Transformatorviklinger og transformatorisolasjon

Transformatorviklinger er kretskomponentene i en transformator og er kjernedelene for elektromagnetisk energikonvertering. De er laget av isolerte ledninger (vanligvis kobber eller aluminium) viklet i henhold til et spesifikt mønster og overfører energi gjennom prinsippet om elektromagnetisk induksjon.

1. Hovedfunksjoner

• Opprette et magnetfelt: Når primærviklingen forsynes med vekselstrøm, etableres et magnetisk vekselfelt.
• Induserende elektromotorisk kraft: Dette vekslende magnetfeltet passerer gjennom sekundærviklingen, og induserer en elektromotorisk kraft (spenning) i sekundærviklingen.
• Endring av spenning: Ved å justere omdreiningsforholdet til primær- og sekundærviklingene, kan spenningen trappes opp eller ned.

2. Typer viklinger (klassifisert etter spenningsnivå og relativ posisjon)

• Høy-vikling: Vikling som tåler høyere spenning. Har vanligvis et mindre trådtverrsnitt-(siden strømmen er relativt liten), men krever høy isolasjon.
• Lav-vikling: Vikling som tåler lavere spenning. Har vanligvis et større trådtverrsnitt (siden strømmen er relativt stor), og har relativt lavere isolasjonskrav.

Strukturelt, basert på deres arrangement på kjernen, er de hovedsakelig delt inn i to typer:

(1) Konsentrisk vikling:

• Struktur: Høy-- og lavspenningsviklingene er viklet til sylindriske former med forskjellige diametre og konsentrisk plassert på kjernebenet.
• Vanlig arrangement: For å lette isolasjonen er lavspentviklingen vanligvis plassert på innsiden (nærmere kjernen) og høyspentviklingen på utsiden. Dette er fordi isolasjon mellom lavspentviklingen og kjernen (jordet) er lettere å håndtere.
• Bruksområde: De fleste krafttransformatorer (spesielt de med større kapasitet) bruker denne strukturen. Produksjonsprosessen er relativt enkel og strukturen er robust.

(2) Interleaved vikling:

• Struktur: Både høy-- og lavspenningsviklingene- er laget til skiveformer og vekselvis stablet langs høyden av kjernebenet.
• Fordeler: Redusert lekkasjefluks mellom viklingene, høy mekanisk styrke og sterk-kortslutningsmotstand.
• Bruksområde: Brukes hovedsakelig til spesielle transformatorer, for eksempel elektriske ovnstransformatorer og sveisetransformatorer, som må tåle store elektromagnetiske krefter.

3. Hovedkrav til viklinger
Elektrisk ytelse: Må tåle langsiktig-driftsspenning og forbigående overspenning (som lynnedslag).
Mekanisk ytelse: Strukturen må være sterk nok til å tåle de enorme elektromagnetiske kreftene som genereres under kortslutninger uten deformasjon.
Termisk ytelse: Bør ha god varmespredning for å sikre at temperaturstigningen under langtidsbelastning ikke overskrider grensen.
Prosessytelse: Vikleprosessen skal være enkel, økonomisk og pålitelig.

Det er materialsystemet som isolerer ulike deler av viklingen fra hverandre og skiller viklingen fra jordede deler (som kjernen og oljetanken). Det er en ikke-kretsdel av transformatoren, men bestemmer sikkerheten og levetiden til transformatoren.
1. Hovedfunksjoner

• Potensiell isolasjon: Skiller pålitelig ledende deler med forskjellige potensialer (som høy- og lavspenningsviklinger og vikling fra kjernen) for å forhindre kortslutninger.
• Varmespredningskanal: Isolasjonsmaterialer (som transformatorolje) fungerer ofte som kjølemedier, og overfører varmen som genereres av viklingen og kjernen.
• Mekanisk støtte: Isolasjonsmaterialer (som isolasjonsplater) hjelper også med å fikse og støtte viklingene.

2. Isolasjonsklassifisering (etter plassering og funksjon)
Transformatorisolasjonssystemet er vanligvis delt inn i to hovedkategorier:

• Innvendig isolasjon: Plassert inne i transformatoroljetanken, ikke i direkte kontakt med den ytre luften.
• Hovedisolasjon: Refererer til isolasjonen mellom viklinger og jordede deler (som kjernen og oljetanken), og mellom viklinger med forskjellige spenningsnivåer (som mellom høy-spent og lav-spenningsviklinger). Dette er kjernen i transformatorisolasjonssystemet og bestemmer spenningsnivået til transformatoren.
• Langsgående isolasjon: Refererer til isolasjon innenfor samme vikling, for eksempel isolasjon mellom svinger (sving-for å-svinge isolasjon), mellom viklingslag (lag-til-lagsisolasjon), og mellom viklingsseksjoner (seksjon-til-seksjon i seksjon).
• Utvendig isolasjon: Refererer til isolasjonsdeler som er utsatt for luften utenfor transformatoren, hovedsakelig isolasjonen på toppen av gjennomføringer (utenfor oljetanken). Isolasjonsstyrken avhenger hovedsakelig av luftforholdene og krypeavstanden.

3. Hovedisolasjonsmaterialer
Isolasjonen til transformatorer (spesielt olje-nedsenkede transformatorer) er et sammensatt system. Vanlige materialer inkluderer:
(1) Flytende isolasjonsmaterialer:

• Mineral transformatorolje: Den mest brukte. Funksjoner inkluderer: isolasjon (mye høyere dielektrisk styrke enn luft), varmeavledning (fjerner varme gjennom konveksjon), beskyttelse (isolerer oksygen, forsinker materialets aldring).
• Syntetisk eller naturlig esterisolasjonsolje: For eksempel silikonolje eller vegetabilsk isolasjonsolje, vanligvis brukt på steder med høye krav til brannmotstand.

(2) Solide isolasjonsmaterialer:

• Isolasjonspapir, isolasjonsplate: Brukes til svingisolering, lagisolering, skille mellom viklinger og isolasjonssylindre. Olje-papirkomposittisolasjonssystemet er den mest klassiske og pålitelige typen transformatorisolasjon.
• Epoksyharpiks: Mye brukt i tørre-transformatorer, og danner en solid total isolasjon gjennom støping.
• NOMEX® Paper: Et aromatisk polyamidpapir med høy-ytelse og høy termisk motstand, vanligvis brukt i tørr-type eller spesielle transformatorer.

Transformatorviklinger er "kretskanalene" for å oppnå elektromagnetisk energikonvertering, mens transformatorisolasjon er "beskyttelsessystemet" som trygt skiller komponenter med forskjellige potensialer; isolasjon fungerer som "rustningen" for viklingene, gir sikkerhet for normal drift og forhindrer kortslutningsulykker. De to utfyller hverandre og bestemmer sammen transformatorens ytelse, spenningsnivå og driftssikkerhet.