1. Definition und Kernprinzipien

Ein Hochspannungstransformator ist eine statische elektrische Vorrichtung, die Wechselspannung durch elektromagnetische Induktion erhöht oder verringert. Seine Hauptfunktion besteht darin, Niederspannungsstrom (z.B. 10 kV), der von Kraftwerken erzeugt wird, auf Höchstspannungen (über 110 kV) für die Fernübertragung zu erhöhen und ihn dann auf sichere Nutzungsniveaus (z.B. 220 V) für Endverbraucher herunterzutransformieren. Dieser Prozess beruht auf ​ Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion : Wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern, der eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Sekundärwicklung induziert. Das Spannungsverhältnis folgt strikt der Windungszahlverhältnis-Formel (U₁/U₂ = N₁/N₂). Zum Beispiel, wenn die Primärwicklung 1.000 Windungen und die Sekundärwicklung 10.000 Windungen hat, erhöht sich die Ausgangsspannung um das Zehnfache.

2. Kernstrukturanalyse

(1) Kern ​
Hergestellt aus laminierten 0,23–0,35 mm dicken hochpermeablen Siliziumstahlblechen, die mit Isolierlack beschichtet sind, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Moderne Kerne verwenden ein 'stufengestaffeltes' Design, das den magnetischen Widerstand um 30 % und die Leerlaufverluste um 15 % reduziert

(2) Wicklungen ​

· ​ Primärwicklung : Typischerweise mit verdrilltem Kupferdraht gewickelt, um hohen Spannungen (bis zu 1.000 kV) standzuhalten, mit dünnen Leiterquerschnitten, aber Isolierschichten von mehr als 5 mm.

· ​ Sekundärwicklung : Verwendet durchgehend verdrilltes Kupfer für Niederspannungs-, Hochstromanwendungen mit Querschnittsflächen bis zu 10-mal so groß wie die der Primärwicklung.

(3) Kühlsysteme ​

· ​ Ölgekühlt : Transformatoröl dient sowohl als Isolierung (dielektrische Festigkeit ≥30 kV/mm) als auch als Kühlmittel und hält die Öltemperaturen unter 85°C.

· ​ Trockenausführung : Verwendet Nomex-Papierisolierung mit Zwangsluft- oder SF₆-Kühlung, ideal für sensible Umgebungen wie U-Bahnen und Rechenzentren

3. Klassifizierung und Anwendungen

Im ±800-kV-UHVDC-Projekt auf dem Qinghai-Tibet-Plateau arbeiten Transformatoren bei -40 °C und 4.500 m Höhe. Vakuumölfüllung und Stickstoffausdehnungskompensationstechnologien verhindern das Erstarren des Isolieröls und gewährleisten eine stabile Netzeleistung.

4. Technische Herausforderungen und Innovationen

(1) Verlustkontrolle ​
Moderne Transformatoren verwenden amorphe Legierungskerne (1/5 des Eisenverlusts von Siliziumstahl) und KI-gesteuerte intelligente Spannungsregelung, wodurch Leerlaufverluste auf <15 kW/10 MVA reduziert werden. Die neuesten Standards von State Grid schreiben einen Wirkungsgrad von ≥98 % für 110-kV-Transformatoren vor.

(2) Isolationsdurchbrüche ​
Epoxidharz-Vakuumimprägnierung erreicht Teilentladungsniveaus unter 5 pC. ±1.100-kV-Transformatoren verfügen über segmentierte Durchführungen mit 7,2 m Kriechstrecken.

(3) Intelligente Upgrades ​
Integrierte faseroptische Temperatursensoren (±0,5 °C Genauigkeit), Vibrationsmonitore (10 kHz Abtastung) und KI-Algorithmen ermöglichen eine Fehlervorhersagegenauigkeit von >92 %. China Southern Power Grid hat digitale Zwillingssysteme in 2.000 Transformatoren eingesetzt.

5. Wartungs- und Sicherheitsprotokolle

· ​ Routinetests : Isolationswiderstandstests alle 3 Jahre (Standard >1.000 MΩ), Wicklungs-Gleichstromwiderstandsabweichung <2 %.

· ​ Ölchromatographie : Überwachen Sie H₂- und CO-Werte; Gesamtkohlenwasserstofferhöhungen >10 % lösen sofortige Abschaltungen aus.

· ​ Blitzschutz : Install 10 kA Arresters with ≤4 Ω grounding resistance.

6. Zukünftige Trends

Mit zunehmender Verbreitung erneuerbarer Energien entwickeln sich Hochspannungstransformatoren in Richtung modularer Designs (60 % kürzere Installationszeiten), Mehrklemmen-Verbindungen (unterstützend parallele VSC-HGÜ-Operationen), und CO₂-Fußabdruck-Verfolgung (40 % Reduzierung der Lebenszyklusemissionen). Bis 2030 wird der globale Markt voraussichtlich 80 Milliarden US-Dollar übersteigen, wobei China für über 45 % der Nachfrage verantwortlich ist.