Ein Hochspannungsnetztransformator ist nach einer Überspannung katastrophal ausgefallen. Die 3D-Rekonstruktion des Tankinneren mittels industrieller CT und Ultraschall ergab, dass massive elektromagnetische Kräfte die Kupferspulen physisch verschoben haben. Diese heftige Bewegung zerstörte die Papierisolierung, verursachte einen internen Kurzschluss und führte schließlich zur Explosion des Geräts.
Elektromagnetische Simulation und Kupferermüdung in ANSYS Maxwell ⚡
Mit ANSYS Maxwell wurde das transiente Magnetfeld während des Kurzschlusses modelliert. Die Ergebnisse zeigen, dass Fehlerströme Lorentzkräfte erzeugen, die auf die äußeren Spulen über 500 kN übersteigen. Diese zyklischen Kräfte, wenn auch kurz, induzieren eine plastische Verformung im geglühten Kupfer. Die Materialermüdung äußert sich in bleibenden Verformungen, die das Nomex-Isolierpapier zusammendrücken und zerreißen, wodurch seine dielektrische Steifigkeit bis zum Bruchpunkt reduziert wird.
Lehren aus der 3D-Rekonstruktion des Fehlers 🔍
Die 3D-Rekonstruktion mit SolidWorks auf Basis der CT-Daten ermöglichte die Visualisierung des axialen Kollapses der Wicklungen. Die Analyse zeigt, dass das ursprüngliche Design die axiale Steifigkeit der Baugruppe unterschätzte, ein häufiger Fehler in Ermüdungssimulationen, die die Hysterese von Kupfer ignorieren. Für zukünftige Konstruktionen wird empfohlen, ANSYS Maxwell mit Modellen für zyklische Verformungsermüdung zu integrieren und stets mit industrieller Tomographie zu validieren, um Mikroverschiebungen zu erkennen, bevor die Isolierung versagt.
Wie sich die Umverteilung innerer Spannungen in den verschobenen Wicklungen auf die Ermüdungslebensdauer von Kupfer und Isolierung nach einem Kurzschluss in einem in 3D rekonstruierten Hochspannungstransformator auswirkt
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)