Transformatorwicklungen und Transformatorisolierung

Transformatorwicklungen sind die Schaltungskomponenten eines Transformators und die Kernbestandteile der elektromagnetischen Energieumwandlung. Sie bestehen aus isolierten Drähten (normalerweise Kupfer oder Aluminium), die nach einem bestimmten Muster gewickelt sind, und übertragen Energie durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

1. Hauptfunktionen

• Magnetfeld erzeugen: Wenn die Primärwicklung mit Wechselstrom versorgt wird, entsteht ein magnetisches Wechselfeld.
• Induzieren einer elektromotorischen Kraft: Dieses magnetische Wechselfeld verläuft durch die Sekundärwicklung und induziert eine elektromotorische Kraft (Spannung) in der Sekundärwicklung.
• Spannungsänderung: Durch Anpassen des Windungsverhältnisses der Primär- und Sekundärwicklung kann die Spannung erhöht oder verringert werden.

2. Wicklungstypen (klassifiziert nach Spannungspegel und relativer Position)

• Hochspannungswicklung: Wicklung, die einer höheren Spannung standhält. Hat normalerweise einen kleineren Drahtquerschnitt-(da der Strom relativ klein ist), erfordert aber eine hohe Isolierung.
• Niederspannungswicklung: Wicklung, die einer niedrigeren Spannung standhält. Hat normalerweise einen größeren Drahtquerschnitt-(da der Strom relativ groß ist) und relativ geringere Isolationsanforderungen.

Strukturell, basierend auf ihrer Anordnung auf dem Kern, werden sie hauptsächlich in zwei Typen unterteilt:

(1)Konzentrische Wicklung:

• Aufbau: Die Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen sind zu zylindrischen Formen mit unterschiedlichen Durchmessern gewickelt und konzentrisch auf dem Kernschenkel angeordnet.
• Übliche Anordnung: Um die Isolierung zu erleichtern, wird die Niederspannungswicklung normalerweise innen (näher am Kern) und die Hochspannungswicklung außen platziert. Dies liegt daran, dass die Isolierung zwischen der Niederspannungswicklung und dem Kern (geerdet) einfacher zu handhaben ist.
• Anwendung: Die meisten Leistungstransformatoren (insbesondere solche mit größeren Kapazitäten) verwenden diese Struktur. Der Herstellungsprozess ist relativ einfach und die Struktur robust.

(2)Verschachtelte Wicklung:

• Struktur: Sowohl die Hochspannungs- als auch die Niederspannungswicklung sind scheibenförmig und abwechselnd entlang der Höhe des Kernschenkels gestapelt.
• Vorteile: Reduzierter Streufluss zwischen den Wicklungen, hohe mechanische Festigkeit und hohe Kurzschlussfestigkeit.
• Anwendung: Wird hauptsächlich für Spezialtransformatoren wie Elektroofentransformatoren und Schweißtransformatoren verwendet, die großen elektromagnetischen Kräften standhalten müssen.

3. Hauptanforderungen an Wicklungen
Elektrische Leistung: Muss langfristiger Betriebsspannung und vorübergehender Überspannung (z. B. Blitzeinschlägen) standhalten.
Mechanische Leistung: Die Struktur muss stark genug sein, um den enormen elektromagnetischen Kräften, die bei Kurzschlüssen entstehen, ohne Verformung standzuhalten.
Wärmeleistung: Sollte über eine gute Wärmeableitung verfügen, um sicherzustellen, dass der Temperaturanstieg bei langfristiger Belastung den Grenzwert nicht überschreitet.
Prozessleistung: Der Wickelprozess sollte einfach, wirtschaftlich und zuverlässig sein.

Es ist das Materialsystem, das verschiedene Teile der Wicklung voneinander isoliert und die Wicklung von geerdeten Teilen (wie dem Kern und dem Öltank) trennt. Es ist ein Teil des Transformators, der kein -Stromkreis ist, aber die Sicherheit und Lebensdauer des Transformators bestimmt.
1. Hauptfunktionen

• Potenzialtrennung: Trennt leitende Teile mit unterschiedlichem Potenzial (z. B. Hoch- und Niederspannungswicklungen sowie Wicklung vom Kern) zuverlässig, um Kurzschlüsse zu verhindern.
• Wärmeableitungskanal: Isoliermaterialien (z. B. Transformatoröl) dienen häufig als Kühlmedium und übertragen die von der Wicklung und dem Kern erzeugte Wärme.
• Mechanische Unterstützung: Isoliermaterialien (z. B. Isolierplatten) tragen ebenfalls zur Fixierung und Unterstützung der Wicklungen bei.

2. Isolationsklassifizierung (nach Standort und Funktion)
Das Transformatorisolationssystem wird üblicherweise in zwei Hauptkategorien unterteilt:

• Interne Isolierung: Befindet sich im Transformatoröltank und steht nicht in direktem Kontakt mit der Außenluft.
• Hauptisolierung: Bezieht sich auf die Isolierung zwischen Wicklungen und geerdeten Teilen (z. B. dem Kern und dem Öltank) sowie zwischen Wicklungen unterschiedlicher Spannungsniveaus (z. B. zwischen Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen). Dies ist das Herzstück des Transformatorisolationssystems und bestimmt die Spannungshöhe des Transformators.
• Längsisolierung: Bezieht sich auf die Isolierung innerhalb derselben Wicklung, z. B. die Isolierung zwischen Windungen (Windungs-{0}}zu---Windungsisolierung), zwischen Wicklungsschichten (Schicht--zu--Schicht-Isolierung) und zwischen Wicklungsabschnitten (Abschnitt--zu---Abschnittisolierung).
• Externe Isolierung: Bezieht sich auf Isolierteile, die der Luft außerhalb des Transformators ausgesetzt sind, hauptsächlich die Isolierung an der Oberseite der Durchführungen (außerhalb des Öltanks). Seine Isolationsstärke hängt hauptsächlich von den Luftbedingungen und der Kriechstrecke ab.

3. Hauptisoliermaterialien
Die Isolierung von Transformatoren (insbesondere Öltransformatoren-) ist ein Verbundsystem. Zu den gängigen Materialien gehören:
(1)Flüssige Isoliermaterialien:

• Mineralisches Transformatorenöl: Am häufigsten verwendet. Zu den Funktionen gehören: Isolierung (viel höhere Spannungsfestigkeit als Luft), Wärmeableitung (führt Wärme durch Konvektion ab), Schutz (isoliert Sauerstoff, verzögert die Materialalterung).
• Synthetisches oder natürliches Ester-Isolieröl: Wie Silikonöl oder pflanzliches Isolieröl, das häufig an Orten mit hohen Anforderungen an die Feuerbeständigkeit verwendet wird.

(2) Feste Isoliermaterialien:

• Isolierpapier, Isolierplatte: Wird zur Windungsisolierung, Schichtisolierung, Trennwänden zwischen Wicklungen und Isolierzylindern verwendet. Das Öl--Papier-Verbundisolationssystem ist die klassischste und zuverlässigste Art der Transformatorisolierung.
• Epoxidharz: Wird häufig in Trockentransformatoren -verwendet und bildet durch Gießen eine solide Gesamtisolierung.
• NOMEX®-Papier: Ein hochleistungsfähiges aromatisches Polyamidpapier mit hoher Wärmebeständigkeit, das häufig in Trockentransformatoren oder Spezialtransformatoren verwendet wird.

Transformatorwicklungen sind die „Schaltkreiskanäle“ für die Umwandlung elektromagnetischer Energie, während die Transformatorisolierung das „Schutzsystem“ ist, das Komponenten mit unterschiedlichen Potenzialen sicher trennt; Die Isolierung fungiert als „Panzerung“ für die Wicklungen, sorgt für Sicherheit für deren normalen Betrieb und verhindert Kurzschlussunfälle. Beide ergänzen sich und bestimmen gemeinsam die Leistung, den Spannungspegel und die Betriebszuverlässigkeit des Transformators.