O R D . MITGLIED DER S L O W E N I S C H E N A K A D E M I E DER W I S S E N S C H A F T E N UND KÜNSTE. O R D . PROFESSOR AN DER U N I V E R S I T Ä T
LJUBLJANA
D I R E K T O R DES I N S T I T U T S FÜR E L E K T R I Z I T A T S W I R T S C H A F T IN L J U B L J A N A
Dritte, vollständig umgearbeitete Auflage mit 321 Abbildungen im Text, davon 2 Falttafeln
B I R K H A U S E R VERLAG BASEL UND STUTTGART 1956
INHALTSVERZEICHNIS I. Das Wesen des Transformators 1. Die Grundidee 25 2. Das Spannungsgleichgewicht im Transformator 27 3. Der belastete Transformator 29 4. Zeitfeste Bilder der idealen Transformation 31 5. Der wirkende magnetische Fluß der geformten idealen Transformation 35 6. Der ideale Transformator in symbolischer Beschreibung 38 7. Das Erregerstromproblem 41 8. .Die Spannungsabfälle der primären und der sekundären Wicklung . . . 43 9. Das vervollständigte Zeigerdiagramm des Transformators. Der Gesamtspannungsabfall 46 10. Die Strom wärme der Wicklungen des arbeitenden Transformators . . . . 49 11. Die Energieverluste im Eisenkern des Transformators 52 12. Der Leerlauf des Transformators. Seine Nennleistung 57 13. Der Transformator im Kurzschluß. Sein Wirkungsgrad 60 14. Der Stromtransformator und der Spannungstransformator 64 II. Die Gestalt des Transformators 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.
Technik und Wirtschaft 67 Grundlegende Gestaltungsprobleme 69 Das Wesen der Gestalt des Transformators 73 Die drei grundlegenden Wachstumsgesetze 76 Das Strom- und das Liniendichtenproblem des Transformators 79 Das erste Wachstumsgesetz und die Betriebsführungsaufgaben im Stromdichtenproblem 84 Wicklungsstromwärme und Leerlaufsenergieverluste 86 Das Problem der Dichte des wirkenden magnetischen Flusses 90 Folgerungen aus dem Kostenaufteilungsgesetz 91 Das führende geometrische Gestaltungsproblem des Transformators . . 95 Das Baukostenproblem 98 Das Jochgesetz 101 Rechteckige Säulenquerschnitte. Das Spulenkopfgesetz 104
III. Das Wesen des Drehstromtransformators 28. Geschichtliche Bemerkungen. Grundsätzliche Einstellung zum Drehstromtransformator 108
Inhaltsverzeichnis
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29. Die Anfänge des Drehstromtransformators 30. Das Nullsystem der Belastungsströme im Drehstromtransformator . . . 31. Der im Drehstromtransformator steckende (einphasige) Nulltransformator 32. Die vom Nullfluß induzierten Phasennullspannungen 33. Das primäre Spannungsgleichgewicht des Drehstromtransformators . . 34. Die Verschiebung des Sternpunktes der Primärwicklung durch den Nullfluß 35. Der Zweiphasen-Dreiphasen-Transformator 36. Die Unsymmetrie des Eisenkernes des Drehstromtransformators 37. Der Eisen- und der Luftspalterregerstrom 38. Energieaufnahme des unsymmetrischen dreiphasigen Eisenkernes im Leerlauf 39. Erregerstromoberwellen der mit drei teilbaren Vielfachen der Betriebsfrequenz 40. Der im Drehstromtransformator steckende Null- als Stromtransformator 41. Das Dreieck der Hauptwicklung und die selbständige Drossel Wicklung des Drehstromtransformators 42. Kurzschlußspannung und Nennleistung 43. Primäre Dreieck- und sekundäre Zick-Zack-Schaltung des Beleuchtungstransformators 44. Die primäre Dreieckschaltung und die Erregungsschwierigkeiten des Drehstromtransformators 45. Dreiphasige Transformation und Drehstromtransformation 46. Der primär in Stern geschaltete und an einen Nulleiter angeschlossene Drehstromtransformator 47. Die Erregungsschwierigkeiten des Transformators 48. Der fünfschenklige Eisenkern des Drehstromtransformators 49. Die Flußoberwellen dreifacher Betriebsfrequenz im fünfschenkligen Eisenkern des Drehstromtransformators 50. Die Flußoberwellen der fünf- und der siebenfachen Betriebsfrequenz im fünfschenkligen Eisenkern des Drehstromtransformators 51. Die Manteltype des Drehstromtransformators 52. Das Schältungsproblem des Drehstromtransformators 53. Die V-Schaltung als Notschaltung der dreiphasigen und der Drehstromtransformation
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IV. Die Wärmeabfuhr aus dem arbeitenden 54. 55. 56. 57.
Kühlung und Lebensdauer des Transformators Das Lebensdauergesetz des Transformators Die Lebensgeschwindigkeit des Transformators Die Zerlegung des Wärmestromes. Der Wärmestrom des Eisens und der Wärmestrom des Kupfers. Der äußere und der innere Teil des Wärmestromes
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Inhaltsverzeichnis 58. 59. 60. 61.
Der Temperaturanstieg im Eisenkern Der innere Teil des Kupferwärmestromes Der innere Temperaturanstieg der getränkten Spule Die höchste und die mittlere Kupferübertemperatur. Die Sicherheitsvorschriften 62. Das Verhältnis der mittleren Kupferübertemperatur zur höchsten . . . 63. Der Wärmedurchgang durch die Spulenhülle. Der äußere Teil des Wärmestromes 64. Die Wärmestrahlung 65. Die strahlende Oberfläche der Transformatorwicklung 66. Die strahlende Oberfläche des ölkessels 67. Die Wärmeleitung 68. Die Entstehung der Bewegung in der kühlenden Flüssigkeit 69. Die Wärmemitnahme durch die bewegte Kühlflüssigkeit. Mitnahme und Strahlung 70. Die Wärmemitnahme bei natürlicher Kühlung. Das Luftbad 71. Die praktische Auswertung des Wärmemitnahmegesetzes der natürlichen Luftkühlung 72. Natürliche Luftkühlung des glatten Ölkessels . 73. Natürliche Luftkühlung des gewellten ölkessels 74. Tiefwellenkessel neuzeitiger Gestalt 75. Eigenheiten der Wärmeabgabe an der Ölkesseloberfläche 76. Röhren- und Kühltaschenkessel (Radiatorenkessel) 77. Künstliche Luftkühlung 78. Belüftung der Transformatorenkammern 79. Die Wärmemitnahme an den Wicklungsoberflächen in freier Luft . . . . 80. Die Wärmemitnahme an Wicklungsoberflächen unter Öl 81. Das eigentliche Problem der Kühlung der Wicklungsoberfläche 82. Das Ausgestalten erster Stufe der kühlenden Wicklungsoberfläche . . . 83. Das Ausgestalten zweiter Stufe der kühlenden Wicklungsoberfläche . . 84. Das Zusammenwirken der axialen, zylindrischen und der radialen, kreisringförmigen Wicklungskanäle 85. Experimentelle Beiträge zum Problem der gegenseitigen Beeinflussung der Kühlkanäle beider Ausgestaltungsstufen der Wicklungsoberfläche . 86. Die Erwärmungsbilanz des öltransformators mit natürlicher Kühlung . 87. Die Erwärmung des Eisenkernes 88. Temperaturschwankungen im Transformator bei Belastungsschwankungen 89. Der Anfang einer Belastungsperiode. Die Erwärmungskurve 90. Die Zeitkonstante des Transformators 91. Der Temperaturanstieg in der Wicklung des Großtransformators. Seine Bedeutung für die Meßtechnik 92. Kritik der einfachen Lösung des Erwärmungsproblems der Belastungsschwankungen 93. Die Rolle des Öles in Erwärmungsschwankungen des öltransformators
Vorübergehende Überlastungen des Transformators Der aussetzende Betrieb Die Kurzschlußerwärmung. Die Erwärmungszeitkonstante Künstliche Kühlung Eigenheiten der künstlichen Kühlung Feinheiten der Wasserinnenkühlung
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V. Der Eisenkern. Der Leerlauf. Der Einschaltstromstoß 100. Die Idee des kreisförmigen Säulenquerschnittes 101. Der verwirklichte kreisförmige Säulenquerschnitt 102. Der Jochquerschnitt. Die konstruktiven Feinheiten des kreisförmigen Säulenquerschnittes 103. Runde Säulen mit radial gestellten Blechen 104. Sonderprobleme aus orientiertem Blech aufgebauter Eisenkerne 105. Der Füllfaktor des Eisenkernes. Das Zusammenfügen der Blechabschnitte zum Eisenkern 106. Der Btechaufwand. Der Schneideplan 107. Das Zusammenpressen des Blechkörpers 108. Die Vergrößerung der Wirbelstromgefahr im Eisenkern durch das Pressen. Das Isolieren der Bleche. Die Raumausnützung des Bleches 109. Konstruktives über zwischen Preßplatten zusammengedrückte Eisenkörper 110. Genietete und geschraubte Eisenkerne 111. Schwierigkeiten des Aufbaues des Eisenkernes 112. Die mechanische Ausrüstung der Joche 113. Der Leerlauf des Transformators 114. Der meßbare Leerlaufstrom des Transformators 115. Der Eisenerregerstrom 116. Die Effektivstärke des Eisenerregerstromes 117. Die Struktur der Magnetisierungskurve des Transformatorenbleches . . 118. Unterschiede zwischen den Eisenerregerstromstärken einphasiger und Drehstromtransformatoren 119. Der Luftspalterregerstrom. Der Gesamterregerstrom 120. Der Einschaltstromstoß des Transformators
Die treibenden Kräfte der Probleme der Transformatorenwicklungen . Die führenden Probleme der Transformatorenwicklungen ' Die magnetischen Streuflüsse der Wicklungen Der magnetische Streufluß. Das vereinfachte Bild des Streuflusses. Die Berechnung des Streuflusses 125. Berechnung der Streuspannung. Das einfache Ersatzbild 126. Das verschiedene Verhalten der beiden grundlegenden Wicklungsanordnungen gegenüber dem induktiven Spannungsabfall 127. Der Einfluß der Kurzschlußspannung auf das Gestalten der Wicklung .
422 424 430 433 436 439 444
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Inhaltsverzeichnis
128. Die zusätzlichen Energieverluste im Wicklungskupfer. Ansatz und erste Berechnungsstufe 445 129. Die Struktur der Lösung des Wirbelstromwärmeproblems der Transformatorwicklungen 450 130. Der einfachste Sonderfall des Wirbelstromwärmeproblems der Transformatorwicklungen 453 131. Das volle Wirbelstromwärmeproblem des großen Transformators . . . . 455 132. Die Gesamtenergieverluste der voll belasteten Wicklung des Transformators 459 133. Der Transformator im Kurzschluß 462 134. Die praktische Bedeutung der Kurzschlußhauptstromkraft 464 135. Berechnung der Hauptstromkraft des kurzgeschlossenen Transformators 466 136. Das klassische Bild der von der Kurzschlußstromkraft drohenden Gefahren 468 137. Das vollständige Bild des Transformatorenkurzschlusses 471 138. Kurzschlußstromkrafttheorie des Verfassers 476 139. Die magnetische Energie des Kurzschlußstreufeldes im Stromkräftespiel . 479 140. Das abschließende Bild der Gefahren, die dem Wicklungskörper von der Kurzschhißhauptstromkraft drohen 482 141. Die Kurzschlußnebenstromkraft 485 142. Berechnung der Kurzschlußnebenstromkraft 487 143. Kurzschlußzusatzstromkräfte, diein Unausgeglichenheiten der einander gegenüberstehenden primären und sekundären Stromfronten verankert sind 489 144. Das Kurzschlußstromwärmeproblem 492 145. Der bewegliche Wirk widerstand der kurzgeschlossenen Wicklung 494 146. Kurzschlußdauer, Überstromschutz und Lebensdauer 497 147. Höchsttemperatur in der kurzgeschlossenen Wicklung. Abfluß der Kurzschlußstromwärme 500 148. Entwicklung des Spannungsproblems der Transformatorwicklung . . . . 501 149. Das statische innere Spannungsproblem der Transformatorwicklung . 506 150. Die Stärke der Runddrahthülle '. . . . . . . 511 151. Die Spannungsfront zwischen der Ober- und der Unterspannungswicklung 513 152. Feinheiten der Reihenschaltung des Hartpapierzylinders und des Öles im Wicklungsspalt 516 153. Neuere Lösungen des Spannungsproblems an der Front zwischen der Ober- und der Unterspannungswicklung 519 154. Das Spannungsproblem der Säulenenden der Zylinderwicklung 524 155. Die übrigen Spannungsfronten des Wicklungskörpers 528 156. Wicklungsanzapfungen. Regulierbare Transformatoren 532 157. Das Problem der Spannungsregelung während der Tätigkeit des Transformators 537 158. Die Klemmenschaltleitungen. Durchführungen 541
Inhaltsverzeichnis
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159. Isolationsprüfungen. Spannungsprüfungen mit Betriebsfrequenz. Stoßspannungsprüfungen 160. Die Schwierigkeiten der Spannungsprüfungen 161. Das dynamische innere Spannungsproblem der Transformatorwicklung 162. Der Anfang des Eindringens einer Spannungswelle in die Transformatorwicklung 163. Das Ausschwingen der in die Transformatorwicklung eingedrungenen Spannungswelle
545 547 553 556 561 .
VII. Randprobleme des Transformatorenbaues 164. Probleme der natürlichen Grenzen der Transformation und der Überwachung des Transformationsbetriebes 165. Der Transformator in Sparschaltung 166. Parallelschaltung zweier oder mehrerer Transformatoren 167. Überwachung des Öles. Das ölausdehnungsgefäß. Der Buchholzschutz. yill.
Der Entwurf. Beispiele von ausgeführten
567 569 573 577
Transformatoren
168. Wahl des Säulendurchmessers 169. Entwurf eines 100-kVA-Drehstromtransformators für 35 000 ± 5 %/380/ 220 V, 50 Hz 170. Schätzwerte des Entwurfes. Der Ölbedarf. Das Gesamtgewicht. Die Herstellungskosten 171. Drehstromtransformator der Elektro-Bau A.G. (Linz) für 20 MVA, 110/30,5 kV, 50 Hz 172. Dreiphasige Großtransformatorengruppe der Brown-Boveri Werke (Baden bei Zürich) für 80 MVA, 13,5/181,5-148,2 kV, 50 Hz 173. Drehstromwandergroßtransformator der Siemens-Schuckert Werke A.G. (Nürnberg) für 150 MVA, 10/220 kV, 50 Hz Namen- und Sachregister
