Transformatorwikkelingen en transformatorisolatie

Transformatorwikkelingen zijn de circuitcomponenten van een transformator en vormen de kernonderdelen voor de conversie van elektromagnetische energie. Ze zijn gemaakt van geïsoleerde draden (meestal koper of aluminium), gewikkeld volgens een specifiek patroon en zenden energie uit via het principe van elektromagnetische inductie.

1. Hoofdfuncties

• Een magnetisch veld creëren: Wanneer de primaire wikkeling van wisselstroom wordt voorzien, wordt een magnetisch wisselveld tot stand gebracht.
• Inducerende elektromotorische kracht: Dit wisselende magnetische veld passeert de secundaire wikkeling en induceert een elektromotorische kracht (spanning) in de secundaire wikkeling.
• Spanning veranderen: Door de windingsverhouding van de primaire en secundaire wikkelingen aan te passen, kan de spanning worden verhoogd of verlaagd.

2. Typen wikkelingen (ingedeeld op spanningsniveau en relatieve positie)

• Hoog-wikkeling: wikkeling die bestand is tegen hogere spanning. Heeft meestal een kleinere draaddoorsnede- (aangezien de stroom relatief klein is), maar vereist een hoge isolatie.
• Wikkeling met lage- spanning: wikkeling die bestand is tegen een lagere spanning. Heeft doorgaans een grotere draaddoorsnede- (aangezien de stroom relatief groot is) en heeft relatief lagere isolatie-eisen.

Structureel zijn ze, gebaseerd op hun opstelling in de kern, hoofdzakelijk verdeeld in twee typen:

(1)Concentrische wikkeling:

• Structuur: De hoog{0}}spannings- en laagspanningswikkelingen- zijn gewikkeld in cilindrische vormen met verschillende diameters en concentrisch op het kerndeel geplaatst.
• Algemene opstelling: om de isolatie te vergemakkelijken, wordt de laagspanningswikkeling meestal aan de binnenkant geplaatst (dichter bij de kern) en de hoogspanningswikkeling aan de buitenkant. Dit komt omdat de isolatie tussen de laag-wikkeling en de kern (geaard) gemakkelijker te hanteren is.
• Toepassing: De meeste stroomtransformatoren (vooral die met grotere capaciteiten) gebruiken deze structuur. Het productieproces is relatief eenvoudig en de structuur is robuust.

(2) Tussengevoegde wikkeling:

• Structuur: zowel de hoog-spannings- als de laag-laagspanningswikkelingen zijn in schijfvormen gemaakt en afwisselend gestapeld langs de hoogte van het kernlid.
• Voordelen: verminderde lekflux tussen de wikkelingen, hoge mechanische sterkte en sterke kortsluitweerstand.
• Toepassing: Hoofdzakelijk gebruikt voor speciale transformatoren, zoals elektrische oventransformatoren en lastransformatoren, die grote elektromagnetische krachten moeten weerstaan.

3. Belangrijkste vereisten voor wikkelingen
Elektrische prestaties: moet bestand zijn tegen bedrijfsspanning op lange- termijn en tijdelijke overspanning (zoals blikseminslag).
Mechanische prestaties: De structuur moet sterk genoeg zijn om zonder vervorming de enorme elektromagnetische krachten te weerstaan ​​die tijdens kortsluiting worden gegenereerd.
Thermische prestaties: Moet een goede warmteafvoer hebben om ervoor te zorgen dat de temperatuurstijging bij langdurige belasting-de limiet niet overschrijdt.
Procesprestaties: Het wikkelproces moet eenvoudig, economisch en betrouwbaar zijn.

Het is het materiaalsysteem dat verschillende delen van de wikkeling van elkaar isoleert en de wikkeling scheidt van geaarde delen (zoals de kern en de olietank). Het is een niet-circuitonderdeel van de transformator, maar bepaalt de veiligheid en levensduur van de transformator.
1. Hoofdfuncties

• Potentiaalisolatie: scheidt op betrouwbare wijze geleidende onderdelen met verschillende potentiëlen (zoals hoog- en laagspanningswikkelingen en wikkeling vanaf de kern) om kortsluiting te voorkomen.
• Warmtedissipatiekanaal: Isolatiematerialen (zoals transformatorolie) dienen vaak als koelmedium en dragen de warmte over die wordt gegenereerd door de wikkeling en de kern.
• Mechanische ondersteuning: Isolatiematerialen (zoals isolatieplaat) helpen ook bij het fixeren en ondersteunen van de wikkelingen.

2. Isolatieclassificatie (op locatie en functie)
Het transformatorisolatiesysteem is meestal verdeeld in twee hoofdcategorieën:

• Interne isolatie: Bevindt zich in de transformatorolietank, niet in direct contact met de buitenlucht.
• Hoofdisolatie: Verwijst naar de isolatie tussen wikkelingen en geaarde onderdelen (zoals de kern en de olietank), en tussen wikkelingen met verschillende spanningsniveaus (zoals tussen hoog-spannings- en laag-laagspanningswikkelingen). Dit is de kern van het transformatorisolatiesysteem en bepaalt het spanningsniveau van de transformator.
• Longitudinale isolatie: Verwijst naar isolatie binnen dezelfde wikkeling, zoals isolatie tussen windingen (isolatie van winding-naar-winding), tussen wikkelingslagen (isolatie van laag-naar-laag) en tussen wikkelingssecties (isolatie van sectie-naar-sectie).
• Externe isolatie: Verwijst naar isolatiedelen die zijn blootgesteld aan de lucht buiten de transformator, voornamelijk de isolatie bovenaan de bussen (buiten de olietank). De isolatiesterkte hangt voornamelijk af van de luchtomstandigheden en de kruipafstand.

3. Belangrijkste isolatiematerialen
De isolatie van transformatoren (vooral olie-ondergedompelde transformatoren-) is een samengesteld systeem. Veel voorkomende materialen zijn onder meer:
(1) Vloeibare isolatiematerialen:

• Minerale transformatorolie: de meest gebruikte. Functies zijn onder meer: ​​isolatie (veel hogere diëlektrische sterkte dan lucht), warmteafvoer (verwijdert warmte door convectie), bescherming (isoleert zuurstof, vertraagt ​​materiaalveroudering).
• Synthetische of natuurlijke ester-isolatieolie: zoals siliconenolie of plantaardige isolatieolie, vaak gebruikt op plaatsen met hoge brandwerendheidseisen.

(2) Stevige isolatiematerialen:

• Isolatiepapier, isolatieplaat: gebruikt voor draai-isolatie, laagisolatie, scheiders tussen wikkelingen en isolatiecilinders. Het composietisolatiesysteem van olie-papier is het meest klassieke en betrouwbare type transformatorisolatie.
• Epoxyhars: wordt veel gebruikt in droge-transformatoren en vormt door gieten een solide algehele isolatie.
• NOMEX®-papier: Een hoogwaardig-aromatisch polyamidepapier met hoge thermische weerstand, dat vaak wordt gebruikt in droge- type of speciale transformatoren.

Transformatorwikkelingen zijn de 'circuitkanalen' voor het bereiken van elektromagnetische energieconversie, terwijl transformatorisolatie het 'beschermingssysteem' is dat componenten met verschillende potentiëlen veilig van elkaar scheidt; isolatie fungeert als 'pantser' voor de wikkelingen, biedt veiligheid voor hun normale werking en voorkomt ongelukken met kortsluiting-. Deze twee vullen elkaar aan en bepalen samen de prestaties, het spanningsniveau en de operationele betrouwbaarheid van de transformator.