Warum tritt ein Erreger-Einschaltstrom auf, wenn ein Transformator ohne Last mit Strom versorgt wird?

Wenn ein Transformator ohne Last mit Strom versorgt wird, durchläuft der Erregerstrom sofort eine Übergangsphase und sein Spitzenwert kann den Nennlaststrom um ein Vielfaches überschreiten. Im Vergleich zum normalen Erregerstrom ist der stationäre Leerlaufstrom des Transformators um ein Vielfaches größer. Dieser Übergangsstrom wird als Erreger-Einschaltstrom bezeichnet. Ein zu hoher Einschaltstrom kann zu einer Fehlfunktion des Relais führen und die reibungslose Einspeisung des Transformators in den Stromkreis verhindern. Die Größe des Einschaltstroms hängt von der Phase der Netzspannung zum Zeitpunkt der Einspeisung des Transformators und vom Zustand des Restflusses des Magnetkerns ab. Der Schließvorgang im Leerlauf äußert sich hauptsächlich in der Übergangsänderung des magnetischen Flusses des Transformators.

Wenn der Magnetkern keinen Restfluss aufweist und die Spannung im Moment des Schließens maximal ist, eilt der Magnetfluss der Spannung um 90 Grad voraus, sodass der Fluss Null ist. In diesem Fall gibt es vor und nach dem Schließen keinen Fluss im Magnetkern und es findet kein Übergangsprozess statt. Wenn die Spannung im Moment des Schließens Null ist, erreicht der Fluss seinen Maximalwert. Um den Momentanfluss beim Schließen auf Null zu halten, wird im Inneren des Kerns ein Gegenfluss (Gleichstromkomponentenfluss) gebildet, der den Momentanfluss (stationärer Fluss) aufhebt. Seine Größe ist gleich, aber in entgegengesetzter Richtung. Infolgedessen ist der synthetisierte magnetische Fluss im Moment des Schließens Null, erreicht jedoch nach einem halben Zyklus das Doppelte des stationären Flusses.

Diese Verdoppelung des Flusswertes führt zu einer erheblichen Sättigung des Kerns, was aufgrund der nichtlinearen Natur der Kernmagnetisierungskurve zu einem großen Erregerstrom führt. Wenn der Kern über einen Restfluss φ verfügt und er sich an der Richtung des magnetischen Flusses der ersten Halbwelle ausrichtet, erhöht sich der Momentanfluss auf 2×φ+φ. Dies führt zu einem größeren Erreger-Einschaltstrom.

Da der Gleichstromkomponentenfluss abnimmt, nimmt auch der Erreger-Einschaltstrom ab und dämpft sich innerhalb weniger Zyklen auf den normalen stationären Erregerstromwert ab. Daher ist der Schaden für den Transformator nicht erheblich. Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit eines so großen Einschaltstroms aus folgenden Gründen gering: a. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Leistungsschalter am Spannungsnulldurchgangspunkt aktiviert wird, ist gering. B. Während des Einschaltstromflusses sinkt die Spannung im externen Stromkreis selbst. C. Der Restfluss ist möglicherweise nicht unbedingt in Phase mit der Spannungsänderungsrichtung und kann je nach Status des externen Stromkreises abnehmen.

In einer Phase der Dreiphasen-Transformatorbank kommt es immer zu einem Übergangsphänomen, da ein Einschaltstrom unvermeidlich ist, wenn sie mit Strom versorgt wird. Typischerweise weist die innere Wicklung eines Kerntransformators eine kleinere Reaktanz auf, was zu einem größeren Einschaltstrom beim Erregen der inneren Wicklung führt. Um eine Fehlfunktion des Relais zu verhindern, können Methoden wie die Verwendung von Verriegelungsrelais für einen bestimmten Zeitraum nach dem Einschalten des Transformators eingesetzt werden.

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