12 Hauptklassen des Leistungstransformators

Dance4Victory- Die Garde- und Schautanzabteilung des TuS Dollendorf 1913 e.V. (March 2019).

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Transformer-Klassen

Transformatoren werden für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, mit der vollständigen Palette von Spannungs- und Leistungswerten sowie vielen speziellen Merkmalen für bestimmte Anwendungen.

SIEMENS - Blick auf die Hauptproduktionshalle des Nürnberger Transformatorenwerks.

Folgendes umfasst die Haupttypen:

1. Transformatoren für die Elektronik

Transformatoren für elektronische Schaltungen oder für Niederspannungsstromversorgungen werden verwendet, um die Versorgungsspannung an die Betriebsspannung von Komponenten oder Zubehör anzupassen oder um die Impedanz einer Last an eine Versorgung anzupassen, um den Leistungsdurchsatz zu maximieren. Sie können verwendet werden, um Impedanzen in primären und sekundären Schaltungen anzupassen.

Der Kern wird üblicherweise in Kleinleistungstransformatoren aus C- und I-Blechen oder aus E- und I-Blechen aufgebaut . Die Wicklungen sind gewöhnlich aus rundemailliertem Draht, und die Anordnung kann zur mechanischen Verfestigung und zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit in Harz lackiert oder eingekapselt sein.

Steigende Anzahlen dieser Art arbeiten bei hohen Frequenzen im Kilohertz-Bereich und verwenden Laminierungen von Spezialstahl, der oft Kobalt enthält, um die Eisenverluste zu verringern

2. Kleine Transformatoren

Diese werden für stationäre, tragbare oder tragbare Netzteile, als Trenntransformatoren und für spezielle Anwendungen wie Brennerzündung, Rasierapparate, Duschstrahler, Glocken und Spielzeuge verwendet. Sie können zur Versorgung von Drehstrom bis 40 kVA bei Frequenzen bis 1 MHz verwendet werden.

Diese Transformatoren sind normalerweise luftisoliert, wobei die kleineren Einheiten emaillierte Wicklungsdrähte und Ringkerne und die größeren Einheiten C- und I- oder E- und I-laminierte Adern verwenden.

Sicherheit ist ein Hauptanliegen dieser Transformatoren und sie sind als Klasse I, Klasse II oder Klasse III gekennzeichnet. Geräte der Klasse I sind isoliert und durch eine Erdungsklemme geschützt. Transformatoren der Klasse II sind doppelt isoliert oder verstärkt isoliert. Transformatoren der Klasse III haben Ausgänge mit Sicherheitskleinspannungen (SELV) unter 50 V AC oder 120 V DC.

3. Verteilungstransformatoren

Diese dienen zur Verteilung von Strom an Wohn- oder Industriegebäude. Sie können einphasig oder dreiphasig, am Mast oder am Boden montiert sein und eine Nennleistung von 16 kVA bis 2500 kVA haben.

Die Wicklungen und der Kern sind in Mineralöl eingetaucht, mit natürlicher Kühlung, und es gibt zwei Wicklungen pro Phase. Die Primärwicklung (Hochspannung) hat eine Höchstspannung von 3, 6 kV bis 36 kV; die Sekundärwicklungsspannung (Niederspannung) übersteigt 1, 1 kV nicht. Die Hochspannungswicklung ist üblicherweise mit Abschaltabgriffen von ± 2, 5% oder + 2 × 2, 5%, - 3 × 2, 5% versehen.

Die bevorzugten Werte der Nennleistung sind 16, 25, 50, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600 und 2500 kVA, und die bevorzugten Werte der Kurzschlussimpedanz sind 4 oder 6%.

Verluste werden aus Listen z. B. aus BS 7281-1 oder durch Verwendung einer Verlustkapitalisierungsformel zugewiesen.

Der Kern und die Wicklungen eines typischen Verteilungstransformators mit einer Nennleistung von 800 kVA, 11 000/440, sind in Abb. 1 dargestellt .

Abbildung 1 - Kern und Wicklung eines Verteilers mit 800 kVA, 11 000/440 V

4. Versorgungstransformatoren

Diese dienen zur Versorgung größerer Industrieanlagen oder Verteilerstationen. Nennweiten reichen von 4 MVA bis 30 MVA, mit Primärwicklungen bis 66 kV und Sekundärwicklungen bis 36 kV.

Transformatoren in dieser Klasse sind fluidgekühlt. Die meisten Versorgungstransformatoren verwenden Mineralöl; aber für Anwendungen in Wohngebäuden, Bohrinseln und einigen Fabriken kann das Kühlmittel synthetische Ester, Silikonflüssigkeit oder eine andere Flüssigkeit mit einem höheren Brennpunkt als Mineralöl sein.

5. Übertragung (oder intertie) Transformatoren

Diese gehören zu den größten und höchsten Spannungswandlern im Einsatz. Sie dienen zur Übertragung von Energie zwischen Hochspannungsnetzen. Die Nennwerte reichen von 60 MVA bis 1000 MVA, und die Wicklungen sind für die Netze ausgelegt, die sie verbinden, wie z. B. 33, 66, 132, 275 und 400 kV im Vereinigten Königreich oder Spannungen bis 500 kV oder 800 kV in anderen Ländern .

Die Impedanz eines Übertragungstransformators beträgt in Großbritannien üblicherweise 18 Prozent oder in Kontinentaleuropa 8 Prozent, für einige Systembedingungen wird jedoch eine Impedanz von bis zu 30 Prozent verwendet.

Abbildung 2 - Kern und Wicklungen eines 1000 MVA, 400/275 kV Übertragungstransformators

Übertragungstransformatoren sind mit Öl gefüllt und sind üblicherweise mit Ölpumpen und Kühlerlüftern ausgestattet, um die Kühlung der Wicklungen und Kerne zu unterstützen. Sie sind in der Regel mit Laststufenschaltern ausgestattet, einige Netze mit 400 kV und 275 kV sind jedoch über Transformatoren ohne Wicklungsregelung miteinander verbunden.

Der Kern und die Wicklungen eines dreibeinigen Übertragungstransformators mit Nennwerten von 1000 MVA und 400 kV / 275 kV / 11 kV sind in Abb. 2 dargestellt .

6. Generator (oder Step-up) Transformatoren

Strom wird normalerweise in großen Kraftwerken mit typischerweise 18-20 kV erzeugt, und Generatortransformatoren werden verwendet, um diese Spannung auf den Systemspannungspegel zu erhöhen. Diese Transformer werden üblicherweise mit 400, 500, 630, 800 oder 1000 MVA bewertet.

Generatortransformatoren sind in der Regel mit Regelwicklungen und Laststufenschaltern ausgestattet.

7. Phasenverschiebungstransformatoren

Wenn Energie entlang von zwei oder mehr parallelen Übertragungsleitungen übertragen wird, teilt sich der Leistungsfluss zwischen den Leitungen im umgekehrten Verhältnis zu den Leitungsimpedanzen. Eine höhere Leistung wird daher über die Leitung mit der niedrigsten Impedanz übertragen, und dies kann zu einer Überlastung dieser Leitung führen, wenn die parallele Leitung nur teilweise geladen ist.

Phasenverschiebungstransformatoren werden verwendet , um zwei parallele Leitungen zu verbinden und den Leistungsfluss zu steuern, indem eine Spannung, die um 90 ° phasenverschoben (in Quadratur) mit der Systemspannung ist, in eine Leitung mit entweder voreilendem oder nacheilendem Leistungsfaktor eingegeben wird. Wo der Transformator den Phasenwinkel, aber nicht die Spannung steuert, ist die Einheit als Quadraturverstärker bekannt. Wenn die Spannung ebenfalls gesteuert wird, ist die Einheit als phasenschiebender Transformator bekannt.

Abbildung 3 zeigt einen 2000 MVA, 400 kV Quadratur-Booster-Transformator vor Ort; Die Einheit ist auf zwei Tanks aufgeteilt, um die Konstruktionsbegrenzungen hinsichtlich Größe und Gewicht zu erfüllen.

Abbildung 3 - 2000 MVA 400 kV Quadratur-Booster-Transformator in zwei Tanks vor Ort

8. Wandlertransformatoren

Wenn Energie durch ein HGÜ-System übertragen wird, wird eine Konverterstation verwendet, um die Wechselstromenergie durch mehrere Gleichrichterbrücken in Gleichstrom umzuwandeln. Die Gleichstromleistung wird unter Verwendung von Wechselrichterbrücken wieder in Wechselstrom umgewandelt. Stromrichtertransformatoren verarbeiten Wechselstrom und Strom bei gemischten AC / DC-Spannungen, indem sie den Leistungsfluss durch 12 Phasen von Gleichrichter- / Wechselrichterbrücken durch Gleichstromventilwicklungen kombinieren.

Die Isolationsstruktur muss allen normalen und abnormalen Bedingungen standhalten, wenn die Wechselspannung über den Betriebstemperaturbereich mit einer Gleichspannung unterschiedlicher Polarität gemischt wird.

Das Vorhandensein von Gleichströmen kann auch eine Gleichstromsättigung des Kerns verursachen, was zu abnormalen Magnetisierungsströmen und Schallschwingungen führt.

Abbildung 4 - Schematische Darstellung des AC / DC-Übertragungssystems

Eine Phase einer Dreiphasen-Wandlertransformatorbank umfasst typischerweise eine Hochspannungs-Primärwicklung und zwei Sekundär-AC / DC-Ventilwicklungen. Drei solcher Transformatoren bilden zusammen die zwei sekundären Dreiphasensysteme; einer ist im Delta und der andere im Stern verbunden. Jedes sekundäre System speist eine sechspulsige Brücke, und die zwei Brücken sind in Reihe geschaltet, um eine 12-Puls-Anordnung zu bilden, wie schematisch in 4 gezeigt

Zwei solche Transformatorbänke werden verwendet, wobei die Sekundärkreise in entgegengesetzter Polarität verbunden sind, um ein ± 215 kV Gleichstromübertragungssystem zu bilden.

9. Eisenbahntransformatoren

Transformatoren für Bahnanwendungen können streckenseitige Einheiten sein, um die Strecke mit Strom zu versorgen, oder an Bord befindliche Transformatoren in der Lokomotive oder unter den Wagen, um die Antriebsmotoren anzutreiben.

Die streckenseitigen Transformatoren sind in Abhängigkeit von der Position des Zuges im Eisenbahnsystem einer ungleichmäßigen Belastung ausgesetzt. On-Board-Transformatoren sind für ein möglichst geringes Gewicht ausgelegt, was zu einer hohen Verlustleistung führt. Moderne Zugbeeinflussungssysteme, die Thyristoren, GTOs oder IGBTs verwenden, setzen die Transformatoren starken harmonischen Strömen aus, die eine spezielle Designbetrachtung erfordern.

10. Gleichrichter und Ofentransformatoren

Für Transformatoren in industriellen Anwendungen mit Lichtbogenöfen oder Starkstrom-Gleichstromlasten in elektrochemischen Anlagen sind besondere Überlegungen erforderlich.

Die Primärwicklungen werden in solchen Fällen im Vereinigten Königreich normalerweise mit 33 kV oder 132 kV bewertet, aber die Sekundärwicklungen führen viele tausend Ampere und haben eine Nennspannung von weniger als 1 kV .

Die Stromaufteilung zwischen parallelen Pfaden im Transformator wird wegen der durch die hohen Ströme erzeugten Magnetfelder wichtig. Diese starken Magnetfelder können eine übermäßige Erwärmung in magnetischen Stählen verursachen, wenn diese in der Struktur des Transformators aufgrund des Flusses von Näherungsströmen in dem Stahl verwendet werden. Um diese übermäßige Erwärmung zu reduzieren, wird oft nichtmagnetischer Stahl verwendet, um einen Teil des Tanks oder der Abdeckung zu bilden.

Die OLTCs in Ofentransformatoren unterliegen einer hohen Beanspruchung; Sie können Hunderttausende von Betriebszyklen pro Jahr ausführen, was für viele Transformatoren mehr als eine Lebenszeitaufgabe ist.

11. Trockentransformatoren

Eine Trockenbauweise ist möglich, wenn eine höhere Temperaturklasse der Isolierung erforderlich ist, als sie von Zellulose und Klasse-O- oder Klasse-K-Flüssigkeiten angeboten wird.

Trockentransformer verwenden eine nicht-zellulosische Feststoffisolierung, und die Wicklungen können mit Lack getaucht sein, um eine Klasse-C-Fähigkeit bereitzustellen, oder in Epoxidharz eingekapseltes Vakuum, um ein Klasse-F- oder Klasse-H-System zu bilden. Die Nennwerte betragen in der Regel bis zu 30 MVA bei Spannungen bis zu 36 kV, aber Gießharztransformatoren wurden kürzlich erfolgreich bei 110 kV unter Verwendung eines neuartigen Wicklungsdesigns hergestellt. Die Überlastungsleistung ist begrenzt, kann jedoch durch den Einsatz von Kühlventilatoren erhöht werden.

Dieser Typ ist teurer als ein flüssigkeitsgefülltes Äquivalent, und wegen des verringerten Brandrisikos werden sie in speziellen Anwendungen verwendet, in denen die Öffentlichkeit beteiligt ist, wie unterirdische Tunnel, Wohnblocks oder Bohrinseln.

Abbildung 5 - Trockener 2500 kVA, 11 000/440 V Transformator mit Gießharzverkapselung

Ein typischer Gießharztransformator mit 2500 kVA, 11 000/440 V ist in Abbildung 5 dargestellt.

12. Gasgefüllte Transformatoren

Für Anwendungen, bei denen eine geringe Entflammbarkeit ausschlaggebend ist, wurden Konzepte entwickelt, bei denen der Transformator mit SF6-Gas isoliert und gekühlt wird. Dies stellt eine Alternative zur Trockenbauweise dar, bei der das Risiko eines Brandes beseitigt werden muss und eine mögliche Kontamination der Umwelt durch Ölverlust vermieden werden muss.

Hochspannungs-SF6-Transformatoren sind mit Nennleistungen von bis zu 300 MVA bei 275 kV erhältlich, und Prototypenkonstruktionen wurden bis zu 500 kV getestet. Gasgefüllte Transformatoren und Reaktoren sind teurer als mit Öl gefüllte Einheiten, aber die Kosten können gerechtfertigt sein, um ein Brandrisiko zu beseitigen, insbesondere an einem Standort, an dem die Kosten für Land hoch sind und der gesamte Fußabdruck der Einheit besteht kann durch den Verzicht auf Feuerlöschausrüstung reduziert werden.

Quelle: Newnes Electric Power Engineer Handbuch - DF Warne

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