8.1 Transformator: Aufbau Seite 1 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
8.1 Transformator: Aufbau Seite 2 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 Silikat- Phosphatschicht. 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.
8.1 Transformator: Aufbau Seite 3 Die Abweichung vom idealen Kreisquerschnitt wird durch den geometrischen Ausnutzungsfaktor k a ausgedrückt: π AFe = D 2 kakst, (8.1-1) 4 k St : Stapelfaktor, Eisenfüllfaktor. Mit zwei Blechbreiten (Bild 8.1-2a) erreicht man k a = 0, 787 ; mit drei Blechbreiten (Bild 8.1-2b) 0,851 und mit fünf Blechbreiten (Bild 8.1-2c) 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.
8.1 Transformator: Aufbau Seite 4 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
8.1 Transformator: Aufbau Seite 5 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)
8.1 Transformator: Aufbau Seite 6 Häufigste Bauform: Bild 8.1-7: Unsymmetrischer Dreischenkelkern eines Drehstrom- Transformators 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
8.1 Transformator: Aufbau Seite 7 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: US- Wicklung, 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!
8.1 Transformator: Aufbau Seite 8 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
8.1 Transformator: Aufbau Seite 9 Ausführungsformen: Bild 8.1-13: Gesamtansicht und aktiver Teil eines 200MVA Netztransformators der AEG TRO. OS: 220kV, US:110kV/10kV
8.1 Transformator: Aufbau Seite 10 Bild 8.1-14: Verteilungstransformator in Gießharzausführung Bild 8.1-15: Verteilungstransformator, 630kVA mit Wellblechkessel