Warum werden in Hochspannungstransformatoren häufig Porzellanbuchsen verwendet?

—Eine umfassende Analyse der Schlüsselrolle von Isolierungswächtern

Im Zentrum von Hochspannungsnetzen fungieren Transformatoren als zentrale Energieübertragungsstelle. Die entscheidende Schnittstelle zwischen dieser zentralen Stelle und den externen Übertragungsleitungen ist oft die robuste, glänzende Keramikkomponente – die Porzellandurchführung. Warum vertrauen Netzbetreiber weltweit diesem traditionellen Keramikmaterial als Schnittstelle für Hochspannungsverbindungen? Dieser Artikel beleuchtet die wissenschaftlichen Grundlagen und die ingenieurtechnische Expertise hinter dieser Wahl.

Inhalt

1. Überlegene Isolationsleistung: Der Schlüssel zur Beständigkeit gegenüber hohen Spannungen

Die Potenzialdifferenz zwischen den Klemmen eines Hochspannungstransformators und der Erde kann Hunderte von Kilovolt (z. B. 500 kV oder mehr) erreichen. Oberste Priorität hat die zuverlässige Verhinderung von Kriechströmen gegen Erde oder Oberflächenüberschlägen. Zu den vorteilhaften Eigenschaften von Porzellanwerkstoffen zählen:

● Extrem hoher spezifischer Widerstand und hohe Durchschlagsfestigkeit:
– Der spezifische Volumenwiderstand von elektrischem Porzellan typisch                    liegt im Bereich von 10¹² bis 10¹⁴ Ω·cm (bei Raumtemperatur), was bedeutet, dass es von Natur aus einen außergewöhnlich guten Widerstand gegen den Stromfluss aufweist.
– Seine Durchschlagsfestigkeit (Feldstärke)können.  Sie erreichen Werte von 10-20 kV/mm oder höher, was darauf hindeutet, dass Porzellan extrem hohen elektrischen Feldern pro Dickeneinheit standhalten kann, ohne zu brechen.
– Ursache und Wirkung: Die dichte, hochkristalline Struktur  Porzellan enthält nur wenige freie Elektronen, was die Ionenwanderung erschwert und leitfähige Pfade verhindert. Unter extremer Spannung behält seine Atomstruktur starke Bindungskräfte bei und verhindert so einen Elektronenlawinendurchbruch.

● Ausgezeichnete Oberflächenspannungsfestigkeit:
– Merkmale von Porzellanbuchsen mehrstufige Schuppen (geriffelte Designs) an ihrer Außenfläche.
– Ursache und Wirkung:

(1)Erhöhte Kriechdistanz:Die Schuppen verlängern den Weg, den der Strom entlang der Oberfläche vom Hochspannungsende zum geerdeten Flansch (Niederspannungsende) zurücklegen muss, erheblich.

(2)Verhindert die Bildung eines kontinuierlichen Wasserfilms:Bei Regen oder Nebel zerteilt die Schirmstruktur das Wasser in einzelne Tröpfchen anstatt in einen durchgehenden leitfähigen Film, wodurch die Nassüberschlagsspannung erheblich verbessert wird.

(3)Verbessert die Beständigkeit gegen Überschläge durch Schadstoffe:In Industrie- und Küstengebieten können sich Schadstoffe ansammeln und bei Nässe leitfähige Schichten bilden. Die überdachte Konstruktion erhöht den Leckwiderstand und unterbricht die Bildung durchgehender Schadstoffschichten.

Tabelle 1: Wichtigste elektrische Eigenschaften typischer Durchführungsisolierungsmaterialien

2. Außergewöhnliche mechanische Festigkeit: Die Grundlage für Halt und Schutz

Buchsen müssen folgenden Belastungen standhalten:

(1)Das Gewicht und die elektromagnetischen Kräfte der Innenleiter (insbesondere bei Kurzschlussereignissen).

(2)Äußerer WindEis-, Schnee- und seismische Belastungen.

(3)Transport, Installation Stöße und Vibrationsbelastungen.

 Die robuste Garantie für Porzellan:

(1) Hohe Druckfestigkeit:
 – Hochwertiges elektrisches Porzellan weist eine Druckfestigkeit von 500-800 MPa oder höher auf.
– Ursache und Wirkung:Porzellan wird aus starren Materialien gesintert. Silikatminerale (Quarz, Feldspat, Mullitkristalle) verfestigen sich bei hohen Temperaturen und bilden eine dichte, ineinandergreifende Mikrostruktur, die äußerem Druck widersteht. Dies gewährleistet eine stabile Unterstützung für schwere Leiter und äußere Lasten.

(2)Gute Biegefestigkeit:
– Elektrisches Porzellan weist typischerweise eine Biegefestigkeit von 50-100 MPa auf.
– Ursache und Wirkung:Modernes Porzellan ist zwar spröde, wird aber durch optimierte Materialrezepturen (z. B. Aluminiumoxidzusätze) und Herstellungsverfahren (gleichmäßiges Brennen, Spannungsarmglühen) so gefertigt, dass es die Anforderungen an die Biegefestigkeit erfüllt. Flansch- und Schalenkonstruktionen optimieren die Spannungsverteilung zusätzlich.

3. Hervorragende Umweltbeständigkeit: Trotzt härtesten Bedingungen

Außenbuchsen funktionieren jahrzehntelang zuverlässig unter extremen Bedingungen: Sonneneinstrahlung, UV-Strahlung, Temperaturschwankungen (-40 °C bis +40 °C oder mehr), Regen, Eis, Salznebel, Industrieabgase und Sandabrieb. Der natürliche Schutz von Porzellan:

● Ausgezeichnete Witterungs- und Alterungsbeständigkeit:
Porzellan ist ein anorganischer, nichtmetallischer Werkstoff mit         ultrastabile Zusammensetzung.

(1)UV-Beständigkeit: Im Gegensatz zu organischen Polymeren (z. B. Gummi, Kunststoffen) verhindert die hohe Bindungsenergie von Porzellan eine durch UV-Strahlung verursachte Zersetzung.

(2)Wärmeschockbeständigkeit:Geringe Wärmeausdehnung und gleichmäßige Materialeigenschaften verhindern Rissbildung bei schnellen Temperaturänderungen (validiert nach IEC 60137).

(3)Chemische Inertheit: Beständig gegen Säuren, Laugen, Salznebel und die meisten Schadstoffe ohne Korrosion.

(4)Wasserabweisung und Selbstreinigung (glasierte Oberfläche): Eine glatte Glasur verbessert die Wasserabweisung, fördert das Abfließen von Tropfen und reduziert die Ansammlung von Schadstoffen.

4. Überlegene thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit: Effektives Wärmemanagement

Durchführungen müssen die Wärme aus den Leiterverlusten (I²R) und der internen Isolierung (Öl oder SF6-Gas) abführen, um eine lokale Überhitzung und einen Isolationsausfall zu verhindern.

Wärmemanagement von Porzellan:
(1) Hochtemperaturbeständigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit         Erweiterung:
– Porzellan wird bei über 1300 °C gesintert, aber unter 150 °C verarbeitet, wodurch die thermische Stabilität gewährleistet wird.
– Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist niedrig und gleichmäßig (3-                            6 × 10⁻⁶ /K), wodurch die thermische Belastung minimiert wird.
(2) Mäßige Wärmeleitfähigkeit:
– Wärmeleitfähigkeit von Porzellan (1-2 W/(m·K))   

– übertrifft Luft oder die meisten Polymere (<0.5 W/(m·K)) und unterstützt die natürliche Konvektions-/Strahlungskühlung.

5. Zuverlässige Abdichtung: Schutz der inneren Isolierung

Bei ölgefüllten Transformatoren dichten Durchführungen die Öl-Luft-Grenzfläche ab. Bei Trocken- oder SF6-Gasdurchführungen gewährleisten sie die Gasdichtheit. Leckagen bergen die Gefahr von Isolationsfehlern oder Explosionen.

Versiegelungslösungen für Porzellan:
● Hermetische Metall-Keramik-Versiegelung:
– Leiteranschlüsse (Kupfer/Aluminium) Flansche (aus Gusseisen/Stahl) werden mittels Hochtemperatursintern oder mechanischer Kompression mit Dichtungen an das Porzellan gebunden.
– Ursache und Wirkung:Diese bewährten Methoden (gemäß IEC/IEEE-Standards) widerstehen Temperaturzyklen und Druckänderungen und gewährleisten so einen jahrzehntelangen leckagefreien Betrieb.
● Einfacheres Design: 

Im Vergleich zu Buchsen aus Verbundwerkstoffen oder Epoxidharz weist die Konstruktion aus Porzellan, bestehend aus einem Keramikrohr und einem Metallflansch, weniger Dichtpunkte auf, wodurch das Risiko von Leckagen verringert wird.

Tabelle 2: Vergleich der Durchführungstypen für Hochspannungstransformatoren

Zusammenfassend

Porzellandurchführungen dominieren Hochspannungstransformatoren aufgrund ihrer unübertroffenen Isolationsfähigkeit, mechanischen Festigkeit, Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, Wärmeableitung, Dichtheit und Wirtschaftlichkeit. Während neuere Materialien (z. B. Verbundwerkstoffe) in Mittel- und Niederspannungsanwendungen zunehmend an Bedeutung gewinnen, bleibt Porzellan die erste Wahl für Höchstspannungsanwendungen im Außenbereich und hat sich über Jahrzehnte bewährt.

Die Wahl von Porzellanbuchsen bedeutet den Aufbau einer unzerstörbaren Schutzlinie für die langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit des Transformators.

Kontaktieren Sie uns

LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, spezialisiert auf Leistungstransformatoren und Reaktoren für50⁺ Jahre. Führende Produkte sind Einphasentransformator, Dreiphasentransformator Isolierung Transformer, elektrischer Transformator, Verteiltransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator;Gleichstrominduktivitäten, Wechselstromdrosseln, Filterdrosseln, Netz- und Lastdrosseln, Drosseln, Filterdrosseln und Zwischendrosseln Hochfrequenzprodukte.

Unsere Kraft Transformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen häufig 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 17267488565
E-Mail: marketing@hnlsdz.com