Gießharztransformator

Der Kern wird wie bei flüssigkeitsgefüllten Transformatoren als Dreischenkelkern aus beidseitig isolierten Elektroblechen ausgeführt. Allerdings ist beim Gießharztrafo noch eine Lackierung notwendig, um den Korrosionsschutz zu gewährleisten, da der Kern nicht von Öl umgeben ist.

Als Leitermaterial wird in den Oberspannungswicklungen Kupfer, oft aber auch Aluminium eingesetzt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ist höher als der von Kupfer und liegt damit näher an dem von Gießharz. So vermindert ein Aluminiumleiter die inneren mechanischen Spannungen in der Spule infolge von Temperaturschwankungen und damit die Gefahr von Rissen in der Isolierung. Die Wicklung kann entweder als Drahtwicklung oder als Bandwicklung mit Kunststofffolie als Lagenisolation zwischen den einzelnen Windungen ausgeführt werden. Die Spule wird nach dem Wickeln unter Vakuum mit Epoxidharz vergossen. Dies gewährleistet eine ausreichende elektrische und mechanische Festigkeit der Wicklung und einen Schutz vor Verschmutzung und Feuchte. Der Verguss darf keine Hohlräume oder Blasen aufweisen, die sonst zu Teilentladungen führen und so langfristig den Spannungsdurchschlag der Isolation bewirken können.

Das Gießharz dient dabei primär der gegenseitigen Isolierung der elektrischen Leiter innerhalb der Spule. Zur Unterspannungsspule und zum Kern hin existiert noch eine Luftstrecke. Infolge der unterschiedlichen relativen Permittivität von Luft (${\displaystyle \varepsilon _{r}=1}$) und Gießharz (${\displaystyle \varepsilon _{r}=4...5}$) wird das elektrische Feld in die Luft „gedrängt“, es wird also auf diesen Isolierstrecken nur ein geringer Teil der Spannung im Gießharz abgebaut. Deswegen dürfen die Spulen im Betrieb auch nicht auf der Oberfläche berührt werden.

Die Isolierung entspricht meist der Isolierstoffklasse F oder H.

Aluminium- oder Kupferband dient als Leiter in der Unterspannungswicklung, als Lagenisolation wird meist Prepreg eingesetzt. Dieses isoliert die Windungen nicht nur elektrisch voneinander, sondern verklebt sie auch miteinander und stellt so eine ausreichende mechanische Festigkeit im Falle eines Kurzschlusses sicher. Die Isolierstoffklasse ist auch hier meist F oder H.

Neben Schienen und Rohren als Verbindungs- und Anschlusselemente besteht das weitere Zubehör aus Temperatursensoren zum Schutz des Transformators gegen Überlastung[5] und, falls benötigt, aus Rollen zum Transport und Überspannungsableitern.

Die Umgebungsklasse gibt Auskunft darüber, bis zu welchem Grad der Transformator auch bei widrigen Umgebungsbedingungen wie hoher Luftfeuchte, Kondensation und Verschmutzung einsatzfähig ist. Es gilt für:

• E0: Kondensation darf am Transformator nicht auftreten, die Verschmutzung ist vernachlässigbar. D. h. der Trafo muss in einem trockenen und staubfreien Innenraum aufgestellt werden. Für diese Klasse ist kein Prüfnachweis erforderlich
• E1: Gelegentliche Kondensation und Verschmutzung in begrenztem Umfang ist zulässig. Diese Klasse kann durch eine Feuchteniederschlagsprüfung erfolgen. Dabei wird der Transformator für 6 h in einer Kammer einer Luftfeuchtigkeit von mehr als 93 % ausgesetzt, was durch Zerstäubung von Wasser erreicht wird. Das Wasser muss eine elektrische Leitfähigkeit zwischen 0,1 S/m und 0,3 S/m haben, so dass durch Betauung eine leitende Wasserschicht auf dem Transformator entsteht. Danach wird der Trafo 15 min lang mit 1,1-facher Nennspannung betrieben. Dabei darf kein Überschlag oder gefährliche Kriechwegbildung auftreten.

• E2: Häufige Kondensation und/oder starke Verschmutzung ist möglich. Zum Nachweis wird die Prüfung wie für E1 durchgeführt, allerdings mit leitfähigerem Wasser im Bereich von 0,5 S/m bis 1,5 S/m. Zusätzlich ist eine Feuchteeindringprüfung durchzuführen. Dabei wird der Trafo 144 h bei 50 °C und 90 % Luftfeuchtigkeit gelagert und dann den genormten Prüfungen mit angelegter und induzierter Wechselspannung unterzogen, allerdings mit auf 80 % reduzierten Spannungswerten. Auch hier darf kein Überschlag oder gefährliche Kriechwegbildung auftreten. So wird zusätzlich nachgewiesen, dass kein Schaden durch in den Transformator allmählich eindringende Feuchte verursacht wird.

• E3: DIN EN 60076-16 (Transformatoren für Windenergieanlagen-Anwendungen) beschreibt zusätzlich eine noch höhere Klasse E3. Sie unterscheidet sich von E2 durch eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeit des bei der Feuchteniederschlagsprüfung eingesetzten Wassers auf 3,6 S/m bis 4 S/m und einer auf 95 % erhöhten Luftfeuchtigkeit bei der Eindringprüfung.

Diese Klimaklasse legt fest, bei welchen Minimaltemperaturen der Trafo transportiert, gelagert und betrieben werden kann. Durch Temperaturwechsel (ausgeschalteter Trafo: Umgebungstemperatur, Trafo bei Nennbetrieb: üblicherweise > 100 °C) kann die Gießharzisolierung bei falscher Bemessung Risse infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Leitermaterial und Gießharz bekommen. Es gilt dann für

• C1: Der Trafo darf nicht unter −5 °C Umgebungstemperatur betrieben, aber bis −25 °C gelagert und transportiert werden. Diese Klimaklasse ist durch ein Abkühlen des Trafos auf −25 °C, Erwärmen auf −5 °C in 4 h und anschließendes rasches, schockartiges Aufheizen mit zweifachem Nennstrom nachzuweisen. Die Endtemperatur wird durch die Isolierstoffklasse festgelegt (z. B. 140 °C für F). Die Isolierung darf nach der Prüfung keine Risse oder Schlitze aufweisen, der Trafo muss die genormten Spannungsprüfungen mit auf 80 % reduzierten Spannungswerten, sowie Teilentladungsprüfungen bestehen.

• C2: Der Trafo kann bis −25 °C Umgebungstemperatur transportiert, gelagert und betrieben werden. Der Nachweis erfolgt wie bei C1, allerdings beginnt das Aufheizen mit zweifachem Nennstrom bereits bei −25 °C, das langsame Erwärmen auf −5 °C entfällt.

Die Brandklasse gibt über die Brandlast bei einem Feuer in der Umgebung des Transformators und die Entwicklung von giftigen und sichtbehindernden Rauchgasen Aufschluss.

• F0: Es ist kein bestimmtes Brandrisiko zu berücksichtigen. Die Abgabe toxischer Stoffe und sichtbehindernder Rauches muss trotzdem auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

• F1: Eine Begrenzung der Brandgefahr ist erforderlich. Die Abgabe toxischer Stoffe und sichtbehindernder Rauches muss auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Zum Nachweis wird „ein Drittel“ des Transformators, also eine Ober- und eine Unterspannungsspule mit Kernschenkel in einer Brandkammer einer Beflammung durch entzündeten Alkohol und einer Bestrahlung durch einen Radiator ausgesetzt. Dabei dürfen bestimmte Maximaltemperaturen im Schornstein der Kammer nicht überschritten werden. Auch darf der Lichttransmissionsgrad im Rauch bestimmte Werte nicht unterschreiten.