Inschakelstroom van een transformator (magnetiseringsstroom) — waarom de voorzekering niet zomaar op de nominale stroom mag worden gekozen

De gids over hoofdzekering versus eerste installatieautomaat behandelt selectiviteit tussen opeenvolgende beveiligingstoestellen in het algemeen. Dit artikel behandelt een specifiek geval waarbij een normale, storingsvrije handeling — het inschakelen van een transformator — al genoeg stroom kan trekken om een verkeerd gedimensioneerde voorzekering of automaat te laten aanspreken.

Het verschijnsel: magnetiseringsstroom bij inschakelen

Wanneer een onbelaste transformator wordt ingeschakeld, moet de magnetische kern van nul af aan worden gemagnetiseerd. Afhankelijk van het exacte moment van inschakelen op de spanningsgolf, en van de remanente flux die in de kern is achtergebleven van de vorige uitschakeling, kan de kern tijdelijk in verzadiging raken. In dat verzadigde gebied is de relatie tussen stroom en magnetische flux sterk niet-lineair, waardoor de primaire wikkeling een veel grotere stroom trekt dan de normale, continue magnetiseringsstroom — dit is de inrush-stroom.

Grootteorde en verloop van de piek

De inrush-stroom van een vermogenstransformator kan bij inschakelen oplopen tot circa 8 tot 12 maal de nominale primaire stroom, geconcentreerd in de eerste halve periode (in de orde van 0,01 seconde bij 50 Hz). Na deze eerste, hoogste piek neemt de amplitude geleidelijk af over de volgende cycli, tot de transformator na ongeveer 1 seconde weer zijn normale, veel kleinere continue magnetiseringsstroom trekt. Deze piek is géén fout — de transformator en de aangesloten installatie functioneren normaal — maar is wel een kortstondige, aanzienlijke stroom die de voorzekering of installatieautomaat niet ten onrechte mag laten aanspreken.

Gevolg voor de beveiligingskeuze

Een voorzekering of automaat die uitsluitend op basis van de nominale transformatorstroom en de vereiste kortsluitbeveiliging is gekozen, kan bij elke inschakeling van de transformator ten onrechte aanspreken als zijn tijd-stroomkarakteristiek niet voldoende marge geeft ten opzichte van de inrush-curve. Om dit te voorkomen, moet de tijd-stroomkarakteristiek van de gekozen beveiliging boven de inrush-curve van de transformator liggen: voldoende hoog bij de zeer korte tijd van de eerste piek, en nog steeds voldoende hoog bij de wat langzamer afnemende stroom in de seconde daarna.

Let op: de exacte inrush-curve is transformatorspecifiek (vermogen, kernontwerp, schakelmoment, remanente flux) en de daaruit volgende beveiligingskeuze is een tijd-stroomcoördinatie tussen de fabrikantopgave van de transformator en de tijd-stroomkarakteristiek van de gekozen zekering of automaat — dit artikel behandelt het principe, niet een pasklare rekenformule voor elk specifiek type.

Waarom dit geen eenmalige, voorspelbare waarde is

Omdat de piekhoogte mede afhangt van het toevallige inschakelmoment op de spanningsgolf én van de remanente flux die na de vorige uitschakeling in de kern is achtergebleven, is de inrush-piek niet bij elke inschakeling identiek: de ene keer kan de piek dicht bij de bovengrens van de genoemde 8-12×-orde liggen, een andere keer aanzienlijk lager. Een beveiliging die slechts nét boven een gemiddelde inrush-waarde is gekozen, kan daardoor bij een ongunstig samenvallend inschakelmoment alsnog onterecht aanspreken.

Praktische relevantie

Bij het selecteren van een voorzekering of installatieautomaat voor een transformator moet de tijd-stroomkarakteristiek van die beveiliging expliciet tegen de door de fabrikant opgegeven (of anderszins bepaalde) inrush-curve van de transformator worden uitgezet — niet alleen tegen de nominale bedrijfsstroom en de vereiste kortsluitbeveiliging. Een zekering of automaat die dit niet doet, kan een op zich gezonde transformator bij vrijwel elke inschakeling laten uitvallen, wat vooral hinderlijk is bij transformatoren die regelmatig worden in- en uitgeschakeld.

Veelgemaakte fouten

1. De voorzekering of automaat uitsluitend dimensioneren op de nominale bedrijfsstroom en de kortsluitbeveiligingseis, zonder de tijd-stroomkarakteristiek tegen de inrush-curve van de transformator te controleren.
2. Een enkele inrush-waarde als absoluut maximum behandelen zonder rekening te houden met de spreiding door inschakelmoment en remanente flux — een beveiliging die net boven een gemiddelde waarde zit, kan bij een ongunstig moment alsnog aanspreken.
3. De inrush-piek verwarren met een daadwerkelijke fout bij het analyseren van een onverklaarbare uitschakeling direct na het inschakelen van een transformator, in plaats van eerst de tijd-stroomcoördinatie te controleren.
4. Geen rekening houden met herhaald in- en uitschakelen (bijvoorbeeld bij een transformator die periodiek buiten bedrijf wordt genomen) — elke afzonderlijke inschakeling brengt opnieuw een inrush-piek met zich mee, met een eigen, variabele remanente-flux-uitgangssituatie.

Gerelateerd

• Hoofdzekering (netbeheerder) versus eerste installatieautomaat — selectiviteit
• Transformator-vectorgroepen — parallelbedrijf
• Kortsluitbeveiliging — §434
• Inschakelstroom van LED-drivers en nuisance tripping