Что такое бросок намагничивания трансформатора?

Ток намагничивания трансформатора — при упоминании этого термина сразу складывается впечатление о чём‑то весьма сложном; он также известен под названием «ток включения». Это явление, возникающее в момент включения трансформатора без нагрузки — то есть при его запуске или повторном подключении к сети, — когда обмотки мгновенно начинают пропускать значительный ток. Проще говоря, это аналогично тому, как наши мощные электроприборы (например, кондиционеры) во время пуска, чтобы быстро выйти на рабочий режим, требуют быстрого насыщения внутренних катушек, магнитов и других компонентов, вследствие чего временно потребляют большой ток. Ток намагничивания трансформатора действует по схожему принципу, за исключением того, что он возникает в сердечнике и обмотках самого трансформатора. Этот ток представляет собой особое явление, наблюдаемое в начальный период ввода трансформатора в эксплуатацию.
Причины возникновения тока намагничивания трансформатора

Суперпозиция остаточного магнитного потока и рабочего магнитного потока
Мы знаем, что сердечник трансформатора обладает магнитопроводностью и в материале сердечника присутствует явление гистерезиса: под действием переменного магнитного поля в сердечнике происходят процессы намагничивания и размагничивания. До ввода трансформатора в эксплуатацию в его сердечнике может оставаться остаточный магнитный поток. Что такое остаточный поток?
Остаточный магнитный поток — это магнитный поток, остающийся в сердечнике и обмотках трансформатора при отключении источника переменного тока. Это объясняется тем, что в режиме нормальной работы трансформатора железный сердечник намагничивается; при прекращении подачи питания намагниченность не исчезает мгновенно, а сохраняет часть магнитного потока.
При включении трансформатора магнитный поток, создаваемый рабочим напряжением, и остаточный магнитный поток в сердечнике направлены в одну и ту же сторону; эти потоки складываются, в результате чего суммарный магнитный поток значительно превышает уровень насыщения сердечника.

Источник рисунка: Электрические приложения
Насыщение сердечника
Если суммарный наложенный магнитный поток превышает максимальное значение, которое способно выдержать сердечник (поток насыщения), сердечник начинает вести себя так, как будто он «насыщен», и больше не способен принимать дополнительный магнитный поток. В этот момент возникает очень большой ток — так называемый пусковой ток намагничивания.
Величина пускового тока при включении также зависит от значения питающего напряжения и начального фазового угла, от величины потока в сердечнике и направления остаточной намагниченности до момента замыкания, от значения эквивалентного сопротивления и фазового угла системы, от способа соединения обмоток трансформатора и заземления нейтрали, от магнитных характеристик материала сердечника, гистерезисных свойств и др., а также от типа конструкции сердечника и уровня качества сборки.
Характеристики тока намагничивания при включении трансформатора

Пиковое значение: Пиковое значение тока намагничивания при включении может достигать 6–8 кратного значения номинального тока трансформатора, а иногда и превышать его. Это означает, что в момент пуска трансформатора он может подвергаться воздействию крайне высокого токового удара.
Быстрое затухание: хотя амплитуда пика тока всплеска возбуждения велика, он затухает очень быстро. Время затухания для трансформатора большой мощности может достигать 5–10 секунд, тогда как для трансформатора малой мощности оно составляет всего около 0,2 секунды.
Источник рисунка: Электрические приложения
Содержит сложные компоненты: пусковой ток возбуждения включает не только обычные компоненты переменного тока, но также постоянный ток и высшие гармоники. Эти компоненты делают форму волны пускового тока возбуждения сложной.
Опасности токового всплеска при включении трансформатора

Токи всплеска возбуждения могут приводить к насыщению магнитопровода трансформатора и к скачкам напряжения на вторичной обмотке, что вызывает снижение изоляционных свойств трансформатора и возможный выход оборудования из строя.
Ток включения при возбуждении может повышать температуру сердечника трансформатора и вызывать потери на вихревые токи в обмоточных проводниках, стенках бака и других металлических деталях, что приводит к перегреву трансформатора, старению изоляции и снижению срока службы оборудования.
Ток включения с высокой амплитудой непосредственно приводит к механическим повреждениям трансформатора и выключателя, а в некоторых случаях может даже вызвать перегрев и выход из строя оборудования.
Как подавить ток намагничивания трансформатора при включении

Подавление тока намагничивания при включении является важной мерой, обеспечивающей стабильную работу трансформатора и энергосистемы; ток намагничивания трансформатора можно уменьшить с помощью следующих методов:
1. Использование возбуждающего двигателя: возбуждающий двигатель представляет собой способ подачи постоянной мощности на трансформатор через его ротор. Поскольку возбуждающий двигатель обладает инерцией ротора, он замедляет скорость нарастания возбуждающего тока.

2. Увеличение сопротивления возбуждения трансформатора: Включение соответствующего сопротивления в цепь возбуждения трансформатора позволяет ограничить быстрый рост тока возбуждения.

3. Внедрение мер защиты трансформаторов от перенапряжений: путём установки устройств, снижающих перенапряжения — таких как дроссели, конденсаторы и др. — уменьшается воздействие тока возбуждения при перенапряжении на оборудование; при этом энергия перенапряжения эффективно поглощается и рассеивается, что обеспечивает защиту трансформатора и безопасность электросети.
4. Используйте магнитное смещение при замыкании и остаточную намагниченность трансформатора, чтобы они компенсировали друг друга: регулируя направление и величину магнитного смещения при замыкании, добивайтесь его взаимной компенсации с остаточной намагниченностью трансформатора, чтобы предотвратить насыщение сердечника трансформатора и тем самым подавить возникновение броска намагничивания.