Was ist der Grund für die schlechte Stabilität des Transformators?

Als eine der Kernausrüstungen des Stromnetzes übernimmt der Transformator die Schlüsselfunktionen der Spannungsumwandlung, Stromübertragung und -verteilung. Seine Betriebsstabilität wirkt sich direkt auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Energiesystems aus. In modernen Stromnetzen sorgen Transformatoren für eine effiziente Übertragung und sinnvolle Verteilung der Energie, indem sie die Spannungsniveaus ändern und so den Bedarf unterschiedlicher Nutzer an elektrischer Energie decken. Darüber hinaus spielen Transformatoren auch eine wichtige regulatorische Rolle für den stabilen Betrieb des Stromnetzes, beispielsweise bei der Aufrechterhaltung des Spannungsniveaus durch Anpassung der Stufenposition oder bei der Verbesserung des Systemleistungsfaktors durch Blindleistungskompensation. Im tatsächlichen Betrieb treten jedoch bei vielen Transformatoren Probleme wie große Spannungsschwankungen, ungleichmäßige Lastverteilung und verringerte Überlastfähigkeit auf. Diese Phänomene deuten normalerweise auf die „schlechte Stabilitätsleistung“ des Transformators hin. Was sind also die Hauptursachen für die schlechte Stabilitätsleistung von Transformatoren?

I. Unangemessenes Design und Auswahl

1. Falsche Impedanz-Spannungsanpassung

Die Impedanzspannung des Transformators bestimmt die Gleichmäßigkeit der Lastverteilung im Parallelbetrieb. Wenn beim Parallelbetrieb mehrerer Transformatoren die Abweichung der Impedanzspannung zu groß ist, wird der Transformator mit kleinerer Impedanz zu stark belastet und befindet sich für längere Zeit im Überlastzustand, was Auswirkungen auf die Stabilität des Gesamtsystems hat.

2. Unzureichender Kapazitätsspielraum

Wenn die Nennkapazität des Transformators nicht dem tatsächlichen Lastbedarf entspricht, insbesondere in Szenarien mit großen Lastschwankungen (z. B. Inbetriebnahme einer industriellen Produktionslinie, Anschluss eines neuen Energienetzes), arbeitet der Transformator häufig nahe der Nennkapazität oder überschreitet diese, was es schwierig macht, eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

3. Der Einstellbereich des Stufenschalters ist begrenzt

Die Anzahl der Gänge und die Einstellgenauigkeit des Stufenschalters zur Regelung der Lastspannung sind unzureichend und können große Schwankungen der Netzspannung nicht effektiv bewältigen, was dazu führt, dass die sekundärseitige Spannung vom normalen Bereich abweicht.

II. Probleme mit dem Herstellungsprozess und der Materialqualität

1. Schlechte Auswahl des Eisenkernmaterials

Als Kernkomponente des Transformators wirkt sich die Wahl des Eisenkernmaterials direkt auf die magnetischen Eigenschaften, den Leerlaufverlust und die Betriebsstabilität des Transformators aus. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Eisenkernmaterialien gehören hauptsächlich Siliziumstahlbleche und amorphe Legierungen. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den beiden hinsichtlich der magnetischen Permeabilität, der Intensität der magnetischen Sättigungsinduktion und des Eisenverlusts. Siliziumstahlbleche werden aufgrund ihrer hohen magnetischen Permeabilität und geringen Kosten häufig in herkömmlichen Transformatoren verwendet. Der Eisenverlust von Siliziumstahlblechen ist jedoch insbesondere unter Hochfrequenzbedingungen relativ hoch, was zu einem Anstieg des Leerlaufverlusts des Transformators führt, begleitet von einem Anstieg des Lärms und anderen Problemen, wodurch seine Stabilität und Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt wird. Amorphe Legierungsmaterialien haben sich aufgrund ihres extrem geringen Eisenverlusts und ihrer hervorragenden magnetischen Eigenschaften nach und nach zum bevorzugten Material für neue Transformatoren entwickelt. Allerdings sind die mechanische Festigkeit und Verarbeitungsleistung amorpher Legierungen relativ schlecht. Wenn diese Faktoren während des Entwurfsprozesses nicht vollständig berücksichtigt werden, kann es zu Problemen wie Verformung und Rissbildung des Kerns während der Herstellung oder des Betriebs kommen, was die Leistung des Magnetkreises und die Betriebsstabilität des Transformators weiter beeinträchtigt. Daher müssen bei der Auswahl von Eisenkernmaterialien deren magnetische Eigenschaften, Wirtschaftlichkeit und Anwendbarkeit umfassend berücksichtigt werden, um den besten Designeffekt zu erzielen.

2. Mängel im Design der Kernstruktur und im Stapelprozess

Die Rationalität des Kernstrukturdesigns und des Stapelprozesses hat einen wichtigen Einfluss auf die Leistung des Magnetkreises, den Leerlaufstrom und die Betriebsstabilität des Transformators. Erstens führt eine unangemessene Konstruktion des Eisenkerns, wie z. B. übermäßige Verbindungen oder eine schlechte Isolierung zwischen den Blechen, zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Magnetflusses im Magnetkreis, wodurch sich der Leerlaufstrom und der Eisenverlust erhöhen. Dieses Phänomen verringert nicht nur die Betriebseffizienz des Transformators, sondern kann auch lokale Überhitzungsprobleme und in schweren Fällen sogar einen Kernausfall verursachen. Zweitens ist auch der unregelmäßige Stapelprozess ein wichtiger Faktor, der die Kernleistung beeinflusst. Wenn die Teile während des Stapelvorgangs falsch ausgerichtet sind oder die Isolierung beschädigt ist, wird die Kontinuität des Magnetkreises zerstört, was zu erhöhten Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten führt. Darüber hinaus kann eine unzureichende oder ungleichmäßig verteilte Anpresskraft beim Stapeln dazu führen, dass sich der Kern während des Betriebs löst, was sich auf die mechanische Stabilität und den Geräuschpegel auswirkt. Daher muss während des Kerndesign- und Herstellungsprozesses die Genauigkeit des Stapelprozesses streng kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die geometrischen Abmessungen und magnetischen Eigenschaften des Kerns den Designanforderungen entsprechen und so eine zuverlässige Garantie für den stabilen Betrieb des Transformators bieten.

3. Unsachgemäße Wicklungsstruktur und Isolierung

Die Wahl der Wicklungsstruktur hat einen wichtigen Einfluss auf die Wärmeableitungsleistung, die mechanische Festigkeit und die Stabilität des Transformators. Zu den gängigen Wicklungsstrukturen gehören derzeit der zylindrische Typ und der Tortentyp. Jede Struktur verfügt über einzigartige Eigenschaften und anwendbare Szenarien. Zylindrische Wicklungen werden aufgrund ihrer einfachen Struktur und ausgereiften Fertigungstechnologie häufig in kleinen und mittelgroßen Transformatoren eingesetzt. Bei der Anwendung dieser Struktur in großen Transformatoren kann es jedoch zu Problemen mit einer schlechten Wärmeableitung kommen, insbesondere unter Hochlastbedingungen, was leicht zu lokaler Überhitzung führen und somit den stabilen Betrieb des Transformators beeinträchtigen kann. Im Gegensatz dazu verbessern Tortenwicklungen die Wärmeableitungseffizienz und erhöhen die mechanische Festigkeit durch segmentiertes Design, wodurch sie besser für Hochspannungstransformatoren mit großer Kapazität geeignet sind. Wenn jedoch die Struktur falsch ausgewählt wird, beispielsweise indem blind eine bestimmte Struktur ausgewählt wird, ohne die Lasteigenschaften und die Betriebsumgebung vollständig zu berücksichtigen, kann dies zu Problemen wie mechanischer Spannungskonzentration und Isolationsschäden während des Betriebs des Transformators führen und dadurch dessen stabile Leistung beeinträchtigen.

Ein Kurzschluss zwischen den Wicklungswindungen, eine Alterung der Zwischenschichtisolierung oder ein unzureichender Imprägnierungsprozess führen zu einer Teilentladung oder sogar einem Durchschlag zwischen den Windungen, was zu einer abnormalen elektromagnetischen Feldverteilung im Inneren des Transformators und einer Verschlechterung der Ausgangseigenschaften führt.

Daher ist es beim Entwurf der Wicklungsstruktur erforderlich, die Vor- und Nachteile verschiedener Strukturen anhand spezifischer Anwendungsszenarien umfassend zu bewerten, um die optimale Lösung auszuwählen.

4. Unangemessene Gestaltung der Wicklungswindungen

Die Anzahl der Wicklungswindungen ist einer der Kernparameter bei der Transformatorkonstruktion, und ihre Rationalität wirkt sich direkt auf das Spannungsverhältnis, die Stromverteilung und die Gesamtstabilitätsleistung des Transformators aus. Wenn die Anzahl der Wicklungswindungen zu hoch ausgelegt ist, weicht das Spannungsverhältnis zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators vom Nennwert ab, was zu Spannungsabweichungsproblemen führt. Diese Abweichung beeinträchtigt nicht nur die Qualität der Stromversorgung des Stromnetzes, sondern kann auch zu Schäden an der Lastausrüstung führen. Darüber hinaus erhöhen zu viele Windungen den Wicklungswiderstand, was zu erhöhten Kupferverlusten führt und dadurch die Betriebseffizienz des Transformators verringert. Im Gegenteil, wenn die Anzahl der Wicklungswindungen zu gering ausgelegt ist, führt der Transformator unter der Nennlast einen übermäßigen Strom, was das Phänomen der Wicklungserwärmung verschlimmert und sogar zu einer Alterung oder einem Ausfall der Isolationsschicht führen kann, was die Stabilität und Lebensdauer des Transformators ernsthaft beeinträchtigt. Daher ist es bei der tatsächlichen Konstruktion erforderlich, die angemessene Anzahl von Wicklungswindungen auf der Grundlage von Faktoren wie der Nennkapazität, dem Spannungspegel und der Betriebsumgebung des Transformators genau zu berechnen und zu bestimmen, um sicherzustellen, dass der Transformator im Langzeitbetrieb eine stabile Leistung beibehält.

5. Schlechte Kabelqualität

Drähte sind die Grundbestandteile von Transformatorwicklungen und ihre Qualität wirkt sich direkt auf den Widerstandswert, die elektrische Festigkeit und die Gesamtstabilität der Wicklungen aus. Wenn der spezifische Widerstand des Drahtes zu hoch ist, erhöht sich der Wicklungswiderstand, was zu zusätzlichen Kupferverlusten und Problemen mit dem Temperaturanstieg führt. Dieser Temperaturanstieg beschleunigt nicht nur die Alterung des Isoliermaterials, sondern kann auch die elektrische Festigkeit der Wicklung verringern und das Risiko eines Kurzschlussausfalls erhöhen. Darüber hinaus hat auch die Qualität der Drahtisolationsschicht einen wichtigen Einfluss auf die stabile Leistung des Transformators. Wenn die Isolationsschicht Probleme wie ungleichmäßige Dicke und unzureichende Spannungsbeständigkeit aufweist, kann es leicht zu Kurzschlüssen zwischen den Windungen oder Wicklungserdschlüssen kommen, die den normalen Betrieb des Transformators beeinträchtigen. Insbesondere unter Hochlastbedingungen wird das Problem der schlechten Leiterqualität noch verstärkt, was zum Ausfall des Transformators aufgrund von Überhitzung oder Stromausfall führen kann. Daher müssen die Drahtmaterialien während des Herstellungsprozesses des Transformators streng geprüft werden, um sicherzustellen, dass ihre Widerstands- und Isolationseigenschaften den Designanforderungen entsprechen, um den stabilen Betrieb des Transformators sicherzustellen.

6. Schlechte Leistung der Isoliermaterialien

Isoliermaterialien spielen eine wichtige Rolle bei der Isolierung von Komponenten mit unterschiedlichen Potenzialen in Transformatoren und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit und Gesamtstabilität des Transformatorisolationssystems aus. Wenn das Isolationsmaterial eine geringe Hitzebeständigkeit aufweist, können seine mechanische Festigkeit und seine elektrischen Eigenschaften unter hohen Belastungs- oder Überlastbedingungen schnell abnehmen, was zu einem Isolationsdurchbruch oder einer Teilentladung führen kann. Darüber hinaus ist auch die Koronabeständigkeit des Isoliermaterials ein entscheidender Faktor für die Stabilität des Transformators. Wenn das Isoliermaterial einer starken elektrischen Feldumgebung ausgesetzt ist und seine Koronabeständigkeit nicht ausreicht, kann es leicht zu Koronaentladungen kommen, die zu Korrosion und einer Verschlechterung der Isolieroberfläche führen und letztendlich die Lebensdauer des Transformators verkürzen. Untersuchungen zeigen, dass eine schlechte Leistung von Isoliermaterialien nicht nur die Ausfallrate des Transformators erhöht, sondern sich auch negativ auf seinen wirtschaftlichen Betrieb auswirken kann, wie z. B. höhere Wartungskosten und Stromausfallverluste. Deshalb sollten im Transformatorherstellungsprozess leistungsstarke Isoliermaterialien Vorrang haben und strengen Tests und Überprüfungen unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie unter verschiedenen Betriebsbedingungen eine stabile Leistung aufrechterhalten können.

III. Raue Betriebsumgebung

1. Übermäßige Temperatur oder schlechte Wärmeableitung

Wenn Transformatoren über einen längeren Zeitraum in Umgebungen mit hohen Temperaturen betrieben werden (z. B. wenn sie im Sommer direktem Sonnenlicht im Freien oder in schlecht belüfteten Umspannwerken ausgesetzt sind), altert das Isoliermaterial schneller, die dielektrischen Eigenschaften der Öl-Papier-Isolierung verschlechtern sich, was zu erhöhten internen Teilentladungen, Drift der elektrischen Parameter und verringerter Stabilität führt.

2. Hohe Luftfeuchtigkeit und starke Verschmutzung

Hohe Luftfeuchtigkeit kann zusammen mit Verunreinigungen wie Salznebel und Staub, die an den Oberflächen von Durchführungen und Isolatoren haften, den äußeren Isolationsgrad verringern, Kriechüberschläge auslösen, sofortige Erdungen oder Kurzschlüsse verursachen und zu starken Spannungsschwankungen führen.

3. Oberwellen- und Stoßlastinterferenzen

Eine große Menge an Oberschwingungen, die durch nichtlineare Lasten (wie Frequenzumrichter, Gleichrichter und Lichtbogenöfen) erzeugt werden, wenn sie in Transformatoren eingespeist werden, erhöhen die Kupfer- und Eisenverluste und verursachen zusätzliche Erwärmung. Gleichzeitig können Oberschwingungsströme auch den magnetischen Fluss im Kern verzerren und so die Stabilität der Wellenform und Amplitude der Ausgangsspannung beeinträchtigen.

IV. Unzureichendes Betriebs- und Wartungsmanagement

1. Mangel an regelmäßigen Inspektionen und vorbeugenden Tests: Vorbeugende Tests wie Isolationswiderstandsprüfungen, dielektrische Verlustmessungen und Ölchromatographieanalysen wurden nicht rechtzeitig durchgeführt, sodass interne latente Fehler (z. B. örtliche Überhitzung, Entladung oder Eindringen von Feuchtigkeit) nicht rechtzeitig erkannt werden konnten. Dies führte dazu, dass Probleme nicht frühzeitig erkannt wurden, sodass sie eskalierten und die Stabilität erheblich beeinträchtigten.

2. Vernachlässigte Wartung des Kühlsystems: Ausfälle in Kühlgeräten wie Lüftern, Ölpumpen und Kühlern wurden nicht umgehend repariert oder die Kühler waren stark mit Staub verstopft, was die Wärmeableitungseffizienz des Transformators verringerte und die Öltemperatur erhöhte. Dies beschleunigte die Alterung der Isolierung und die Verschlechterung der elektrischen Leistung.

3. Unsachgemäßer Betrieb von Stufenschaltern: Bei der manuellen oder automatischen Spannungsregelung können Probleme wie festsitzende Stufenschaltermechanismen, verbrannte Kontakte oder mechanische Fehler auftreten, was zu einer fehlerhaften Spannungsregelung oder falschen Stufenpositionen führen kann, was zu unkontrollierten Ausgangsspannungen führen kann.

V. Externe Stromnetzfaktoren

1. Die Systemspannung schwankt häufig

Die Spannung des vorgelagerten Stromnetzes steigt oder fällt aufgrund umfangreicher Lastschaltungen, Fehlerauslösungen usw. plötzlich. Wenn die Spannungsregulierungskapazität des Transformators überschritten wird, kann der Transformator die Stabilität der sekundärseitigen Spannung nicht aufrechterhalten.

2. Ein dreiphasiges Ungleichgewicht ist schwerwiegend

Die einphasige Hochleistungslast auf der Niederspannungsseite ist ungleichmäßig verteilt, was zu einem gravierenden Ungleichgewicht des Drehstroms und einer Verschiebung des Sternpunktes führt. Dies führt nicht nur zu einem Anstieg des Nullstroms und zusätzlichen Verlusten, sondern macht auch die dreiphasige Ausgangsspannung asymmetrisch, was den normalen Betrieb elektrischer Geräte beeinträchtigt.

VI. Zusammenfassung und Verbesserungsvorschläge

Eine schlechte Stabilitätsleistung des Transformators ist oft das Ergebnis der Überlagerung mehrerer Faktoren, und eine einzelne Ursache kann selten unabhängig voneinander schwerwiegende Folgen haben. Als Reaktion auf die oben genannten Probleme wird empfohlen, die folgenden Aspekte zu verbessern:

• Optimieren Sie das frühe Design: Wählen Sie die Transformatorkapazität, die Impedanzspannung und die Spannungsregelungsmethode entsprechend den tatsächlichen Lasteigenschaften angemessen aus und verwenden Sie bei Bedarf einen Lastspannungsregelungstransformator.
• Kontrollieren Sie die Fertigungsqualität streng: Wählen Sie hochwertige Siliziumstahlbleche und hochwertige Isoliermaterialien aus und verstärken Sie die Werkstests, um die Prozesskonsistenz sicherzustellen.
• Verbessern Sie die Betriebsumgebung: Sorgen Sie für eine gute Belüftung des Transformatorraums, installieren Sie Temperaturkontroll- und Entfeuchtungsgeräte und entfernen Sie regelmäßig Schmutz.
• Stärken Sie das Betriebs- und Wartungsmanagement: Richten Sie ein wissenschaftliches Inspektionssystem ein, führen Sie regelmäßig Ölprobenanalysen und elektrische Tests durch und ersetzen Sie alternde Teile rechtzeitig.
• Verbessern Sie die Qualität des Stromnetzes: Installieren Sie Filter- und Blindleistungskompensationsgeräte, optimieren Sie die dreiphasige Lastverteilung und reduzieren Sie die Auswirkungen von Oberschwingungen und Unsymmetrien auf den Transformator.

Nur durch die Kontrolle der gesamten Kette von der Entwurfsquelle bis zum täglichen Betrieb und der Wartung kann die stabile Leistung des Transformators effektiv verbessert und der sichere und zuverlässige Betrieb des Stromsystems gewährleistet werden.