Spezielle Anforderungen an Wicklungsleiter in Transformatoren aus amorphen Legierungen: Technische Analyse und Leitfaden zu internationalen Normen

Als revolutionärer Werkstoff in der Transformatorenindustrie ist amorphe Legierung für ihre extrem geringen Kernverluste bekannt, die den Leerlaufenergieverbrauch um 60–80 % reduzieren. Ihre einzigartigen Betriebseigenschaften stellen jedoch auch höhere Anforderungen an die Wicklungsleiter. Dieser Artikel befasst sich mit den besonderen Anforderungen an Wicklungsleiter in Transformatoren aus amorpher Legierung, erläutert die zugrundeliegenden technischen Prinzipien und bietet Lösungen, die internationalen Normen (IEC, IEEE) entsprechen. 

Inhalt

1. Umgang mit höherfrequenten Harmonischen: Auswahl verlustarmer leitfähiger Materialien

● Ursache:Die Magnetisierungskurve der amorphen Legierung ist „härter“, was zu stärkeren Verzerrungen im Erregerstromverlauf führt. Dies resultiert in einem deutlich höheren Anteil an Oberschwingungen (insbesondere der 3., 5. und 7. Ordnung) im Leerlaufstrom im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahltransformatoren. Fließen diese hochfrequenten Ströme durch die Wicklungsleiter, verursachen sie ausgeprägte Skin- und Proximity-Effekte.

● Anforderung:Verwenden Sie Leiter mit hoher Leitfähigkeit und niedrigem spezifischem Widerstand, vorzugsweise sauerstofffreies Kupfer (OFC).

● Prinzip und Auswirkungen:

(1)Leitfähigkeit und Verluste:Der Wechselstromwiderstand (Rac) eines Leiters unter Berücksichtigung des Skin-Effekts ist deutlich höher als sein Gleichstromwiderstand (Rdc). Die vereinfachte Formel für Rac lautet:

Rac ≈ Rdc × (1 + F)

wobei F ein Koeffizient ist, der von der Frequenz, der Leitergröße und der Leiterform abhängt.

spezifischer Widerstand von Kupfer (ρ ≈ 1.68×10⁻⁸ Ω·m bei 20°C) ist viel niedriger als Aluminium (ρ ≈ 2.82×10⁻⁸ Ω·mUnter den gleichen Bedingungen weisen Kupferleiter einen niedrigeren Rac-Wert auf, und gemäß dem Joule'schen Gesetz (P = I²R) reduziert dies die Lastverluste, was für die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von Transformatoren aus amorphen Legierungen von entscheidender Bedeutung ist.

(2)Hauttiefe:Die Skin-Tiefe (δ) misst die effektive Eindringtiefe des Stroms in einen Leiter und wird wie folgt berechnet:

δ = √(ρ / (π × f × μ))

 wo:

ρ = spezifischer Widerstand

f = Frequenz

μ = Permeabilität

Höhere Frequenzen (f) führen zu geringeren Eindringtiefen (δ), wodurch sich der Strom nahe der Leiteroberfläche konzentriert, die effektive Querschnittsfläche verringert und der Widerstand erhöht wird. Die hohe Leitfähigkeit von Kupfer gewährleistet bei gleicher Frequenz eine größere Eindringtiefe und minimiert so zusätzliche Hochfrequenzverluste.

(3)Vorteile von sauerstofffreiem Kupfer:OFC weist einen extrem niedrigen Sauerstoffgehalt (<5 ppm) und weniger Verunreinigungen auf, was zu einer gleichmäßigeren Kristallstruktur und einer Leitfähigkeit nahe dem theoretischen Wert von reinem Kupfer (100 % IACS) führt. Dadurch werden Widerstand und Verluste im Vergleich zu herkömmlichem elektrolytischem Kupfer (ETP) weiter reduziert.

2. Höherer thermischer Belastung standhalten: Hochtemperatur-Isoliersysteme

● Ursache:
(1)Hotspot-Temperaturen: Kerne aus amorpher Legierung Sie arbeiten typischerweise mit höheren magnetischen Flussdichten. Obwohl die Kernverluste gering sind, konzentriert sich die Wärme stärker im Kern selbst. Die ultradünnen amorphen Streifen (~25 μm) weisen kurze Wärmeleitungswege und eine geringere Wärmeableitung auf, was potenziell die Kerntemperatur erhöht und Wärme auf benachbarte Niederspannungswicklungen (insbesondere innere Lagen) abgibt.

(2)Überlastfähigkeit: Streifen aus amorpher Legierung weisen eine niedrigere Curie-Temperatur (~410 °C) auf und neigen bei hohen Temperaturen zur Kristallisation und Versprödung. Um die Kernsicherheit zu gewährleisten, werden konservative Temperaturanstiegsgrenzwerte (gemäß IEC 60076 oder IEEE C57.12.00/01) festgelegt, die einen zuverlässigen Betrieb der Isoliersysteme unter strengeren thermischen Belastungen erfordern.

● Anforderung:Verwenden Sie Dämmstoffe mit höheren Wärmeklassen (z. B. H-Klasse oder höher) und optimieren Sie die Dämmkonstruktion.

● Prinzip und Auswirkungen:
(1)Höhere Wärmeklasse:Bevorzugt wird die H-Klasse (180 °C) oder höher.  Isolierung (z. B. Nomex® mit einer Temperaturbeständigkeit von 220 °C) gegenüber herkömmlichen Materialien der Klasse B (130 °C) oder Klasse F (155 °C).

(2)Materialeigenschaften:Hochtemperatur-Isoliermaterialien (z. B. Polyimidfolien, Aramidpapier, Hochtemperaturharze) behalten auch bei hohen Temperaturen ihre ausgezeichnete elektrische Festigkeit, mechanische Stabilität und Alterungsbeständigkeit. So hält beispielsweise Nomex® (Aramidpapier von DuPont) zehntausenden Stunden bei 220 °C stand, während Materialien der Klasse B schnell degradieren.

(3)Lebensdauer bei thermischer Alterung: Die Lebensdauer der Isolierung folgt dem Arrhenius-Gesetz: Jede Temperaturerhöhung um 10 °C verdoppelt die Alterungsrate. Materialien mit höherer Wärmeklasse weisen bei gleicher Betriebstemperatur eine langsamere Alterung auf, was die Lebensdauer des Transformators deutlich verlängert.

(4)Strukturiertes Design:Optimieren Sie die Wicklungsanordnung (z. B. durch Hinzufügen von Kühlkanälen) und verwenden Sie wärmeleitende Isolierung (z. B. Epoxidharz mit Füllstoffen), um die Wärme schneller abzuleiten und die Betriebstemperaturen zu senken.

3. Anpassung an besondere mechanische Eigenschaften: Flexible Leiter und stoßfeste Strukturen

● Ursache:
(1)Kernmerkmale:Streifen aus amorphen Legierungen sind von Natur aus hart und spröde. Elektromagnetische Kräfte im Betrieb verursachen Mikrovibrationen, die über Kernklemmen und Abstandshalter auf die Wicklungen übertragen werden.

(2)Kurzschlusskräfte:Bei Fehlern wirken auf die Wicklungen massive, kurzzeitige elektromagnetische Kräfte (Lorentzkräfte). Die mechanische Dämpfung von amorphen Kernen unterscheidet sich von der von Siliziumstahl.

● Anforderung:
(1)Flexibilität des Leiters:Verwenden Sie weiche, biegsame Leiter (z. B. gut geglühtes, weiches Kupfer) und Drähte mit kleinem Querschnitt (z. B. Litzen- oder transponierte Leiter).
(2)Strukturelle Verstärkung:Wicklungen benötigen eine robuste Unterstützung und Klemmung, um Vibrationen und Kurzschlusskräften standzuhalten.

● Prinzip und Auswirkungen:
(1)Flexible Leiter:Weiches Kupfer widersteht Kaltverfestigungsbrüchen unter wiederholter Belastung. Dünne Drähte (z. B. Litzendraht) passen sich besser an die durch den Leiterkern verursachten Vibrationen an, wodurch der Isolationsverschleiß reduziert wird. Bei Fehlern absorbieren flexible Leiter einen Teil der Aufprallenergie.

(2) Kurzschlusswiderstand:Die Kurzschlusskräfte (F) sind proportional zum Quadrat des Stroms (I²). Wichtige Messgrößen sind:

-Hochfeste Isolierzylinder (z. B. vorverdichtete Platten oder CRGE) zur radialen Abstützung.
-Axiale Klemmkräfte (F_Klemme > K × F_max_axial, wobei K > 1.5).
-Optimierte Abstandshalter und Blöcke (z. B. hochdichte Laminate) um die Kräfte zu verteilen.
-Verstärkte Wickelenden (z. B. geformte Winkelringe) zur Vermeidung von Verformungen.

Tabelle 1: Wichtigste Anforderungen und Lösungen für amorphe Transformatorleiter

Tabelle 2: Eigenschaften von Kupfer- und Aluminiumleitern (gemäß IEC 60228) 

Zusammenfassend

Transformatoren aus amorphen Legierungen sind für energieeffiziente Stromversorgungssysteme unerlässlich. Ihre extrem niedrigen Leerlaufverluste erfordern strenge Anforderungen an Leiter und Isolation: hohe Leitfähigkeit (vorzugsweise glasfaserverstärkter Kunststoff), hohe Wärmeklasse (H-Klasse+) und überlegene mechanische Flexibilität. Das Verständnis der zugrundeliegenden Prinzipien (Skin-Effekt, thermische Alterung, Kurzschlusskräfte) und die Einhaltung der IEC/IEEE-Normen (z. B. IEC 60076, IEEE C57) gewährleisten weltweite Zuverlässigkeit.

Durch die Auswahl optimierter Leiter und Isolationsmaterialien in Verbindung mit robusten Konstruktionen werden maximale Energieeinsparungen erzielt, die Fehlerbeständigkeit erhöht und die Lebensdauer verlängert – und somit ein unvergleichlicher Lebenszykluswert für Stromversorgungslösungen weltweit geschaffen.

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