Die Ingenieure, die an Transformator-Ausschreibungen teilgenommen haben, werden bezeugen, wie es sich anfühlt, zwei Angebote hinsichtlich des Aussehens zu vergleichen, während sie in Bezug auf die Qualität absolut unterschiedlich sind: Kernstahlgüte, Wicklungsdesign, Befestigung und Isolierung. Die Delta-Stern-Transformatorverbindung ist nur ein Teil der geleisteten Arbeit. Ebenso wichtig ist die Art und Weise, wie er konstruiert ist. Das aktuelle Dokument erklärt alle Konstruktionsmerkmale von Delta-Stern-Transformatoren, wie z.B. Kern- und Wicklungsanordnung, Durchführungsanordnung, Abgriffwechsel, Kühlsystem und Tankdesign, und ermöglicht somit einen Einblick in das eingereichte Angebot.
Eine Antwort auf diese Frage lautet wie folgt. Der Delta-Stern-Transformator besteht aus drei HV delta-verbundenen Spulen und drei LV stern-verbundenen Spulen, die konzentrisch um einen laminierten Kern aus kornorientiertem Siliziumstahl angeordnet sind. Der Transformator umfasst auch einen LV Neutralpunkt, drei HV Durchführungen, vier LV Anschlüsse, einen Abgriffwechselrichter für den Betrieb und das Kühlsystem (der Öltyp verwendet ONAN/ONAF und der Trocken-Typ verwendet AN/AF). Die besten Merkmale der Konstruktion umfassen die enge Befestigung der schrägen Kernverbindungen, die Wicklungsversteifung in axialen und radialen Größen für Kurzschlusskräfte, Isolierung, die für BIL (Blitzimpuls-Spannung) der erforderlichen Spannungsgruppe ausgelegt ist, und den Vakuumtrocknungsprozess.
Konstruktionsübersicht
Ein Delta-Stern-Transformator besteht aus zwei Teilen, dem aktiven Teil und dem Gehäuseteil. Der aktive Teil besteht aus der Kern-Wicklungs-Anordnung, die aus einem dreilamelligen Transformator-Kern (ein fünf-lamelliger Transformator kann für größere Leistungsanwendungen erforderlich sein) sowie den drei HV Wicklungen, die in Delta verbunden sind, und drei LV Wicklungen, die in Stern verbunden sind, zusammen mit dem Abgriffwechselrichter und der Isolierung der Anschlüsse. Das Gehäuse besteht entweder aus einem Tank (im Falle eines ölgetauchten Transformators) mit Kühlkörpern oder -lamellen, Durchführungen, Ölerhaltungssystem und Schutzvorrichtungen, oder aus einem belüfteten Gehäuse mit Anschlüssen (im Falle von trockenen Transformatoren). In ölgetauchten Transformatoren wird der aktive Teil vakuumgetrocknet und mit Mineralöl durchtränkt, das die Funktion der Isolierung und Kühlung erfüllt. In Trocken-Transformatoren werden die Wicklungen vakuumvergossen in Epoxidharz, wodurch die Verwendung eines Ölsystems vollständig entfällt. Delta- und Sternverbindungen werden im Transformator und extern hergestellt, wobei nur drei HV Durchführungen und entweder drei LV Anschlüsse mit einem Neutralpunkt oder vier LV Anschlüsse auf der LV-Seite sichtbar sind.
| Bauteil | Typische Konstruktion | Funktion |
|---|---|---|
| Kern | GOES-Laminate, schräg geschnittene Verbindungen, gestufter Querschnitt | Niedrigverlust-Flussweg |
| LV Wicklung (Stern) | Kupfer, spiralförmig oder lagermäßig gewickelt, innere Position | Führt LV-Strom, bietet Neutralpunkt |
| HV Wicklung (Delta) | Kupfer, lagermäßig oder scheibenförmig gewickelt, äußere Position | Führt Linienspannung, bildet Delta-Schleife |
| Isolationsbarrieren | Zellulosepapier / Epoxidharz, ausgelegt für BIL | Dielektrische Festigkeit |
| Abgriffschalter | Abgriffwechsel ±2×2.5% oder OLTC | Spannungsverhältnis-Anpassung |
| Tank / Gehäuse | Geschweißter Stahl, dicht oder Konservator (Öl); belüftetes Gehäuse (trocken) | Schutz, Kühlung, Ölcontainment |
Der Kern: Stahlgüte, Verbindungen und Befestigung
Der größte Faktor, wenn es um Leistungsverlust und Geräuschentwicklung geht, ist die Qualität des Kerns. Die modernen Kerne bestehen aus kornorientiertem Siliziumstahl (GOES), der in Güten wie 27ZH95 oder 23ZH85 hergestellt wird, oder auch aus amorphem Metall für eine bessere Effizienz. Die Güte zeigt die Art des verwendeten Stahls an und gibt an, wie dick der Stahl ist und die Verlusteffizienz, da eine niedrigere Zahl weniger Verlust pro Kilogramm bedeutet. Die Bleche haben einen schrägen Schnitt an den Kanten, wodurch der Verlustgrad und der durch die Ecken erzeugte Strom reduziert werden. Die Bleche müssen auch so zusammengebaut werden, dass sie eine kreisförmige Form annehmen, um den Platzbedarf während der Wicklung zu minimieren. Die letzte Phase besteht darin, sicherzustellen, dass der Kern korrekt befestigt ist. Der Kern kann zu locker sein und Vibrationen erzeugen oder zu fest und somit die Isolierung beschädigen.
Wicklungen: Delta- und Wye-Anordnung
Die Wicklungen sind in konzentrischen Mustern auf jedem der Beine angeordnet: Die LV-Wicklungen befinden sich am nächsten zum Kern, während die HV-Wicklungen außen mit Isolationsbarrieren in axialer und radialer Richtung je nach Spannungsklasse platziert sind. Die LV-Wicklung, die die Neutral- und die Wye-Verbindung umfasst, ist normalerweise in spiralförmiger oder lagengewickelter Form aus Kupfer (oder Aluminium in kostengünstigeren Modellen), während die HV-Wicklung in lagengewickelten oder scheibenwickelten Formen aus Kupfer angeordnet ist. Die Delta-Verbindung wird hergestellt, um die HV-Wicklungen miteinander zu verbinden. Die Schleife ist der Strompfad für die dritte Harmonische und den Nullfolgestrom. Die Wye-Verbindung verbindet die drei Enden der LV-Wicklung mit einem gemeinsamen Neutralpunkt, der mit dem Neutralanschluss verbunden ist. Das Material, das in der Wicklung verwendet wird, ist wichtig, da Kupfer einen geringeren Widerstand und eine bessere Kurzschlussfestigkeit im Vergleich zu Aluminium mit dem gleichen Querschnitt aufweist, obwohl die Kosten von 10% bis 20% mehr für den aktiven Teil betragen.
Isolationssystem und BIL
Die Isolierung ermöglicht es dem Gerät, Schaltüberspannungen, Netzfrequenzspannungen und Blitzimpulse zu überstehen. Ölisolierte Einheiten verwenden um ihre Leiter gewickelte Cellulosepapiere als Barrieren; sie sind in Mineralöl getränkt. Im Gegensatz dazu verwenden Trockenbau-Einheiten Isoliermaterialien aus epoxidharzimprägniertem Glas oder Mica. Der Hauptparameter der Isolierung wird als BIL (Basis-Isolationsniveau) bezeichnet, der die maximale Impuls-Spannung darstellt, die erforderlich ist, damit eine Maschine ordnungsgemäß funktioniert. BIL hängt von den Spannungsstufen ab: BIL für Einheiten, die für den Betrieb bei 12 kV ausgelegt sind, beträgt 95 kV, Systeme, die für 24 kV ausgelegt sind, benötigen ein BIL von nicht weniger als 125-170 kV, während das BIL für Systeme, die für 36 kV ausgelegt sind, zwischen 170 kV und 250 kV liegen kann. Die Abstände zwischen LV- und HV-Wicklungen, Kriechstrecken für Durchführungen und Isolierung an den Kanten der Spulen erfüllen die BIL-Anforderungen. Geräte, die mit minderwertigen Isolierungsabständen gebaut wurden, könnten den Routine-Test bestehen, könnten jedoch den Impuls-Test nicht bestehen, sodass die dielektrischen Tests, die in IEC 60076-3 beschrieben sind, Impuls-Tests für alle Einheiten umfassen, die das festgelegte Isolationsniveau aushalten können.
| HV-Systemspannung | Typische BIL-Anforderung | Typischer Netzfrequenztest |
|---|---|---|
| 12 kV-Klasse | 95 kV | 28 kV |
| 17,5 kV-Klasse | 125 kV | 38 kV |
| 24 kV-Klasse | 125–170 kV | 50 kV |
| 36 kV-Klasse | 170–250 kV | 70 kV |
| 52 kV-Klasse | 250–325 kV | 95 kV |
Tank, Durchführungen und Anschlüsse
Der ölgetauchte Tank ist ein Metallbehälter, der entweder mit einem geschweißten Konservierungselement und einem Flüssigkeitsstandanzeiger oder einem hermetisch versiegelten mit einem Gaskissen ausgestattet ist. Der Tank hat Hochspannungsdurchführungen, Niederspannungsdurchführungen, den Abgriffwechsler, den Öltemperaturanzeiger, das Druckentlastungsventil sowie Entleerungs- und Probenahmeventile. Pfeilförmige gewellte Wände, zusätzliche Kühlradiatoren und Lamellenplatten werden verwendet, um das Öl zu kühlen. Eine ordnungsgemäße Konstruktion des Tanks erfordert das Schweißen kritischer Nähte durchgehend. Er sollte sandgestrahlt und mit einer guten Schutzbeschichtung lackiert werden. Schließlich muss der Tank hinsichtlich des Innendrucks getestet werden, um seine Dichtheit zu bestätigen.
Abgriffwechsler: Abgeschaltet und Unter Last
Der Abgriffwechsler ändert das Übersetzungsverhältnis, um Spannungsvariationen im Netz zu bewältigen. Die meisten Verteilungsdelta-Wye-Transformatoren sind mit einem abgeschalteten Abgriffwechsler mit +/-2 x 2,5%-Abgriffen ausgestattet, der nur betrieben werden kann, wenn der Transformator abgeschaltet ist. Dieses Gerät ist einfach und zuverlässig und hat klare Markierungen für verschiedene Positionen. Größere Transformatoren oder solche, die in instabilen Netzen arbeiten, sind mit einem unter Last arbeitenden Abgriffwechsler (OLTC) ausgestattet, der den Abgriff unter Last über eine Lichtbogenkammer im Öl ändert (im Falle von ölgefüllten Einheiten). Dieser Mechanismus ist viel komplexer und erhöht in der Regel den Preis um 10-25% und erfordert etwas Wartung. In den Delta-Wye-Systemen sind die Abgriffe in der Regel mit der HV-Delta-Wicklung verbunden, die einen geringeren Strom und eine mildere Schaltlast hat.
Kühlungsdesign
Die Menge an Strom, die ein Gerät tragen kann, ohne die zulässigen Temperaturgrenzen zu überschreiten, hängt von der Kühlung ab. Ölgekühlte Geräte nutzen die ONAN-Methode, bei der Kühlöl durch natürliche Konvektion durch Riegel oder Lamellen zirkuliert. Ab einem bestimmten Lastniveau wird die Zwangskühlung eingesetzt (genannt ONAF). Diese Methode ermöglicht 20-33 %. Der Temperaturanstieg dieser Art von Geräten ist so ausgelegt, dass er etwa 60-65 K beträgt, wobei die Umgebungstemperatur 40 °C beträgt. Bei Trockenbaugeräten erfolgt die Kühlung entweder durch natürliche Luft (AN) oder durch Zwangsluft (AF), wobei eine bestimmte Temperaturklasse aufrechterhalten wird, um die Kühlung zu gewährleisten.
| Kühlklasse | Beschreibung | Kapazitätseffekt | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| ONAN | Ölgetaucht, natürliche Konvektion | Typenschildbewertung | Standardverteilung |
| ONAF | Ölgetaucht, Zwangsluftventilatoren | +20–33% | Hoher Lastfaktor, heiße Standorte |
| OFAF | Zwangsöl und -luft | +40–60% | Größere Leistungsbewertungen |
| EIN | Trockenbauweise, natürliche Luft | Typenschildbewertung | Inneninstallationen |
| AF | Trockenbau, Zwangsluft | +20–30% | Innen-Spitzenlast |
Wie die Konstruktion die Leistung und Zuverlässigkeit beeinflusst
| Konstruktionsmerkmal | Einfluss auf die Leistung |
|---|---|
| Hochwertiger GOES-Kern, abgeschrägte Verbindungen | Geringere Leerlaufverluste und magnetisierende Ströme |
| Kupferwicklungen, korrekte Leiterquerschnitte | Geringere Lastverluste, bessere Kurzschlussfestigkeit |
| Enge radiale und axiale Versteifung | Hält Kurzschlusskräfte ohne Bewegungen der Wicklungen stand |
| Angemessene Isolationsabstände und Trocknung | Besteht Impulstests, kein Teilausfall bei Betrieb |
| Vakuumtrocknung und Öl-Imprägnierung | Entfernt Feuchtigkeit, verlängert die Lebensdauer der Isolierung |
| Korrosionsschutz am Tank | Lange Lebensdauer in Küsten- und Industrieatmosphären |
Die Einrichtung des Arrangements wird im Verlauf der Tests bestätigt – das Verhältnis, die Vektorguppe sowie die Phasenverschiebung zeigen die Richtigkeit der Delta-Stern-Verbindungsanordnung. Die Effizienz über einen langen Zeitraum ist jedoch das Ergebnis des soliden Designs des Arrangements: Ein Kurzschlussbetrieb verursacht einen Kurzschlussimpuls, der Hunderte von Malen stärker ist als das Gewicht der Wicklungen, und nur die richtige Versteifung ermöglicht es, den Transformator nach einem Fehler weiterhin zu verwenden.
Wie man die Bauqualität beim Kauf bewertet
- Anfrage zum Typ des Kernmaterials und den garantierten Leerlaufverlustmessungen basierend auf dem Prüfbericht, um diese mit den Angebotspreisen zu validieren.
- Prüfen Sie den Typ des leitenden Materials. Ob Kupfer oder Aluminium verwendet wird, hat Auswirkungen auf Verluste, die Kurzschlussbewertungen und Betriebskosten; daher müssen Sie den Leiterquerschnitt und die Stromdichte kennen.
- Überprüfen Sie, ob das Design zur Kurzschlussfestigkeit den Anforderungen der IEC 60076-5 entspricht, mit Berechnungen oder Testergebnissen für die angegebenen Fehlerbedingungen.
- Überprüfen Sie das Isolationsniveau. Bestätigen Sie, dass die BIL Ihrer Spannungsgruppe entspricht und dass Impulstests in die Entwurfstests integriert sind.
- Überprüfen Sie die Zeichnungen für Wicklungskonfigurationen, Versteifungen, Tankstruktur und Durchführungsanordnung im Geräteaufbau vor der Produktion.
- Stellen Sie sicher, dass Sie die Tests gesehen haben. Bei Projekten von hoher Bedeutung fordern Sie beobachtete Routineprüfungen oder Inspektionen durch Dritte an – Bereitschaft des Auftragnehmers, die ein Qualitätssignal sendet.
Top-Marken und Preisspannen
| Marke | Land | Konstruktionsstärke | Indikative Preisspanne (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Schweiz/Schweden | Ausgereiftes Design, vollständiger Testumfang | $4.000–$60.000 |
| Siemens | Deutschland | IEC-konforme Konstruktion | $3.500–$55.000 |
| Schneider Electric | Optimierungsmaßnahmen in der Praxis | Expertise in Trockenbauharz | $3.000–$45.000 |
| Hitachi Energie | Schweiz | Utility-grade active parts | $4,500–$70,000 |
| Eaton | USA | North American distribution builds | $2,500–$42,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Transparent construction, custom builds | $3.000–$45.000 |
Prices are indicative of the distribution ratings and depend on the core grade, conductor, BIL, and attachments. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy, and Eaton set the reference for construction and have fair drawings and test procedures. Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd caters to buyers who require the same construction method for less price — delta-wye transformers manufactured according to IEC 60076 specifications using high-grade grain-oriented cores, copper winding, mitered joints, and undergoing full factory testing covering routine tests such as ratio, vector group, impedance, losses, dielectric performance, and able to arrange witnessed tests or inspections by a third party. Subian gives invaluable drawings and test papers giving a detailed analysis of the construction quality, which is what the customer needs to compare a Chinese manufacture with a European one.See the manufacturing capability on the Subian Electric website.
Häufig gestellte Fragen
Why is grain-oriented silicon steel used in transformer cores?
The processing of grain-oriented steel allows it to have first-class magnetic properties in one direction — the rolling direction. When designing transformers, engineers orient the laminations in a way that makes the flow of the magnetic field perpendicular to that direction, which leads to significant reduction of magnetizing current and no-load loss compared to the use of non-oriented steel. Correctly implemented mitered joints, as well as tight clamping, help in efficiency and reduce noise.
What does a Dyn11 construction look like physically?
The three high voltage windings are arranged in a closed delta formation on the inside of the tank, while the three low voltage windings share a neutral connection, which is led out to give rise to a fourth terminal outside. Once the winding is seen externally, it is noted that three HV bushings and four LV terminal (three lines and neutral) are visible. The order of winding on each person is LV- inner and HV-outer, where the tap changer is located at the HV side.
Are delta-wye transformers oil-immersed or dry-type?
Both. The outdoor distribution substations utilize oil-immersed systems because of their strength and efficiency while the indoor, underground and fire-sensitive ones prefer dry-type cast resin systems. The delta-wye electrical connection stays the same in both except for the insulation and cooling systems.
What is the difference between copper and aluminium windings in construction?
Copper has lower resistivity and higher mechanical strength as compared to aluminium, thus the copper wound unit has lower losses and optimum short-circuit capability at the same capacity rating. The active part of such machine costs around 10%–20% more. Aluminium is mostly used for budgetary reasons in distribution machines, which are usually scrutinised in terms of their first cost.
Can Subian provide construction drawings before ordering?
Yes. Jiangsu Subian Electric Power offers element arrangement drawings, connection diagrams as well as relevant information on key components as part of its technical proposal, while final manufacturing drawings may also be inspected before production. In case of important projects, the company can organize pre-production design reviews and the joint testing.
Referenzen
- IEC 60076-1 — Power Transformers: General — the governing standard for rating, losses, and construction requirements.
- IEC 60076-3 — Insulation Levels and Dielectric Tests — defines BIL and dielectric test requirements by voltage class.
- IEC 60076-5 — Ability to Withstand Short Circuit — the standard for short-circuit withstand verification of the winding construction.
- NEMA TP-1 — Energy Efficiency for Distribution Transformers — efficiency benchmark tied to core construction quality.
- Hitachi Energy — Transformer Products — reference documentation on construction and testing from a leading manufacturer.
- UL 1561 — Dry-Type Transformer Safety Standard — safety standard relevant for cast resin construction.
Fazit
According to the design features of delta-wye transformers, it is mostly not the nameplate that reveals such characteristics as efficiency, noise, fault tolerance, and service life of the transformer but the construction features of such transformer, which include core steel grade, mitered joints, winding conductor and arrangement, insulation clearances, bracing, tank, tap changer, and cooling. When reading a tender with these parameters taken into account and entering the tendering process, the bids become comparable, not in terms of price, but with respect to merit. One needs to follow the principle of requesting IEC 60076 test evidence and, if necessary, a witnessed test. Delta-wye transformers by Jiangsu Subian Electric Power are constructed from transparent materials and meet all standards.Review construction drawings and test data with the team through the official website before you commit to your next project.