Welche Rolle spielt das Vakuum-Druck-Imprägnierungsverfahren (VPI)?

 — Der entscheidende Schritt zur Verlängerung der Isolationslebensdauer in Trockentransformatoren

In Rechenzentren, Gewerbegebäuden, Kraftwerken für erneuerbare Energien und Industrieanlagen weltweit sind Niederspannungs-Trockentransformatoren aufgrund ihrer zentralen Vorteile zu wichtigen Komponenten von Stromverteilungssystemen geworden: ölfreier Betrieb, Feuerbeständigkeit, Umweltfreundlichkeit und einfache Wartung. Ihre langfristige Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Isolierung werden jedoch im Wesentlichen durch ein entscheidendes Herstellungsverfahren gewährleistet – die Vakuum-Druck-Imprägnierung (VPI). VPI ist weit mehr als nur ein einfacher Imprägnierschritt. Es handelt sich um einen präzisen physikalischen Prozess, der mikroskopische Defekte in Wicklungen beseitigt und so ein dichtes, gleichmäßiges und fehlerfreies integriertes Isolationssystem schafft. Dies verbessert die elektrische Leistung, Umweltbeständigkeit, Wärmemanagementeffizienz und mechanische Festigkeit von Niederspannungs-Trockentransformatoren erheblich und ist der Schlüssel zu einer Lebensdauer von 30 Jahren oder mehr.

Inhalt

1. Elektrischer Leistungssprung: Beseitigung von Teilentladungen und Verdoppelung der Durchschlagsfestigkeit

●Grundursache (Problem):
Die Wicklungsstruktur von Niederspannungs-Trockentransformatoren ist komplex und weist zahlreiche mikroskopisch kleine Luftspalte und Kapillarporen zwischen Leitern, Zwischenisolationsmaterialien (z. B. Nomex®-Papier, Glasfasergewebe) und Stützen auf. Diese Poren schließen während der Herstellung und des Betriebs leicht Spuren von Feuchtigkeit oder Luft ein. Die Durchschlagsfestigkeit von Luft und Wasser (~3 kV/mm) ist weitaus geringer als die von Epoxidharz (>20 kV/mm). Unter Hochspannungsfeldern ionisieren die Gas-/Flüssigkeitsmoleküle in diesen Poren und lösen eine Teilentladung (TE) aus. Kontinuierliche Teilentladungen wirken wie „winzige elektrische Funken“, die das Isolationsmaterial unaufhaltsam erodieren, Polymerketten aufbrechen und eine allmähliche Karbonisierung verursachen. Dies führt zu einer fortschreitenden Verschlechterung der Isolation und schließlich zum Durchschlag.

● VPI-Lösung (Maßnahmen):

(1)Tiefvakuumstufe: TDie montierten Transformatorwicklungen werden in eine Vakuumkammer gelegt und auf Hochvakuum (typischerweise <1 mbar) evakuiert. Das Vakuum dient zwei wichtigen Zwecken:

-Entfernt gewaltsamLuft und absorbierte Feuchtigkeit aus den Poren, wodurch die innere Gasdichte und Feuchtigkeit drastisch reduziert und die Grundursache der Teilentladung beseitigt wird.

-Öffnet und löschtKapillarkanäle im Isoliermaterial und bereiten sie auf das Eindringen des Harzes vor.

(2) Druckimprägnierungsphase:Unter Aufrechterhaltung des Vakuums oder Niederdrucks wird niedrigviskoses, lösungsmittelfreies Epoxidharz in die Wicklungen eingespritzt, um sie vollständig zu bedecken. Anschließend wird Hochdruck (typischerweise 5–8 bar) angelegt. Dieser Druck treibt das Harz schnell und tief in alle Mikroporen, Kapillaren und winzigen Lücken zwischen Wicklungslagen und Windungen und ersetzt und füllt dabei jegliches Restgas.

●Leistungsverbesserung (Ergebnis):

(1) Deutlich höhere Durchschlagsfestigkeit:Das dichte Harz schließt nahezu alle Luftspalte geringer Festigkeit aus und erhöht so die Durchschlagsspannung des Isolationssystems drastisch. Dies ergibt sich aus der Formel für die Durchschlagsfestigkeit:

     Eb∝(d⋅εr)−1

woher Eb ist die Durchschlagsfeldstärke (kV/mm),d ist die effektive Luftspaltgröße (mm) und εr ist die Dielektrizitätskonstante des Materials. VPI minimiert d, wodurch Eb.

(2)Ultraniedrige Teilentladung:VPI entspricht der Norm IEC 60076-11 für Trockentransformatoren und stellt sicher, dass die Teilentladungs-Einsetzspannung (PDIV) die Betriebsspannung deutlich übersteigt. Die gemessenen Teilentladungspegel (PD) werden konstant bei <5 pC stabilisiert (deutlich unter dem Standardgrenzwert von ≤10 pC), was einen langfristigen entladungsfreien Betrieb und eine längere Lebensdauer garantiert.

(3) Stabile Kapazitätseigenschaften:Die homogene Isolationsstruktur sorgt für stabilere und vorhersagbarere Kapazitätsparameter und unterstützt so den Systemschutz und die Zustandsüberwachung.

2. Umweltschutz: Schutz vor Feuchtigkeit, Verschmutzung und chemischer Erosion

● Grundursache (Problem):
Niederspannungs-Trockentransformatoren werden häufig in rauen Umgebungen eingesetzt – bei hoher Luftfeuchtigkeit (Küstengebiete, Tropen), Staub (Industriegebiete) oder korrosiven Gasen (Chemiewerke, Abwasseraufbereitung). Nicht VPI-behandelte Wicklungen (z. B. tauchlackiert) können zwar oberflächengeschützt sein, interne Mikrokanäle und Zwischenräume zwischen den Schichten bleiben jedoch unversiegelt. Dadurch können Feuchtigkeit, Salznebel, leitfähiger Staub und Säure-/Laugendämpfe langsam in die Isolierung eindringen oder sich in ungefüllten Zwischenräumen ansammeln. Die Folgen sind ein verringerter Isolationswiderstand, erhöhter Leckstrom, elektrochemische Korrosion, Kriechstrombildung und sogar Überschlagsfehler, die die Alterung der Isolierung beschleunigen.

● VPI-Lösung (Maßnahmen):

Bei der Hochdruckimprägnierung füllt Epoxidharz nicht nur die inneren Poren, sondern bildet auch eine durchgehende, dichte und nahtlose Kapselschicht über der gesamten Wicklung (Leiter, Isolierung, Stützen).Diese Schicht:

(1)Blockiert physikalisch alle Kontaktkanäle zwischen der Wicklung und der Außenumgebung.

(2) Epoxidharz selbst bietet hervorragende Hydrophobie, chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit.

     ● Leistungsverbesserung (Ergebnis):

(1) Überlegene Feuchtigkeitsbeständigkeit:Die Wicklung erreicht eine hohe Abdichtung (z. B. Schutzart IP23). Selbst nach Feuchte-Wärme-Tests (IEC 60068-2-78) bleiben Isolationswiderstand (IR) und Polarisationsindex (PI) hoch (PI oft >3.0, weit über dem Standard ≥2.0) und übertreffen damit Produkte ohne VPI.

(2) Starke Kontaminationsresistenz:Die glatte, dichte Oberfläche des ausgehärteten Harzes minimiert die Ansammlung von Schadstoffen und verbessert die Oberflächenüberschlagspannung.

(3) Ausgezeichnete chemische Beständigkeit:Wirkt wirksam gegen Korrosion durch Industriegase und -flüssigkeiten.

(4) Verbesserte mechanische Festigkeit:Das ausgehärtete Harz verbindet alle Komponenten zu einer festen Einheit und verbessert so die Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Kurzschlusskräfte erheblich (erfüllt die Anforderungen von IEC 60076-5).

3. Optimierung des Wärmemanagements: Beseitigung von Hotspots und Verlängerung der thermischen Lebensdauer

● Grundursache (Problem):
Während des Betriebs erzeugen Wicklungen aufgrund des Leiterwiderstands (Kupferverlust) Wärme. Die Wärme muss durch die Isolierung zum Kern und den Kühlflächen übertragen werden. Luftspalte wirken jedoch als Wärmeisolatoren (Wärmeleitfähigkeit von Luft ≈0.026 W/mK) und bilden Barrieren mit hohem Wärmewiderstand, die den Wärmefluss behindern. Dies führt zu Wärmestaus in den Spalten und zur Bildung lokaler Hotspots, die weit über der durchschnittlichen Wicklungstemperatur liegen. Gemäß dem Arrhenius-Gesetz steigt die Wärmealterungsrate von Isoliermaterialien exponentiell mit der Temperatur:

                   L∝e−Ea/(k⋅T)

         wo:

L= Lebensdauer der Isolierung,

Ea= Materialaktivierungsenergie,

k= Boltzmann-Konstante,

 T= Hotspot-Temperatur (Kelvin).
Bei Isolierungen der Klasse H (Auslegungs-Hotspot: 155 °C) halbiert ein Anstieg der Hotspot-Temperatur um 10 °C die theoretische thermische Lebensdauer! Chronische Überhitzung beschleunigt den Polymerabbau, interne chemische Reaktionen und kann zu Karbonisierung oder Schmelzen führen, was Kurzschlüsse zwischen den Windungen oder Zwischenschichten verursacht.

 ● VPI-Lösung (Maßnahmen):
   VPI füllt Lücken mit Epoxidharz, das:

(1) Beseitigt thermische Barrieren durch Luftspalte:Ersetzt Luft durch Harz (Wärmeleitfähigkeit ≈0.2–0.3 W/mK, 10-mal besser als Luft), wodurch der thermische Kontaktwiderstand verringert wird.

(2) Schafft effiziente Wärmepfade:Harz bildet durchgehende Wärmebrücken zwischen Leitern und Isolierung (z. B. Nomex®) und ermöglicht so eine gleichmäßige und effiziente Wärmeübertragung auf den Kern und die Kühlflächen.

● Leistungsverbesserung (Ergebnis):

(1)Hotspot-Temperatursenkung:VPI senkt die kritischen Hotspot-Temperaturen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um 10–15 °C. Bei Isolierungen der Klasse H vervielfacht die Reduzierung der Hotspots von 130 °C auf 115 °C oder weniger die thermische Lebensdauer gemäß dem Arrhenius-Gesetz.

(2) Gleichmäßigere Temperaturverteilung:Eine verbesserte Wärmeübertragung gleicht die Temperaturen aus, verringert den durchschnittlichen Anstieg und verbessert die Effizienz.

(3) Reduzierte thermische Wechselbelastung:Durch gleichmäßige Temperaturen werden innere Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (Kupfer, Isolierung, Harz) minimiert und das Rissrisiko verringert.

4. Prozessvorteile und langfristiger Wert

VPI stellt den Höhepunkt der Trockentransformatorherstellung dar und bietet weitaus größere Vorteile als herkömmliche Methoden:

Das Vakuum-Druck-Imprägnierungsverfahren (VPI) durch tiefes Füllen mikroskopischer Wicklungsporen verleiht Niederspannungs-Trockentransformatoren eine ultraniedrige Temperatur von <5 pC.

Zusammenfassend

Teilentladung (gemäß IEC 60076-11), vollständige Abdichtung gemäß IP23 und über 30 Jahre validierte thermische Lebensdauer (IEEE C57.12.01). Als ultimative Isolationsverstärkungstechnologie ermöglicht VPI einen wartungsfreien Betrieb und senkt die Lebenszykluskosten drastisch – die Isolationsstärke bestimmt die Lebensdauer.

Kontakt

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.

Erfahren Sie mehr über Leistungstransformatoren und Reaktoren:www.lstransformer.com.

Wenn Sie maßgeschneiderte Lösungen für Transformatoren oder Drosseln wünschen, kontaktieren Sie uns bitte.

WhatsApp:+86 13787095096
E-Mail: marketing@hnlsdz.com