Im Inneren eines Leistungstransformators: Alle Komponenten, die Sie kennen müssen

Wenn Sie mit arbeiten Wenn man Leistungstransformatoren lange genug benutzt, wird einem klar, dass es sich nicht nur um einen einzigen schweren Kasten handelt, der auf einer Betonplatte steht. Sie sind ein sorgfältig zusammengesetztes System aus Dutzenden Einzelteilen, von denen jedes eine bestimmte Aufgabe hat. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, was sich eigentlich in diesem ölgefüllten Stahltank befindet oder wie ein Trockengerät ohne Flüssigkeit auskommt, finden Sie hier eine bodenständige Tour.

Ich konzentriere mich zunächst auf den in Öl getauchten Typ (der häufigste Typ, den man in Umspannwerken oder an Strommasten sieht) und gehe dann kurz auf die Unterschiede zwischen Trockentransformatoren ein.

Das absolute Herz – magnetische und elektrische Teile

Unabhängig von der Größe beginnt jeder Transformator mit den gleichen zwei Dingen: einem Kern und Wicklungen. Der Kern besteht aus dünnen, aufeinander gestapelten Siliziumstahlblechen. Seine einzige Aufgabe besteht darin, den magnetischen Fluss zu transportieren. Betrachten Sie es als das Skelett, das die Energieübertragung ermöglicht.

Um diesen Kern herum befinden sich die Wicklungen – normalerweise Kupfer- oder Aluminiumspulen. Ein Satz ist für Hochspannung, ein anderer für Niederspannung. Dies sind die eigentlichen „Drähte“, durch die Strom fließt. Zwischen dem Kern und den Wicklungen sowie zwischen verschiedenen Wicklungslagen befinden sich Isolationsstücke (Pressspan, Papier oder Kunststoff). Ohne sie würde der Strom dorthin springen, wo er nicht hingehört.

Schließlich verbinden interne Leitungen verschiedene Abschnitte der Wicklungen und führen den elektrischen Pfad bis zu den Buchsen (auf die wir später noch zurückkommen). Diese Leitungen sind sorgfältig verlegt und isoliert, da im Tank alles dicht gepackt ist.

Isolieröl und Kühlsystem

In einem Bei einem ölgefüllten Transformator ist die gesamte Baugruppe aus Kern und Spule in Transformatoröl getaucht. Dieses Öl ist kein Kraftstoff; Es handelt sich um ein hochraffiniertes Mineralöl, das drei Dinge bewirkt: es isoliert, kühlt und hilft, interne Lichtbögen zu löschen. Man kann es als das Lebenselixier der Einheit bezeichnen.

Der Tank selbst hält alles zusammen – Öl, Kern, Wicklungen und Leitungen. Aber ein einfacher Stahltank gibt die Wärme nicht schnell genug ab. Deshalb sieht man an der Außenseite diese gerippten Paneele oder anschraubbaren Heizkörper. Einige größere Einheiten verwenden Zwangsluft- oder Zwangsölkühler, aber die Idee ist dieselbe: die von den Wicklungen und dem Kern erzeugte Wärme abzuführen.

Wenn sich das Öl erwärmt, dehnt es sich aus. Um diese Ausdehnung zu bewältigen, ohne dass der Tank platzt, ist über dem Haupttank ein Ausdehnungsgefäß (viele nennen es einen Ölkonservierungstank oder einfach „Ölkissen“) angebracht. Es atmet ein und aus, wenn sich das Ölvolumen ändert, sodass der Haupttank immer voll ist.

Sicherheit und Schutz

Transformatoren können jahrzehntelang leben, aber sie brauchen Wachhunde. Das bekannteste davon ist das Buchholzrelais (Gasrelais). Es sitzt im Rohr zwischen Haupttank und Ausdehnungsgefäß. Wenn aufgrund eines geringfügigen Fehlers Gasblasen entstehen, fängt das Relais diese ein und sendet einen Alarm. Wenn ein schwerwiegender Fehler zu einem plötzlichen Ölanstieg führt, löst das Relais den Leistungsschalter sofort aus.

Außenluft, die in den Konservator eintritt, transportiert Feuchtigkeit und Staub. Hier kommt der Silikagel-Entlüfter ins Spiel – ein transparenter Behälter, gefüllt mit blauem oder orangefarbenem Gel, der Feuchtigkeit aus der einströmenden Luft aufnimmt. Wenn das Gel rosa oder weiß wird, wissen Sie, dass es gesättigt ist.

Bei Überdruckereignissen (z. B. einem Kurzschluss, bei dem Öl verdampft) öffnet sich ein Überdruckventil für den Bruchteil einer Sekunde und schließt sich dann wieder. Ohne sie könnte der Tank buchstäblich aufplatzen.

Sie finden auch ein Thermometer (häufig mit einer Skala und einem Kapillarrohr), das die Temperatur des oberen Öls misst, und manchmal auch Wicklungstemperatursimulatoren. Betreiber verlassen sich auf diese Messwerte, um zu entscheiden, ob der Transformator überlastet ist oder ein Kühlproblem vorliegt.

Einige größere Transformatoren verfügen über einen Ölreiniger – einen kleinen, mit Adsorptionsmaterial gefüllten Tank, der kontinuierlich Wasser und Schlamm aus dem Öl herausfiltert. Es ist nicht auffällig, aber es verlängert die Lebensdauer der Isolierung um Jahre.

Wo Strom ein- und ausgeht – Durchführungen und mehr

Die internen Leitungen müssen durch die Tankwand geführt werden, um die Außenwelt zu erreichen. Das ist es, was Porzellan- oder Verbundbuchsen tun. Sie sehen aus wie große Isolierbecher oder -säulen. In jeder Durchführung verläuft ein Leiter bis zur Wicklung, während der Porzellankörper die Hochspannung vom geerdeten Tank fernhält.

Das Typenschild oben auf dem Tank ist Ihre einzige verlässliche Quelle der Wahrheit – es gibt Auskunft über die MVA-Leistung, die Spannungen, die Anschlussgruppe (wie Dyn11 oder Yyn0), die Impedanz und die Seriennummer. Vertrauen Sie niemals aufgemalten Markierungen von vor zehn Jahren.

Zur Wartung verfügt jeder Öltank am Boden über mindestens ein Ölablassventil. Und Sie werden immer eine deutlich gekennzeichnete Erdungslasche sehen, die am Tank angeschweißt ist – dort schließen Sie das Erdungsnetz der Station an, um Menschen vor Fehlerströmen zu schützen.

Der Stufenschalter – Feinabstimmung der Spannung

Die meisten Leistungstransformatoren verfügen über einen Stufenschalter. Es handelt sich um einen Schaltmechanismus, der mit der Hochspannungswicklung verbunden ist und einige Windungen hinzufügt oder entfernt. Dadurch wird die Ausgangsspannung leicht angepasst, wenn die eingehende Netzspannung schwankt. Stromlose Stufenschalter (DETC) können nur betrieben werden, wenn der Transformator vollständig von der Stromversorgung getrennt ist. Laststufenschalter (OLTC) arbeiten, während der Transformator unter Spannung steht. Sie sind jedoch viel komplexer und verfügen über ein separates Ölfach und einen Motorantrieb.

Eine kurze Anmerkung zu Trockentransformatoren

Wenn sich der Transformator im Innenbereich befindet (z. B. in einem Gebäude oder im Turm einer Windkraftanlage), findet man häufig Trockengeräte. Überhaupt kein Öl. Der Kern und die Wicklungen werden entweder in Epoxidharz gegossen oder mit mehreren Isolierschichten umwickelt und dann der Luft ausgesetzt. Die Kühlung erfolgt auf natürliche Weise oder mit eingebauten Lüftern.

Da kein Öl vorhanden ist, verschwinden alle ölbezogenen Teile: kein Ausdehnungsgefäß, kein Buchholz-Relais, kein Silicagel-Entlüfter, kein Ölablassventil und kein Ölreiniger. Aber der elektrische Kern – der Eisenkern, die Wicklungen, die innere Isolierung, die Leitungen, die Buchsen, das Typenschild und die Erdungsklemme – bleibt genau derselbe. Auch der Stufenschalter ist, sofern vorhanden, in Trockenausführung ausgeführt.

Wenn also jemand fragt „Was ist in einem Leistungstransformator?“, lautet die ehrliche Antwort: Es kommt darauf an, ob es sich um einen Öltransformator oder einen Trockentransformator handelt. Aber für die ölgefüllten Arbeitspferde im Netz ist die Liste lang – und jedes einzelne Teil, von der kleinsten Dichtung bis zum Hauptkern, erfüllt einen Zweck. Nach zwei Jahrzehnten auf diesem Gebiet habe ich gelernt, dass es Ärger bedeutet, wenn ich auch nur einen von ihnen überspringe.