Ток намагничивания трансформатора. Бросок тока при запуске

Забавный момент, но иногда умудренный знаниями инженер сталкивается с практикой, по его убеждениям противоречащей с его теорией и даже миропониманием :).

Вот цитаты с форумов:

«Хорошо известно, что при включении силового трансформатора в сеть (даже ненагруженного) возникает всплеск тока, который может превышать номинальный ток во много раз. Максимальный всплеск тока (будем называть далее пусковой ток) необходимо учитывать при проектировании силовых трансформаторов, так как он оказывает силовое воздействие на обмотки трансформатора, а также приводит к ложному срабатыванию устройств защиты».

Далее продолжает: «Я проработал в энергетике около пятнадцати лет, в релейной защите и автоматике и ничего подобного мне до последнего времени мне не было известно, тем более хорошо. Ненангруженная обмотка транса, любого- просто индуктивность. И как бы я в школе проходил опыты Фарадея, самоиндукция и т.д. В которых индуктивность не может никаких всплесков и бросков давать. И даже набооорот, при попытке тока всплескиваться и бросаться придерживает этот ток за трусы, чтоб он вел себя поспокойней. И эта теория всегда подтверждалась практикой. Даже мощнейшие трансы энергоболков никогда не всплескивались. А теперь вот такое. Фарадея в топку? ТОЭ туда же? А вышеприведенный текст это ж нобелевка?».

А ведь действительно ставя автоматы с характеристикой C на трансформаторы что ОСМ, что даже импортные от Shneider Electric, сталкивался с тем, что автоматы отщелкивали при включении. Не встречал объяснения в чистом виде в учебниках, либо даже если это и было, было описано крайне сложно, но на просторах интернета есть несколько тем (в том числе и ролик с Ютуба https://www.youtube.com/watch?v=n1TXbfD0XC0, если кому-то лень читать), где так или иначе люди пришли к следующим выводам…

Есть два фактора, которые являются причиной этого явления:

1. Вся так сказать «индуктивность» пропадает из-за насыщения сердечника.
2. Включаются процессы, связанные с перемагничиванием сердечника.

И если первый пункт по большей части связан с моментом включения трансформатора (худший случай - переход напряжения через 0, как ни странно), то второй может проявить себя даже при напряжениях при включении, далеких от нуля. А основной общий для всех этих причин фактор - стремление сэкономить на материале.

В установившемся режиме ток в обмотке отстаёт от напряжения примерно на четверть периода или 90 электрических градусов (что свойственно для индуктивности), то есть ток достигает максимума когда напряжение уже равно нулю. Под это обычно и идет расчет, то есть наличие напряжения более чем на четверть периода приводит к тому, что ток растет в течение большего времени (в случае пуска трансформатора при напряжении равном 0 в 2 раза дольше, чем при пуске с максимальным напряжением), что при условии того, что запас по железу сейчас дается минимальный, приводит к тому, что ток растет уже не ограниченный индуктивностью. После насыщения сердечника индуктивность обмотки оказывается значительно сниженной, и только сопротивление обмоток первичной стороны и импеданс линии электропередачи ограничивают ток.

Прежде всего, будем иметь в виду то, что при создании трансформатора стараются добиться минимальных потерь. В частности, стремятся к тому, чтобы активное сопротивление обмоток было по возможности малым. В результате, как правило, обмотки являются высокодобротными индуктивностями - их реактивное сопротивление на рабочей частоте много больше (по крайней мере, в несколько раз больше) активного сопротивления:

ωL≫R,

где ω есть циклическая частота источника, т.е.

ω=2πfω=2πf.

С другой стороны, конструируя трансформатор, стремятся к экономии материалов (для минимизации размеров, массы и стоимости трансформатора). Для минимизации размеров сердечника и обмоток выгодно, чтобы амплитуда магнитной индукции в сердечнике была по возможности большей, обычно при её выборе ориентируются на значение около 70%..80% от индукции насыщения (рис. 3).

Когда трансформатор впервые включается, переходный ток, в 10-15 раз превышающий номинальный ток трансформатора, может протекать в течение нескольких циклов. Тороидальные трансформаторы, использующие меньше меди для той же мощности, могут иметь бросок тока до 60 раз больше рабочего тока. Наихудший случай броска тока происходит, когда первичная обмотка подключается в момент около нулевого пересечения первичного напряжения (что для чистой индуктивности было бы максимальным током в цикле переменного тока) и если полярность полупериода напряжения имеет ту же полярность, что и остаточная намагниченность в железном сердечнике ( магнитная остаточная намагниченность осталась высокой с предыдущего полупериода, что приведет к тому, что опять же мы быстрее уйдем в насыщение). Если только обмотки и сердечник не рассчитаны так, чтобы обычно никогда не превышать 50% насыщения (а в эффективном трансформаторе они никогда не превышают, такая конструкция была бы слишком тяжелой и неэффективной), то во время такого запуска сердечник будет насыщен. Это также можно выразить как остаточный магнетизм при нормальной работе почти такой же высокий, как магнетизм насыщения в «колене» петли гистерезиса .

А вообще трансформаторы часто мало интересуют людей, ведь они кажутся простыми, есть коэффициент трансформации, который связывает напряжение первички и вторички, что же еще там может понадобиться, зато наверняка на вопрос о том, растет ли магнитный поток трансформатора с ростом тока во вторичке может поставить человека в тупик. Или почему растет ток в первичке, при росте тока во вторичке. Попробуйте ответить для себя на эти вопросы…

Кстати вот неплохой источник информации по этой теме: https://realstrannik.com/forum/fantom/343-kopilka