Einschaltstrom und Primärabsicherung


Einschaltstrom
Je höher die Induktion im Eisen des Transformators, je kleiner der Restluftspalt und je geringer die Kupferverluste sind, desto höher ist der Einschaltstromstoß. Hier sind Richtwerte für 230 V
Primärspannung, Einschaltstromstoß für ca. 3 bis 5 ms

Baugröße

Ringkerntransformator

Spulenkörpertransformator

bis 50 VA

6 A

5 A

bis 100 VA

15 A

7 A

bis 200 VA

30 A

20 A

bis 300 VA

60 A

30 A

bis 500 VA

130 A

45 A

bis 750 VA

250 A

55 A

bis 1000 VA

350 A

70 A

bis 1500 VA

450 A

-

bis 10000 VA

2000 A

500 A


Primärabsicherung
Kleinere Transformatoren können mit trägen (Kennzeichen T) Schmelzsicherungen abgesichert werden. Für große Transformatoren und Ringkerntransformatoren empfehlen wir superträge Schmelzsicherungen (TT) primärseitig.
Auswahl von trägen Feinsicherungen mit den Norm-Sicherungswerten nach DIN 41662 IEC 127-2

32 mA
40 mA
50 mA
63 mA
80 mA
100 mA
125 mA
160 mA
200 mA
250 mA
315 mA
400 mA
500 mA
630 mA
700 mA
800 mA

1 A
1,25 A
1,4 A
1,6 A
2 A
2,5 A
3,15 A
4 A
5 A
6,3 A
8 A




 

10 A
12,5 A
16 A
20 A
25 A
35 A
50 A
63 A
80 A
100 A





 


NTC Thermistoren als Einschaltstromstoßbegrenzer
Man kann auch NTC-Widerstände oder sog. Surge-Guards einsetzen. Der Strom wird für 1 bis 2 Sekunden begrenzt. Im kalten Zustand, also im Einschaltmoment des Transformators, haben NTC-Thermistoren einen viel höheren Widerstand als im heißen Zustand und begrenzen damit den Strom. Nach kurzer Erwärmung durch den Einschaltstromstoß werden die NTC niederohmig und können dann Dauerströme bis 20 A verkraften. Durch die Eigenerwärmung reduziert sich der Widerstand des NTC auf weniger als 10% des Kaltwiderstandes im Einschaltmoment. Nach dem Unterbrechen der Energieversorgung kühlt der NTC-Thermistor auf die Umgebungstemperatur ab und erhöht damit wieder seinen Widerstand. Eine gewisse Abkühlzeit ist allerdings erforderlich, bis der NTC wieder seine volle Schutzfunktion erreicht hat. Sie kann bis zu zwei Minuten dauern, je nach Scheibengröße und Umgebungsbedingungen. Vor dem Ende der Abkühlphase können NTC nicht ihre volle Begrenzungsfunktion erfüllen. Wir wählen die NTC entsprechend der Transformatorcharakteristik aus. Während des normalen Betriebs des Transformators, also dem niederohmigen Zustandes des NTC, wird dieser sehr heiß. Temperaturen von 200°C und mehr sind üblich. Hier eine kleine Auswahl:

Typ

Strom

max. Temp.

R kalt

R warm

Durchmesser

Dicke

9930031

1,3 A

220°C

200 Ohm

1,90 Ohm

15 mm

8 mm

9930032

2,0 A

220°C

40 Ohm

0,60 Ohm

15 mm

6 mm

9930033

3,0 A

220°C

120 Ohm

0,90 Ohm

20 mm

6 mm

9930034

4,0 A

270°C

12 Ohm

0,22 Ohm

12 mm

8 mm

9930035

6,0 A

270°C

10 Ohm

0,15 Ohm

15 mm

6 mm


TSR Automat
TSR, Trafo Schalt Relais (hilft immer, wenn Einschaltstrombegrenzer an Ihre Grenzen kommen)
Das TSR ist ein elektronischer Einschaltstrombegrenzer, der den Einschaltstrom von Transformatoren nicht nur begrenzt sondern ganz vermeidet. Damit können Trafos auf der Primärseite mit dem Nennstrom flink abgesichert werden. Eine Wartezeit zwischen den Schaltvorgängen ist nicht nötig. Ein Trafo oder auch eine Parallel- oder Serienschaltung von Trafos wird durch das TSR ca. 0,2 sek. lang vormagnetisiert und dann belastungsunabhängig ohne Einschaltstromstoß eingeschaltet. Das TSR ist bei richtiger Absicherung mit einem bis 16 A B Automat kurzschlussfest. Ein Steuereingang erlaubt die Ansteuerung durch eine SPS usw. Es entstehen keine Durchschaltverluste. Auch häufiges Schalten ist möglich. Sogar schnelles Takten ist mit Varianten möglich. Es sind Ein- und Dreiphasen TSR lieferbar. Bitte fragen Sie an (PDF-Datenblatt).
Alle Tabellenwerte sind Beispiele. Die technischen Daten können von unseren Lieferanten geändert werden.


Ringkerntrafo und flinke Nennstromabsicherung
Einschaltstromstossbegrenzer

Das Bild zeigt einen 1 kVA, 230 V Ringkerntrafo und einen C 4 A Leitungsschutzschalter davor.
Der Ringkerntrafo ist verlustarm ausgelegt und hat einen Nennstrom von 4,3 A und einen Einschaltstrom von ca. 56 mal Nennstrom = 240 A.
Der C 4 A Schutzschalter löst beim 6 fachen Nennstrom = 24 A flink aus. Der Einschaltstrom des Trafos ist also um Faktor 10 zu groß. Der Trafo ist damit nicht absicherbar.
Eigentlich schade, dass die beiden nicht so ohne weiteres zusammenpassen, denn jeder für sich hat große Vorteile. Der verlustarme Trafo ist belastungssteif, bleibt nahezu kalt und hat einen zu vernachlässigenden Leerlaufstrom.
Der C 4A Leitungsschutzschalter könnte den Trafo und auch gleich die langen Leitungen nach dem Trafo vor Überlastung oder Kurzschluss optimal schützen. Weil ein  Kurzschluss auch am Ende einer langen Leitung vorkommen kann, sind die dann auftretenden Ströme nicht hoch und müssen trotzdem den Leitungsschutzschalter auslösen. Im Anlagenbau sind solche langen Leitungen zum Speisen von vielen kleinen Stellantrieben mit 24 V AC durchaus üblich. Bisher muss man deshalb große Kabelquerschnitte verlegen, weiche Trafos und Absicherungen für hohe Nennströme verwenden. Dicke Kabel kosten aber deutlich mehr als dünne.
Wird jedoch ein so genanntes “Trafoschaltrelais” dazwischen gesetzt, dann vertragen sich die beiden oben abgebildeten Bauteile bestens.
Bisher verwendete, marktübliche und einschaltstromarme Steuertrafos können erfahrungsgemäß bereits im Leerlauf so heiß werden, dass man sie nicht mehr anfassen kann. Die Ursache heiß werdender Trafos ist konstruktiv bedingt. Man kann Trafos entweder verlustarm oder einschaltstromarm auslegen. Beides zusammen geht nicht. Wenn man einen Trafo einschaltstromarm und trotzdem verlustarm auslegen würde, dann wäre der Trafo wegen der deutlich kleineren Induktion B für die Induktionsreserve wesentlich größer und auch viel teuerer als ein verlustarmer Trafo.
Mit dem Argument einschaltstromarmer Trafo genügt man vordergründig den preislichen und technischen Anforderungen und nimmt die störende Wärmeentwicklung und den höheren Stromverbrauch in Kauf. Nicht selten werden dann Lüfter zur Kühlung eingesetzt. Die Alternative zum schon im Leerlauf heiß werdenden Trafo wäre ein verlustarmer Trafo. Dessen aber dann hoher Einschaltstrom würde aber den zum Trafo Nennstrom passenden Absicherungsschutzschalter beim Einschalten jedes mal auslösen.
Einschaltstrombegrenzer helfen zwar die hohen Einschaltströme von verlustarmen Trafos zu begrenzen, können dies aber nur teilweise. Sie beinhalten meistens zeitverzögert überbrückte NTC oder andere Festwiderstände oder bestehen nur aus NTCs. Es ist damit jedoch nur das seltene Einschalten nach einer längeren Pause zu beherrschen. Das Einschalten auf einen Kurzschluss vertragen diese (NTC) Einschaltstrombegrenzer überhaupt nicht.
Kommen mehrere Einschaltvorgänge hintereinander oder kurze Netzspannungsunterbrechungen vor, so sind dabei die Widerstände in den Einschaltstrombegrenzern heiß oder noch überbrückt und können so den Einschaltstrom nicht begrenzen oder gar selbst Schaden nehmen.
So genannte “Trafoschaltrelais”, welche den Einschaltstrom ganz vermeiden, erlauben es verlustarme Trafos einzusetzen und erfüllen alle oben genannten Bedingungen. Die Auswahl der Absicherung ist dann ganz einfach.
Der Einschaltvorgang mit einem Trafoschaltrelais TSR, das einen verlustarmen 1 kVA Ringkerntrafo einschaltet, ist in dem unten stehenden Bild zu sehen.
Einschaltstromstossbegrenzer-2Der Trafo ist unbelastet beim Einschalten. Es entsteht mit dem TSR nur der Leerlaufstrom von ca. 80 mA peak beim Einschalten, mehr Strom fließt wirklich nicht. (Obere Kurve = U, untere Kurve = I) Der Trafo wird vor dem (Voll-) Einschalten durch die unpolaren Spannungszipfel für kurze Zeit vormagnetisiert und dann im richtigen Moment voll eingeschaltet. Die Sättigung des Trafoeisens wird dabei immer vermieden.
Seit mehr als 7 Jahren sind diese “Einschaltstromvermeider” auf dem Markt und werden in steigendem Maße auch in sensiblen Bereichen wie zum Beispiel in Medizingeräten eingesetzt. Unter Last eingeschaltet fließt damit von Anfang an nur der Nennstrom. Ohne Last eingeschaltet, siehe oben, fließt beim Einschalten nur der Trafo Leerlaufstrom. Ein TSR kann über 5 Millionen mal in seiner Lebensdauer den Nennstrom auch häufig hintereinander schalten.
Damit ist es auch möglich einen Schutzschalter zu benutzen, der im Einstellbereich gut zum Trafo passt und auch den Teillastbetrieb absichern kann. Siehe die Schilderung weiter unten. Das wäre dann zum Beispiel ein PKZM0-2,5 für den Trafo mit 1 kVA Leistung bei 400 V, mit 2,5 A Nennstrom. Es ist auch ein B oder C Typ Doppel Leitungsschalter unter dem Nennstromwert des Trafos einsetzbar, wenn eine noch flinkere Absicherung gewünscht wird. Eine sekundärseitige Absicherung kann dann ganz wegfallen.
Nur bei Ringkerntrafos ist der Leerlaufstrom so verschwindend klein, dass er überhaupt nicht zur Erwärmung im Trafoblech beiträgt.
Deshalb sind diese Trafos in Zukunft als Energiespartrafos, die sehr belastungssteif sind, sehr interessant, wenn die einzige Unart die sie haben mit dem TSR beseitigt ist. Diese Unart ist der hohe Einschaltstrom.
Man kann mit dem TSR auch ruhig einen größeren Trafo einsetzen, wenn man eine besonders steife Ausgangsspannung haben möchte, weil die dann etwas größeren Leerlaufverluste von zusätzlichen 7 W bei einem zum Beispiel 2000 VA statt 1000 VA Trafo eben überhaupt nicht ins Gewicht fallen. Die absoluten Wirkverluste nehmen dann für diese Teillast sogar ab. Einen 2 kVA Trafo kann man dann zum Beispiel auch auf 0,5 kVA absichern, wenn die Last nicht größer ist.
Das folgende Bild zeigt einen verlustarmen Steuertrafo, der mit einem TSR eingeschaltet und mit B oder C-Leitungsschutzschaltern flink auf den Nennstrom abgesichert ist.

Einschaltstromstossbegrenzer-4

Im Bild unten ist ein Blockschaltbild vom TSR zu sehen mit den Messkurven vom Einschalten bei belastetem und unbelastetem Trafo. Auch beim Einschalten auf einen Kurzschluss nimmt das TSR keinen Schaden, wenn die Absicherung korrekt ausgeführt ist. Nach dem Beseitigen des Kurzschlusses ist das TSR sofort wieder einschaltbereit.
Einschaltstromstossbegrenzer-5


Wie ist es ohne TSR?


Einschaltstromstossbegrenzer-6Das Bild zeigt den Einschaltvorgang von einem verlustarmen 1 kVA Trafo, der über ein PKZM0-4-T abgesichert ist (ohne TSR eingeschaltet).
Eingang A, oben = Spannung am Trafo, Eingang B, unten = Strom in den Trafo. Der Trafoschutzschalter löst sofort innerhalb 10 Millisekunden aus dem Einschalten.
Der hier ohne TSR eingeschaltete verlustarme Steuertrafo hat einen luftspaltlosen Eisenkern mit verlustarmen Blech. Bei 1 kVA hat er bei einer 400 V Primärwicklung einen Einschaltstrom von 200 A peak, das sind 140 A eff. Das ist der 56fache Nennstrom. Sehr verlustarme Ringkerntrafos dieser Größe haben sogar einen Einschaltstrom von über 180 Aeff. Das ist der 72fache Nennstrom.
Trafo Schutzschalter, welche einen höheren Kurzschlussauslösestrom von mehr als 22 mal Nennstrom haben, gibt es nicht. Sie würden die so genannten weichen Kurzschlüsse auch zu spät oder gar nicht abschalten und könnten damit zu einem Brandrisiko führen.
Die Auswahl der zum Trafo passenden Absicherung ist ohne TSR, trotz einschaltstromarmem Trafo gar nicht einfach, wie folgendes Beispiel zeigt.
Einphasige Steuertrafos werden üblicherweise mit 400 V, also zwischen zwei Leitern im Drehstromnetz betrieben. Ausgangsseitig erzeugen sie meist 230 VAC oder 24 VAC. Die primärseitige Absicherung mit zwei Schmelzsicherungen ist unzulässig, wenn diese nicht gemeinsam auslösen. Meistens werden dafür Motorschutzschalter in einer “Trafo Version”, so genannte Transformator-Schutzschalter, verwendet (T-Zusatz).
Wenn zum Beispiel ein Einschaltstromarmer 1 kVA Steuertrafo mit Primär 400 V und 2,5 A Nennstrom ohne TSR eingesetzt wird, dann muss z.B. ein PKZM0-4-T mit 4 A Nennstrom als Absicherung davor geschaltet werden, damit der, obwohl niedere, Einschaltstrom den Schalter nicht auslöst. Dieser spezielle Trafoschutzschalter hat eine fest eingestellte, flinke Auslöseschwelle von 84 A eff (21 mal 4 A).
Diese liegt höher als beim normalen Motorschutzschalter PKZM0-4, der nur 56 Aeff hat und natürlich erst recht auch beim einschaltstromarmen 1 kVA Trafo auslösen würde. Der einstellbare Absicherungsbereich dieses Schalters reicht von 2,5 - 4 A. Für die Überlast-Auslösung des 4 A Schutzschalters dreht man den Knopf für die thermische Auslöseschwelle ganz zurück auf 2,5 A, was der niederste einstellbare Auslösewert ist. Dieser Wert passt gerade noch zum Nennstrom des 1 kVA Trafo. Mit einem PKZM0-2,5-T dagegen, der auch vom Nennstrom her passen würde und auch den Teillastbereich abdeckt, löst der Einschaltstrom den Schutzschalter aus, weil dieser nur eine 21 mal 2,5 A = 52,5 Aeff hohe Kurzschlussauslöseschwelle hat.
Einschaltstromarme Trafos liegen mit dem Einschaltstrom laut Herstellerangaben im Bereich von 15-25 mal I-Nenn, der tatsächliche Einschaltstrom liegt jedoch meistens darüber, weil er nur berechnet aber nicht gemessen wird. Der zum Einsatz kommende einschaltstromarme Trafo muss wegen dem bei einem Trafo immer vorkommenden Einschaltstromstoß genau zum Schutzschalter passen. Diese Forderung ist wie gesagt nur von einschaltstromarmen und nicht von spannungssteifen und verlustarmen Steuertrafos zu erfüllen. Verlustarme Trafos müssen mit einem kleinen Innenwiderstand der Kupferwicklungen ausgelegt sein. Der primärseitige Wicklungswiderstand begrenzt aber zusammen mit anderen Faktoren den Einschaltstrom. Ein hoher Innenwiderstand ergibt einen kleinen Einschaltstrom aber höhere Verluste und umgekehrt.


Beispiel im Anlagenbau


Einschaltstromstossbegrenzer-7 Außerdem gilt für die Auslegung der Absicherung von langen Abgangsleitungen nach dem Trafo, wie sie im Anlagenbau vorkommen, dass ein Kurzschluss am äußersten Ende der Leitung die Absicherung schnell genug auslösen muss. Dabei ist der Kurzschlussstrom wegen des höheren Widerstandes der langen Leitung gering. Dazu passt nun die hohe Schwelle für den flinken Auslösestromwert des Schutzschalters nicht mehr in diesem Beispiel.
Es muss deshalb eine zusätzliche sekundär- seitige, einstellbare und schnell abschaltende Nennstrom-Absicherung eingesetzt werden. Zum sicheren Abschalten bei so genannten weichen Kurzschlüssen ist es nötig, der der Trafo Innenwiderstand möglichst gering ist, was wiederum einen kleineren Kabelquerschnitt des abgehenden Kabels erlaubt. Denn die Summe der Widerstände im Stromkreis bestimmt den Kurzschlussstrom, der die Sicherung auslösen muss. Was im Trafo an Kupfer eingespart wird, muss unter Umständen für die Leitungen nach dem Trafo um ein mehrfaches ausgegeben werden. In der abgebildeten Applikationsschaltung ist für den Elektroplaner gezeigt wie ein einergiesparender Steuertrafo mit 0,8 kVA mit 400 V zu 230 V im Anlagenbau zum Speisen von weit entfernt und auseinander liegenden Verbrauchern eingesetzt wird.
Die 2adrige Leitung nach dem Trafo ist 440 m lang und kann für 230 VAC in nur 1,5 mm Querschnitt ausgeführt werden. Bei einer 24 VAC Leitung sekundärseitig, die üblicherweise oft vorkommt in der Praxis, gilt das hier beschriebene ebenfalls, nur für höhere Drahtquerschnitte.
Die Primärseitige Absicherung ist mit einem Doppelleitungsschutzschalter B2A ausgeführt, was mit dieser niederen und flinken Absicherung bisher für einen Trafo dieser Art undenkbar war. Die primärseitige Absicherung schützt dabei auch das sekundärseitige lange Kabel vor Überlastung. Das TSR schaltet den verlustarmen Ringkerntrafo immer ohne Einschaltstromstoß ein, so dass dabei der B-Typ 2A Leitungsschutzschalter niemals auslöst. Dadurch kann der primärseitige Automat, bei einem Kurzschluss an der max. 440 m entferntesten Stelle der sekundärseitigen Leitung innerhalb von 5 Sekunden auslösen.
Der Kurzschlussstrom auf der Primärseite ist dabei nur 10 A hoch. Siehe die Berechnungen im Beispiel unten. Sekundärseitig fließen max. 17 A bis die Sicherung auslöst. Die sekundärseitige 1,5 qmm  Leitung ist damit sicher vor Brandschaden bei Kurzschluss geschützt. Natürlich dürfen alle Lasten, die zusammen auf der Sekundärseite einschalten, kurzzeitig nicht mehr als 4 A auf der Primärseite ziehen, damit die Absicherung nicht auslöst.
Ohne TSR und bei Absicherung mit einem PKZM0-4-T primärseitig, ohne eine zusätzliche sekundärseitige Sicherung dürfte die 1,5 qmm Doppelleitung nicht länger als 50 m sein, weil sonst der zum Schutzschalter auslösen nötige Kurzschlussstrom nicht mehr fließen würde. Bei längeren Leitungen muss dann eben mehr Querschnitt spendiert werden. Der Trafo muss dann trotzdem einschaltstromarm sein, damit der Schutzschalter vor dem Trafo beim Einschalten nicht auslöst. Wenn die Leitung aber zum Beispiel 440 m lang sein muss, ergibt sich mit dem TSR eine Eingangsspannung am Kabel von ca. 300,- €. Mit TSR ist ein 1,5 qmm, ohne TSR nur ein 4 qmm Kabel möglich. Ein 4 qmm Kabel kostet ca. 350,- € mehr als ein 1,5 qmm Kabel. Ohne TSR vor dem Trafo und mit einer zusätzlichen sekundärseitigen Absicherung durch einen PKZM0-4 (Innen Einstellung = 3,4 A), der nach 5 sek. bei 40 A im Kurzschlussfall auslöst, ist für 440 m Länge auch ein 4 qmm Kabel nötig und damit auch um ca. 300 € teurer als die Variante mit dem TSR.
Das Problem bei solchen Applikationen sind nicht die einspeisenahen und harten Kurzschlüsse, sondern die fernen und weichen Kurzschlüsse, welche die Absicherungsorgane noch mit Sicherheit zum auslösen bringen müssen. Ein großer 5 Sekunden Sicherungsauslösung Stromwert ergibt einen großen Querschnitt vom Kabel und umgekehrt. Da hilft es enorm, wenn der Trafoeinschaltstrom nicht mehr vorhanden ist und die Absicherung sich nur nach den Erfordernissen des Leitungsschutzes richten muss.
Außerdem besitzt das TSR mit der Reaktion auf Netzhalbwelleneinbrüche eine definierte Abschaltschwelle bei Netzunterspannung von kleiner 170 V, mit anschließendem Wiedereinschalten bei 190 V. Damit wird bei Netzeinbrüchen ein unkontrolliertes Schütz Abfallen und Anziehen unterbunden, was die Anlagensicherheit erhöht und die Kontaktsätze dieser Schütze schont. Ein separates Spannungswächterrelais, was die Verbraucher in diesem Fall definiert aus- und einschalten, ist dann nicht mehr nötig.
Unser Schaltbild ist aus dem Anlagenbau für die Speisung einer langen Energie-Bus-Leitung über einen Trafo. Ein Trafo ist wegen der Potenzialtrennung nötig, oder wenn für die Speisung von vielen verteilten Stellantrieben eine 24 VAC Spannung gebraucht wird.


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