Trafo-Einschaltstrom
Berechnen Sie den Einschaltstrom (Inrush Current) von Transformatoren nach IEC 60076. Mit Sicherungsauswahl, Abklingzeit und Schutzkoordination für Öl- und Trockentrafos.
Trafo-Einschaltstrom (Inrush Current)
Der Einschaltstrom (auch Magnetisierungsstoßstrom oder Inrush Current) entsteht beim Zuschalten eines unbelasteten Transformators. In den ersten Millisekunden kann der Strom das 10- bis 15-fache des Nennstroms erreichen.
Physikalische Ursache
Beim Einschalten im Spannungs-Nulldurchgang muss der Eisenkern den vollen magnetischen Fluss aufnehmen. Da der Kern in Sättigung geht, steigt die Magnetisierungsimpedanz schlagartig ab und verursacht den Stromstoß.
Einschaltstrom-Faktoren nach Trafogröße
| Bemessungsleistung | Typischer Faktor | Worst Case |
|---|---|---|
| ≤ 100 kVA | 10-12× In | 15× In |
| 160-400 kVA | 8-10× In | 12× In |
| 630 kVA | 6-8× In | 10× In |
| ≥ 1000 kVA | 5-6× In | 8× In |
Abklingverhalten
| Trafogröße | Zeitkonstante τ | Abklingzeit (5×τ) |
|---|---|---|
| ≤ 250 kVA | 0.1-0.2 s | 0.5-1.0 s |
| 400-630 kVA | 0.2-0.3 s | 1.0-1.5 s |
| ≥ 1000 kVA | 0.3-0.5 s | 1.5-2.5 s |
Trafotyp-Unterschiede
| Eigenschaft | Öltransformator | Trockentransformator |
|---|---|---|
| Inrush-Faktor | Standard (100%) | Reduziert (~85%) |
| Abklingzeit | Länger | Kürzer |
| Sättigungsverhalten | Höhere Remanenz | Niedrigere Remanenz |
Sicherungskoordination
Bei der primärseitigen Absicherung (Mittelspannung) müssen HH-Sicherungen (Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen) verwendet werden, die den Inrush-Strom für die Abklingdauer durchlassen, ohne anzusprechen.
Faustformel für HH-Sicherung:
In_Sicherung ≥ 1.5 × In_Trafo
I_Inrush muss unterhalb der Schmelzkennlinie bleiben
Anwendungsbereiche
- Mittelspannungs-Sicherungsauswahl (HH-Sicherungen)
- Schutzrelais-Einstellung (ANSI 50/51)
- Einschaltstrombegrenzer-Dimensionierung
- Netzrückwirkungsanalyse bei Einschaltvorgängen
- Motorschalter-Koordination bei Trafo-Anlagen
- Notstromversorgung und USV-Systeme
Häufig gestellte Fragen
Beim Einschalten im Spannungs-Nulldurchgang muss der magnetische Fluss von Null auf Maximum steigen. Da im Kern noch Remanenz (Restmagnetisierung) vorhanden sein kann, addiert sich diese zum neuen Fluss. Der Kern geht in starke Sättigung, wodurch die Magnetisierungsimpedanz stark sinkt und ein hoher Strom fließt.
Es gibt mehrere Methoden: (1) HH-Sicherungen mit verzögerter Kennlinie (aR oder gR), die kurzzeitige Überströme tolerieren. (2) Einschaltstrombegrenzer (Inrush Current Limiter, ICL) mit NTC-Widerständen, die den Strom beim Einschalten begrenzen. (3) Gesteuertes Einschalten (Point-on-Wave Switching) im Spannungsmaximum. (4) Überstroms-Schutzrelais mit 2. Harmonischen-Sperre, da der Inrush-Strom hohe 2.-Harmonische-Anteile enthält.
Moderne digitale Schutzrelais nutzen die 2.-Harmonische-Erkennung. Der Inrush-Strom enthält typisch 20-60% 2. Harmonische, während ein Kurzschlussstrom fast rein sinusförmig ist. Liegt der 2.-Harmonische-Anteil über einem Schwellwert (oft 15-20%), wird die Auslösung blockiert.
Größere Transformatoren haben (1) niedrigere relative Kurzschlussspannung uk, (2) besseres Kerneisen mit geringerer Remanenz, und (3) einen höheren Widerstandsanteil im Verhältnis zur Reaktanz, der den Stromstoß dämpft. Zudem werden große Trafos oft mit sanftem Hochlauf geschaltet.
Ein Einschaltstrombegrenzer (ICL) ist ein Gerät mit NTC-Thermistoren oder Widerständen, das beim Einschalten einen hohen Widerstand hat und sich dann erwärmt (Widerstand sinkt). Einsatzgebiete: Ringkern-Transformatoren, sensible Elektronik, Anlagen mit knapper Sicherungsreserve, häufige Schaltspiele. Nach Ausschalten muss eine Abkühlzeit eingehalten werden.