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8.1 Transformator: Aufbau Seite 1

Fachhochschule Düsseldorf FB Elektrotechnik Prof. Dr. R. Gottkehaskamp8.1 Tr Aufbau.doc,13.04.99 14:55

Geschichte

1856 baute der Engländer S. Varley den ersten Transformator miteisengeschlossenem Kreis.

1888 veröffentlichte Gisbert Kapp grundlegende Arbeiten über dieTheorie des Transformators

1889-1891 erfand Michael v. Dolivo-Dobrowolski den Drehstrom-transformator und die noch heute gültige Dreischenkelbauform

Die räumliche Trennung von Energieerzeugung und Ernergiever-brauch erfordert einen Energietransport mit höheren Spannungenund entsprechend kleineren Strömen, als sie in Kraftwerken undbeim Verbraucher möglich sind ⇒ Transformator in Energieversor-gungsnetzen.

Bild 8.1-1: Transformatoren im Übertragungsweg elektrischer Ener-gie

Fernübertragungen in Westeuropa: 230kV oder 400kV, in Kanadaoder Russland bis 750kV



Der Leistungsbereich erstreckt sich von einigen Watt bis zu1500MVA in einer Einheit bei Grenzleistungstransformatoren.

Verteiler- und Netztransformatoren (100kVA bis 2000kVA) für dieEndversorgung im 230V/400V-Netz

Maschinentransformatoren (bis 1500MVA) zwischen Turbogene-rator und 230kV/400kV-Netz

Wandertransformatoren (bis ca. 400MVA) im "Bahnprofil" zumTransport im betriebsbereiten Zustand

Drehstrombank: Zusammenschalten von drei Einphasentransfor-matoren (bis z. B. 333MVA) zu einem Drehstromtransformator

KernaufbauDer Eisenquerschnitt für den magnetischen Kreis wird mit kornori-entierten Blechen (s. Kapitel 1) von 0,23mm bis 0,35mm Dickeausgeführt. Die Isolierung der Bleche erfolgt über eine Silikat-Phosphatschicht.

Die optimale Form des Kernquerschnitts ist der Kreis, der durch 5bis 15-fache Stufung der Blechbreiten angenähert wird.

Bild 8.1-2: Anpassung des Kernquerschnitts an die Kreisform.



Die Abweichung vom idealen Kreisquerschnitt wird durch dengeometrischen Ausnutzungsfaktor ka ausgedrückt:

A D k kFe a St= 2

4π

, (8.1-1)

kSt : Stapelfaktor, Eisenfüllfaktor.

Mit zwei Blechbreiten (Bild 8.1-2a) erreicht man ka = 0 787, ; mit dreiBlechbreiten (Bild 8.1-2b) 0,851 und mit fünf Blechbreiten (Bild 8.1-2c) 0,908.

Mit Rücksicht auf das Geräusch und den optimalen magnetischenKreis werden die Blechstreifen verzapft zusammengesetzt. Bei kor-norientierten Blechen ist zudem ein Schrägschnitt vorzusehen (Bild8.1-3).

Bild 8.1-3: Verzapfte Schichtung eines Dreischenkelkerns mit kor-norientierten Blechen

Die Blechpakete werden durch z.B. Glasfaserbandagen gepresstund zusätzlich an den Jochen durch zusätzliche Presskonstruktio-nen verstärkt.



Bild 8.1-4: Bolzenloser Dreischenkel-Eisenkern eines Drehstrom-transformators für 24MVA (Trafo-Union, Nürnberg)

Bild 8.1-5: Aufbau von Einphasentransformatoren in Kern- undMantelausführung



In einem symmetrischen Drehstromsystem ergänzen sich die Flüs-se der einzelnen Stränge zu Null ⇒ Tempeltyp des Drehstrom-transformators.

Bild 8.1-6: Aufbau eines symmetrischen Drehstrom-Kerntrans-formators (Tempeltyp)



Häufigste Bauform:

Bild 8.1-7: Unsymmetrischer Dreischenkelkern eines Drehstrom-Transformators

Bei sehr großen Einheiten wird zur Symmetrierung der Flüsse undzur Reduzierung der Jochhöhe die Fünfschenkelbauweise bevor-zugt. (Jochquerschnitt ca. 60% des Schenkelquerschnitts)

Bild 8.1-8: Symmetrischer Fünfschenkelkern eines Drehstrom-transformators



Wicklungen

Der Wicklungsaufbau kann in Form von Zylindern oder Scheibenerfolgen.

Die Zylinderwicklung (Bild 8.1-9) besteht aus ein- oder mehrlagi-gen Röhren, wobei aus isolationstechnischen Gründen die Unter-spannungsseite (US-Wicklung) immer dem Kern zugewandt ist.

Bei der Scheibenwicklung (Bild 8.1-10) werden Unter- und Ober-spannungsseite unterteilt und abwechselnd übereinanderge-schichtet. Der Wicklungsaufbau beginnt und endet mit einer Halb-spule der US-Wicklung

Bild 8.1-9: Zylinderwicklung 1: US-Wicklung, 2: OS-Wicklung

Bild 8.1-10: Scheiben-wicklung 1: US, 2:OS

Als Leiterisolation wird in Öltransformatoren meist eine Papierum-bandelung gewählt, bei kleinen Einheiten Lackdraht. Zwischeniso-lationen, Abstützungen und Distanzierungen erfolgt durch Press-span, Hartpapier und Holz.

Hohe Spannungen auf möglichst kleinem Raum und die Möglichkeitvon Netzüberspannungen (Gewitter) stellen höchste Anforderungenan die Isolation!



SchutzeinrichtungenBei jedem Leistungstransformator wird eine ständige Temperatur-überwachung mit Hilfe von Kontakt- oder Widerstandsthermome-tern durchgeführt. Bimetalschalter lösen bei bestimmten Tempera-turen Warnsignale aus oder schalten Zusatzkühlungen ein.

Öltransformatoren besitzen zur Überwachung der Wicklungsisolati-on sogenannte Buchholz-Schutzrelais (Bild 8.1-11), welche dasEntstehen von Ölgas bei Spannungsdurchschlägen detektieren.

Bild 8.1-11: Buchholz-Schutzrelais und Ölausdehnungsgefäß

Transformatoren ohne Öl können mit sogenannten Differential-schutzeinrichtungen (Bild 8.1-12) überwacht werden.

Bild 8.1-12: Prinzipdarstellung eine Diffe-rential-Schutzeinrichtung dargestellt füreinen der drei Leiter auf Primär- und Se-kundärseite



Ausführungsformen:

Bild 8.1-13: Gesamtansicht und aktiver Teil eines 200MVA Netz-transformators der AEG TRO. OS: 220kV, US:110kV/10kV



Bild 8.1-14: Vertei-lungstransformator in Gieß-harzausführung

Bild 8.1-15: Vertei-lungstransformator, 630kVAmit Wellblechkessel

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