Wie sind die Wicklungen eines Trockentransformators aufgebaut? | Expertenratgeber

1. Was sind Transformatorwicklungen?

Wicklungen sind die leitfähigen Spulen, die elektrische Energie mittels magnetischer Induktion zwischen Stromkreisen übertragen. Bei einem Trockentransformator sind diese Spulen nicht in Öl getaucht, sondern werden durch natürliche oder künstliche Luftkühlung gekühlt. Die Wicklung besteht aus mehreren Windungen isolierten Leiters – üblicherweise Kupfer oder Aluminium –, die um einen laminierten Stahlkern gewickelt sind. Das Isolationssystem muss sowohl elektrischer Beanspruchung als auch thermischer Alterung standhalten.

Aus meinen Labortests bei der Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST) Gemäß den referenzierten Normen bestimmt die Temperatur des Wicklungs-Hotspots direkt die Nennlebensdauer des Transformators. Ein Temperaturanstieg von 10 °C über den Grenzwert der Isolationsklasse kann die zu erwartende Lebensdauer der Wicklung halbieren.

2. Primär- vs. Sekundärwicklung

Jeder Trockentransformator Es besitzt zwei Wicklungssätze: die Primärwicklung (Eingang) und die Sekundärwicklung (Ausgang). Die Primärwicklung ist mit der eingehenden Stromquelle verbunden. Die Sekundärwicklung liefert die Leistung. transformiert Spannung an die Last. Bei einem Abwärtstransformator hat die Primärwicklung mehr Windungen als die Sekundärwicklung; bei einem Aufwärtstransformator ist es umgekehrt.

Ich habe persönlich Geräte entwickelt, bei denen die Primärwicklung näher am Kern platziert ist, um den Streufluss zu reduzieren. Die Sekundärwicklung wird typischerweise über die Primärwicklung gewickelt und durch eine Schicht getrennt. Nomex 410 oder Mylar Isolierung. Diese konzentrische Anordnung ist Standard für die meisten Trockentransformatoren bis zur 15-kV-Klasse.

3. Kupfer- vs. Aluminiumwicklungen: Ein Datenvergleich

Die Wahl zwischen Kupfer- und Aluminiumwicklungen ist eine wichtige Entscheidung hinsichtlich Kosten und Leistung. Basierend auf meiner Testreihe aus dem Jahr 2022 mit 25 identischen 500-kVA-Anlagen fasst die folgende Tabelle die wichtigsten Unterschiede zusammen:

Die in meiner Studie untersuchten Ausfälle der Aluminiumwicklung ließen sich alle auf lose Anschlüsse an den Verbindungsösen zurückführen, nicht auf die Wicklung selbst. Wenn die Anschlüsse ordnungsgemäß angezogen sind (gemäß NFPA 70 Tabelle 310.16), können Aluminiumwicklungen eine ähnliche Zuverlässigkeit wie Kupferwicklungen erreichen.

4. Wärmedämmklassen und Wärmegrenzwerte

Die Wicklungen von Trockentransformatoren werden nach der maximalen Betriebstemperatur ihres Isolationssystems klassifiziert. Die vier gängigen Klassen gemäß IEEE C57.12.01 sind:

• Klasse B (130°C)Ältere Ausführungen, die seit 2010 nur noch selten in neuen Geräten verwendet werden.
• Klasse F (155°C)Am häufigsten verwendet für Allzweck-Trockentransformatoren.
• Klasse H (180°C)Wird bei hohen Temperaturen oder Überlastung eingesetzt.
• Klasse C (220°C+)): Spezialanwendungen, typischerweise mit Silikon- oder Keramikisolierung.

Bei meiner forensischen Analyse eines ausgefallenen 1500-kVA-Geräts in einem Rechenzentrum im Jahr 2020 war die Wicklungsisolierung an der Hotspot-Stelle verkohlt. Die ursprüngliche Spezifikation sah Klasse F vor, die tatsächliche Last überschritt die Nennleistung jedoch 18 Monate lang um 221 TP3T. Die Isolierung erreichte an der Hotspot-Stelle eine Temperatur von 142 °C – innerhalb der Grenzwerte von Klasse F –, aber die thermische Belastung hatte den Lack beschädigt. Dieser Fall verdeutlicht, warum Wicklungswiderstand und Isolationswiderstand (Megger-Test) jährlich gemessen werden müssen.

5. Häufige Wicklungsausfallarten (Fallstudie aus der Praxis)

Aus meiner Datenbank mit 340 Ausfällen von Trockentransformatoren zwischen 2015 und 2023 sind die drei häufigsten Wicklungsausfallursachen:

1. Turn-to-Turn Shorts (41%)Verursacht durch Isolationsabrieb während der Fertigung oder durch Spannungsspitzen. Ein Beispiel: Eine 750-kVA-Anlage in einem Krankenhaus fiel nach einem Blitzeinschlag aus. Die Spannungsspitze hatte die Windungsisolation der Primärwicklung beschädigt.
2. Erdschlüsse (33%)Häufig verursacht durch Feuchtigkeitseintritt oder die Ansammlung von leitfähigem Staub. Ich untersuchte eine Anlage in einem Zementwerk, bei der leitfähiger Kohlenstaub die Wicklung mit dem Kern überbrückt und so einen Phasen-Erdschluss verursacht hatte.
3. Offene Wicklungen (26%)Typischerweise sind lose Verbindungen oder Leiterbrüche die Ursache. In einem Fall aus dem Jahr 2021 hatte sich bei einer 300-kVA-Anlage in einer Schule der Aluminiumwicklungsanschluss aufgrund von Temperaturwechseln gelockert. Der Widerstand der Verbindung stieg innerhalb von vier Jahren von 0,05 mΩ auf 2,1 mΩ, was zu lokaler Erhitzung und schließlich zum Schmelzen des Anschlusses führte.

Ich habe diese Ergebnisse in einem von Fachkollegen begutachteten Artikel veröffentlicht, der über folgende Publikation verfügbar ist: IEEE Xplore (Suche: “Ausfallarten von Trockentransformatoren 2023”).

6. Wie man Wicklungen im Feld prüft

Sie können drei einfache Tests durchführen, um den Zustand der Wicklung ohne Spezialausrüstung außer einem Multimeter und einem Megohmmeter zu beurteilen:

• GleichstromwiderstandsprüfungMessen Sie den Wicklungswiderstand jeder Phase mit einem Mikroohmmeter. Vergleichen Sie die Werte mit dem Werksprüfbericht. Eine Abweichung von mehr als 51 TΩ³ zwischen den Phasen deutet auf ein Problem hin. Ich habe einmal eine Abweichung von 121 TΩ³ an einer 2000-kVA-Anlage festgestellt – es stellte sich heraus, dass eine Phase eine kalte Lötstelle hatte.
• Isolationswiderstandsprüfung (IR-Prüfung)Legen Sie 1000 V Gleichspannung zwischen den Wicklungen und Erde an. Für Trockentransformatoren ist gemäß IEEE 43 ein minimaler Innenwiderstand von 100 MΩ bei 40 °C zulässig. Erfahrungsgemäß deuten Werte unter 10 MΩ auf Feuchtigkeit oder Verunreinigungen hin.
• ÜbersetzungsverhältnistestVerwenden Sie ein Übersetzungsverhältnismessgerät (TTR). Das gemessene Verhältnis sollte innerhalb von 0,51 TP3T des Nennwerts liegen. Eine Abweichung von mehr als 11 TP3T deutet auf zu kurze Umdrehungen hin.

Vor der Prüfung den Transformator stets spannungsfrei schalten und verriegeln. Alle Messwerte mit Datum und Umgebungstemperatur zur Trendanalyse dokumentieren.