Umgebung. Es dient als Behälter für das Transformatorenöl. Es besteht aus gewalzten Stahlplatten oder Aluminiumblechen.

Konservatorkomponente
Der Ausdehnungsbehälter ist ein Tank, der über dem Haupttank und den Durchführungen positioniert ist und als Reservoir für Transformatoröl dient. Es versorgt den Haupttank im Transformator über eine Rohrleitung mit Öl. Das Ausdehnungsgefäß verfügt über eine flexible Blase, die die Ausdehnung und Kontraktion des Öls aufnimmt und ausreichend Platz für die Ölausdehnung bei hohen Umgebungstemperaturen bietet. Es wird in die Atmosphäre entlüftet, um Druckänderungen zu bewältigen, sodass Luft ein- oder austreten kann, wenn sich das Öl ausdehnt und zusammenzieht.

Entlüftungskomponente
Der Entlüfter sorgt dafür, dass dem Ausdehnungsgefäß feuchtigkeitsfreie Luft zugeführt wird, indem Luft durch ein Kieselgelbett in einem zylindrischen Behälter geleitet wird. Das Kieselgel dient als Luftfilter und kontrolliert und reduziert den Feuchtigkeitsgehalt sowohl im Ausdehnungsgefäß als auch im Haupttank. Der Entlüfter ist über eine Rohrleitung mit dem Ausdehnungsgefäß verbunden.

Kühlsystem
Das Kühlsystem ist ein wesentlicher Bestandteil von Transformatoren, unabhängig von der Art des verwendeten Isoliermaterials. Leistungsverluste in Transformatoren erzeugen Wärme, die die Temperatur der Wicklungen und des Kerns erhöht. Dadurch steigt auch die Temperatur des Isoliermaterials. Ohne ein wirksames Kühlsystem könnten diese Komponenten durch anhaltend hohe Temperaturen beschädigt werden oder zerfallen. Transformatorkühlsysteme umfassen typischerweise Lüfter, Kühler und Kühlrohre. Die Wärmeübertragung erfolgt durch natürliche und/oder erzwungene Konvektion und Strahlung.

Explosionsentlüftung
Der Explosionsabzug ist ein Metallrohr mit einer Membran am offenen Ende, das sich direkt über dem Ausdehnungsgefäß befindet. Es dient dazu, bei internen Fehlern Gase, Transformatoröl und überschüssige Energie freizusetzen, wodurch gefährliche Druckniveaus im Transformator abgebaut und Explosionen verhindert werden. Wenn interne Fehler dazu führen, dass der Druck auf kritische Werte ansteigt, ermöglicht die Entlüftung, dass dieser Druck in die Atmosphäre abgelassen wird, wodurch die Membran bei einem relativ niedrigen Druck platzt, um den Transformator zu schützen.

Buchholz-Staffel
Das Buchholz-Relais wird in die Rohrleitung eingebaut, die das Ausdehnungsgefäß und den Hauptkessel eines Transformators verbindet. Es erkennt Fehler, indem es die bei solchen Fehlern austretenden Gase erfasst und sowohl die Auslöse- als auch die Alarmschaltung aktiviert. Wenn das Relais diese Gase erkennt, löst es den Auslösekreis aus, der wiederum dazu führt, dass der Leistungsschalter den Stromfluss zur Primärwicklung unterbricht. Die emittierten Gase entstehen durch die Wärme, die durch interne Fehler entsteht.

Arten von Leistungstransformatoren