Hoe beïnvloedt het ontwerp van een in olie ondergedompelde transformatorkern de elektrische prestaties?

In olie ondergedompelde transformatoren vormen een hoeksteen van moderne elektrische energiesystemen en dienen als cruciale apparaten voor spanningsregeling, stroomdistributie en energie-efficiëntie. Het hart van deze transformatoren wordt gevormd door de transformatorkern, een zorgvuldig ontworpen onderdeel dat de algehele elektrische prestaties aanzienlijk beïnvloedt. Bij in olie ondergedompelde transformatoren heeft het ontwerp van de kern rechtstreeks invloed op parameters zoals efficiëntie, verliesvermindering, spanningsregeling, geluidsniveaus en thermisch beheer. Het begrijpen van het verband tussen kernontwerp en elektrische prestaties is essentieel voor zowel ingenieurs als nutsbedrijven die op zoek zijn naar een optimale werking van de transformator.

1. Inzicht in de in olie ondergedompelde transformatorkern

De transformator kern dient als een magnetisch circuit dat de magnetische flux die wordt gegenereerd door wisselstroom (AC) in de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling leidt. Bij in olie ondergedompelde transformatoren wordt de kern ondergedompeld in transformatorolie, die zowel als koelmiddel als isolatiemedium dient. Het ontwerp van de kern (de geometrie, het materiaal en de constructie ervan) beïnvloedt de magnetische eigenschappen en daarmee de efficiëntie en prestaties van de transformator.

De belangrijkste functies van de transformatorkern zijn onder meer:

• Magnetische fluxgeleiding: kanaliseert de magnetische flux efficiënt tussen de wikkelingen om energieverlies te minimaliseren.
• Minimaliseren van hysterese en wervelstroomverliezen: Geoptimaliseerd ontwerp vermindert interne verliezen die optreden als gevolg van wisselende magnetische velden.
• Ondersteuning van structurele integriteit: Biedt een stabiel raamwerk voor wikkelingen en isolatie.

2. Kernmaterialen en hun invloed op elektrische prestaties

Materiaalkeuze is een cruciaal aspect van het ontwerp van de transformatorkern. Hoogwaardige kernen maken gebruik van siliciumstaallamineringen of amorfe metaallegeringen, die de efficiëntie, verliezen en operationele stabiliteit beïnvloeden.

A. Korrelgeoriënteerd siliciumstaal

• Meest gebruikte materiaal in in olie ondergedompelde transformatorkernen.
• Korreloriëntatie lijnt de kristalstructuur uit met de richting van de magnetische flux, waardoor hysteresisverliezen worden geminimaliseerd.
• De lamineringsdikte (meestal 0,23–0,35 mm) vermindert wervelstroomverliezen, die evenredig zijn met het kwadraat van de lamineringsdikte.
• Impact op elektrische prestaties: Lagere verliezen leiden tot een hoger rendement, verminderde warmteontwikkeling en verbeterde spanningsregeling.

B. Amorf staal

• Niet-kristallijn staal met minimale korrelstructuur.
• Biedt ultralage kernverliezen in vergelijking met conventioneel siliciumstaal.
• Ideaal voor hoogrendementtransformatoren, vooral in regio's met regelgeving voor energiebesparing.
• Impact op elektrische prestaties: Vermindert de nullastverliezen aanzienlijk, waardoor de algehele efficiëntie van de transformator wordt verbeterd.

C. Kernisolatie

• Het coaten van de lamellen met isolatielak voorkomt wervelstromen tussen de lamellen.
• Handhaaft lage kernverliezen, wat bijdraagt ​​aan de thermische stabiliteit en een langere levensduur van de transformator.

3. Kernconstructietechnieken

De way the core is constructed has a profound effect on magnetic properties, losses, and electrical performance.

A. Kerntypen

1. Transformers van het kerntype

   • De windings are placed around the vertical legs of the core.
   • Biedt een lage lekreactantie en een goede magnetische fluxverdeling.
   • Vaak gebruikt in midden- en hoogspanningstransformatoren.

2. Shell-type transformatoren

   • De wikkelingen zijn ingesloten in de kern, wat voor een betere kortsluitsterkte zorgt.
   • Vermindert de zwerfstroom en verbetert de mechanische robuustheid.
   • Vaak gebruikt voor vermogenstransformatoren in industriële toepassingen.

B. Step-Lap- en verstekverbindingen

• Lamineringen worden samengevoegd met schuine overlappingen om fluxlekkage op de hoeken te verminderen.
• De getrapte constructie zorgt voor een soepele fluxovergang, waardoor lokale verzadiging en bijbehorende verliezen worden geminimaliseerd.
• Impact op elektrische prestaties: Vermindert hotspots, verbetert de efficiëntie en verbetert het laadvermogen.

C. Lamineren stapelen

• Het correct stapelen van dunne lamellen is van cruciaal belang voor het minimaliseren van wervelstromen.
• Willekeurig of verkeerd uitgelijnd stapelen kan plaatselijke fluxconcentraties veroorzaken, waardoor de verliezen en de warmteontwikkeling toenemen.
• Gecontroleerd stapelen heeft ook invloed op het akoestische geluid, omdat trillingen worden beïnvloed door magnetische krachten in de kern.

4. Kerngeometrie en het effect ervan op elektrische parameters

De physical dimensions and shape of the core influence key performance characteristics.

A. Dwarsdoorsnedegebied

• Een groter dwarsdoorsnedeoppervlak vermindert de magnetische fluxdichtheid, waardoor kernverzadiging bij hoge belastingen wordt voorkomen.
• De juiste maatvoering zorgt ervoor dat de transformator efficiënt kan werken zonder oververhitting.
• Impact op elektrische prestaties: Vermindert hysteresisverliezen en verbetert de spanningsregeling.

B. Raamontwerp

• De central space where windings are placed is known as the window.
• Geoptimaliseerde raamafmetingen zorgen voor voldoende isolatie, zorgen voor voldoende wikkelingen en zorgen voor een lage lekinductie.
• Impact op elektrische prestaties: Efficiënte energieoverdracht tussen primaire en secundaire wikkelingen, waardoor spanningsverlies wordt verminderd.

C. Kernlengte en beenverhouding

• De length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• Een uniforme fluxverdeling voorkomt plaatselijke verzadiging, die oververhitting en verhoogde nullastverliezen kan veroorzaken.

5. Invloed van het kernontwerp op de transformatorkoeling

Bij in olie ondergedompelde transformatoren werkt de kern samen met het koelsysteem. Het oppervlak, de oriëntatie en de plaatsing van de kern in de tank beïnvloeden de oliecirculatie en warmteafvoer.

• Oliecirculatie: Een goed kernontwerp zorgt ervoor dat transformatorolie vrij kan stromen, waardoor de warmte wordt verwijderd die wordt gegenereerd door kernverliezen.
• Dermal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• Impact op de elektrische prestaties: Efficiënte koeling behoudt de integriteit van de isolatie, vermindert het risico op diëlektrische storingen en zorgt voor een betrouwbare werking op de lange termijn.

6. Overwegingen inzake elektrische prestaties

De design of the oil-immersed transformer core affects several critical electrical performance metrics:

een. Efficiëntie

• Kernverliezen (hysteresis- en wervelstroomverliezen) houden rechtstreeks verband met kernmateriaal, laminering en geometrie.
• Goed ontworpen kernen verminderen nullastverliezen en verbeteren de efficiëntie van de transformator, vooral tijdens gedeeltelijke belasting.

B. Spanningsregeling

• Lekkageflux, die afhankelijk is van de kern- en wikkelopstelling, beïnvloedt de spanningsval onder belasting.
• Het geoptimaliseerde kernontwerp zorgt voor een minimale lekstroom en verbeterde spanningsregeling, waardoor een consistente uitgangsspanning wordt geboden.

C. Kortsluitsterkte

• Shell-type kernen of versterkte kernstructuren verbeteren de mechanische veerkracht.
• Een goed ontwerp minimaliseert de verplaatsing van de wikkelingen tijdens kortsluiting, waardoor een betrouwbare werking wordt gegarandeerd.

D. Akoestisch geluid

• Trillingen veroorzaakt door wisselende magnetische flux genereren een hoorbaar gezoem.
• Kernlamineringen en verbindingsontwerp kunnen het geluid verminderen en het operationele comfort verbeteren, vooral in stedelijke omgevingen.

7. Innovaties in het ontwerp van de Transformer Core

Moderne in olie ondergedompelde transformatoren bevatten geavanceerde kernontwerpen om de prestaties verder te verbeteren:

• Amorfe metalen kernen: Verminder de energieverliezen aanzienlijk in distributietransformatoren.
• Geoptimaliseerde lamineringen: Gebruik lasergesneden of CNC-gesneden lamellen voor nauwkeurige uitlijning, waardoor fluxlekkage wordt verminderd.
• Composietlaminaten: het combineren van materialen om de kosten, efficiëntie en thermische prestaties in evenwicht te brengen.
• Eindige Elementen Analyse (FEA): Geavanceerde simulatie voor optimale kerngeometrie, waardoor minimale verliezen en uniforme fluxverdeling worden gegarandeerd.

Dese innovations improve energy efficiency, reduce operational costs, and extend transformer lifespan.

8. Conclusie

De design of an oil-immersed transformer core is a critical factor that directly influences electrical performance, efficiency, thermal management, voltage regulation, and reliability. Material selection, lamination thickness, core geometry, joint design, and interaction with the cooling system collectively determine the transformer’s operational characteristics.

Hoogwaardige kernen gemaakt van korrelgeoriënteerd siliciumstaal of amorfe legeringen, gecombineerd met geoptimaliseerde constructietechnieken zoals step-lap-verbindingen en nauwkeurige laminatiestapeling, minimaliseren verliezen, verbeteren de efficiëntie en vergroten de duurzaamheid. Goed ontworpen kernen verminderen ook de ruis, voorkomen plaatselijke verwarming en zorgen voor een stabiele uitgangsspanning, wat essentieel is voor zowel industriële als utiliteitstoepassingen.

Naarmate energie-efficiëntie en betrouwbaarheid steeds belangrijker worden in moderne energiesystemen, zal het ontwerp van in olie ondergedompelde transformatorkernen blijven evolueren, waarbij nieuwe materialen, innovatieve geometrieën en precisieproductietechnieken worden geïntegreerd om aan de eisen van de toekomst te voldoen. Het begrijpen van de kritische relatie tussen kernontwerp en elektrische prestaties is essentieel voor ingenieurs, fabrikanten en operators die op zoek zijn naar optimale transformatorprestaties en een lange levensduur.