Warum brauchen Hochspannungstransformatoren Öl?

Jemand sagte mir, dass Hochspannungstransformatoren Öl benötigen, weil es Lichtbogenbildung verhindert. Ist Luft im Hinblick auf den dielektrischen Durchschlag nicht die stärkste?

Ich erinnere mich, dass die Durchschlagspannung abnimmt, wenn die Dielektrizitätskonstante steigt. Ist das richtig?

3 Gründe: Deutlich höherer Spannungsdurchschlag, Wärmeleitfähigkeit und viel geringere Verunreinigungen, einschließlich Feuchtigkeit durch Kondensation, die zu einer Teilentladung führen, deren Überwachung und Reparatur in Öl billiger ist als bei trockenen Epoxidharzen.

• Ich fügte den dritten Grund hinzu, der komplexer ist, da es leichter ist, Fremdpartikel in Öl zu entfernen, und die Viskosität die kinetische Energie beschleunigender Partikel in einem E-Feld verringert, die auf einen Leiter treffen, dessen Energie ausreicht, um Wasserstoff, ein brennbares Gas, aus dem Wassermolekül freizusetzen.

• Trockentransformatoren gibt es <5 MVA sind kleiner, leiser, sicherer und werden in einigen städtischen Gebieten bevorzugt. Sie sind jedoch weniger effizient, kosten mehr und erfordern eine teurere Isolierung mit Glimmerband und Epoxidpolymeren, um die Feuchtigkeit beständig zu machen. Trockene Transformatoren müssen die Tendenz bekämpfen, Feuchtigkeitsmoleküle zu absorbieren, was die Durchschlagspannung schnell verschlechtert.

Transformatoröl ist mindestens 8x und bis zu 25x besser als Luft für den dielektrischen Durchschlag und mindestens 6x bessere Wärmeleitfähigkeit in [W / mK].

Öl wird vorwiegend mit> 5 MVA verwendet, da der elektrische Wirkungsgrad und der Kühlwirkungsgrad besser sind. Öl wird zur Kühlung, thermischen Ausbreitung von Hotspots und zur elektrischen Isolierung benötigt.

Partial Discharge (PD) ist der Fluss von Ionen im Plasma, wie eine Aurora oder Korona. Es müssen einige Verunreinigungen kollidieren und die Entladung verursachen.

Aus meinen Versuchen mit Nydas Transformatoröl in einer Transformatorfabrik soll 25kV / mm überschritten werden. Mit typischen Ergebnissen zwischen 25 und 40 kV.

Bei einer teureren Verarbeitung zur Entfernung von Verunreinigungen im ppm-Bereich können 70 kV / mm erreicht werden. Diejenigen, die sich die Maschine für über 50.000 USD leisten können, setzen sie ein, aber einige Kenntnisse in unsichtbarer Kontaminationsverarbeitung und Prozessqualitätskontrolle in einer Reinraumumgebung sind erforderlich.

Der Test wird mit einer Rampe von etwa 1 kV / s mit ultrareinen großen (~ 2 cm) Messingflachelektroden in einem sauberen Becherglas mit sich verjüngenden glatten Kanten durchgeführt.

Wie bei Luft können auch bei beweglichen Verunreinigungen und Druckänderungen Teilentladungen auftreten, die zu Schwankungen der Durchschlagspannung BDV eines Isolators führen.

Bei Transformatoröl zerlegt die Teilentladung auch die große Kohlenwasserstoffkette in H2 mit einer unteren Explosionsschwelle von 4% Konzentration.

Der Durchschlag für saubere Luft beträgt 3 kV / mm, während schmutzige feuchte Luft von flach zu flach <500 V / mm beträgt, während Punkt zu Punkt etwa 1/3 dieser Spannungsschwellenwerte beträgt.

Ein ultraniedriges Vakuum ergibt einen hohen BDV, aber ein sehr niedriges Teilvakuum, da die Reduktion von Molekülen einen geringeren Luftwiderstand und eine höhere kinetische Energie ermöglicht, wenn ein Ion in der Luft auf den Leiter auftrifft. (Siehe Paschen-Gesetz.)

Transformatoröl verhindert nicht nur Lichtbogenbildung, sondern verhindert auch, dass sich der Transformator bei seiner Betriebstemperatur überhitzt.

Ist Luft nicht die beste Lösung gegen Spannungsausfälle?

Nun, die Antwort darauf ist nein. Nach meinen Experimenten zeigt es mir, dass ja Luft einen Spannungsdurchschlag im Spalt von 1 Zoll bei einer Spannung von 20.000 Volt hat. Transformatoröl hat jedoch einen Spannungsabfall von 70.000 Volt pro Zoll.

Wenn Sie es so ausdrücken, wird der Abstand zwischen den beiden Leitern immer größer, und die dielektrische Durchschlagspannung, die für den Lichtbogen über diesen Abstand benötigt wird, wird größer.

Dann sind Sie ja richtig.

Wie halten Sie die Drähte in Position? Luft wird nicht helfen. Es ist mit Pappe in Öl getränkt getan.

Darüber hinaus haben Gase eine böse Eigenschaft: Sie haben einen sehr niedrigen Druck, sodass zufällig ionisierte Atome leicht durch das elektrische Feld bewegt werden können. Wenn der Gasdruck für die Spannung niedrig genug ist, erreichen die Ionen und freien Elektronen die Gegenelektrode, bevor sie sich wieder vereinigen können, so dass Sie einen leitenden Kanal haben, und die Wärme des Stromflusses ionisiert noch mehr Atome. Öl verhindert das einfach durch seine Viskosität.

Um eine hervorragende Isolierung mit einem Gas zu erreichen, musste ein schwer zu ionisierendes Gas mit hoher Viskosität verwendet werden, beispielsweise Schwefelhexafluorid.

Du brauchst Kühlung. Und saubere Luft ist schwer.

Der Schlüssel zur Frage ist, wo sie Transformatoren platzieren - wenn sie drinnen wären, wäre das nicht schlecht, aber in Wirklichkeit befinden sie sich an unreinen Orten voller Staub, Schnee, Feuchtigkeit und jeder anderen Umweltverschmutzung, die dem Menschen bekannt ist. Und es muss in den Jahrzehnten eine grundsätzlich unerreichte Lebensdauer geben.

Die Luft ist nicht nur zum Isolieren da. Das konnten sie mit Glimmer machen . Sie müssen auch den Transformator kühlen, damit sie aus der gleichen Menge Kupfer und Eisen eine nützlichere Stromstärke erhalten.

Sie können also Luft verwenden, aber Umweltprobleme machen es unmöglich, die atmosphärische Luft auszutauschen. Also müssten sie es hermetisch abdichten und Luft zur Herstellungszeit in Flaschen füllen, obwohl es natürlich auch ein anderes Gas wie Stickstoff oder Argon sein könnte.

Die nächste Frage ist der thermische Wirkungsgrad des Materials als Wärmeträgerflüssigkeit. Wärme ist ein Anregungsniveau eines Atoms. Neutrale und Protonen speichern keine Wärme, Masse speichert also keine Wärme, Atome nicht. Öl ist massiv atomdichter als Luft, da es flüssig ist. Das Öl dehnt sich auch bei Erwärmung aus (schauen Sie einfach auf den Ölmessstab Ihres Autos). Heißes Öl ist also volumenmäßig leichter als kaltes Öl, die Schwerkraft zwingt es zum Aufsteigen und dies führt zu einer Konvektionszirkulation. Dies kann ausgenutzt werden, um es durch die Kühlrippen zirkulieren zu lassen, sodass keine Kühlmittelpumpe erforderlich ist.

Suchen Sie nach den heute gebräuchlichen "Trockentransformatoren". Es gibt eine davon in einer riesigen Outdoor Utility Box in der Nähe unseres Gebäudes. Zumindest in unserem Fall ist der Transformator nicht auf einem Strommast montiert, daher muss er weniger kompakt und leicht sein. Ein schwerer xfrmr mit extra Eisen und dickeren Kupferwicklungen läuft kühler, benötigt also kein Kühlöl und keine Kühlerschleifen. Und wenn kleine Abmessungen kein großes Problem darstellen, können die EHT-Wicklungen weit von der Niedervolt-Seite entfernt sein, sodass der Luftspalt einen ausreichenden Schutz vor Lichtbogenausfällen bietet.

Beachten Sie, dass Explosionen und Brände von Öltransformatoren bei Gewittern und bei Windsturm-Kurzschlüssen nicht unbekannt sind. Bei Trockentransformatoren fehlen diese Fehlermechanismen.

Alle oben genannten Antworten sind gut, lassen jedoch die Umweltvorteile von Dioxin, die im Öl vieler älterer Transformatoren enthalten sind, außer Acht.