Was ist ein Hochspannungstransformator?
Ein Hochspannungstransformator ist ein Transformator, der eine hohe Spannung als Primärspannung einspeist und eine abgesenkte oder aufgestockte Sekundärspannung ausgibt.
Ein Transformator, auch Übertrager genannt, ist ein Gerät, das die Spannung eines Eingangsstroms in eine andere Ausgangsspannung umwandelt. Die Umwandlung in eine niedrigere Spannung als die Eingangsspannung wird als Abwärtswandlung bezeichnet, während die Umwandlung in eine höhere Spannung als Aufwärtswandlung bezeichnet wird. Stromversorgungsspannungen werden in Niederspannung, Hochspannung und spezielle Hochspannung eingeteilt, wobei die Hochspannung Wechselspannungen von 600 V bis 7 kV umfasst.
Anwendungen von Hochspannungstransformatoren
Hochspannungstransformatoren werden in der Regel für die Stromversorgung großer Anlagen mit hohem Stromverbrauch wie Fabriken, Krankenhäuser und gewerbliche Einrichtungen eingesetzt.
Der in Kraftwerken erzeugte Strom hat eine extrem hohe Spannung, die in die Zehntausende von Volt geht. Dieser kann nicht genutzt werden, wenn er direkt zum Verbraucher übertragen wird. Unter dem Gesichtspunkt der Übertragungseffizienz wird der Strom jedoch mit hoher Spannung und niedrigem Strom in der Nähe der Versorgungsquelle übertragen und dann durch einen Transformator auf eine nutzbare Spannung heruntergestuft.
Hochspannungstransformatoren sind in der Regel in Hochspannungs-Empfangsanlagen, so genannten Schaltschränken, eingebaut und befinden sich auf Dächern.
Funktionsweise von Hochspannungstransformatoren
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen. Die beiden Spulen sind elektrisch voneinander getrennt, aber magnetisch durch einen Eisenkern verbunden.
Die Spule auf der Eingangsseite ist die Primärspule und die Ausgangsseite ist die Sekundärspule. Wenn ein Strom durch die Primärspule fließt, wird nach dem Ampere’schen Gesetz ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser magnetische Fluss wird durch den Eisenkern auf die Sekundärspule übertragen, wo nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion eine Spannung erzeugt wird, die von der Anzahl der Windungen der Spule abhängt. Durch die Nutzung der Spule und des Eisenkerns kann so die Spannung zwischen der Eingangs- und der Ausgangsstromversorgung umgewandelt werden.
Weitere Informationen zu Hochspannungstransformatoren
1. Kühlsystem von Hochspannungstransformatoren
Da im Inneren des Transformators aufgrund von Leistungsverlusten Wärme entsteht, wird ein Kühlsystem eingesetzt. Es gibt zwei Kühlmethoden: die ölgefüllte Methode, bei der die Wicklungen mit Isolieröl gekühlt werden, und die gegossene Methode, bei der kein Öl verwendet wird.
Hochspannungstransformatoren werden in Einrichtungen eingesetzt, in denen strenge Katastrophenschutzmaßnahmen erforderlich sind, daher wird häufig die gegossene Methode verwendet, da sie ein geringeres Brandrisiko birgt. Bei ölgefüllten Transformatoren wird Petroleum als Isolieröl verwendet. Beachten Sie, dass mit zunehmender Kapazität von Hochspannungstransformatoren und einer Ölmenge von mehr als 400 Litern allein das Öl als Gefahrstoff unter die jeweiligen Gesetze fällt.
Mit zunehmender Kapazität wird es schwieriger, selbstkühlende Transformatoren zu verwenden, so dass Zwangsumlaufsysteme eingesetzt werden.
2. Preis von Hochspannungstransformatoren
Hochspannungstransformatoren sind aufgrund ihres einfachen Mechanismus relativ preiswert unter den Industrieanlagen. Für Transformatoren mit einer allgemeinen Kurzzeitspannung von 6600 V/3300 V und einer Sekundärspannung von 400 V/200 V/105 V gibt es Katalogprodukte von verschiedenen Elektrogroßunternehmen.
Die Obergrenze für Katalogprodukte liegt bei etwa 2000 kVA, darüber werden sie auf Bestellung gefertigt. Der Durchschnittspreis für ölgefüllte, selbstkühlende Transformatoren liegt bei mehreren Tausend USD für einige zehn kVA und bei mehreren Zehntausend bis 200.000 USD für 2000 kVA (Stand 2021). Gegossene Systeme sind teurer.
Die oben genannten Preise gelten für allgemeine Abspanntransformatoren. Da spezielle Spezifikationen auf Bestellung gefertigt werden, müssen die Preise bei den Herstellern von schweren Elektromaschinen erfragt werden.
3. Leistung von Hochspannungstransformatoren
Die Kapazität eines Hochspannungstransformators wird durch den zulässigen Stromwert der Wicklungen und die Kapazität des magnetischen Eisenkerns bestimmt. Fließt ein über den zulässigen Wert hinausgehender Strom durch die Wicklungen, wird der Transformator durch ein Überstromrelais geschützt, da dies zum Durchbrennen des Transformators führen kann.
Die Leistung eines Drehstrommotors wird zum Beispiel in kW (Kilowatt) gemessen, die Leistung eines Hochspannungstransformators in kVA (kVA). Katalogprodukte für einphasige, dreipolige Hochspannungstransformatoren haben eine Obergrenze von etwa 300 kVA, während dreiphasige 400 V/200 V-Transformatoren eine Obergrenze von 2000 kVA haben.
Bei der Verwendung eines Schaltschranks liegt die Obergrenze für kommerzielle Produkte aufgrund der Größe des Schranks und der Kühlkapazität bei etwa 750 kVA.
4. Leistungsfaktor von Hochspannungstransformatoren
Es ist zu beachten, dass die Arbeit, die an einem Hochspannungstransformatoren geleistet werden kann, vom Leistungsfaktor der Last abhängt. Je weiter der Leistungsfaktor von 1 entfernt ist, desto weniger Arbeit kann aufgebracht werden. Wenn der Leistungsfaktor auf der Sekundärseite des Hochspannungstransformators bei 1 gehalten wird, kann der Hochspannungstransformator bis zu seiner Kapazität ohne Verschwendung genutzt werden.
Da Industriemaschinen viele Motoren haben, schwankt der Leistungsfaktor oft in Richtung Verzögerung. Als allgemeine Maßnahme werden Leistungskondensatoren parallel zur Last geschaltet, um diese Schwankungen auszugleichen.
Hochspannungstransformatoren sind für einen maximalen Wirkungsgrad bei Lasten um 60 % ausgelegt. Daher ist es wichtig, einen Kondensator mit einer ausreichenden Marge zu wählen, so dass die normalerweise verwendete Kapazität bei etwa 60 % liegt.