افزایش سوئیچ روشن: درک جریان هجومی مغناطیسی ترانسفورماتور

مقدمه

سوئیچ را روی یک ترانسفورماتور بچرخانید - حتی اگر هیچ چیزی به خروجی آن وصل نباشد - و برای چند ثانیه ممکن است به طور خلاصه 6 تا 12 برابر جریان نامی معمولی خود را ببلعید. این گذرا جریان هجومی مغناطیسی نامیده می شود و با وجود درام، کاملاً طبیعی است. درک آن مهم است، زیرا همان جهش می تواند قطع کننده ها، فیوزها و رله های حفاظتی احمقانه را منفجر کند و فکر کنید ترانسفورماتور از کار افتاده است.

چیست، به زبان ساده (برای مبتدیان)

به یک هسته ترانسفورماتور مانند یک تاب فکر کنید که در حال حاضر در قسمت بالا قرار دارد. شار مغناطیسی درون هسته آهنی نمی تواند فورا تغییر کند . باید به سمت موقعیت استراحت جدید خود "نوسان" کند. اگر سوئیچ را در بدترین لحظه ببندید - زمانی که ولتاژ متناوب از صفر عبور می کند - نوسان قبل از ته نشین شدن به شدت زیاد می شود. آن بیش از حد، جریان هجومی است. پس از چند سیکل تا چند ثانیه، شار ته نشین می شود و جریان به یک زمزمه پیوسته کوچک می رسد (حدود 1-2٪ جریان نامی ، جریان "مغناطیسی" معمولی که به سادگی هسته را مغناطیسی نگه می دارد).

اصل (برای مهندسان)

Inrush مستقیماً از قانون فارادی پیروی می کند: شار Φ(t) انتگرال زمانی ولتاژ اعمال شده است، نه یک کپی از آن. هنگامی که بریکر بسته می‌شود، شار از هر شار باقی‌مانده (مانند، معمولاً 50 تا 80 درصد اوج امتیازی) هسته که از آخرین خاموشی حفظ شده است، شروع می‌شود، سپس ∫v(t)dt را دنبال می‌کند. بسته شدن در تقاطع ولتاژ صفر، حداکثر آفست DC را اضافه می کند، بنابراین اولین پیک تقریباً به 2·Φm + Φr می رسد - هسته را به عمق اشباع می برد (بسیار فراتر از ~ 2.0 T برای فولاد سیلیکونی دانه گرا). نفوذپذیری هسته اشباع شده به سمت هوا فرو می ریزد، بنابراین سیم پیچ تقریباً شبیه یک سیم پیچ خالی به نظر می رسد و جریان عظیمی را می کشد که فقط با راکتانس نشتی و مقاومت سیم پیچ محدود می شود.

اعداد مهندسی کلیدی (بر اساس مراجع IEEE C37.91، ABB RER670 و زیمنس SIPROTEC):

• اوج هجوم: 6-12× جریان نامی (تا ~15-20× در موارد شدید).
• شکل موج: پالس های واپاشی بسیار نامتقارن (تقریباً تک قطبی).
• مدت زمان: ~ 0.1 ثانیه برای واحدهای کوچک تا چند ثانیه برای ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ.
• امضای هارمونیک: غنی از هارمونیک دوم (15-65٪ از پایه) - رله های دیفرانسیل از ویژگی برای تشخیص هجوم از یک خطای داخلی واقعی استفاده می کنند (محدودیت هارمونیک دوم، معمولاً یک آستانه 15-20٪).

مثال کاربردی

یک ترانسفورماتور توزیع 20 MVA، 33/11 کیلوولت انرژی را در نظر بگیرید. در سمت 11 کیلو ولت جریان تمام بار ≈1050 A است، با این حال هجوم سیکل اول می تواند از 10000 A تجاوز کند. اگر المان اضافه جریان لحظه ای (50) یا رله دیفرانسیل (87) با مهار هارمونیک یا تاخیر کوتاه تنظیم نشود، یک واحد کاملا سالم را خاموش می کند. سوئیچینگ نقطه روی موج کنترل شده (ABB XENCPOW، زیمنس SIPROTEC) هر قطب را نزدیک پیک ولتاژ می بندد تا با شار باقیمانده مطابقت داشته باشد و می تواند هجوم را تا 80% یا بیشتر کاهش دهد. محدود کننده های هجوم NTC در طرح های کوچک SMPS همین کار را انجام می دهند.

تصور اشتباه رایج / واقعیت جالب

افسانه: "جریان راه اندازی بزرگ به این معنی است که ترانسفورماتور معیوب است یا بیش از حد بارگذاری شده است." در واقعیت، هجوم یک پدیده بدون بار است - ثانویه می تواند کاملاً باز باشد. خطر واقعی خود موج نیست، بلکه عوارض مکانیکی انباشته آن است: هر انرژی‌دهی به سیم‌پیچ‌ها تا 45% از نیروهای اتصال کوتاه فشار می‌آورد و صدها کلید در طول سال‌ها می‌تواند عایق را خسته کند. موج چند ثانیه طول می کشد. سایش برای چندین دهه جمع می شود.