Wie viel Kupfer steckt in einem Transformator?

Einer der wichtigsten Bestandteile eines Stromversorgungssystems ist ein Transformator, der mithilfe des Phänomens der gegenseitigen Induktion Strom zwischen zwei Stromkreisen überträgt. Er passt die Spannung je nach Bedarf des Stromkreises und der zu übertragenden Leistung nach oben oder unten an und verteilt sie an angeschlossene Verbraucher wie Wohngebiete oder Industriebetriebe. Bei der Konstruktion der Wicklungen von Transformatoren wird Kupfer verwendet, da dieses Metall eine hohe Leitfähigkeit, gute thermische Eigenschaften sowie eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Daher ist die genaue Dosierung der Kupfermenge in Transformatoren hilfreich für endgültige Kostenschätzungen, hohe Effizienz sowie die Bewertung der Recyclingfähigkeit.

Transformatortypen und ihr Kupfergehalt

Kupfergewicht von Leistungstransformatoren

• Leistungstransformatoren Sie kommen in Umspannwerken und Stromerzeugungsanlagen zum Einsatz, da sie aufgrund ihrer Bauweise für Anwendungen mit hoher Leistung geeignet sind. Diese Transformatoren sind für hohe Strom- und Spannungsbedingungen ausgelegt, weshalb ihre Bauweise für solche Anwendungen bevorzugt wird.
• Um hohe Lastanforderungen bewältigen zu können, werden in Transformatoren größere Mengen an dickem Kupferdraht für die Wicklungen verwendet. Um die ohmsche Erwärmung (I²R-Verluste) in Transformatoren mit hoher Nennleistung zu minimieren, werden Kupferleiter mit größerem Querschnitt eingesetzt, deren Gewicht bis zu mehreren Tonnen betragen kann. Im Allgemeinen werden in größeren Leistungstransformatoren mit einem Nennleistungsbereich von 50 MVA bis 500 MVA 5 bis 30 Tonnen Kupfer verwendet, während größere Transformatoren mit einer Nennleistung von mehr als 500 MVA mehr als 40 Tonnen Kupfer benötigen.
• Bei diesen Hochleistungstransformatoren macht Kupfer etwa 10 bis 20 Prozent des Gesamtgewichts des Transformators aus.
• Bei bestimmten Konstruktionen wird zusätzliche Kupfermasse eingebaut, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Lastverluste während des Betriebs zu minimieren.
• Das Kupfergewicht variiert erheblich je nach Nennspannung und Impedanzanforderungen des Transformators.

Kupfermaterial für Verteilungstransformatoren

• Die Verteilungstransformator dient dazu, eine Verbindung zwischen dem Stromnetz und der Lastseite herzustellen. Diese Transformatoren werden in der Nähe von Gewerbegebäuden, Wohngebieten und kleinen industriellen Verbrauchern angeschlossen.
• Die Betriebsspannung dieser Transformatoren ist im Vergleich zu der von Leistungstransformatoren niedriger, und ihre Last schwankt kontinuierlich über einen Zeitraum von 24 Stunden. Folglich benötigen sie eine moderate Menge an Kupfer. Je nach Nennleistung in kVA enthalten Verteiltransformatoren in der Regel zwischen einigen zehn und einigen hundert Kilogramm Kupfer. Solche Transformatoren mit einer Nennleistung von 25 bis 100 kVA (kleine Geräte) enthalten 10 bis 50 kg Kupfer; mittlere Geräte mit einer Nennleistung von 100 kVA bis 1 MVA enthalten 50 bis 300 kg; und größere Verteiltransformatoren mit einem Nennleistungsbereich von 1 bis 5 MVA verwenden 300 bis 1.000 kg Kupfer.
• Bei Standardausführungen macht dies etwa 8 bis 15 Prozent des Gesamtgewichts des Transformators aus.
• Ihre Konstruktion ist so ausgelegt, dass sie bei Lastschwankungen die Effizienz aufrechterhält, anstatt extreme Lasten zu bewältigen.

Kupfergehalt in Trockentransformatoren

• Trockenformern Sie weisen andere Eigenschaften auf als ölgefüllte Bauweisen, da sie Luft statt einer Flüssigkeit als Kühlmedium verwenden. Beide unterscheiden sich voneinander, doch Kupfer ist nach wie vor ein wichtiger Werkstoff für die Herstellung dieser Transformatoren.
• Die Wicklungen dieses Transformators sind mit einer Harzbeschichtung oder einem Isoliermaterial versehen, um eine langlebige Konstruktion zu gewährleisten.
• Da Luft als Kühlmedium verwendet wird, das nicht so effektiv ist wie Öl, benötigen Trockentransformatoren mehr Kupfer, um die Wärmeentwicklung zu bewältigen. Bei kleinen Trockentransformatoren mit einer Nennleistung von 100 bis 500 kVA werden 50 bis 200 kg Kupfer verwendet; bei mittelgroßen Transformatoren mit einer Nennleistung von 500 kVA bis 5 MVA werden 200 kg bis 2 Tonnen verwendet; und größere Anlagen mit 5 MVA verbrauchen 2 bis 5 oder mehr Tonnen Kupfer.
• Die kompakten Geräte nutzen hochwertige Komponenten für einen stabilen Betrieb und leiten die Wärme effektiv ab

Schätzung des Kupferbedarfs für Transformatoren nach Größe und Spezifikation

Es gibt verschiedene Faktoren zur Ermittlung der Kupfermenge in Transformatoren, wie beispielsweise konstruktive Anforderungen, Betriebsbedingungen und technische Vorgaben. Daher ist es hilfreich, sich einen Überblick über diese Parameter zu verschaffen, um die Berechnung des Kupfergehalts vornehmen zu können.

Faktoren, die den Kupfergehalt von Transformatoren beeinflussen

Transformatorgröße und Nennleistung (kVA/MVA)

• Nennleistung des Transformators Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des Kupfermaterials für den Transformator. Transformatoren mit hoher Nennleistung müssen hohe Stromstärken bewältigen, weshalb längere Wicklungen mit dicken Leitern erforderlich sind.
• Für einen sicheren Betrieb wird Kupfer mit hoher Leistungsfähigkeit und hohem Kupfergehalt verwendet. Der Kupfergehalt wird auf 0,6 bis 1,2 kg pro kVA bei Transformatoren mit einer Nennleistung von bis zu 100 kVA, 0,4 bis 0,8 kg pro kVA bei Transformatoren mit einer Nennleistung von 100 kVA bis 10 MVA und 0,2 bis 0,5 kg pro kVA bei Transformatoren mit einer Nennleistung von mehr als 10 MVA.

Spannungsniveaus

• Die Spannung spielt auch bei der Auslegung von Wicklungen eine wichtige Rolle: So werden beispielsweise bei Hochspannungswicklungen mit dünnem Draht eine größere Anzahl von Windungen verwendet, während bei Niederspannungswicklungen dicke Leiter mit einer geringeren Anzahl von Windungen zum Einsatz kommen.
• Beide sind in unterschiedlichen Konfigurationen erhältlich, was sich auf den Netto-Kupferbedarf auswirkt. Eine größere Anzahl von Windungen in der Drahtlänge und ein dickerer Leiter erhöhen das Gesamtgewicht. Bei der endgültigen Auswahl des Kupfers muss daher ein Gleichgewicht zwischen diesen Optionen gefunden werden. Solche 11-kV/0,4-kV-Verteiltransformatoren mit Niederspannungswicklungen verwenden etwa 60 bis 70 Prozent Nettokupfer, da hohe Stromstärken und dickes Kupfer zum Einsatz kommen, während Hochspannungswicklungen etwa 30% bis 40% verwenden.
• Durch die Isolierung und den Ölabstand erhöht sich die Wicklungslänge bei Hochspannungstransformatoren, was zu einer Zunahme des gesamten Kupfergewichts von etwa 10% auf 25% führt, und zwar auch bei gleicher Stromdichte.

Effizienz

• Der Wirkungsgrad hängt von den Eigenschaften des Transformators ab, die dazu dienen, Leistungsverluste zu reduzieren. Diese Leistungsverluste werden als “Kupferverluste” bezeichnet und sind auf den Widerstand der Wicklungen zurückzuführen.
• Um diese Verluste zu minimieren, wird ein Kupferleiter mit größerem Querschnitt verwendet. Dies erhöht zwar die Materialkosten, senkt jedoch den Widerstand und verbessert die Leistung. Ein hoher Kupferanteil steigert also den Wirkungsgrad. Eine praxisorientierte Konstruktion sieht einen hohen Kupferanteil von zehn Prozent vor, wodurch die Kupferverluste um etwa 15 bis 20 Prozent reduziert werden, was den Wirkungsgrad des Transformators je nach Lastanforderungen um etwa 0,3% bis 0,8% erhöht. DOE 2016 oder Stufe 2 oder Modelle mit hohen Effizienzstandards verbrauchen 20 bis 30 Prozent mehr Kupfer als Standardausführungen.

Kühlungsmethode

• Das Kühlsystem wirkt sich auch auf die Wicklungsauslegung und den erforderlichen Kupferanteil aus. Ölgefüllte Transformatoren verfügen über gute Wärmeableitungseigenschaften und ermöglichen kompakte Wicklungen mit geringem Kupferanteil. Trockentransformatoren hingegen nutzen Luft zur Kühlung, was weniger effektiv ist als Öl, sodass in der Wicklung mehr Kupfer verwendet wird, um die Wärme abzuleiten. Trockentransformatoren verbrauchen aufgrund der geringeren Kühleffizienz 10 bis 25 Prozent mehr Kupfer als vergleichbare ölgefüllte Transformatoren mit derselben Nennleistung.

Konstruktionsstandards des Herstellers

• Manche Transformatoren mit derselben Nennleistung werden mit Kupfer unterschiedlicher Hersteller geliefert. Zur Steigerung des Wirkungsgrads wird bei Konstruktionen, bei denen Langlebigkeit und hohe Leistung gefragt sind, ein höherer Kupferanteil verwendet.
• Manche verwenden einen geringeren Kupferanteil, orientieren sich dabei jedoch an den betrieblichen Anforderungen und legen den Schwerpunkt auf Kostenoptimierung. Diese Änderungen wurden unter Berücksichtigung der Isoliermaterialien und gemäß unterschiedlicher technischer Normen vorgenommen. So können beispielsweise zwei 1-MVA-Transformatoren verschiedener Hersteller je nach Konstruktionsanforderungen, Kostenoptimierung oder Effizienz und geringeren Leistungsverlusten ein um 15 bis 30 Prozent unterschiedliches Kupfergewicht aufweisen.

Kupfergehalt in Transformatoren nach Größe

Kupfergehalt kleiner Transformatoren (bis zu 10 kVA)

In Steuerungssystemen verschiedener elektrotechnischer Projekte, bei Projekten mit geringem Stromverbrauch und in elektronischen Geräten kommen kleine Transformatoren zum Einsatz. Da ihre Kapazität begrenzt ist, enthalten sie nur wenig Kupfer, wobei das Gewicht zwischen wenigen Gramm und mehreren Kilogramm liegt.

Mittelspannungstransformatoren: Kupferausführung (10 kVA bis 1 MVA)

In der Stromverteilung in Wohngebäuden und in gewerblichen Anwendungen kommen mittelgroße Transformatoren zum Einsatz. Sie wurden für die Versorgung mit mäßigen Lasten über einen längeren Zeitraum eingesetzt, wofür je nach Lastbedarf Kupfermengen von zehn bis hundert Kilogramm erforderlich waren, abhängig von der jeweiligen Bauart.

Große Leistungstransformatoren (>1 MVA)

Diese Einheiten werden vor allem in industrielle Hochleistungsgitter oder für Großprojekte im Versorgungsbereich. Diese Transformatoren sind für Lastanforderungen ausgelegt, bei denen hochleistungsfähige Wicklungen erforderlich sind. Da diese Geräte hohe Leistungen bewältigen, wiegen sie mehrere hundert Kilogramm bis hin zu mehreren Tonnen und werden daher in größerem Maßstab eingesetzt.

Verfahren zur Schätzung des Kupfergehalts in Transformatoren

Faustregel-Methoden

• Es handelt sich um eine schnelle Methode, die üblicherweise entsprechend der Nennleistung des Transformators angewendet wird. Kupfergewicht (in Kilogramm). Der Kupfergehalt wird anhand von kVA-Werten und nicht anhand von Prozentregeln geschätzt, wie zum Beispiel

Methode auf Basis des prozentualen Anteils am Gesamtgewicht

• Im Vergleich zu der oben beschriebenen Methode, die das Gesamtgewicht des Transformators berücksichtigt, handelt es sich hierbei um eine praxisorientierte Technik.

Fazit

Die Kupfermenge im Transformator richtet sich nach technischen Werten wie 0,2–1,2 kg/kVA je nach Größe; für die Standardausführung werden 8% bis 15% des Gesamtgewichts verwendet, und etwa 25 Prozent werden für Modelle mit hohem Wirkungsgrad oder Trockentransformatoren verwendet. Isolationsabstände, Spannungsklassen und Wirkungsgradstandards wie DOE 2016 oder Tier 2 erfordern einen höheren Kupferanteil von etwa 10 bis 30 Prozent und stellen im Vergleich zu sekundären Faktoren wichtige Auslegungsfaktoren dar.

Daelim-Transformatoren ermöglichen eine Optimierung des Kupferverbrauchs bei hoher Permeabilität Siliziumstahlkern durch die Wahl der richtigen Leiterquerschnittsgröße, wodurch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Effizienz erreicht wird. Ihre Konstruktionen entsprechen IEEE, IEC, und CSA Standards, die sich direkt auf den Kupfergehalt, die thermische Leistung und die Verlustreduzierung auswirken, wodurch sie zu Anbietern von Komplettlösungen und nicht nur zu Herstellern werden.

Häufig gestellte Fragen