So erkennen Sie Wicklungskurzschlüsse in Transformatoren
In diesem Dokument werden die Techniken erläutert, die von den Testern der AT-Serie von Voltech zum Erkennen von Kurzschlüssen in Wicklungen in Transformatoren verwendet werden.
Einführung: Erkennen von Windungsschlüssen in Transformatorwicklungen
Transformatoren und Induktoren sind wichtige Komponenten in elektrischen Systemen. Sie bestehen aus mehreren Drahtwindungen, die um einen magnetischen Kern aus Eisen, Ferrit oder Luft gewickelt sind. Diese Wicklungen sind für eine effiziente Energieübertragung unerlässlich. Transformatoren haben typischerweise mehrere Wicklungen, während Induktoren normalerweise aus einer einzigen Wicklung bestehen.
Das Erkennen von Windungsschlüssen in Transformatoren, insbesondere solchen mit feinen Drähten oder zahlreichen Windungen, ist entscheidend, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Unerkannte Wicklungsfehler können während des Betriebs zu erhöhten Temperaturen führen, was zu Kupferschmelzen und Kurzschlüssen mit geringem Widerstand führen kann, die die Transformatorfunktion beeinträchtigen. Der Voltech AT5600 bietet erweiterte Testfunktionen, um solche Fehler frühzeitig im Herstellungsprozess zu erkennen und so das Risiko von Ausfällen im Feld zu verringern.
Der Voltech AT5600 bietet erweiterte Testfunktionen, um solche Fehler frühzeitig im Herstellungsprozess zu erkennen und so das Risiko von Ausfällen im Feld zu verringern.
Erweiterte Methoden zur Erkennung von Kurzschlüssen mit dem AT5600
Der Voltech AT5600- Tester verwendet zwei wichtige Testmethoden, um Kurzschlüsse in Wicklungen und Isolationsschwächen in Transformatoren und Induktoren zu identifizieren:
SURGE- oder Impulsprüfung (SURG) – geeignet für feine Drähte oder Hochspannungswicklungen.
STRESS WATTS-Prüfung. (STRW/STRX) – geeignet für Netzspannungswicklungen.
In den beiden folgenden Fällen besprechen wir die Auswirkungen einer Beanspruchung der Primärwicklung. Bedenken Sie jedoch, dass Sie durch die grundlegende Induktion von Spannungen über alle Wicklungen die Lebensdauer ALLER Wicklungen des Transformators testen.
Aus diesem Grund sollten Sie einem Belastungstest immer die Wicklung mit der größten Windungszahl unterziehen, da dadurch sichergestellt wird, dass Sie an keiner Wicklung mehr als die erzeugte Spannung induzieren. Auf diese Weise schützen Sie den UUT- und AT-Tester.
SURGE- oder Impulsprüfung (100 V – 5 kV DC)
Da es für diese Art von Prüfung weder eine allgemein definierte Methode noch Messparameter gibt, wird für die Vergleichsprüfung ein perfektes Beispielbauteil benötigt.
Das perfekte Bauteil wird zum Benchmark, das Messergebnis dient als Vergleichswert.
Die Höhe der Spannung und die Anzahl der erforderlichen Impulse hängen von der Gesamtbeanspruchung der Wicklung des Bauteils ab.
Beispielsweise könnte im Falle eines Blitzeinschlags in einem netzbetriebenen Transformator Spannungsspitzen von bis zu 2 kV aus der Rohnetzversorgung auftreten. Drei Impulse mit einer Spannung von 3 kV sollten daher ausreichen, um die Wicklungen auf Isolationsmängel zwischen den Windungen zu prüfen und zu belasten.
Jeder eingespeiste Hochspannungsimpuls erzeugt eine definierte charakteristische Abklingzeit der Transientenspannung.
Durch schlechte Isolierung und/oder Kurzschlüsse in den Windungen wird ein Teil der Energie verloren, was zu kürzeren Abklingzeiten führt.
ABBILDUNG 1 (Abfall gegenüber der Zeit eines Impulses aus einem Stoßtest, links = guter Teil, rechts = schlechter Teil).
Der „SURGE“-Test der AT-Serie bietet einen Hochspannungsstoßtest von 100 V bis 5 kV und eine Auswahl von 1 bis 99 Impulsen
Das Testsignal wird erzeugt, indem ein Kondensator in die Wicklung des zu testenden Teils entladen wird und dann die Länge der Resonanzbeziehung zwischen dem Kondensator (im AT) und der Induktivität (UUT) gemessen wird.
Wenn vom Testprogramm mehrere Impulse angefordert werden, lädt der AT den Kondensator erneut auf und entlädt ihn für den nächsten Impuls erneut, sobald er erkennt, dass der Resonanzimpuls Null erreicht hat.
Dies dauert etwa 100-200 ms zwischen dem Ende eines Impulsabfalls und dem Beginn des nächsten Impulsabfalls
Es gibt keinen benutzerdefinierten Zeitparameter für den Impuls und die nachfolgende Messung, da die Abklingrate von der Beziehung zwischen dem AT-Surge-Generator und dem zu testenden Teil abhängt.
Die vom AT zurückgegebenen Ergebnisse werden als Voltsekundenmessung dargestellt (d. h. die Fläche unter dem Abklingdiagramm).
Bei einem defekten Transformator ergibt sich ein kleinerer Messwert als bei einem perfekten Transformator, da Verluste eine kürzere Abklingzeit bewirken und somit eine kleinere Fläche unter der Grafik entstehen.
Die SURGE-Methode ist der späteren STRESS WATT-Methode vorzuziehen, da die verfügbaren höheren Spannungswerte eine bessere Empfindlichkeit gegenüber dem Ausfall einer einzelnen benachbarten Wicklung bieten.
Natürlich erfordert die Verwendung von SURGE auch, dass die Konstruktion des Teils solchen hohen Impulsen auch bei korrekter Herstellung standhält.
Zusammenfassung des SURGE-Tests
Wenn dieser Test als charakterisierende Messgröße für die Konstruktion eines Transformators verwendet wird, können Teile, bei denen ein frühzeitiger Ausfall wahrscheinlich ist, erkannt werden, indem die Resonanzlänge mit der Länge des perfekten Referenzteils verglichen wird, das zur Definition der Testgrenzen verwendet wird.
Teile mit harten Wicklungsschlüssen oder schwachen Bereichen (beispielsweise in der Emaille-Beschichtung) überschlagen sich unter der Belastung des Spannungsimpulses und können so erkannt und zur Nacharbeit oder Verschrottung aus der Produktion entfernt werden.
STRESS WATTS-Test (1-270 V AC)
Beim Testen eines Transformators im Leerlauf mit offenem Sekundärkreis zieht ein Transformator immer noch etwas Strom und verbraucht Leistung.
Dieser Stromverbrauch wird in Watt gemessen und ist die Leistung, die von einer Spule aufgenommen wird, die einem Wechselstrom ausgesetzt ist.
Normalerweise beträgt die Stromaufnahme aufgrund von Kernverlusten (Wirbelströme und Hysterese) nur wenige Prozent der normalen Last und ist daher normalerweise vernachlässigbar.
Die Wattprüfung (WATT) wird normalerweise bei voller Netzspannung und Betriebsfrequenz des Transformators durchgeführt.
ABBILDUNG 2 - WATT-Test primär 220 V bei 50 Hz, TR 5:1, sekundär 44 V bei 50 Hz
Es ist jedoch auch sehr üblich und wünschenswert, den Transformator über seine normale Betriebsspannung hinaus zu „belasten“, um einen gewissen Spielraum für die Qualitätssicherung zu haben.
Dieser Belastungstest (anders als der normale WATT-Test) sollte zudem über einen längeren und festgelegten Zeitraum durchgeführt werden, da Schwächen unter augenblicklichen Bedingungen möglicherweise nicht sichtbar werden.
Während dieser Belastungsperiode würde jeder plötzliche dramatische Anstieg der gemessenen Leistung darauf hinweisen, dass ein Isolationsfehler zwischen den Wicklungen oder ein Windungsschluss vorliegt, da durch den Defekt eine größere Strommenge verbraucht würde.
ABBILDUNG 3 - STRESS WATT-Test Primär 440 V bei 100 Hz, TR 5:1, Sekundär 88 V bei 100 Hz
Das Faradaysche Gesetz besagt, dass der Kernverlust ungefähr gleich bleiben sollte, wenn Spannung und Frequenz proportional erhöht werden. Daher kann ein Spannungs-Watt-Test (STRW) bei doppelter Nennspannung und doppelter Nennfrequenz des Transformators durchgeführt werden.
Da wir die Spannung und Frequenz von Abbildung 2 zu Abbildung 3 proportional erhöht haben, bleibt der Kernverlust gleich, sodass die Wicklungen mit einer höheren Spannung belastet werden können als im Normalbetrieb.
Die Flussdichte (B) im Kern bleibt gleich
B ~ V / (f * A * N)
N = Die Anzahl der Umdrehungen
A = Die Querschnittsfläche des Kerns
V = Angelegte Spannung.
f = Angewandte Frequenz
Praktische Hinweise
In Wirklichkeit werden Sie feststellen, dass die Kernverluste mit der Frequenz zunehmen (Kernverluste sind eine Funktion der Flussdichte UND der Frequenz), obwohl wir die Flussdichte gleich gehalten haben. Daher kann der STRW-Wert höher sein, aber das Ergebnis ist immer noch reproduzierbar und charakteristisch. Sie können die Kernverluste verringern, indem Sie F erneut verdoppeln. Für einen Transformator mit 100 V und 50 Hz werden Sie also möglicherweise feststellen, dass 200 V und 200 Hz besser geeignet sind als 110 V/100 Hz.
Netztransformatoren verfügen typischerweise über eine 240-V-Wicklung mit einem Abgriff, der zwei 120-V-Wicklungen ergibt.
Um die Spannung an der 240-V-Wicklung zu verdoppeln, wären 480 V erforderlich, was über der 270-V-Kapazität des STRW-Tests liegt.
Hier schlagen wir entweder vor:
a) Testen Sie die 120-V-Wicklung (falls vorhanden) einzeln bei 120 V (WATT) für den Normalbetrieb und dann bei 240 V für den Belastungstest (STRW). Dadurch werden wiederum 480 V über die 240-V-Wicklung induziert, ohne dass die 480 V zugeführt werden müssen.
oder
b) Testen einer Sekundärwicklung mit niedrigerer Spannung, nämlich der doppelten Betriebsspannung. Dies würde ebenfalls 480 V auf der Primärwicklung induzieren, aber da die Primärknoten bei dem Test nicht verwendet würden, schützt die 5-kV-Isolierung an offenen Testknoten den AT-Tester.
STRW-Testzusammenfassung
AT5600 und AT3600 bieten einen Stresswatttest (STRW) von 1 V bis 270 V bei 20 Hz bis 1500 Hz, um potenzielle Fehler in der Windungsisolation einer Wicklung zu erkennen.
Der Benutzer muss außerdem eine Verweilzeit für den Test von 0,5 s bis 180 s festlegen, über die die Leistung kontinuierlich überwacht wird.
Die Testergebnisse werden in Watt angegeben.
Wenn eine Erweiterung der Spannungs- und Stromstärke erforderlich ist, verwenden Sie bitte die AC-Schnittstellenvorrichtung von Voltech mit dem AT.
Dies ermöglicht die Verwendung eines externen Aufwärtstransformators oder einer Wechselstromquelle zur Erzeugung höherer Spannung (bis zu 600 V) und Stromstärke (bis zu 10 A).
Die Testsignale, Messungen und Bestehens-/Nichtbestehenskriterien werden weiterhin automatisch vom AT mithilfe der 4 X-Tests gesteuert: MAGX, WATX, STRX und VOCX.