Wie lassen sich Störungen zwischen Anschlussdrähten in Mehrwicklungstransformatoren verhindern?

– Eine eingehende Analyse basierend auf internationalen Standards

In Stromversorgungssystemen, Industrieantrieben und Anwendungen für erneuerbare Energien sind Mehrwicklungstransformatoren aufgrund ihrer effizienten Energieverteilung und Spannungsumwandlung unverzichtbar. Mit zunehmender Wicklungszahl werden jedoch elektromagnetische Störungen (EMI) zwischen den Anschlussleitungen zu einer kritischen Herausforderung für Ingenieure, da sie sich direkt auf die elektrische Isolationsleistung, die Betriebsstabilität und die Lebensdauer der Geräte auswirken. Dieser Artikel analysiert systematisch die Ursachen von Störungen und bietet geprüfte Lösungen basierend auf internationalen Normen wie IEC 60076. Gleichzeitig wird auf SEO-Schlüsselwörter wie Transformatordesign, EMI-Reduzierung und Abschirmung von Mehrwicklungstransformatoren optimiert. 

Inhalt

1. Ursachen elektromagnetischer Störungen: Die grundlegende Physik hinter Energieübersprechen

Elektromagnetische Störungen in Transformatoren mit mehreren Wicklungen entstehen durch die kombinierten Effekte zeitveränderlicher elektrischer und magnetischer Felder und sind mit weitaus größerer Intensität und größeren Risiken verbunden als bei herkömmlichen Strukturen mit zwei Wicklungen:

● Kapazitive Kopplung (Störung durch elektrische Felder)

(1)Ursache:Zwei beliebige Leiter mit unterschiedlichem Potenzial wirken wie Kondensatorplatten und erzeugen Streukapazität (Cs). Wenn sich die Spannung auf einem Leiter (der Störquelle) schnell ändert (hohe dv/dt-Werte, z. B. bei Schaltvorgängen oder Oberschwingungsspannungen), induziert das variierende elektrische Feld einen Verschiebungsstrom (i = Cs × dv/dt) im anderen Leiter (der betroffenen Leitung) und erzeugt so Spannungsrauschen.

(2)Auswirkungen:Hochfrequente Störungen verzerren Mess-/Steuersignale oder lösen Teilentladungen an schwachen Isolationsstellen aus.

● Induktive Kopplung (Magnetfeldstörung)

(1)Ursache:Ein zeitlich veränderlicher Strom (hoher di/dt-Wert, z. B. Kurzschlussströme oder Einschaltströme) in einem Leiter erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Wenn dieses Feld durch eine Schleife fließt, die von einem benachbarten Leiter gebildet wird, induziert es eine Spannung (V = -M × di/dt), wobei M die gegenseitige Induktivität ist.

(2)Auswirkungen:Induzierte Spannungen überlagern normale Signale und verursachen Fehlfunktionen des Relais, Ausfälle des Steuerungssystems oder sogar einen Isolationsdurchschlag.

Tabelle 1: Wichtige Störungsarten und -eigenschaften in Transformatorleitungen mit mehreren Wicklungen

2. Wichtige Minderungsstrategien: Internationale Best Practices zur Störungsunterdrückung

● Optimiertes Wicklungslayout und Anschlusskabelanordnung (physikalische Isolierung)

(1)Maßnahmen:Beachten Sie strikte Zonierungs- und Schichtungsprinzipien. Trennen Sie Wicklungen unterschiedlicher Spannungsebenen (z. B. Hochspannung, Mittelspannung, Niederspannung) oder Funktionen (Strom, Steuerung, Messung) räumlich. Vermeiden Sie lange Parallelverläufe durch senkrechte oder gekreuzte Leitungsführung (maximieren Sie den Abstand d).

(2) Physik dahinter:

– Die kapazitive Kopplung nimmt mit der Entfernung ab:

 C ∝ ε × A / d

             (ε: Permittivität, A: Überlappungsbereich).

–Die Gegeninduktivität (M) hängt von der Schleifenfläche (S) ab:

V_ind ∝ M × di/dt ∝ μ₀ × S × N / (2πr) × di/dt

(μ₀: Vakuumdurchlässigkeit, N: Windungen, r: Abstand).

(3)Normen:IEC 60076-7 (Loading Guide) betont die elektromagnetische Verteilung bei der Hotspot-Steuerung, während IEEE C57.12.00 Sicherheitsabstände vorschreibt.

● Elektrostatische und elektromagnetische Abschirmung (aktive Isolierung)

(1)Maßnahmen:

–Elektrostatische Abschirmung:Wickeln Sie empfindliche Leitungen (z. B. Mess-/Kommunikationskabel) in leitfähige Folie/Geflecht (Kupfer/Aluminium) und erden Sie sie an einem einzigen Punkt. Dadurch entsteht ein Faradayscher Käfig, der elektrische Felder ableitet.

–Elektromagnetische Abschirmung:Umschließen Sie Schaltkreise mit hohem di/dt (z. B. Leistungsschalterleitungen) oder empfindliche Pfade mit Materialien mit hoher Permeabilität (z. B. Mu-Metall, amorphe Legierungen), um magnetische Felder einzuschränken.

(2)Normen:IEC 62305-4 (Blitzschutz) bietet Abschirmungsrichtlinien für Hochspannungssysteme.

● Impedanzanpassung und Filterung (Unterdrückung elektrischer Störungen)

(1)Maßnahmen:

–Ferritperlen:Fügen Sie Ferritringe zu hochfrequenten, rauschanfälligen Leitungen hinzu. Ihre Impedanz (Z ∝ jωμ) absorbiert Störungen in Form von Wärme.

–RC/LC-Filter:Installieren Sie Filter (z. B. Tiefpass) an empfindlichen Eingängen (z. B. Messwicklungen), um Rauschen oberhalb der Grenzfrequenz (f_c = 1/(2πRC)) zu dämpfen.

(2)Anwendungen:Wirksam für Rauschen in Schaltnetzteilen gemäß IEC 61800-3 (EMV des Antriebssystems).

● Isoliermaterial und strukturelles Design (dielektrische Isolierung)

(1)Maßnahmen:

–Verwenden Sie an Kreuzungspunkten Materialien mit hoher Durchschlagfestigkeit (z. B. XLPE, Silikonkautschuk, Kapton®).

–Erhöhen Sie die Kriech-/Luftstrecken gemäß IEC 60664-1 (Isolationskoordination).

– Verwenden Sie für kompakte Designs Epoxid-/Polyurethan-Vakuumguss, um Luftspalte zu vermeiden und die Kühlung zu verbessern.

(2) Physik:

– Eine höhere Durchschlagsfestigkeit erhöht die Teilentladungs-Einsetzspannung (PDIV).

– Größere Kriechstrecken verhindern Oberflächenlichtbögen (Paschen-Gesetz).

(3)Normen:IEC 60076-11 legt die Eigenschaften von Isoliermaterialien fest.

Tabelle 2: Wichtige Eigenschaften von Transformator-Isoliermaterialien (gemäß IEC 60216 und UL 1446)

3. Validierung: Vom Entwurf bis zum Test

Internationale Standards erfordern diese Tests zur Überprüfung der Interferenzminderung:

(1) Teilentladungstest (PD) (IEC 60270):Erkennt Mikroentladungen in der Isolierung.

(2)Induzierte Spannungsprüfung (IEC 60076-3):Validiert die Isolierung bei Überspannung.

(3)Impulsprüfung (IEC 60076-4):Überprüft die Toleranz gegenüber vorübergehenden Überspannungen.

(4)EMV-Prüfungen (IEC 61000-4):Gewährleistet die Einhaltung der Vorschriften für leitungsgebundene/abgestrahlte Emissionen.

Simulationstools (z. B. ANSYS Maxwell) optimieren Designs frühzeitig und senken so die Kosten.

Zusammenfassend

Um Störungen in Transformatorleitungen mit mehreren Wicklungen zu verhindern, ist ein ganzheitlicher Ansatz erforderlich, der eine Kombination aus physischer Isolierung, Abschirmung, Filterung und fortschrittlicher Isolierung gemäß IEC/IEEE-Standards umfasst.

Wichtige Statistiken:

15 % der ungeplanten Transformatorausfälle sind auf Teilentladungen zurückzuführen (US DOE).

Optimierte Designs (z. B. abgeschirmte/kompartimentierte Wicklungen) erhöhen die MTBF um über 40 % (deutsche VDE).

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