Aufbau und Komponenten von Leistungstransformatoren

Wickelspulen

Wickelspulen (Primär- und Sekundärwicklung) bestehen aus elektrischen Leitern, die ordentlich auf einen Eisenkern gewickelt sind. Die Primärwicklung ist mit einer Stromquelle verbunden, während die Sekundärwicklung an den Verbraucher angeschlossen ist und ihre Energie induktiv aus der Primärwicklung bezieht. In der Praxis hängt das Übersetzungsverhältnis allein von der Anzahl der Windungen in der Primärspule (N1) und der Sekundärspule (N2) ab.

Kern

Die Bedeutung des Kerns ist groß, da er den magnetischen Fluss von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung leitet. Er besteht aus laminierten Blechen aus Ferrosilicium, um Wirbelströme zu reduzieren, und ist zu einem Eisenblock zusammengefügt. Sowohl die Spulen als auch der Kern müssen voneinander isoliert sein. Zur Isolierung werden Materialien wie Papier, Pappe und Lack verwendet, zur mechanischen Unterstützung dient Holz. Alle Komponenten sind fest verspannt, um Vibrationen und Lärm zu verhindern.

Isolieröl

Im Allgemeinen sind Transformatoren in Isolieröl eingetaucht. Dies dient als isolierendes Medium zwischen den unter Spannung stehenden Teilen und zur Wärmeabfuhr vom Kern an die Außenseite des Tanks. Früher wurden Ascarele verwendet (heute aufgrund ihrer Umweltbelastung verboten). Heute kommen hauptsächlich Silikonöle und aus Erdöl gewonnene Mineralöle zum Einsatz.

Haupttank

Der Tank dient dazu, die Wärme vom Kern und den Wicklungen über das Isolieröl an die Umgebung abzugeben. Die Tanks bestehen aus verstärktem Eisenblech, da sie auch als tragende Struktur für den aktiven Teil des Transformators dienen.

Heizkörper

Die Heizkörper sind an der Außenseite des Tanks befestigt und unterstützen die Kühlung des Isolieröls durch Wärmeübertragung. Sie bestehen aus Platten mit Öffnungen an den Enden, die eine natürliche Ölkonvektion ermöglichen: Das wärmere Öl steigt nach oben, kühlt ab und fließt an der Unterseite wieder in den Tank zurück.

Ausdehnungsgefäß (Konservator)

Dieses Gefäß kompensiert Schwankungen im Ölvolumen, die durch temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion des Öls bei Laständerungen entstehen. Es ist an der höchsten Stelle des Transformators installiert. In der Regel sollte der Ölstand im Konservator etwa 25 bis 50 % der Kapazität betragen.

Ölstandsanzeiger

Er dient zur Überwachung des Ölvolumens im Tank oder im Konservator. Bei Transformatoren mit Konservator ist der Ölstandsanzeiger oft mit einem Mikroschalter ausgestattet, der einen Alarm auslöst, wenn das Ölvolumen einen kritischen Punkt erreicht.

Lufttrockner (Silicagel-Behälter)

Die Luft, die bei Volumenänderungen des Öls in den Konservator ein- und austritt, wird durch einen Lufttrockner geleitet, um Feuchtigkeit zu entziehen. Der Entfeuchter enthält Silicagel-Kristalle, die Feuchtigkeit binden. Im trockenen Zustand ist das Silicagel blau; nach der Sättigung färbt es sich rosa und kann durch Erhitzen regeneriert werden.

Thermometer

Da Öl ein Indikator für die Innentemperatur des Transformators ist, wird diese mittels eines Ölthermometers überwacht. Es besteht aus einem mit Quecksilber gefüllten Sensor, der bei Erwärmung eine Kapillare ausdehnt und den Zeiger bewegt. Oft verfügt das Thermometer über Kontakte, um bei hohen Temperaturen Lüfter (bei Zwangskühlung) oder Alarme auszulösen.

Thermische Überwachung (Wicklungsthermometer)

Die Wicklung ist der heißeste Punkt des Transformators. Da die Temperatur direkt von der Last abhängt, wird sie indirekt überwacht. Ein Stromwandler (CT) in Reihe zur Primärwicklung speist einen Widerstand, der in einem Ölbad liegt. Die Wärmeentwicklung simuliert die Wicklungstemperatur. Bei Erreichen kritischer Werte werden Alarme ausgelöst oder der Transformator über den Leistungsschalter abgeschaltet.

Explosionsrohr / Überdruckventil

Das Explosionsrohr schützt den Transformator vor übermäßigem Innendruck, der durch Lichtbögen oder brennende Isolierungen entstehen kann. Ein gebogenes Rohr mit einer Glasmembran auf dem Deckel bricht bei Überdruck und entlüftet den Tank. Moderne Transformatoren verwenden stattdessen Sicherheitsventile (Überdruckventile).

Gas-Relais (Buchholz-Relais)

Dieses Gerät schützt ölgefüllte Transformatoren vor internen Fehlern, die Gasblasen erzeugen. Es ist zwischen Tank und Konservator installiert und mit zwei Schwimmern ausgestattet: Einer löst bei geringer Gasbildung einen Alarm aus, der andere schaltet bei starkem Gasfluss oder plötzlicher Ölströmung den Transformator ab, um einen Brand zu verhindern.

Durchführungen und Isolatoren

Die grundlegende Funktion von Durchführungen ist die elektrische Isolation zwischen dem unter Spannung stehenden Leiter und dem geerdeten Gehäuse. Als Materialien werden meist Porzellan oder Glas verwendet. Man unterscheidet verschiedene Bauformen wie Stützisolatoren oder Wanddurchführungen.

Kühlsysteme

Um eine Überhitzung der Isolierung zu verhindern, werden verschiedene Kühlverfahren eingesetzt:

• Natürliche Kühlung: Natürliche Ölkonvektion.
• Zwangskühlung: Lüfter an den Heizkörpern erhöhen die Luftzirkulation.
• Erzwungener Ölkreislauf: Pumpen beschleunigen den Ölfluss.
• Wasserkühlung: Wärmetauscher mit Wasseranschluss.