Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

В энергосистеме при подключении силового трансформатора к напряжению, а также при восстановлении рабочих параметров цепи после отключения оборудования на режиме короткого замыкания в питающей устройство обмотке возникает резкий толчок. Это явление получило название тока намагничивания трансформатора. Он имеет затухающий характер, а его максимальная величина превышает номинальный параметр, что необходимо учитывать при проектировании схем защиты оборудования.

Понятие намагничивающего тока

Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.

Рис. 1. Условия появления БТН

В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся Ф_У и свободный Ф_СВ. Для определения общего значения используется формула:

Ф_ТО = Ф_У + Ф_СВ

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, Ф_ТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство Ф_СВ = — Ф_У. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (Ф_Тмакс).

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание Ф_У от U_Т на 90 градусов, что говорит о зависимости Ф_СВ и Ф_Тмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения U_Т через ноль. Если не брать во внимание постепенное затухание, Ф_Тмакс ≈ 2Ф_У. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Ф_ост, по знаку совпадающее с Ф_СВ.

Тогда:

Ф_Тмакс = (2Ф_У + Ф_ост)> 2Ф_У

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2Ф_У, вызывая резкий бросок I_нам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства I_нам > I_с.з..

Почему происходит бросок при включении

Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:

• внешнее короткое замыкание (КЗ);
• восстановление напряжения в контуре;
• преобразование КЗ;
• несинхронное подключение генератора.

Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.

Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы.

Как происходит процесс

При подаче нагрузки намагничивание прибора из-за включения рассматривается как негативное явление, способное спровоцировать БТН максимальной амплитуды. При отключении ток намагничивания сокращается до нулевой отметки, а магнитная индукция корректируется в зависимости от степени намагничивания стального сердечника, в результате чего в магнитопроводе сохраняется остаточная индукция.

Если через время повторить включение токопреобразующего устройства под напряжение, подчиненное синусоидальному закону изменения, магнитная индукция меняется со смещением остаточной величины до 90% от номинального значения. В результате возникает высокая амплитуда намагничивания и изменение формы кривой.

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Уровень намагничивающего тока затухает на десятые доли секунды, но полное «сглаживание» кривой наступает в течение нескольких секунд, а при определенных условиях – через несколько минут. Длительность затухания апериодической составляющей осциллограммы БТН обусловлена высокой амплитудой тока в начальный (нулевой) момент времени и содержанием разных гармоник. Пиковая величина зависит от нагрузочного напряжения и его параметров, а также от значения и полярности остаточного магнитного потока в сердечнике.

Пик тока может быть выше номинального значения для высокомощных агрегатов в 10-15 раз, а для приборов мощностью (<50 кВА) – больше в 20-25 раз. Период затухания – от нескольких миллисекунд до секунд.

Способы блокировки на вторичной обмотке

Исключить ложные срабатывания на БТН можно несколькими способами. Опытным путем проверена эффективность метода замедления защиты (недостаток – потеря быстродействия), торможения, блокировки, которые не дали хороших результатов. Наиболее рациональными способами отстройки от токов намагничивания являются:

1. Использование быстронасыщающихся трансформаторов.
2. Отстройка дифференциальной отсечки.

Методы на практике доказали свою эффективность, отличаются высокой надежностью, простотой и сохранением важнейшего параметра защиты – быстродействия.