Als statisches elektrisches Gerät nutzen Transformatoren das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, um einen bestimmten Wert der Wechselspannung oder des Wechselstroms in einen anderen oder mehrere unterschiedliche Werte der Spannung oder des Stroms mit derselben Frequenz umzuwandeln. Sie spielen eine unersetzliche Kernrolle bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Als Schlüsselausrüstung im Energiesystem arbeiten Transformatoren in Abstimmung mit dem Eisenkern und der Wicklung, um elektrische Energie durch elektromagnetische Energieumwandlung von der Primärseite auf die Sekundärseite zu übertragen und gleichzeitig die Spannung entsprechend den Anforderungen der Übertragung und Verteilung zu erhöhen oder zu senken. In der gesamten Energieerzeugungs-, -übertragungs- und -verteilungskette ist die Kapazität von Transformatoren in der Regel mehr als dreimal so hoch wie die von Generatoren, und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Betriebseffizienz und Stabilität des Energiesystems aus.
Von der Grundstruktur her bestehen Transformatoren hauptsächlich aus zwei Kernkomponenten: Eisenkern und Wicklung. Darüber hinaus gehören dazu auch Öltanks, Isolationskomponenten,Stufenschalterund verschiedene Schutzvorrichtungen. Der Eisenkern ist der Magnetkreisteil des Transformators, der einen geschlossenen Magnetkreis mit geringem magnetischen Widerstand bietet, um die magnetische Energie effizient zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu koppeln. Um Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Eisenkern zu reduzieren, besteht der Eisenkern üblicherweise aus kaltgewalzten Siliziumstahlblechen, die an der Oberfläche isoliert sind. Siliziumstahlbleche sind aufgrund ihrer hervorragenden magnetischen Leitfähigkeit und geringen Verluste zum bevorzugten Material für die Herstellung von Eisenkernen geworden. Die Wicklung ist der Schaltungsteil des Transformators und besteht aus zusammengewickelten Drähten. Die an die Stromversorgung angeschlossene Wicklung wird als Primärwicklung bezeichnet, die mit der Last verbundene Wicklung als Sekundärwicklung. Die Wicklung muss eine hohe Wärmebeständigkeit, mechanische Festigkeit und gute Wärmeableitungsbedingungen aufweisen, um den zuverlässigen Betrieb des Transformators zu gewährleisten. Auch das Dämmsystem darf nicht außer Acht gelassen werden. Seine Hauptfunktion besteht darin, die elektrische Isolierung zwischen stromführenden Teilen sicherzustellen, Kurzschlüsse, Lichtbögen und Fehler zu verhindern und eine wichtige Rolle für die thermische Stabilität und Gesamtlebensdauer von Transformatoren zu spielen.
Die technische Leistung von Transformatoren spiegelt sich in der Regel in den verschiedenen Parametern wider, die auf dem Typenschild angegeben sind. Die Typenschilddaten umfassen hauptsächlich Nennkapazität, Nennspannung und deren Anzapfung, Nennfrequenz, Wicklungsanschlussgruppe und Nennleistungsdaten wie Impedanzspannung, Leerlaufstrom, Leerlaufverlust und Lastverlust. Die Nennkapazität bezieht sich auf die garantierte Scheinleistung eines Transformators unter Nennbetriebsbedingungen, gemessen in Kilovoltampere; Die Nennspannung gibt die Arbeitsspannung an, der ein Transformator im Langzeitbetrieb standhalten kann. Zur Anpassung an die Erfordernisse von Spannungsänderungen im Stromnetz wird üblicherweise ein Abgriff auf der Hochspannungsseite des Transformators installiert und die Ausgangsspannung auf der Niederspannungsseite wird durch Anpassen der Windungszahl der Hochspannungswicklung angepasst. Der Leerlaufverlust bezieht sich auf die Wirkleistung, die von der an der Primärseite eines Transformators angelegten Nennspannung verbraucht wird, wenn die Sekundärseite im Leerlauf ist. Dieser Indikator steht in engem Zusammenhang mit der Leistung und dem Herstellungsprozess des Eisenkern-Siliziumstahlblechs. Der Lastverlust bezieht sich auf die Leistung, die verbraucht wird, wenn die Sekundärwicklung kurzgeschlossen ist und der Nennstrom an die Primärwicklung angelegt wird. Die Impedanzspannung spiegelt die internen Impedanzeigenschaften von Transformatoren wider und ist für den Parallelbetrieb und die Kurzschlussschutzkonstruktion von großer Bedeutung.
Aus Sicht der ProdukttypenTransformatorenkönnen aufgrund der unterschiedlichen Kühlmedien in zwei Kategorien eingeteilt werden: Öltransformatoren und Trockentransformatoren. Öltransformatoren verwenden Mineralöl oder synthetisches Öl als Isolations- und Kühlmedium. Transformatoröl verfügt über eine ausgezeichnete elektrische Isolationsleistung, die Hochspannungswicklungen effektiv von Niederspannungswicklungen isolieren, einen Lichtbogendurchschlag verhindern und aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität zu einem effizienten Wärmeableitungsmedium werden kann. Es kann die vom Eisenkern und der Wicklung erzeugte Wärme an die Außenumgebung ableiten. Der Aufbau eines Öltransformators umfasst sechs Kernmodule: Eisenkernsystem, Wicklungssystem, Isolationssystem, Öltanksystem, Kühlsystem und Schutzvorrichtung. Im Stromnetz übernehmen Öltransformatoren wichtige Aufgaben wie Spannungsumwandlung, Stromübertragung und -verteilung. Ihre Funktion erstreckt sich über die gesamte Energiekette, von der Spannungserhöhung auf der Erzeugungsseite über die Spannungsregelung in der Übertragungsstrecke bis hin zur Spannungsanpassung auf der Verteilungsseite. Öltransformatoren werden hauptsächlich im Freien oder in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Leistungsdichte und einen Langzeitbetrieb erfordern, wie etwa große Umspannwerke, Stromübertragungssysteme und schwere Industrieanlagen.
Das Gegenteil von Öltransformatoren sind Trockentransformatoren, die Luft oder andere trockene Gase als Isolations- und Kühlmedium verwenden. Da kein brennbares Isolieröl verwendet wird, bieten Trockentransformatoren erhebliche Vorteile beim Brandschutz und werden häufig in Innenräumen eingesetzt, in denen Brand- und Explosionsschutz erforderlich ist, beispielsweise in großen Gewerbegebäuden, Krankenhäusern, U-Bahn-Stationen, Hochhäusern und Rechenzentren. Trockentransformatoren sind normalerweise klein und eignen sich für die Installation an Orten mit begrenztem Platzangebot. Ihre festen Isoliermaterialien verfügen jedoch über relativ begrenzte Wärmeübertragungsfähigkeiten und erfordern manchmal zusätzliche Kühlsysteme, um normale Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten. Aus Kostengründen ist die Anfangsinvestition für Trockentransformatoren in der Regel höher als die für Öltransformatoren, aber aufgrund der einfacheren Wartung und des fehlenden regelmäßigen Austauschs des Isolieröls sind sie im Langzeitbetrieb möglicherweise wirtschaftlich rentabler. Bei der Auswahl spezifischer Projekte erfordert die Auswahl von Öltransformatoren oder Trockentransformatoren in der Regel eine umfassende Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Anwendungsszenarien, Umgebungsbedingungen, Brandschutzanforderungen und Budgetbeschränkungen.
Der Herstellungsprozess von Transformatoren ist ein Schlüsselfaktor für deren Leistung und Zuverlässigkeit. Der gesamte Herstellungsprozess umfasst wichtige Prozesse wie die Herstellung von Isolierkomponenten, die Herstellung von Spulen, die Herstellung von Eisenkernen, die Herstellung von Kraftstofftanks und Strukturkomponenten sowie die Endmontage. Der Herstellungsprozess von Eisenkernen umfasst hauptsächlich das Längs- und Querschneiden von Siliziumstahlblechen, das Stapeln und Binden von Eisenkernen sowie die Isolierversiegelungsbehandlung der Endflächen des Eisenkerns. Der moderne Eisenkern-Stapelprozess nutzt eine pneumatische Wende- und Standstapelplattform und nutzt eine speziell entwickelte Positionierungsvorrichtung, um sicherzustellen, dass die Eisenspäne fest verbunden sind, wodurch Verluste und Lärm reduziert werden. Die Spulenherstellung umfasst Schritte wie Wickeln, Trocknen, Vakuumgießen oder Imprägnieren, Aushärten und Nivellieren von Hoch- und Niederspannungsspulen. Bei der Herstellung von Trockentransformatoren ist der Vakuumgussprozess von Hochspannungsspulen besonders kritisch. Epoxidharz dringt unter Vakuumbedingungen vollständig in das Innere der Spule ein und bildet nach dem Aushärten eine dichte, feste Isolationsschicht, wodurch die Isolationsleistung und die Kurzschlussfestigkeit des Produkts erheblich verbessert werden. Der Endmontageprozess umfasst die Demontage und Montage des Eisenkerns, die Spulenmontage, die Klemmbefestigung, Werkstests und die Installation von Zubehör. Jeder Schritt erfordert eine strenge Qualitätskontrolle. Bei Öltransformatoren sind die Körpertrocknungsbehandlung, die Transformatorölbehandlung und der Vakuum-Ölimmersionsprozess gleichermaßen wichtig, da diese Prozesse sich direkt auf den Isolationsgrad und die Betriebslebensdauer des Produkts auswirken.
Mit der kontinuierlichen Förderung des globalen Energiestrukturwandels und der digitalen Modernisierung der Industrie durchläuft die Transformatorenindustrie tiefgreifende Veränderungen. Im Makrokontext des „Dual Carbon“-Ziels sind hohe Effizienz und Energieeinsparung zur Kernrichtung der Entwicklung der Transformatortechnologie geworden. Der vom chinesischen Ministerium für Industrie und Informationstechnologie herausgegebene Umsetzungsplan für die hochwertige Entwicklung energiesparender Geräte (2026-2028) legt eindeutig das quantitative Ziel fest, bis zum Jahr 2028 mehr als 75 % der hocheffizienten Energiespartransformatoren hinzuzufügen und 15 % der in Betrieb befindlichen Energiespartransformatoren zu erreichen. Auf der Ebene der Ökologisierung sind die F&E- und Fertigungskapazitäten von Hoch-effiziente und energiesparende-Transformatoren nehmen stetig zu, und der Marktanteil von kohlenstoffarmen Produkten wie amorphen Legierungstransformatoren und drei-dimensional gewickelten Eisenkerntransformatoren nimmt allmählich zu. Am Beispiel amorpher Legierungsmaterialien ist ihre Magnetisierungsleistung viel besser als bei herkömmlichem Siliziumstahl, wodurch der Leerlaufverlust von Verteilungstransformatoren um 60 bis 70 % reduziert werden kann. Mit der Reife der Industriekette gewinnt ihre Wirtschaft immer mehr an Bedeutung. Gleichzeitig beschleunigt sich der Trend, Mineralöl durch umweltfreundliche Isoliermedien zu ersetzen. Abbaubare Isolierflüssigkeiten mit hohem Zündpunkt wie natürliches Esteröl ersetzen nach und nach herkömmliche Mineralöle bei hohen Brandschutzanforderungen. Bei einigen Produkten wurden bahnbrechende Fortschritte bei der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen um 98 % und der biologischen Abbaurate um 100 % erzielt.
Intelligenz ist auch eine wichtige Richtung für die Entwicklung der Transformatorenindustrie. Künstliche Intelligenz, Big Data und IoT-Technologien verwandeln traditionelle Transformatoren von passiven „dummen Geräten“ in intelligente Terminals, die wahrnehmbar, analysierbar, vorhersehbar und interaktiv sind. Durch die Integration von Sensoren in Transformatoren zur Überwachung multi{2}dimensionaler Zustandsvariablen wie Ölfarbspektrum, Teilentladung, Wicklungs-Hotspots und Vibrationen in Echtzeit und der Verwendung cloudbasierter digitaler Zwillinge zur Vorhersage von Alterungstrends der Isolierung und potenziellen Fehlern verlagert sich der Betriebs- und Wartungsmodus von der traditionellen „regelmäßigen Wartung“ zur „präzisen Wartung“. Der Kernwert der Intelligenz liegt in der Zustandsvorhersage sowie vor dem Betrieb und der Wartung. Dadurch können Gerätemanager vorbeugende Maßnahmen ergreifen, bevor Fehler auftreten, und so die Betriebszuverlässigkeit des Energiesystems erheblich verbessern.
Im Kontext des internationalen Handels ist das Verständnis und die Einhaltung relevanter internationaler Standards und technischer Spezifikationen eine notwendige Voraussetzung für das Exportgeschäft mit Transformatoren. Zu den weltweit am weitesten verbreiteten Standardsystemen gehören derzeit die Normen der IEC 60076-Reihe der International Electrotechnical Commission, die Normen der IEEE C57-Reihe der Vereinigten Staaten und die nationalen Normen der GB/T 1094-Reihe Chinas. Der IEC-Standard betont die globale Universalität und Austauschbarkeit und ist für die meisten Länder und Regionen die Grundlage für die Formulierung ihrer eigenen Transformatorvorschriften. In den Vereinigten Staaten, Kanada und einigen lateinamerikanischen Ländern dominieren IEEE-Standards, die strengere Anforderungen an die mechanische Festigkeit und die langfristige Betriebssicherheit stellen. Der GB-Standard integriert die technischen Konzepte der IEC und passt sich an die Betriebsbedingungen des chinesischen Stromnetzes an, beinhaltet aber auch zusätzliche Prüfanforderungen für besondere Arbeitsbedingungen wie hohe Luftfeuchtigkeit und stark verschmutzte Umgebungen. Es gibt Unterschiede im Isolationsgrad, der Temperaturanstiegsgrenze, der Kurzschlussfestigkeit und den Testmethoden zwischen verschiedenen Standardsystemen. Beispielsweise weicht bei der Prüfung von Blitzimpulsen die von der IEC spezifizierte Abschaltdauer vom IEEE-spezifizierten Bereich ab, was auf Sicherheitsmargenüberlegungen bei unterschiedlichen technischen Wegen zurückzuführen ist. Für Unternehmen, die im Exportgeschäft mit Transformatoren tätig sind, ist die genaue Identifizierung des auf den Zielmarkt anwendbaren Standardsystems und die Sicherstellung, dass die Produkte den lokalen Anforderungen in Bezug auf die technische Konformität entsprechen, eine wichtige Voraussetzung, um Handelshemmnisse zu vermeiden und den reibungslosen Ablauf von Projekten sicherzustellen.
