Transformator

Ein Transformator ist eine statische elektrische Maschine, die Leistung zwischen zwei oder mehr Stromkreisen mittels elektromagnetischer Induktion überträgt. Er besteht aus zwei oder mehr Drahtspulen, die um einen gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern gewickelt sind. Wenn Wechselstrom durch die Primärspule fließt, erzeugt er ein veränderliches Magnetfeld im Kern, das eine Spannung in der Sekundärspule induziert. Der Transformator führt diese Übertragung ohne bewegliche Teile, ohne mechanischen Verschleiß durch, mit einem Wirkungsgrad zwischen 96 und 99 Prozent je nach Größe und Ausführung.

Der Grund für die Existenz von Transformatoren ist die Verschiebung von Spannungsebenen. Ein Generator könnte 20 kV erzeugen; Übertragungsleitungen arbeiten mit 138 kV oder 765 kV, um Widerstands- und damit Leitungsverluste über längere Entfernungen zu senken; lokale Verteilnetze regeln auf 13,8 kV oder 4,16 kV herunter; Kundengeräte erwarten 480 V Drehstrom oder 120/240 V Einphasenwechselstrom. Transformatoren ermöglichen jeden dieser Übergänge. Das Spannungsverhältnis entspricht dem Windungsverhältnis: Ein 10:1-Spannungsregler mit 1000 Windungen auf der Primärseite und 100 Windungen auf der Sekundärseite reduziert die Spannung um den Faktor 10, während der Strom proportional ansteigt.

Transformatoren gliedern sich nach Anwendung in breite Kategorien. Leistungstransformatoren mit einer Nennleistung über 100 kVA übernehmen Erzeugungs-, Übertragungs- und Umspannstationsaufgaben; sie sind groß, oft ölgekühlt und für Dauerbetrieb ausgelegt. Verteilungstransformatoren, üblicherweise 10 bis 50 kVA, hängen an Stromversorgungsleitungen oder sitzen in bodengestützten Gehäusen und versorgen Wohnviertel. Kleine Trockentyp-Transformatoren unter 10 kVA erscheinen in Steuerschaltungen, in der Messtechnik und in Werkzeugmaschinen. Spezialtypen sind Trennungstransformatoren (Primär- und Sekundärseite haben die gleiche Spannung, aber keine direkte elektrische Verbindung), Autotransformatoren (Primär- und Sekundärwicklung teilen sich Windungen, was Kupfer spart) und Messwandler (Stromwandler und Spannungswandler für Messung und Schutz).

Häufige Ausfallarten und Betriebsbeanspruchungen

Transformatorausfälle entstehen durch Wärme, Feuchte und dielektrischen Durchbruch. Ölgefüllte Transformatoren sind auf Mineralöl sowohl als Kühlmittel als auch als elektrische Isolation angewiesen; Wasserkontamination und Oxidation beeinträchtigen das Öl, verringern seine dielektrische Festigkeit und führen zu inneren Fehlern. Überbelastung lässt die Wicklungstemperatur ansteigen; wiederholte Thermocyclen ermüden die Isolation und beschleunigen die Alterung. Spannungsspitzen durch Blitzschlag oder Schalttransienten können die Isolation zwischen Wicklungen oder zwischen einer Wicklung und Erde durchschlagen. Äußere mechanische Beschädigungen, Kurzschlüsse auf der Sekundärseite und Kernsättigung durch Gleichstromanteile oder Oberschwingungsströme verkürzen alle die Lebensdauer.

Ein Drehstrom-Leistungstransformator wiegt typischerweise mehrere hundert Kilogramm und benötigt beträchtliche Bodenfläche. Der Kern ist aus dünnen Stahlblechen laminiert, um Wirbelstromverluste zu reduzieren. Die Wicklungen bestehen aus Kupfer- oder Aluminimumdraht, sorgfältig mit hoher Genauigkeit gewickelt und mit Papier, Emaille oder Kunststoffmaterialien isoliert. Temperaturüberwachung, Ölproben und Analyse gelöster Gase sind Routinewartungsmaßnahmen für hochwertige Geräte. Die Typenschild-Daten enthalten Nennleistung in Kilovoltampere (kVA), Primär- und Sekundärspannungen, Impedanz (prozentuale Spannungsabfall bei Volllast), Kühlart (OIL-COOLED, SELF-COOLED oder DRY-TYPE) und Anzapfungen zur Spannungsregelung.