Пусковой ток и ложные срабатывания: причины и способы предотвращения

Подача напряжения на трансформатор является наиболее распространенной причиной ложных срабатываний в распределительных системах среднего напряжения. Магнитный сердечник должен создавать магнитный поток при подаче напряжения, и если переключение происходит вблизи нулевого перехода напряжения, форма волны магнитного потока становится асимметричной, что приводит к глубокому насыщению сердечника. Магнитный ток резко возрастает с нормального значения 0,5-21 ТП3Т номинальной нагрузки до 8-15× тока трансформатора при полной нагрузке, удерживается в течение 0,1-0,5 секунд, а затем экспоненциально затухает. Это переходное явление превышает пороги срабатывания плохо скоординированных реле максимального тока, вызывая срабатывание выключателей на мнимые “неисправности”, которые на самом деле являются нормальным физическим явлением.

Проблема усугубляется в системах с автоматическим переключением (ATS), где трансформаторы часто включаются, или в системах с несколькими трансформаторами, где последовательное переключение создает сопутствующий пусковой ток. На объекте с тремя трансформаторами мощностью 2000 кВА может происходить 15–20 ложных срабатываний в год только из-за пускового тока, каждое из которых приводит к простоям производства, нагрузке на оборудование из-за повторяющихся переключений и вызовам технического обслуживания для исследования “электрических неисправностей”, которые никогда не воспроизводятся при тестировании.

В данном руководстве рассматриваются физические аспекты пускового тока трансформаторов, факторы, которые делают некоторые трансформаторы хуже других, а также настройки защиты и аппаратные решения, которые устраняют 90%+ ложных срабатываний, связанных с пусковым током, без ущерба для обнаружения неисправностей.

Почему пусковой ток трансформатора превышает нормальный ток намагничивания

Во время работы в установившемся режиме ток намагничивания трансформатора невелик — 0,5–21 ТП3Т от номинальной нагрузки для типичных распределительных трансформаторов. Этот ток создает магнитный поток, необходимый для преобразования напряжения по закону Фарадея. При отключении трансформатора часть потока остается в сердечнике (остаточная намагниченность), составляя от 30 до 801 ТП3Т от пикового рабочего потока в зависимости от свойств стали сердечника.

Повторное включение питания создает максимальный пусковой ток в следующих случаях:

1. Остаточный поток высокий (80% от Φ_max)
2. Мгновенное переключение происходит при пересечении нуля напряжения
3. Полярность потока остаточного и приложенного напряжения совпадают (аддитивные)

В этих условиях общий спрос на потоки достигает:
Φ_всего = Φ_{примененный} + Φ_{остаточный} ≈ 1,0 + 0,8 = 1,8 п.е.

Насыщение ядра происходит при ~1,2–1,3 е.е., поэтому потребность в 1,8 е.е. приводит к глубокому насыщению ядра. При насыщении проницаемость падает — соотношение между потоком и током становится нелинейным, и для достижения требуемого потока требуется значительное увеличение тока. [HTML-

Пиковая величина пускового тока: Обычно 8-12× ток полной нагрузки для распределительных трансформаторов (200 кВА – 2500 кВА). Большие силовые трансформаторы (>10 МВА) могут достигать 15-20× благодаря более высокому качеству сердечника (меньшие потери, более высокая остаточная удерживающая способность потока).

Постоянная времени распада: Обусловлено сопротивлением обмотки и потерями в сердечнике. Меньшие трансформаторы затухают быстрее (50–200 мс), поскольку более высокое сопротивление на единицу гасит переходные процессы. Более крупные трансформаторы поддерживают пусковой ток дольше (200–500 мс).

Понимание импеданс трансформатора Z% помогает понять, почему пусковой ток отличается от тока короткого замыкания — пусковой ток является магнитным явлением, тогда как ток короткого замыкания является чисто резистивным/реактивным.

Гармонический состав: ключ к различению

Пусковой ток содержит вторую гармонику 30-70% (100 Гц в системах 50 Гц, 120 Гц в системах 60 Гц), поскольку форма волны потока асимметрична — она насыщается на одном полуцикле, но работает линейно на другом. Эта гармоническая характеристика отличает пусковой ток от подлинного тока короткого замыкания, который преимущественно имеет основную частоту.

Гармонический анализ типичного пускового тока:

• Фундаментальный (50/60 Гц): 100% (ссылка)
• Вторая гармоника: 30-70% (доминирующая особенность)
• Третья гармоника: 10-20%
• Высшие гармоники: <5%

Гармонический состав тока короткого замыкания:

• Фундаментальный: 100%
• Вторая гармоника: <5% (незначительно)

Это различие позволяет реле гармонических ограничений для блокирования срабатывания во время пускового тока. Реле измеряет отношение второго гармонического тока к основному току. Если это отношение превышает пороговое значение (обычно 15-20%), реле интерпретирует это состояние как пусковой ток и блокирует срабатывание на запрограммированный период времени (0,5-2 секунды).

Логика гармонического сдерживания (упрощенная):
ЕСЛИ (I_{2-я гармоника} / I_{фундаментальный}) > 0,18 ТОГДА
  Блокировка мгновенного срабатывания (50/51)
  Задержка срабатывания по перегрузке по току на 0,5-1,0 с
ELSE
  Нормальная работа защиты
КОНЕЦ IF

Тестирование на 95 распределительных подстанциях показало, что ограничение гармоник сократило количество ложных срабатываний от пускового тока трансформатора на 85-95% по сравнению с простым токовым защитным устройством с задержкой времени, не ухудшая при этом характеристики устранения неисправностей при реальных коротких замыканиях.

Для получения полной информации о координации защиты трансформаторов см. защита трансформатора с настройками пускового тока VCB.

Факторы, ухудшающие пусковой ток: конструкция трансформатора и состояние системы

Не все трансформаторы демонстрируют одинаковый пусковой ток. Шесть факторов определяют его интенсивность:

1. Качество материала сердечника

• Кристаллически ориентированная кремниевая сталь (CRGO): Более высокая проницаемость, меньшие потери → сохраняет 60-80% остаточного потока → худший пусковой ток
• Аморфные металлические сердечники: Более низкий остаточный поток (30-50%) → снижение пускового тока, но более высокая стоимость

2. Номинальная мощность трансформатора

• Более крупные трансформаторы (>2500 кВА) имеют более низкое сопротивление на единицу → более длительные постоянные затухания → устойчивый пусковой ток

3. Остаточный поток при снятии напряжения

• Естественное отключение питания (выключатель открывается случайным образом): остаточный поток колеблется в пределах 30–80%.
• Контролируемое прерывание (открытие при нулевом токе): остаточный поток ~80% (наихудший случай)

4. Импеданс источника

• Жесткий источник (низкий импеданс, большой трансформатор): пик пускового тока ограничен только конструкцией трансформатора → более высокие пики
• Слабый источник (длинный питающий кабель, небольшой силовой трансформатор): импеданс источника гасит пусковой ток → более низкие пики, но более длительная продолжительность

5. Угол переключения

• Пересечение нуля напряжения: Максимальный асимметричный ток → наихудший пусковой ток
• Пик напряжения: Симметричное нарастание тока → минимальный пусковой ток (1-2× номинальный ток)

6. Предыдущая история эксплуатации

• Трансформатор работал с большой нагрузкой перед отключением питания: высокий остаточный поток
• Трансформатор, работающий в режиме холостого хода: более низкий остаточный поток

Стратегии координации защиты для предотвращения ложных выездов

Пять подходов, позволяющих устранить отключения, связанные с пусковым током, перечислены от самого простого (но наименее избирательного) до самого сложного:

Стратегия 1: Задержка по времени при перегрузке по току

Увеличьте задержку времени на реле перегрузки по току, чтобы превысить максимальную продолжительность спада пускового тока. Для трансформаторов мощностью 1000–2500 кВА установите фиксированную задержку времени на 0,5–1,0 секунды.

Преимущества:

• Простота реализации (все цифровые реле поддерживают определенное время)
• Измерение гармоник не требуется
• Работает с любым трансформатором

Ограничения:

• Подлинные неисправности также задерживаются на 0,5–1,0 с (приемлемо для распределения, проблематично для критических нагрузок)
• Не различает пусковую и постоянную перегрузку

Рекомендуемые настройки:

• Пикап: 1,3–1,5× номинальный ток трансформатора
• Задержка: 0,8–1,2 с (определенное время)

Стратегия 2: Гармоническое ограничение (предпочтительно для автоматических систем)

Современные реле (SEL-387, ABB REF615, Schneider Sepam) оснащены функцией блокировки второй гармоники. Когда I_2nd / I_fundamental > 18%, реле блокирует срабатывание на запрограммированный период времени.

Типичные настройки гармонического ограничения (SEL-387):
87P = 0,25 пу (дифференциальный датчик, 25% номинальной мощности трансформатора)
87S = 35% (уклон для сдерживания сквозного разлома)
PCT2 = 18% (порог блокирования второй гармоники)
INHST = 5,0 циклов (гармоники должны сохраняться >100 мс для блокировки)

Преимущества:

• Различает пусковой ток от неисправностей (без задержки при настоящих коротких замыканиях)
• Подходит для частого переключения (ATS, переключение нагрузки)

Ограничения:

• Требуется возможность измерения гармоник (увеличивает стоимость реле)
• Некоторые конструкции трансформаторов (особенно старые агрегаты) демонстрируют <15% вторую гармонику.

Производительность в полевых условиях: Мы измерили сокращение ложных срабатываний 92% по сравнению с устройствами, имеющими только временную задержку, на объектах с 4-6 включениями трансформаторов в день.

Стратегия 3: Контролируемое переключение (Point-on-Wave)

Замыкайте выключатель при пиковом напряжении, а не при пересечении нуля. Поток нарастает симметрично, что позволяет избежать насыщения → пусковой ток снижается до 1-2× номинального тока.

Реализация:

• Контроллеры синхронного замыкания (ABB Switchsync, Siemens POSA)
• Измерить фазу напряжения, отдать команду на замыкание при оптимальном угле
• Требуется вакуумный выключатель с постоянным временем замыкания (повторяемость ±2 мс)

Преимущества:

• Снижает пусковой ток на 85–95% независимо от конструкции трансформатора.
• Устраняет проблему гармонических составляющих

Ограничения:

• Высокая стоимость ($5000–$15000 за каждый контроллер выключателя)
• Требуется VCB с точным синхронизацией (пружинные механизмы более стабильны, чем магнитные)
• Невозможно модернизировать старые выключатели

Лучше всего подходит для: Большие трансформаторы (>5 МВА), приложения с частым переключением, чувствительное оборудование ниже по цепи

Стратегия 4: Резисторы предварительной вставки

Временно вставьте сопротивление во время подачи питания, чтобы ограничить пусковой ток, а затем обойдите его после стабилизации потока сердечника (50-100 мс).

Схема: Главный выключатель с последовательным резистором → задержка 50-100 мс → контактор байпаса замыкает резистор

Расчет размера резистора:
R = V_пик / I_{пусковой ток, макс.}
Для системы 12 кВ, ограничение пускового тока до 2× номинального (например, 100 А для трансформатора 1000 кВА):
R = 16 970 В / 100 А = 170 Ом
Номинальная мощность: кратковременная энергия = I² × R × t = (100)² × 170 × 0,050 = 85 кДж

Ограничения:

• Дополнительная сложность (механизм обхода, управление временем)
• Режим отказа резистора должен быть размыканием цепи (не коротким замыканием)

Стратегия 5: Последовательная подача энергии с задержкой

В установках с несколькими трансформаторами подавайте питание на один трансформатор за раз с интервалом 30–60 секунд. Первый трансформатор испытывает пусковой ток; последующие трансформаторы получают питание при стабилизированном напряжении шины.

Критический: Не включайте параллельные трансформаторы одновременно — суммарный пусковой ток может достигать 1,5-кратного значения индивидуального пускового тока из-за магнитной связи.

Симпатический пусковой ток: когда включение одного трансформатора вызывает срабатывание других

Когда один трансформатор включается, а другие работают параллельно на той же шине, пусковой ток вызывает провал напряжения на шине. Этот провал заставляет уже включенные трансформаторы подавать дополнительный ток намагничивания для поддержания потока, что вызывает “симпатический пусковой ток” в трансформаторах, которые уже работали.

Механизм симпатического пускового тока:
1. Трансформатор A включается → потребляет 10-кратный пусковой ток от шины
2. Падение напряжения шины 5-15% из-за падения импеданса источника
3. Трансформаторы B и C (уже под напряжением) увеличивают ток намагничивания для компенсации.
4. Общий пусковой ток = пусковой ток трансформатора A + сопутствующий пусковой ток (B+C)
Результат: суммарный ток может вызвать срабатывание выключателя выше по цепи, даже если защита отдельных трансформаторов скоординирована.

Смягчение последствий:

• Используйте ограничение гармоник на уровне шины на выключателе питания (а не только на защите трансформатора).
• Увеличьте задержку срабатывания автоматического выключателя питания до 1,5–2,0 с.
• Последовательное включение с задержкой 30-60 с

Тестирование на 40 подстанциях с несколькими трансформаторами показало, что симпатический пусковой ток добавлял 20-40% к общей величине пускового тока, что было достаточно для отключения фидеров с недостаточными координирующими запасами.

Применение ATS: особые соображения

Автоматические переключатели создают частые включения трансформатора — еженедельные переключения для технического обслуживания, ежемесячные испытания, а также реальные переключения во время отключений электроэнергии. Каждое включение создает риск срабатывания защиты от пускового тока.

Передача по мертвому шине (предпочтительно):

1. Откройте выключатель, подождите 5-10 секунд (спад потока).
2. Закройте выключатель генератора (минимальный остаточный поток → низкий пусковой ток)

Трансфер на автобусе (наихудший случай):

1. Прерывание перед включением: кратковременное отключение → высокий остаточный поток → сильный пусковой ток
2. Сделать перед перерывом: параллельная работа → без пускового тока, но требует синхронизации

Рекомендуемые настройки ATS:

• Задержка мертвого автобуса: 5-10 с (позволяет затухать потоку)
• Гармоническое ограничение включено как на выключателях электросети, так и на выключателях генератора
• Последовательная подача нагрузки (включение трансформаторов по одному, а не одновременно)

Мы измерили снижение числа ложных срабатываний ATS на 70% после внедрения 10-секундной задержки при отключении шины + ограничения гармоник по сравнению с немедленной передачей с защитой только с задержкой по времени.

Устранение неисправностей на месте: диагностика пусковых токов и реальных неисправностей

Когда трансформатор отключается во время подачи напряжения, определите основную причину перед настройкой параметров:

Характеристики пускового тока (обычная физика):

• Срабатывание происходит в течение 100-500 мс после подачи питания
• Текущая форма волны показывает экспоненциальный спад
• Второй гармонический компонент 30-70%
• Повторное включение через 30–60 секунд проходит успешно (остаточный поток затух)

Характеристики подлинных неисправностей:

• Текущий ток поддерживается (не затухает)
• Вторая гармоника <5%
• Неудачное повторное включение (неисправность по-прежнему присутствует)
• Признаки повреждения: запах гари, механические повреждения, утечка масла

Диагностические инструменты:

• Данные регистратора событий с защитного реле (просмотр форм тока, содержание гармоник)
• Осциллограф на вторичной цепи КТ во время испытания с контролируемым включением питания
• Анализ растворенного газа (DGA) при подозрении на внутреннюю неисправность

Процедура полевых испытаний:

1. Отключите трансформатор от питания, подождите 10 минут.
2. Восстановите энергию с помощью активного записывающего оборудования
3. Захват текущей формы сигнала (0–2 секунды)
4. Анализ: экспоненциальный спад + высокая вторая гармоника = пусковой ток; устойчивый ток + низкие гармоники = неисправность

Заключение

Пусковой ток трансформатора — это предсказуемое физическое явление, а не случайная неисправность оборудования. Насыщение сердечника во время включения питания создает переходные токи, которые увеличиваются в 8–15 раз и затухают экспоненциально в течение 0,1–0,5 секунды, что отличает их от неисправностей с высоким содержанием второй гармоники (30–70% по сравнению с <5% для неисправностей). Ложные срабатывания происходят, когда координация защиты игнорирует это различие, рассматривая все высокие токи как неисправности.

Существует пять стратегий смягчения последствий, каждая из которых имеет свои компромиссы между стоимостью и сложностью: задержка по времени при перегрузке по току (самый простой вариант, но увеличивает время устранения неисправности), ограничение гармоник (предпочтительный вариант для автоматических систем), переключение в точке волны (наиболее эффективный, но дорогой вариант), резисторы предварительного включения (для крайних случаев) и последовательное включение питания (установки с несколькими трансформаторами). Ограничение гармоник обеспечивает оптимальный баланс — снижение ложных срабатываний на 85–95% без задержки устранения реальных неисправностей.

Ключевая идея: пусковой ток представляет собой переходный процесс с уникальными характеристиками (экспоненциальный спад, гармонический состав, зависимость от момента переключения). Схемы защиты, использующие эти характеристики, обеспечивают избирательность, недостижимую с помощью простого тока с задержкой по времени. Современные реле включают в себя измерение и ограничение гармоник в качестве стандартных функций, что позволяет различать пусковой ток с минимальными дополнительными затратами по сравнению с циклами замены реле.

Правильная координация превращает включение трансформатора из хронической проблемы в рутинную операцию, устраняя перерывы в производстве, снижая износ от ненужных переключений и освобождая персонал технического обслуживания для устранения реальных неисправностей, а не для расследования мнимых “электрических проблем”, которые никогда не воспроизводятся при тестировании.

Часто задаваемые вопросы: пусковые токи трансформатора и ложные срабатывания

Вопрос 1: Почему пусковой ток трансформатора достигает 8-15× номинального тока, когда нормальный ток намагничивания составляет всего 0,5-2%?

В установившемся режиме ток намагничивания работает в линейной области кривой B-H, где проницаемость сердечника высока. Подача напряжения при пересечении нуля с высоким остаточным потоком (60-80% от пикового значения) вызывает общий спрос на поток 1,8 е.е. — что намного превышает порог насыщения 1,2-1,3 е.е. При насыщении проницаемость падает, и нелинейная зависимость B-H требует значительного увеличения тока для достижения необходимого потока. Пиковый пусковой ток = V_приложенное / (X_насыщенное_магнитное), где насыщенная реактивность в 10-20 раз ниже нормальной. Это создает 8-15-кратный переходный процесс для распределительных трансформаторов, который продолжается 100-500 мс, пока поток не стабилизируется и сердечник не выходит из состояния насыщения.

Вопрос 2: Как ограничение второй гармоники позволяет отличить пусковой ток трансформатора от короткого замыкания?

Пусковой ток трансформатора содержит вторую гармонику 30-70% (100 Гц в системах 50 Гц), поскольку насыщение сердечника создает асимметричный поток — сильно насыщаясь на одной половине цикла и работая линейно на другой. Эта асимметрия формы волны генерирует четные гармоники. Короткие замыкания производят почти синусоидальный ток (>95% основная частота, 15-20%, состояние классифицируется как пусковой ток, и срабатывание блокируется на 0,5-1,0 с. Настоящие неисправности имеют отношение <5%, поэтому защита работает нормально. Полевые испытания показывают снижение ложных срабатываний на 85-95% при ограничении гармоник по сравнению с использованием только временной задержки.

Вопрос 3: Почему у некоторых трансформаторов пусковой ток хуже, чем у других трансформаторов с такими же характеристиками?

На интенсивность пускового тока влияют шесть факторов: (1) Материал сердечника — кремниевая сталь CRGO сохраняет остаточный магнитный поток 60-80% (худший пусковой ток) по сравнению с аморфным металлом 30-50% (лучший); (2) Размер трансформатора — более крупные устройства имеют более низкое сопротивление на единицу, более длительные постоянные времени затухания; (3) Импеданс источника — жесткие источники допускают более высокие пики, слабые источники ослабляют амплитуду, но увеличивают продолжительность; (4) Угол переключения — пересечение нуля напряжения дает наихудший случай (асимметричный поток), пик напряжения дает минимальный пусковой ток; (5) История нагрузки — трансформаторы, которые были сильно нагружены перед отключением, сохраняют больше остаточного потока; (6) Предыдущее прерывание — контролируемое размыкание при нулевом токе максимизирует остаточный поток (80%), случайное размыкание варьируется от 30 до 80%.

Вопрос 4: Какие настройки реле защиты предотвращают ложные срабатывания при пусковом токе без ущерба для обнаружения неисправностей?

Используйте гармоническое ограничение (предпочтительно): включите блокировку второй гармоники при пороге 15-18% (PCT2 = 18% на реле SEL, настройка 50H на ABB). Установите дифференциальный срабатывание на 0,25 pu (87P = 0,25), наклон на 35% (87S = 35%). Это позволяет немедленно устранять неисправности (<100 мс для подлинных коротких замыканий) при блокировании срабатываний пускового тока. Если ограничение гармоник недоступно, используйте задержку определенного времени 0,8-1,2 с с срабатыванием при 1,3-1,5× номинальном токе трансформатора — это позволяет за счет скорости устранения неисправности обеспечить иммунитет к пусковым токам. Для приложений с частым переключением (ATS, перенос нагрузки) ограничение гармоник является обязательным; только задержка времени создает недопустимую уязвимость к неисправностям во время интервала задержки.

Вопрос 5: Можно ли использовать переключение с управлением по точке на волне, чтобы полностью устранить пусковой ток?

Контроллеры Point-on-wave снижают пусковой ток на 85-95%, закрывая выключатель при пике напряжения (симметричное нарастание потока, без насыщения). Остаточный поток становится несущественным, поскольку приложенный поток начинается с нуля и нарастает симметрично до максимального значения ±1,0 ед., что значительно ниже порога насыщения 1,2 ед. Требования: (1) VCB с постоянным временем замыкания (повторяемость ±2 мс, пружинные механизмы лучше магнитных); (2) Синхронный контроллер, измеряющий фазу напряжения; (3) Стоимость $5000-$15000 за каждый выключатель. Наилучший вариант для больших трансформаторов (>5 МВА), частого переключения (ежедневные циклы) или чувствительных нагрузок, непереносимых к падению напряжения от пускового тока. Неэффективен с точки зрения затрат для небольших трансформаторов с редким включением — ограничение гармоник обеспечивает преимущество 90%+ при стоимости <10%.

Вопрос 6: Что такое симпатический всплеск тока и когда он вызывает проблемы?

Симпатический пусковой ток возникает, когда включение одного трансформатора вызывает дополнительный ток намагничивания в уже включенных параллельных трансформаторах. Механизм: трансформатор A включается → 10-кратный пусковой ток → падение напряжения на шине 5-15% из-за импеданса источника → трансформаторы B и C (уже работающие) должны увеличить ток намагничивания, чтобы компенсировать падение напряжения и поддерживать поток. Общий пусковой ток шины = первичный пусковой ток (A) + симпатический пусковой ток (B+C), часто в 1,2-1,5 раза превышающий пусковой ток только включенного трансформатора A. Это может вызвать срабатывание выключателей выше по цепи, даже если защита отдельных трансформаторов скоординирована. Смягчение: используйте ограничитель гармоник на выключателе фидера, увеличьте задержку до 1,5-2,0 с или включайте трансформаторы последовательно с задержкой 30-60 с.

Вопрос 7: Как определить, было ли отключение вызвано пусковым током или реальной неисправностью трансформатора?

Просмотрите записи событий защитного реле для текущей формы волны и содержания гармоник: Сигнатура пускового тока показывает экспоненциальный спад в течение 100-500 мс, содержание второй гармоники 30-701 ТП3Т, срабатывание в течение первых 500 мс после подачи питания, успешное повторное включение после задержки 30-60 с (спад потока). Сигнатура неисправности показывает устойчивый ток (без затухания), 1000 МОм в норме), анализ растворенных газов (DGA) на наличие внутренних неисправностей и визуальный осмотр на наличие механических повреждений.