Leistungstransformatoren erhöhen oder verringern die Spannungs- und Stromstärke in einem Stromversorgungssystem. Diese Transformation erfolgt aufgrund des Faradayschen Induktionsprinzips und der Variation der Amperewindungen (oder Wicklungswindungen). Beachten Sie, dass die übertragene Leistung gleich bleibt (abzüglich einiger Kern- und Kupferverluste).
- Transformatordesign
- Core design
- Was ist der zweck der transformator core?
- Was ist der unterschied zwischen core-typ und shell-typ transformator?
- Warum ist der Shell-type Transformer besser als der Core-type Transformer?
- Wicklungsdesign
- Wie sind die Transformatorwicklungen ausgelegt?
- Wie hilft das Verschachteln der Transformatorwicklungen?
- Wie wird die Isolierung der Transformatorwicklungen aufgebracht?
- Buchsenkonstruktion
- Wozu dient eine Buchse am Transformator?
- Laststufenschalter Design
- Was ist der Zweck eines Laststufenschalters?
- Was enthält der Laststufenschalter?
- Tank Design
- Kühlsystemdesign
- Wie wird die Wärme im Tank verwaltet?
- Wozu dient ein Conservator Tank?
- Kann der Transformator über seine Nennleistung hinaus betrieben werden?
- Transformatorwicklungsanschluss
- Wye-boden Wye-boden transformator vorteile
- Wye-Ground Nachteile des Wye-Ground-Transformators
- Delta-Wye-Ground Transformer Vorteile
- Delta Wye-Ground transformer Nachteile
- Delta Tertiär und seine Anwendung
- Wie sich die Erdung des Transformators auf das Design des Stromversorgungssystems auswirkt
- Zusammenfassung
Transformatordesign
Ein Leistungstransformator enthält 6 Schlüsselkomponenten.
- Kern
- Wicklung
- Buchsen
- Laststufenschalter
- Tank
- Kühlung
Wenn Sie als Energietechniker das Komponentendesign verstehen, können Sie Transformatoren korrekt angeben.
Core design
Was ist der zweck der transformator core?
Der Kern dient als Zwischenhändler. Da die Primär- und Sekundärwicklungen elektrisch isoliert sind, unterstützt der Kern den Induktionsprozess, indem er einen Weg für den magnetischen Fluss von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung bereitstellt. Um diese Mission zu unterstützen, muss sie zwei Dinge richtig ausführen
– Eine gute magnetische Permeabilität bereitstellen.
-Minimieren fluss leckage.
Dies wird unter Verwendung von laminierten Blechen aus kaltgewalztem kornorientiertem Stahl (CRGO) erreicht.
Was ist der unterschied zwischen core-typ und shell-typ transformator?
Die lamellierten Blätter werden entweder in eine Kernart oder in eine Oberteilart gebildet. Beobachten Sie ihre Unterschiede in den folgenden Bildern.
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Kerntransformator. Beachten Sie, wie die Wicklungen den Kern umschließen (laminierte Bleche). -
Ein weiterer 5-gliedriger Kerntransformator.
Warum ist der Shell-type Transformer besser als der Core-type Transformer?
Die shell-typ transformator, obwohl teuer zu machen (wegen der zusätzlichen material) ist besser als die core typ für die folgenden gründe
1. Bietet hohe kurzschluss strom widerstehen fähigkeiten. Im Wesentlichen verspannen die laminierten Metallbleche um die Wicklungen sie, wenn sie sich während eines Kurzschlusses biegen oder verdrehen.
2. Die äußeren Schenkel bieten einen zusätzlichen Weg für den Streufluss. Ohne diesen Fluchtweg tritt, wie beim Kerntyp, eine lokale Überhitzung auf.
3. Es kann einem Spannungsstoß aufgrund verschachtelter Scheibenwicklungen besser standhalten (siehe unten).
Wicklungsdesign
Wie sind die Transformatorwicklungen ausgelegt?
Die Wicklungen leiten Strom. Als solches können Sie die induzierte Spannung erhöhen, indem Sie die Windungen um den Kern erhöhen und die Spannung verringern, indem Sie die Windungen verringern.
Für Primär- und Sekundärwicklungen bietet die Verwendung eines kontinuierlich transponierten Leiters (CTC) eine hohe mechanische Stabilität (aufgrund der Art und Weise, wie sich Magnetfelder aufheben). Für tertiäre oder stabilisierende Wicklungen wird der flache Kupferleiter verwendet.
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Kontinuierlich transponierter Leiter CTC -
Flacher Kupferleiter -
Transformator wicklung drehen methode. Schicht- und Schraubenwicklungen, die üblicherweise für Tertiärwicklungen verwendet werden. Scheibenwicklungen, die üblicherweise in Primär- und Sekundärwicklungen verwendet werden.
Wie hilft das Verschachteln der Transformatorwicklungen?
Obwohl Wicklungen einfach spiralförmig um den Kern gedreht werden können, erzeugt das Verschachteln der Windungen (siehe Bild) Mini-Kondensatoren, die helfen, den ankommenden Spannungsstoß abzubauen und in den Wicklungen zu vergraben. Das Einfügen eines Schirmdrahtes (flaches Kupfer) zwischen Windungen ist eine weitere Methode zum Kanalisieren des Stoßes.
Wie wird die Isolierung der Transformatorwicklungen aufgebracht?
Um den Strom zu kanalisieren, ist jeder Zentimeter Kupfer (Kraft-) Papier isoliert: Turn-to-Turn, zwischen LV-Wicklung und Kern, zwischen HV- und LV-Wicklung, zwischen HV-Wicklung und Kern.
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Sekundärwicklung auf laminierten Blechen des Kernmetalls -
Beachten Sie die Isolierung zwischen den Windungen, zwischen den Spulen und zwischen Spule und Rahmen (oben). Beachten Sie auch den Schirmdraht.
Buchsenkonstruktion
Wozu dient eine Buchse am Transformator?
Buchsen bieten einen Weg für den Stromfluss vom erregten (Hochspannungs-) Leiter zu den Wicklungen im Tank (ohne den Tank zu erregen). Sie sollten sich mit zwei Berührungspunkten befassen. Eine, an der Spitze, wo der Dirigent landet. Der Porzellanisolator behält die Phase-zu-Boden-Freiheit bei. Zweitens halten die durch Papier und Folie erzeugten Minikondensatoren in der Buchse den Abstand aufrecht (Kondensatoren brechen die Spannung ab). Diese Art von Buchse wird als Kapazitäts- oder Kondensatorbuchse bezeichnet. Dies ist typisch für Transformatoren bei HV-, EHV-, & UHV-Spannungen. Bei mittleren Spannungen und unter Harz (trocken) Buchsen sind eine Alternative.
Laststufenschalter Design
Was ist der Zweck eines Laststufenschalters?
Wenn die Last zunimmt oder abnimmt, nimmt die Spannung an der Unterstation entweder ab oder steigt an. Um die Spannung stabil zu halten, kann die Anzahl der Wicklungswindungen hinzugefügt oder entfernt werden (denken Sie daran, dass das Hinzufügen von Sekundärwindungen die Spannung erhöht oder umgekehrt). Dies ist die Funktion eines Laststufenschalters – stabilisieren Sie die Spannung durch variierende Windungen. Die OLTC-Wicklungen verbleiben im Haupttank (um den Kern herum), während der Bediener und sein Zubehör in einem separaten Fach montiert werden.
Was enthält der Laststufenschalter?
Es gibt Hunderte von Volt Potentialdifferenz zwischen jedem Abgriff im Transformator. Wenn Sie also eine Tap-Verbindung herstellen oder unterbrechen, wird der Lichtbogen von den Vakuumschaltern gehandhabt. Wenn Sie zwei Abgriffpositionen überbrücken, treibt die Potentialdifferenz den Umlaufstrom an. Der vorbeugende Spartransformator wirkt als Induktor und begrenzt den mit dem zirkulierenden Strom verbundenen Ansturm. Dies ist Ihr reaktiver Typ OLTC. Eine weitere Variante ist der resistive OLTC.
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Vakuumschalter (weiße Flaschen) auf dem LTC -
Tap-Wechselmechanismus -
Vorbeugender Spartransformator regelt den Einschaltstrom bei Überbrückung zweier Abgriffpositionen
Tank Design
Tank Design ist der Ort, an dem Sie kreativ werden, um Standort- und Projektanforderungen zu unterstützen. Sie können Buchsen auf jeder Seite angeben, Kühlsysteme installieren, den Schall mithilfe einer einzigartigen Tankplatte reduzieren, isolierte Phasenbuskanäle auswählen – getrennte oder nicht getrennte Buskanäle usw.
Eine weitere kritische Entwurfsentscheidung besteht darin, einen drei 1-Phasen- oder einen 3-Phasen-Transformator auszuwählen. Generator-Aufwärtstransformatoren in großen Kraftwerken, Transformatoren in EHV-Umspannwerken gehen den drei 1-Phasen-Weg.
Bei drei 1-phasigen Transformatoren ist jede Bank von der anderen isoliert und bietet dadurch Kontinuität im Betrieb, wenn eine Bank ausfällt. Ein einzelner 3-Phasen-Transformator, ob Kern- oder Schalentyp, funktioniert nicht einmal mit einer Bank außer Betrieb. Dieser 3-Phasen-Transformator ist jedoch billiger herzustellen, hat eine geringere Stellfläche und arbeitet relativ mit einem höheren Wirkungsgrad.
Kühlsystemdesign
Wie wird die Wärme im Tank verwaltet?
Der Stromfluss in der Kupferwicklung erzeugt Wärme. Der Wirbelstrom & Erregerstrom im Kern erzeugt Wärme. Das Mineralöl entzieht diese Wärme. Normalerweise entfernt der natürliche Konvektionsfluss von Öl Wärme: heißes Öl steigt nach oben – > bewegt sich zu Heizkörpern -> Öl kühlt ab, setzt sich ab und bewegt sich zum Haupttank -> Öl erwärmt sich wieder und steigt auf (Prozess wiederholt sich).
Um die Kühlung zu verbessern, befestigen Sie eine Lüfterbank an den Heizkörpern oder Wärmetauschern. Zur weiteren Verbesserung erzwingen Sie die Ölbewegung (durch den Tank oder die Wicklungen) mit Pumpen.
Da das Öl Feuchtigkeit / Sauerstoff / Schmutz aufnehmen kann, hilft das Ölkonservierungs- oder Filtrationssystem, die Lebensdauer eines Transformators zu verlängern.
Wozu dient ein Conservator Tank?
Öl dehnt sich aus und zieht sich mit der Belastung des Transformators zusammen. Da der Tank versiegelt und unter Vakuum steht, wird das Ölvolumen auf zwei Arten gesteuert.
Methode 1: Verwenden Sie einen Konservatortank. Der Haupttank wird vollständig gefüllt. Das überschüssige Öl läuft in diesen Tank.
Methode 2: Der Haupttank ist nicht vollständig gefüllt (aber Kern und Wicklungen sind eingetaucht). Eine „Decke“ aus Stickstoffgas füllt den Hohlraum oben aus. Wenn sich Öl ausdehnt, wird das Gas freigesetzt. Während es sich zusammenzieht, füllt eine externe Stickstoffflasche das Gas wieder auf.
Kann der Transformator über seine Nennleistung hinaus betrieben werden?
Die Belastbarkeit des Transformators ist durch die thermische Belastbarkeit begrenzt. Dies bedeutet, dass der Transformator über seine MVA-Nennleistung hinaus betrieben werden kann, solange die Temperatur seines oberen Öls innerhalb des 65ºC-Temperaturanstiegs über der Umgebungstemperatur bleibt (siehe IEEE C57.12.00-2015-Standard). Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise 45ºC beträgt, kann der Transformator auf einen Wert von weniger als 45ºC + 65ºC = 110ºC geschoben werden.
Eine längere Überlastung des Transformators wird aufgrund der Sättigung seines Kerns (höhere Verluste), des Verlusts der Lebenserwartung und der Verschlechterung der Wicklungsisolierung nicht empfohlen.
Transformatorwicklungsanschluss
Sobald die Spulen angebracht sind, können die drei Primärwicklungen und drei Sekundärwicklungen entweder als Dreieck oder als Flügel (oder Stern) verbunden werden. Ein solches Setup wird unten gezeigt.
Obwohl es so aussieht, als würden Sie kurzschließen, indem Sie ein Ende der Spule an Neutralmasse (in einem Stern) und eine Spule an eine andere (in einem Delta) binden, ist dies nicht der Fall. Diese Verbindungen funktionieren aufgrund des Lenzschen Gesetzes.
Die Verwendung einer beliebigen Kombination: Delta-Stern, Stern-Delta, Stern-Stern oder Delta-Delta hat einen großen Einfluss auf das Design des Stromversorgungssystems. Daher ist die Wahl der Verbindung entscheidend.
Wye-boden Wye-boden transformator vorteile
- Bietet isolierung einsparungen, was zu kosten einsparungen auf die transformator.
- Vereinfachtes Phasing, d. h. Es tritt keine Phasenverschiebung auf – vereinfacht die Parallelschaltung des Transformators.
Wye-Ground Nachteile des Wye-Ground-Transformators
- Oberwellen (unerwünschte Frequenzen) breiten sich im Transformator aus und verursachen möglicherweise Funkstörungen.
- Der Nullstrom fließt durch den Transformator.
- Externe linie-zu-boden fehler werden reise die transformator (wenn neutral verbindung ermöglicht fehler strom zurück-in, dann in eine differential schutz zone, die strom eingabe ist nicht die gleiche wie strom verlassen).
- Es besteht die Möglichkeit, die Phasen unterschiedlich zu laden, was zu einem unsymmetrischen Hochspannungssystem führt.
Delta-Wye-Ground Transformer Vorteile
- Da die Delta-Wicklung den Nullfolgestrom einfängt, kann davon ausgegangen werden, dass das vorgeschaltete Relais am Delta-Wye-Transformator nur für High-Side-Erdungsfehler aufnimmt. Dies ermöglicht sehr empfindliche Pick-up-Einstellungen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Wye-Wye-Kombination einen Nulldurchgangsstrom – was es schwierig macht, den Ort des Fehlers zu beurteilen. Kurz gesagt, der Relaisschutz wird verbessert.
Delta Wye-Ground transformer Nachteile
- Aufgrund der mit diesen Transformatoren verbundenen Phasenverschiebung muss dem Design mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Mögliche Fehlerfallen treten bei Parallelschaltung und CT-Verdrahtung auf.
- Hohe Isolationskosten, die zu einem teuren Transformator führen.
Weitere Details zu den Vor- und Nachteilen verschiedener Wicklungskonfigurationen finden Sie im Artikel von General Electric mit dem Titel The Whys of the Wyes.
Um die Vorteile jeder Kombination zu erfassen, kann ein Leistungstransformator mit drei Wicklungssätzen (anstelle von nur zwei) hergestellt werden, typischerweise Primär-Wye, Sekundär-Wye und Tertiär-Delta.
Delta Tertiär und seine Anwendung
In einem Dreiwicklungs-Wye-Wye-Delta-Transformator ermöglicht die Delta-Tertiärwicklung den Anschluss eines:
- Kondensatorbank – zur Spannungs- oder Leistungsfaktorkorrektur
- Drosseln – um ein Ausbeulen der Spannung (Ferranti-Effekt) auf EHV-Leitungen bei geringer Belastung zu verhindern.
- Stationsservice-Transformator – Wechselstrom für Ausrüstung innerhalb der Nebenstelle
- Vom Schutz- und Steuerstandpunkt fängt er Nullfolgestrom (Erdschlussstrom) ein. Wenn Sie einen CT in diese Tertiärwicklung einlegen, können Sie diesen Strom messen. Da diese Wicklung auch 3. Harmonische einfängt, spricht man von einer stabilisierenden Wicklung.
- Delta-Tertiäre induzieren einen Strom nur in eine Richtung, unabhängig davon, wo der Fehler auftritt – High Side oder Low Side. Somit kann ein Richtungsrelais mit den Delta-Tertiär-CTS polarisiert werden.
Wie sich die Erdung des Transformators auf das Design des Stromversorgungssystems auswirkt
Ohne auf viele Details einzugehen, ist die Sternverbindung aus Gründen der Kosteneinsparung und Sicherheit die bevorzugte Verbindung für die Hochspannungsübertragung. In diesem Szenario ist der gemeinsame Punkt – der Neutralleiter – geerdet oder geerdet. Dadurch wird die Phase-zu-Null-Spannung oder die Phase-zu-Erde-Spannung um den Faktor 1/sqrt(3) reduziert. Sie erhalten diese Reduzierung nicht mit einer Delta-Verbindung (nicht geerdet).
Es ist nur sinnvoll, einen Dreiecksterntransformator in der Nähe des Kraftwerks zu verwenden, wo das Dreieck mit den Generatorklemmen und der Stern mit den Hochspannungsübertragungsleitungen verbunden ist. Mit geerdetem Sternanschluss auf der Hochspannungsseite kann die Transformatorwicklung für niedrigere (Phase-Masse) Spannungen isoliert werden. Auch das Übertragungssystem wird einen geringeren Isolationsbedarf haben. Diese sorgen für enorme Kosteneinsparungen bei der Auslegung und Konstruktion des Übertragungssystems.
Nachteilig ist jedoch die Erdung des Transformators neutral. Wenn eine Leitung oder alle drei Leitungen auf der Sternseite gegen Masse kurzschließen, dient der geerdete Neutralleiter des Transformators als Rückweg für den Fehlerstrom. Diese Fehlerströme können, wenn sie nicht in Sekundenbruchteilen gelöscht werden, den Transformator und alle daran angeschlossenen Geräte schwer beschädigen. Die Erdschlussströme sind auch reich an Strömen der dritten Harmonischen. Die dritte Oberwelle auf der Übertragungsleitung unterbricht alle Kommunikationskanäle (z. B. Power Line Carrier – Pilot Relaying) in der Nähe.
Aber bei der Stern-Dreieck/Dreieck-Stern-Kombination ist nicht alles verloren (wegen neutraler Erdung). Die Dreieckschaltung bietet eine hohe Impedanz gegenüber dritten Oberwellen und fängt den Erdschlussstrom ein, wodurch verhindert wird, dass er sich von einer Seite zur anderen ausbreitet.
Zusammenfassung
- Dreiecksterntransformatoren: Anwendung an Kraftwerken und Lastzentren.
- Stern-Stern-Dreieck-Transformatoren: Anwendung in Übertragungsstationen (765 Kv, 500 Kv, 345 KV).
- Die Erdung des Neutralleiters sorgt für höhere Erdschlussströme, die Kosteneinsparungen durch geringere Isolationsanforderungen machen die Neutralerdung jedoch akzeptabel.
