Ursachen für örtlich begrenzte heiße Stellen in der Nähe von Laminierfugen

Wenn ein Transformator oder Generator in Betrieb ist, suchen viele erfahrene Ingenieure als erstes nach Problemen an den Kernverbindungen. Diese heimtückischen Lamellierung Fugen - T-Fugen, Gehrungsecken, Stufenfugen - sind die Stellen, an denen das Flussmittel seine Richtung ändert, an denen Lücken am schwierigsten zu kontrollieren sind und an denen lokale "mysteriöse" heiße Stellen gerne auf der Thermografie erscheinen.

In diesem Artikel gehen wir durch warum wie diese Hot Spots entstehen, wie man den harmlosen warmen Fleck" von einem echten Kernfehler unterscheidet und welche Konstruktions-, Fertigungs- und Betriebsführungspraktiken sie tatsächlich verhindern - nicht nur auf dem Papier, sondern auch in der Praxis.

• Für wen ist das?
  • Konstrukteure, die an laminierten Kernen arbeiten (Transformatoren, Reaktoren, Generatoren, große Motoren)
  • Prüf- und Inbetriebnahmeingenieure, die versuchen, Anomalien bei Infrarot- oder Kerntests zu erklären
  • Vermögensverwalter, die entscheiden, ob ein Hot Spot zu überwachen oder abzuschalten ist
  • Wartungsteams, die Inspektionen, EL CID/Kernschleifentests oder interne Überholungen planen

1. Warum Lamellenverbindungen natürliche Hot-Spot-Magneten sind

Bei einer Blechverbindung ist der magnetische Fluss gezwungen, um die Ecke zu gehen und von einem Stahlstapel zum anderen zu springen. In T-Stößen von Dreiphasen-Transformatoren werden sogar mehrere Schenkelflüsse sich summieren in einer gemeinsamen Region, was die lokale Flussdichte über den Durchschnitt im Kern treibt.

Untersuchungen an Kernen von Verteiltransformatoren haben gezeigt, dass die lokalen Verluste in bestimmten T-Stoß-Bereichen deutlich höher sein können als die durchschnittlichen Kernverluste, insbesondere in der Nähe der Innenkanten von Stoßverbindungen, wo es zu Flussverdichtungen und ungünstigen Flusswinkeln kommt. Diese zusätzlichen Verluste werden direkt in Wärme umgewandelt, so dass Ihre IR-Kamera eine heiße Stelle "sieht", selbst wenn die Last auf dem Typenschild in Ordnung ist.

• Heiße Stellen in der Nähe von Gelenken entstehen in der Regel durch eine Kombination aus folgenden Faktoren:
  • Flux Crowding & lokale Sättigung wo die Flussdichte an Ecken, T-Stoßstellen oder schlecht konstruierten Übergängen ansteigt
  • Interlaminierte Shorts von Graten, Kratzern, verzogenen Laminaten oder beschädigten Beschichtungen, die Wirbelstromschleifen erzeugen
  • Zusätzlicher Widerstand oder Luftspalten an Verbindungsstellen aufgrund von Ausrichtungsfehlern oder schlechter Stapelung, was den Fluss dazu zwingt, einen "Umweg" zu machen und sich in engen Bereichen zu konzentrieren
  • Streuflüsse und zirkulierende Ströme durch Mehrpunkt-Kernerdung, Streufluss oder durch Konstruktionsteile, die in der Nähe der Verbindung Flussmittel aufnehmen
  • Probleme mit der Kühlung (verstopfte Kanäle, stagnierende Öl-/Luftsäcke), die eine Region mit mäßig hohen Verlusten zu einem echten thermischen Risiko machen
  • Oberschwingungen, Übererregung und Gleichstromvorspannung die die Kernbereiche (insbesondere die Verbindungsstellen) näher an die Sättigung heranführen und den Eisenverlust und die Temperatur in die Höhe treiben

2. Die Physik unter dem Hot Spot (ohne in Mathe zu ertrinken)

Bevor wir die Schuld auf die Herstellung oder Wartung schieben, hilft es, sich vor Augen zu führen, was die Physik an einer Verbindung bewirkt. Bei einem perfekten laminierten Kern:

• Das Flussmittel fließt meist entlang der Walzrichtung des kornorientierten Stahls
• Die Laminate sind voneinander isoliert, so dass die Wirbelströme klein und begrenzt bleiben.
• Die Gelenke sind so angeordnet, dass der Fluss von einer Gliedmaße zur anderen sanft und nicht gewaltsam übergeht.

Die Realität ist unübersichtlicher. Bei einer T-Verbindung oder einer Ecke auf Gehrung:

1. Flux dreht sich und breitet sich aus. Der Flussvektor dreht sich weg von der einfachen Walzrichtung und kann sogar Komponenten entwickeln, die senkrecht zur Blechebene stehen. Das erhöht den Hystereseverlust und die Wirbelströme in diesem Bereich.
2. Die normale Strömung kreuzt die Lamellen. An den Stellen, an denen sich die Lamellen überlappen (Stufenfugen, Stoßfugen), versucht eine "normale" Flusskomponente, sich über den Stapel, nicht nur entlang des Stapels. Das begünstigt Wirbelstromschleifen durch mehrere Bleche statt nur durch ein einziges - ein perfektes Rezept für lokale Erwärmung.
3. Jeder Fehler vervielfacht die Wirkung. Grate, zusätzliche Lücken oder kurzgeschlossene Bleche verzerren die lokale Reluktanz, wodurch noch mehr Flussmittel in den bereits belasteten Stahl gedrückt wird. Bei gemessenen Kernen wurde beobachtet, dass der örtliche Verlust in den inneren Bereichen von T-Verbindungen bei gleicher Gesamtflussdichte deutlich höher ist als in den äußeren Bereichen.

Selbst wenn die Verluste auf dem Typenschild in Ordnung zu sein scheinen, sind es die Verbindungsstellen, bei denen die Physik den Spielraum am geringsten macht - deshalb zeigen sich Defekte dort als erste Hot Spots.

• Die wichtigsten physikalischen Mechanismen, die Laminierverbindungen zu Hot Spots machen:
  • Auswirkungen des Flusswinkels: Flussmittel, das von der Walzrichtung abweicht > höherer Hystereseverlust in CRGO-Stahl
  • Normale Flusskomponente: Fluss durch die Dicke > Wirbelströme aus mehreren Schichten anstelle von Einzelschichten
  • Lokale Sättigung: Engstellen an Ecken und T-Verbindungen > B-Spitzen über dem Entwurf > steiler Anstieg des Eisenverlustes
  • Kurze Hosen zwischen den Schichten: Verlorene Isolierung oder Schutt, der die Laminierung überbrückt > Verhalten des "festen Kerns" in dieser Tasche
  • Streuflusserfassung: Strukturelle Teile oder Klemmen in der Nähe von Verbindungen nehmen Streufluss auf und erhitzen sich lokal

3. Eine praktische Ursachenkarte (was steckt wirklich hinter den Hot Spots?)

Lassen Sie uns die Physik mit Dingen verbinden, die Sie bei der Herstellung, Prüfung oder im Betrieb tatsächlich sehen.

Nachfolgend finden Sie eine kompakte "Feldkarte" der häufigsten Ursachen für örtlich begrenzte heiße Stellen in der Nähe von Laminierfugen und wie sie sich in der Regel bemerkbar machen.

• Wie man diese Karte im wirklichen Leben verwendet:
  • Beginnen Sie mit wobei die Stelle ist: genau an der T-Stoß-Innenkante, an der Klammer, am Tank, entlang einer Naht?
  • Blick auf wie sie skaliert: mit Spannung (Fluss), Strom (Last), oder beides?
  • Kombinieren Sie das mit Testdaten (Kernverlust, EL CID / Schleifenprüfung, DGA, Erdungsstrom), um die Situation von "etwas ist warm" auf "es handelt sich höchstwahrscheinlich um einen falsch ausgerichteten Stufenübergang / Mehrpunkt-Erdung / Laminierungskurzschluss" einzugrenzen.

4. Designbezogene Ursachen (und wie "gut" aussieht)

Einige Hotspots sind keine Fehler, sondern in die Designränder eingebettet. Wenn Sie Kerne entwerfen oder spezifizieren, spielen Sie jeden Tag mit diesen Hebeln - manchmal ohne die thermischen Konsequenzen erst später zu erkennen.

Gut dokumentierte Studien über Drehstromtransformatorkerne zeigen, dass T-Stoßbereiche die komplexesten, verlustbeeinflussenden Teile des Kerns sind: Der Fluss dreht sich stark, mehrere Flussschenkel überlagern sich, und sowohl in der Ebene liegende als auch normale Flusskomponenten werden groß. Optimierte Verbindungsdesigns (z. B. verbesserte Step-Lap- oder gemischte 60°/45°-Verbindungen) reduzieren die lokalen Verluste im Vergleich zu älteren 45°/90°-Anordnungen messbar.

In ähnlicher Weise reduziert hochwertiges CRGO mit geeigneter Beschichtung und Spannungsfreiglühen sowohl den globalen als auch den lokalen Kernverlust für ein bestimmtes B drastisch, was Ihnen mehr Spielraum gibt, bevor die Verbindungen im Betrieb heiß werden.

• Konstruktionsentscheidungen, die Hot Spots an Verbindungsstellen stark beeinflussen:
  • Geometrie der Fugen:
    • Stufenfuge vs. Stoßfuge vs. Gehrungsecke
    • Länge und Reihenfolge der Schritte; Überlappungsmuster in T-Verbindungen
  • Flussdichte / V/Hz:
    • Ein "aggressiver" Lauf nahe am Knie der B-H-Kurve lässt wenig Spielraum an den Gelenken
  • Auswahl der Materialien:
    • CRGO-Sorte, Beschichtungstyp, Laminatdicke (dünnere Platten = geringere Wirbelströme)
  • Magnetisch-strukturelle Anordnung:
    • Lage der Spannvorrichtungen, Ankerplatten, Nähe des Tanks zu den Kernenden
    • Vorhandensein (oder Nichtvorhandensein) von magnetischen Shunts/Flussabschirmungen in der Nähe von Verbindungen
  • Kühlung im Bereich der Fugen:
    • Leitungsführung in der Nähe von Jochen und Gliederverbindungen; Öl-/Luftwege, die am heißesten Stahl vorbeiführen

5. Fertigung und Montage: wo der "Papierentwurf" auf die Realität trifft

Selbst ein wunderschön modellierter Kern kann sich thermisch falsch verhalten, wenn bei der Herstellung und Montage die Laminatverbindungen nicht mit Respekt behandelt werden.

Stanz- und Stapelvorgänge können Grate, verzogene Bleche oder falsch ausgerichtete Step-Laps hinterlassen. Sowohl in der Industrie als auch in der Fachliteratur wird darauf hingewiesen, dass Kratzer, große Grate oder verzogene Lamellen im Kernstapel die Lamellen lokal kurzschließen und eine lokale Überhitzung verursachen können, selbst wenn der Gesamtkernverlust innerhalb der Spezifikationen bleibt.

Bei großen Maschinen (Generatoren, große Motoren) können durch Vibrationen oder lockere Kerne verursachte Laminierungsschäden auch die Isolierung zwischen den Lamellen abnutzen; eine abgenutzte Isolierung führt zu Kurzschlüssen, heißen Stellen im Kern und in extremen Fällen zu geschmolzenen Hohlräumen im Kern, wenn sie nicht kontrolliert wird.

• Fertigungs-/Montageprobleme, die sich später oft als Problemstellen erweisen:
  • Schlechte Gratkontrolle und Entgratung: Raue Kanten erhöhen das Risiko von Kurzschlüssen zwischen den Lagen und lokalen Flussverzerrungen
  • Inkonsistenter Stapeldruck: Lose Stapel vibrieren; zu fest angezogene Stapel drücken Beschichtungen heraus oder verziehen Platten
  • Falsch ausgerichtete Trittstufen / T-Gelenke: Manuelles Stapeln ohne geeignete Vorrichtungen oder Automatisierung führt zu unregelmäßigen Überlappungen und Luftspalten
  • Beschädigte Beschichtung an Fugen: Beschädigungen bei der Handhabung, Kratzen oder Schleifen ohne Neubeschichtung erzeugen leitfähige Brücken
  • Fremde metallische Ablagerungen: Schweißschlacke, Drahtreste, Werkzeuge, Muttern/Schrauben, die in der Nähe von Verbindungen oder Kühlkanälen eingeklemmt sind
  • Uneinheitliche Drehmomente der Klemmschrauben: Ungleichmäßige Kompression schafft lokale Lücken und Wege für Streufluss und Vibrationen

6. Betriebsbedingungen, die Schwachstellen in den Verbindungen "aufdecken

Sie können einen perfekt gebauten Kern erben und immer noch örtlich begrenzte Hot Spots bekommen, wenn die Betriebsumgebung sie aus ihrer Komfortzone drängt.

Übererregung (hohe V/Hz), starke Oberschwingungen oder Gleichstromvorspannung treiben die Flussdichte in die Höhe, und die ersten Stellen, an denen dies auffällt, sind die Verbindungsstellen und Ecken, wo B bereits höher ist. In den technischen Leitlinien für Transformatorenkerne werden Überlast, erhöhter Eisenverlust durch nicht vorgesehene Betriebspunkte und Oberschwingungen als wichtige Faktoren für die Überhitzung von Kernen genannt.

Streufluss ist ein weiterer Übeltäter: Streufluss, der aus dem Hauptkern entweicht - vor allem in der Nähe von Wicklungsenden und Verbindungsstellen - kann Wirbelströme in Klemmen, Tankwänden und anderen Metallteilen induzieren, wodurch lokale heiße Stellen entstehen, die sich in der Nähe von Verbindungsstellen zeigen, auch wenn die Bleche selbst in Ordnung sind.

Schließlich ist die Mehrpunkt-Kernerdung ein klassisches "unsichtbares" Problem: Zwei oder mehr Kernerdungen bilden eine Schleife, in der der Strom im Stahlkern und in der Struktur zirkuliert. Dieser zirkulierende Strom erzeugt lokale Überhitzungen, die über Infrarot, Erdungsstrommessungen und DGA-Gassignaturen nachgewiesen werden können.

• Betriebsszenarien, die häufig Hot Spots in den Gelenken auslösen oder verschlimmern:
  • Längerer Betrieb bei Erhöhte V/Hz (Unterfrequenz, Überspannung, Generatoraufspanntransformatoren bei Netzereignissen)
  • Hoch harmonische Belastung aus Konvertern, Lichtbogenöfen oder schlecht gefilterten Antrieben
  • Unausgewogene oder asymmetrische Belastung die die Flussverteilung verzerrt und den Streufluss in der Nähe von Verbindungsstellen erhöht
  • Multi-Punkt-Erdungsfehler in Transformatorenkernen oder Statorenkernen
  • Verschlechterung des Kühlsystems: Verstopfte Luft-/Ölkanäle, ausgefallene Lüfter/Pumpen, eingedicktes Öl bei niedrigen Temperaturen
  • Wiederholte Durchgangsfehler oder Einschaltvorgänge die den Kern und die Gelenke auf Dauer mechanisch belasten

7. Wie man lokalisierte heiße Stellen in der Nähe von Lamellenverbindungen diagnostiziert

Wenn Sie mit einer IR-Kamera oder einem Wärmesensor eine heiße Stelle entdeckt haben, stellt sich die eigentliche Frage: Handelt es sich um eine annehmbare warme Region, eine Frühwarnung oder um eine echte Kernstörung im Entstehen?

Die besten Antworten kombinieren thermische Beobachtungen mit elektrischen und chemischen Tests. In der modernen Forschung und Praxis werden lokale Verlustmessungen, fortschrittliche Thermografie und Kernfehlererkennungstechniken (wie EL CID für Generatoren oder Kernschleifentests für Transformatoren) eingesetzt, um Interlaminationsprobleme frühzeitig zu erkennen.

• Ein praktischer, mehrschichtiger diagnostischer Ansatz:
  • 1. Kartieren Sie das Temperaturmuster
    • Ist der Hot Spot:
      • A klein, intensiv Punkt? (denken Sie an Trümmer, kurze Laminierung, Mehrpunkt-Erde)
      • A Band entlang einer Verbindung? (wahrscheinlich Konstruktion/Baugruppengeometrie oder Luftspalt)
      • Bei einem Klammer oder Tank in der Nähe der Verbindungsstelle? (Streufluss in Bauteilen)
  • 2. Korrelieren Sie mit den Betriebsbedingungen
    • Verfolgt die Temperatur Spannung (V/Hz) mehr als der Laststrom? → Kernproblem
    • Verfolgt es Strom/Last mehr? → Streufluss in Strukturen oder kombinierte Effekte
  • 3. Elektrische Tests durchführen
    • Leerlaufverlust und Magnetisierungsstrom gegenüber Werkswerten
    • Kern-Erdungsstrom und Isolationswiderstand (Suche nach Mehrpunkterdungen)
    • Kernfehlertests (EL CID, Low-Flux-Schleifentests) an großen Generatoren und großen Transformatoren zur Lokalisierung von Interlaminationsfehlern
  • 4. Verwendung von Chemie und Gasanalyse (für ölgefüllte Geräte)
    • DGA: Suche nach Mustern, die mit thermischen Fehlern bei moderaten Temperaturen übereinstimmen (heißes Metall / heißes Öl, typischerweise <700°C)
  • 5. Entscheiden Sie über die Interventionsebene
    • "Nur Monitor" (leichter warmer Designfleck, zeitlich stabil)
    • "Ausfall planen und prüfen" (anormal, aber stabil, etwas Spielraum bleibt)
    • "Dringende Abschaltung und interne Inspektion" (steigender Trend, abnormale Tests oder Anzeichen eines Kernfehlers)

8. Vorbeugung: Design, Fabrik und Gewohnheiten vor Ort, die tatsächlich funktionieren

Die meisten lokalen Hot Spots an Laminierverbindungen lassen sich mit einer Mischung aus guter Designdisziplin, seriöser Qualitätssicherung in der Fertigung und realistischen Betriebskontrollen vermeiden.

Denken Sie an Prävention in drei Schichten: (1) Richtiges Design, (2) saubere Konstruktion, (3) freundlicher Betrieb.

• Richtig gestalten
  • Wählen Sie optimierte Fugengeometrien (Stufenüberlappung, verbesserte T-Verbindungen), die mit 2D/3D-EM- und Verlustsimulationen validiert wurden, insbesondere in Bereichen, in denen mehrere Flusspfade zusammentreffen
  • Kerne laufen lassen konservativ auf der B-H-Kurveund an den Verbindungsstellen Spielraum lassen, anstatt jedes Watt aus dem Eisenverlust herauszuquetschen
  • Geben Sie an. hochwertiges CRGOgeeignete Beschichtungen und eine auf die Frequenz- und Verlustziele abgestimmte Schichtdicke
  • Ort Klammern, Ankerplatten und Tankwände Berücksichtigung von Streufluss- und Wirbelstromverlusten; ggf. Hinzufügen von Nebenschlüssen oder Abschirmungen
  • Robustes Design Kühlwege an Oberjochen, Schenkelverbindungen und Kernenden
• Sauber bauen
  • durchsetzen. Grenzwerte für Grate und Entgratungsnormen beim Stanzen und Schneiden von Laminaten
  • Verwenden Sie automatisierte oder gut geführte Stapelung für Fugen und Treppenstufen, um Überlappung und Ausrichtung zu gewährleisten
  • Schützen Sie Beschichtungen bei der Handhabungbeschädigte Platten reparieren oder aussortieren, insbesondere in der Nähe von Verbindungsstellen
  • Streng anwenden FremdkörperkontrolleWerkzeug/Rechnungslegungssysteme, Reinigung und Inspektion vor dem Schließen des Tanks
  • Kontrolle Klemmschraubendrehmomente und Kompressionssequenzen, um ungleichmäßige Lücken und Bewegungen zu vermeiden
• Bedienen Sie es freundlich
  • durchsetzen. V/Hz und Oberschwingungsgrenzen mit angemessenem Schutz und Systemstudien
  • Monitor Adererdungsstrom und Isolationswiderstand zur frühzeitigen Erkennung von Mehrpunkterdungen
  • Trend Leerlaufverluste, Magnetisierungsstrom und IR-Thermografie regelmäßig, nicht nur ab und zu
  • Behalten Sie gesunde KühlsystemeSaubere Lüftungskanäle, funktionierende Ventilatoren/Pumpen, guter Ölzustand, insbesondere vor der Hauptbelastungszeit
  • Plan Kerninspektionen / EL CID bei Großreparaturen für große Maschinen und kritische Transformatoren

9. Zusammenführen

Lokalisierte heiße Stellen in der Nähe von Laminierfugen sind kein zufälliges Pech. Sie sind fast immer der sichtbare Hinweis auf ein oder mehrere zugrunde liegende Probleme:

• lokales Flussverhalten an Verbindungen,
• die Art und Weise, wie wir Stahl schneiden, stapeln, klemmen und isolieren, und
• wie das System diesen Kern im Echtbetrieb vorantreibt.

Kombiniert man thermische Muster mit Designkenntnissen und einigen gezielten Tests, wird aus "diesem seltsamen warmen Fleck auf der oberen Passe" eine klare Geschichte: falsch ausgerichtete Stufenüberlappung, ein Kurzschluss im Blech, eine Mehrpunkterdung oder Streufluss in einer Klemme. Und wenn man diese Geschichte kennt, wird der Weg zur Schadensbegrenzung - Neukonzeption, Umschichtung, Erdung, Kühlung - viel klarer.