Bewältigung des erhöhten Einschaltstroms des Transformators

Die neuen Effizienzstufen des US-Energieministeriums (DOE) für Niederspannungs-Trockenverteilungstransformatoren traten Anfang 2016 in Kraft. Technisch bekannt als CFR Title 10 Chapter II Part 431 (in Anhang A von Subpart K 2016). Neue Effizienzanforderungen werden üblicherweise als DOE 2016-Effizienzniveaus bezeichnet.

Um diese neuen Effizienzniveaus zu erreichen, können Hersteller verschiedene Designstrategien anwenden, darunter die Verwendung von Edelstahl, die Senkung des Induktionsniveaus des Kerns und die Verwendung unterschiedlicher Kernkonstruktionen. Diese Designänderungen können sich jedoch auch auf andere Eigenschaften des Transformators auswirken, einschließlich Größe, Kosten und Einschaltstromeigenschaften.

Obwohl Änderungen in der Größe und den Kosten des Transformators wichtige Überlegungen sind, können diese Informationen leicht vom Hersteller eingeholt werden. Die dritte oben identifizierte Variable, der Einschaltstrom, kann weniger offensichtlich, aber ebenso wichtig sein, wenn ein System mit neuen DOE 2016-konformen Transformatoren entworfen wird.

Der Einschaltstrom ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl eines Überstromschutzgeräts (OCPD) zum Schutz des Transformators. Bei falscher Dimensionierung kann es sein, dass das OCPD während des Systemstarts arbeitet und verhindert, dass der Transformator mit Strom versorgt wird.

In der Vergangenheit nutzten viele Konstrukteure die Vorteile von NFPA 70: National Electrical Code (NEC), Artikel 450, Tabelle 450.3(B), und dimensionierten primäre OCPDs für Niederspannungsverteilungs-Trockentransformatoren bei nicht mehr als 125 % der Transformatoren. Last-Primärampere (FLA). Wenn die primäre OCPD auf 125 % ausgelegt ist, wird der Transformator mit dem kostengünstigsten Kabel und Rohr gespeist, was einen ausreichenden Überlast- und Kurzschlussschutz für das Kabel und den Transformator bietet. Darüber hinaus liegt der Schutz deutlich unter der Schadenskurve des Transformators (NEMA-Standard 206 verlangt, dass der Transformator bei Standard-Trockentransformatoren 2 Sekunden lang dem 20- bis 25-fachen Volllastnennstrom standhält). Der andere Faktor, der dafür sorgt, dass diese Auswahl funktioniert, ist, dass die Einschaltströme des Transformators typischerweise das 4- bis 10-fache seines primären FLA-Nennwerts betrugen.

Mit der Einführung der DOE-Gesetzgebung von 2010, dem Wunsch, Transformatoren mit höherem Wirkungsgrad zu verwenden, und der zunehmenden Verwendung von K-Faktor- und Spezialtransformatoren kam es in der Branche jedoch zu einigen störenden Auslösungen des primären OCPD bei einer Dimensionierung von 125 %.

Und jetzt, da aufgrund des DOE 2016 die Möglichkeit noch höherer Einschaltströme besteht, gewinnt dieses Thema noch mehr an Bedeutung. Heutzutage ist es nicht ungewöhnlich, dass die theoretischen maximalen Einschaltströme von Transformatoren das 20- bis 30-fache der primären FLA der Transformatoren betragen.

Wenn diese Möglichkeit höherer Einschaltströme mit den vielen Unterschieden in den Konstruktionsmethoden und Materialien zwischen den Herstellern und sogar zwischen Transformatortypen/-nennwerten desselben Herstellers zusammenhängt, wird es für Ingenieure äußerst wichtig, die Einschaltstromwerte zu überprüfen.

Um Kunden bei dieser neuen Herausforderung zu unterstützen, entwickeln und testen einige Hersteller Standardtransformatoren (oder die gängigsten) DOE 2016-Transformatoren, um eine Dimensionierung des primären OCPD von 125 % zu ermöglichen. Dies ist jedoch möglicherweise nicht bei allen Herstellern der Fall. Wenn die Größe des primären OCPD größer als 125 % sein muss, kann der Konstrukteur die NEC-Tabelle 450.3(B) (OCPD-Dimensionierung bis zu 250 %) und den NEC-Artikel 240.21 nutzen, um die Notwendigkeit zu vermeiden, einen sekundären OCPD-Stromkreis bereitzustellen Transformator bei der Speisung einer Beleuchtungsschalttafel oder -last.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die vom Hersteller veröffentlichten Einschaltstromwerte meist Transformatoren beschreiben, die über die Primärwicklung, also die Außenwicklungen eines Transformators, mit Strom versorgt werden. Wenn der Transformator umgekehrt gespeist und von der Sekundärwicklung – den inneren Wicklungen – mit Strom versorgt wird, können Sie davon ausgehen, dass die Einschaltstromwerte erheblich höher sind. Um dieses Problem anzugehen, sollten Ingenieure bei Anwendungen über 75 kVA stets auf eine Rückspeisung achten und die größte zulässige OCPD wählen.

Wie in dieser Kolumne dargelegt, ist es für Konstrukteure von entscheidender Bedeutung, sich der Einschaltströme für Niederspannungs-Trockentransformatoren bewusst zu sein, insbesondere in unserer modernen Welt mit hohem Wirkungsgrad. Denken Sie daran, vor der Installation immer die NEC-Kennzeichnung zu überprüfen und sich an den Hersteller zu wenden.

Greg J. Hausman ist leitender Anwendungsingenieur bei Eaton und verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Elektroverteilungsausrüstungsbranche. Er ist aktives Mitglied von IEEE, der International Association of Electrical Inspectors und der NFPA.

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