Geschichte - Antriebstechnik Fh Stralsund De

8.1 Transformator: Aufbau
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Geschichte
1856 baute der Engländer S. Varley den ersten Transformator mit
eisengeschlossenem Kreis.
1888 veröffentlichte Gisbert Kapp grundlegende Arbeiten über die
Theorie des Transformators
1889-1891 erfand Michael v. Dolivo-Dobrowolski den Drehstromtransformator und die noch heute gültige Dreischenkelbauform
Die räumliche Trennung von Energieerzeugung und Ernergieverbrauch erfordert einen Energietransport mit höheren Spannungen
und entsprechend kleineren Strömen, als sie in Kraftwerken und
beim Verbraucher möglich sind ⇒ Transformator in Energieversorgungsnetzen.
Bild 8.1-1: Transformatoren im Übertragungsweg elektrischer Energie
Fernübertragungen in Westeuropa: 230kV oder 400kV, in Kanada
oder Russland bis 750kV
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Der Leistungsbereich erstreckt sich von einigen Watt bis zu
1500MVA in einer Einheit bei Grenzleistungstransformatoren.
Verteiler- und Netztransformatoren (100kVA bis 2000kVA) für die
Endversorgung im 230V/400V-Netz
Maschinentransformatoren (bis 1500MVA) zwischen Turbogenerator und 230kV/400kV-Netz
Wandertransformatoren (bis ca. 400MVA) im "Bahnprofil" zum
Transport im betriebsbereiten Zustand
Drehstrombank: Zusammenschalten von drei Einphasentransformatoren (bis z. B. 333MVA) zu einem Drehstromtransformator
Kernaufbau
Der Eisenquerschnitt für den magnetischen Kreis wird mit kornorientierten Blechen (s. Kapitel 1) von 0,23mm bis 0,35mm Dicke
ausgeführt. Die Isolierung der Bleche erfolgt über eine SilikatPhosphatschicht.
Die optimale Form des Kernquerschnitts ist der Kreis, der durch 5
bis 15-fache Stufung der Blechbreiten angenähert wird.
Bild 8.1-2: Anpassung des Kernquerschnitts an die Kreisform.
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Die Abweichung vom idealen Kreisquerschnitt wird durch den
geometrischen Ausnutzungsfaktor ka ausgedrückt:
π
ka kSt ,
4
kSt : Stapelfaktor, Eisenfüllfaktor.
AFe = D 2
(8.1-1)
Mit zwei Blechbreiten (Bild 8.1-2a) erreicht man ka = 0,787 ; mit drei
Blechbreiten (Bild 8.1-2b) 0,851 und mit fünf Blechbreiten (Bild 8.12c) 0,908.
Mit Rücksicht auf das Geräusch und den optimalen magnetischen
Kreis werden die Blechstreifen verzapft zusammengesetzt. Bei kornorientierten Blechen ist zudem ein Schrägschnitt vorzusehen (Bild
8.1-3).
Bild 8.1-3: Verzapfte Schichtung eines Dreischenkelkerns mit kornorientierten Blechen
Die Blechpakete werden durch z.B. Glasfaserbandagen gepresst
und zusätzlich an den Jochen durch zusätzliche Presskonstruktionen verstärkt.
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Bild 8.1-4: Bolzenloser Dreischenkel-Eisenkern eines Drehstromtransformators für 24MVA (Trafo-Union, Nürnberg)
Bild 8.1-5: Aufbau von Einphasentransformatoren in Kern- und
Mantelausführung
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In einem symmetrischen Drehstromsystem ergänzen sich die Flüsse der einzelnen Stränge zu Null ⇒ Tempeltyp des Drehstromtransformators.
Bild 8.1-6: Aufbau eines symmetrischen Drehstrom-Kerntransformators (Tempeltyp)
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Häufigste Bauform:
Bild 8.1-7: Unsymmetrischer Dreischenkelkern eines DrehstromTransformators
Bei sehr großen Einheiten wird zur Symmetrierung der Flüsse und
zur Reduzierung der Jochhöhe die Fünfschenkelbauweise bevorzugt. (Jochquerschnitt ca. 60% des Schenkelquerschnitts)
Bild 8.1-8: Symmetrischer Fünfschenkelkern eines Drehstromtransformators
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Wicklungen
Der Wicklungsaufbau kann in Form von Zylindern oder Scheiben
erfolgen.
Die Zylinderwicklung (Bild 8.1-9) besteht aus ein- oder mehrlagigen Röhren, wobei aus isolationstechnischen Gründen die Unterspannungsseite (US-Wicklung) immer dem Kern zugewandt ist.
Bei der Scheibenwicklung (Bild 8.1-10) werden Unter- und Oberspannungsseite unterteilt und abwechselnd übereinandergeschichtet. Der Wicklungsaufbau beginnt und endet mit einer Halbspule der US-Wicklung
Bild 8.1-9: Zylinderwicklung 1: USWicklung, 2: OS-Wicklung
Bild 8.1-10: Scheibenwicklung 1: US, 2:OS
Als Leiterisolation wird in Öltransformatoren meist eine Papierumbandelung gewählt, bei kleinen Einheiten Lackdraht. Zwischenisolationen, Abstützungen und Distanzierungen erfolgt durch Pressspan, Hartpapier und Holz.
Hohe Spannungen auf möglichst kleinem Raum und die Möglichkeit
von Netzüberspannungen (Gewitter) stellen höchste Anforderungen
an die Isolation!
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Schutzeinrichtungen
Bei jedem Leistungstransformator wird eine ständige Temperaturüberwachung mit Hilfe von Kontakt- oder Widerstandsthermometern durchgeführt. Bimetalschalter lösen bei bestimmten Temperaturen Warnsignale aus oder schalten Zusatzkühlungen ein.
Öltransformatoren besitzen zur Überwachung der Wicklungsisolation sogenannte Buchholz-Schutzrelais (Bild 8.1-11), welche das
Entstehen von Ölgas bei Spannungsdurchschlägen detektieren.
Bild 8.1-11: Buchholz-Schutzrelais und Ölausdehnungsgefäß
Transformatoren ohne Öl können mit sogenannten Differentialschutzeinrichtungen (Bild 8.1-12) überwacht werden.
Bild 8.1-12: Prinzipdarstellung eine Differential-Schutzeinrichtung dargestellt für
einen der drei Leiter auf Primär- und Sekundärseite
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Ausführungsformen:
Bild 8.1-13: Gesamtansicht und aktiver Teil eines 200MVA Netztransformators der AEG TRO. OS: 220kV, US:110kV/10kV
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Bild 8.1-14: Verteilungstransformator in Gießharzausführung
Bild 8.1-15: Verteilungstransformator, 630kVA
mit Wellblechkessel
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