Wie kann das Design der Transformatorstruktur optimiert werden, um den Temperaturanstieg zu reduzieren?

—Schlüsseltechnologieanalyse

In Stromübertragungs- und -verteilungssystemen sind Transformatoren zentrale Komponenten, deren Betriebstemperatur sich direkt auf Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Lebensdauer auswirkt. Forschungsdaten der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigen, dass sich die Alterung von Isoliermaterialien pro 10 K Verringerung des Temperaturanstiegs eines Transformators um 50 % verlangsamt, während sich die Effizienz um 0.3–0.7 % verbessert. Mit der Beschleunigung der globalen Energiewende und strengeren Energieeffizienzvorschriften (z. B. schreibt die EU-Ökodesign-Verordnung 2021 eine Reduzierung der Leerlaufverluste von Verteiltransformatoren um 10–20 % vor) ist die Temperaturanstiegskontrolle zu einem entscheidenden Konstruktionskriterium geworden. Dieser Artikel analysiert systematisch technische Lösungen zur strukturellen Optimierung und Temperaturanstiegskontrolle von Transformatoren aus interdisziplinären Perspektiven, darunter Materialwissenschaft, Elektromagnetik und Thermodynamik, und liefert technische Erkenntnisse für die Branche.

Inhalt

1. Kernsystemoptimierung: Von der Materialinnovation zum Strukturdesign

● Mikromechanismen und Makrovorteile von hochpermeablem Siliziumstahl

Kernverluste machen 30–50 % der gesamten Transformatorverluste aus, weshalb moderne Siliziumstahlbleche eine grundlegende Maßnahme zur Reduzierung des Temperaturanstiegs darstellen. Auf mikroskopischer Ebene erreicht kaltgewalzter kornorientierter (CRGO) Siliziumstahl eine Goss-Texturausrichtung von über 85 % (im Vergleich zu 30–40 % bei herkömmlichem Siliziumstahl). Dadurch wird sichergestellt, dass die Magnetisierungsrichtung mit der Vorzugsachse übereinstimmt, und die Hystereseverluste werden um 40–60 % reduziert. Untersuchungen der JFE Steel Corporation zeigen, dass 0.23 mm dicker Siliziumstahl 30JG120 einen Einheitsverlust von nur 1.10 W/kg bei einer Arbeitsflussdichte von 1.7 T aufweist – eine Reduzierung um 25 % im Vergleich zu herkömmlichem 0.3 mm dickem Siliziumstahl.

Zu den wichtigsten Parametern für praktische technische Anwendungen gehören:

(1)Dickenauswahl:0.23 mm Siliziumstahl reduziert Wirbelstromverluste um 15 % im Vergleich zu 0.27 mm, erhöht aber die Kosten um 20 %.

(2) Beschichtungstechnologie:Phosphat-Silikat-Verbundisolationsbeschichtungen erreichen einen Interlaminierungswiderstand von über 100 Ω·cm².

(3) Magnetostriktionskontrolle:Durch Laserritzen wird der Magnetostriktionskoeffizient auf unter 0.5 ppm reduziert, wodurch die vibrationsbedingte Erwärmung minimiert wird.

Tabelle 1: Vergleich der Kernmaterialien

● Fluiddynamik und elektromagnetische Analyse der Gelenkstrukturinnovation

Ungleichmäßige Flussverteilung an Kernverbindungen führt zu lokalen Hotspots. Multiphysikalische Optimierung kann dieses Problem deutlich entschärfen. Ein 45°-Gehrungsdesign reduziert den Flusswinkel von 90° auf 45°, wodurch die Spitzenflussdichte an der Verbindung von 1.8 T auf 1.5 T sinkt und die lokalen Verluste um 35 % reduziert werden. Die Praxis von ABB zeigt, dass eine fünfstufige Stufenverbindung mit einem Spalt von 0.5 mm den Leerlaufstrom um 12 % reduziert, was einem Rückgang der Kerntemperatur um 4–6 K entspricht.

Wichtige technische Punkte:

(1) Gelenkwinkeloptimierung:45° Gehrungsverbindungen reduzieren Querstreufluss um 50 % im Vergleich zu Stoßverbindungen.

(2)Stufendesign:Dreistufige Verbindungen glätten den Fluss Übergang, wodurch der Temperaturanstieg der Verbindung um 3–5 K reduziert wird.

(3)Laserbehandlung:Durch lokale Laserbestrahlung wird die Korngröße in den Verbindungsbereichen auf 20–30 μm verfeinert.

2. Wicklungssystemdesign: Von der Leiterauswahl bis zur thermischen Feldoptimierung

● Elektrothermische Kopplungsprinzipien für Leitermaterialien

Der Wechselstromwiderstand von Wicklungsleitern wirkt sich direkt auf die Lastverluste aus und erfordert die Berücksichtigung von Skin- und Proximity-Effekten. Übersteigt die Leiterdicke d die 1.5-fache Eindringtiefe δ (δ ≈ 9.3 mm für Kupfer bei 50 Hz), steigt der Wechselstromwiderstand stark an. Transponierte Leiter lösen dieses Problem durch periodisches Drehen der Litzen (alle 5–10 mm), wodurch die Stromverteilung ausgeglichen und die Umlaufverluste auf <5 % der Gesamtverluste begrenzt werden.

Technische Überlegungen:

(1) Leiterform:Flache Kupferdrähte mit einem Breite-Dicke-Verhältnis von 3:1 reduzieren den Wechselstromwiderstand im Vergleich zu runden Drähten um 15 %.

(2)Transpositionstonhöhe:Für Wicklungen mit einer Stromstärke von >1000 A wird ein Abstand von ≤ 8 mm empfohlen.

(3)Isoliersystem:Nomex®-Isolierpapier (180 °C-Einstufung) erreicht bei einer Dicke von 0.05 mm einen Füllfaktor von 0.85.

Die korrigierte Formel für den Wechselstromwiderstand:

Rac = Rdc[1 + 0.00393(T-20)]·(1 + kₛ·F(d/δ) + kₚ·G(s/d))

  Kennzahlen:

k = Skin-Effekt-Koeffizient (0.8-1.2)

k = Näherungseffektkoeffizient (0.5-1.0)

F, G = empirische Funktionen

● Aktive Strategien zur thermischen Feldsteuerung

CFD-Analysen zeigen, dass herkömmliche durchgehende Wicklungen axiale Temperaturgradienten von 15–20 K aufweisen, während axial geteilte Wicklungen mit gerichteten Ölkanälen diesen auf 8 K begrenzen. Die Fallstudie von Siemens Energy an einem 800-kVA-Transformator zeigte eine Reduzierung der Hotspot-Temperatur um 12 K durch:

(1)Radiale Aufteilung:Vier parallele Pfade reduzieren die Stromdichte von 3.2 auf 2.6 A/mm².

(2) Axiale Ölkanäle:6 mm vertikale Kanäle erhöhen die Ölgeschwindigkeit von 0.1 m/s auf 0.25 m/s.

(3)Endabschirmung:Elektrostatische Kupferringe reduzieren die Endfeldstärke von 3.5 kV/cm auf 2.0 kV/cm.

3. Innovationen bei Kühlsystemen: Von der passiven zur intelligenten Steuerung

● Multiskalige Optimierung von Ölflusssystemen

Die Wärmeableitung in Öltransformatoren hängt von der Ölströmungsführung ab. Eine optimierte gezielte Kühlung verbessert den Wärmeübergangskoeffizienten h um 30–50 %:

 Nu = 0.023·Re^0.8·Pr^0.4
 (Nu = Nusselt-Zahl, Re = Reynolds-Zahl, Pr = Prandtl-Zahl)

Wichtige Praktiken:

(1) Dimensionierung des Ölkanals:6–8 mm große Kanäle optimieren die Turbulenz (Re≈4000).

(2) Strömungsgeschwindigkeit:0.2–0.3 m/s gleicht Druckabfall und Wärmeübertragung aus.

(3) Fortschrittliche Öle:Synthetische Ester bieten eine um 15 % niedrigere Viskosität und einen um 20 % höheren h als Mineralöl.

● Dynamische Reaktion intelligenter Kühlsysteme

IoT-basierte Systeme passen die Kühlung in Echtzeit an:

(1) Lüftersteuerung:Der intermittierende Betrieb bei <60 % Last reduziert den Energieverbrauch um 40 %.

(2) Pumpen mit variabler Drehzahl:Durch die Frequenzregelung wird die Pumpenleistung bei Teillast um 50 % reduziert.

(3)Wärmerohre:Bewältigen Sie Hotspot-Wärmeströme von bis zu 50 W/cm².

4. Sich entwickelnde Standards und zukünftige Trends

Die neuesten Effizienzstandards setzen strengere Grenzwerte:

(1)IEC 60076-14:2019:Echtzeit-Hotspot-Überwachung erforderlich.

(2)IEEE C57.91-2011:Grenzwert für den Temperaturanstieg im oberen Ölbereich von 60 °C auf 55 °C reduziert.

(3)China GB 20052-2020:Tier-1-Transformatoren müssen die Leerlaufverluste um 20 % senken.

Aufkommende Technologien:

(1)Digitales Wärmemanagement:Echtzeit-Temperaturfeldvorhersage über digitale Zwillinge.

(2)Nanofluide:Über 30 % höhere Wärmeübertragungskoeffizienten.

(3)Supraleiter:Hochtemperatur-Supraleitertransformatoren eliminieren Kupferverluste.

Zusammenfassend

Die Optimierung des Temperaturanstiegs erfordert einen ganzheitlichen Ansatz zur Material-Struktur-Kontrolle. Kombinierte Maßnahmen können den Temperaturanstieg um 15–25 K reduzieren, die Effizienz um 0.8–1.5 % steigern und die jährlichen CO₂-Emissionen um 5–10 Tonnen (pro 1000-kVA-Transformator) senken. Hersteller sollten multiphysikalische Designplattformen einsetzen, um die Temperaturkontrolle über den gesamten Produktlebenszyklus zu integrieren.

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LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, der sich seit über 50 Jahren auf Leistungstransformatoren und Reaktoren spezialisiert hat. Führende Produkte sindEinphasentransformator, Dreiphasen-Trenntransformator, elektrischer Transformator, Verteilungstransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator; Gleichstrominduktoren, Wechselstromdrosseln, Filterdrosseln, Netz- und Lastdrosseln, Drosseln, Filterdrosseln und Zwischen- und Hochfrequenzprodukte.

Unsere Leistungstransformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen eingesetzt: Schnellverkehr, Baumaschinen, erneuerbare Energien, intelligente Fertigung, medizinische Geräte, Explosionsschutz in Kohlebergwerken, Erregersysteme, Vakuumsintern (Öfen), zentrale Klimaanlagen.

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