儲能系統(tǒng)中變壓器常見失效分析

 

摘 要：介紹了變壓器在儲能系統(tǒng)應(yīng)用中的常見故障及形成原因，提出了變壓器選型設(shè)計要素，為儲能系統(tǒng)變壓器設(shè)計選型提供一些參考依據(jù)。

 

關(guān)鍵詞：變壓器；儲能系統(tǒng)；設(shè)計選型；系統(tǒng)匹配

 

1、變壓器在儲能系統(tǒng)中應(yīng)用

 

不同變壓器在儲能系統(tǒng)中的主要作用為：

 

①升壓、隔離變壓器，起電壓變換和工頻隔離作用；

②配電變壓器，起電壓變換作用；

③采樣變壓器，起工頻隔離和產(chǎn)生中性點作用。具體如圖 1 所示。

 

圖 1 儲能系統(tǒng)中的不同變壓器

 

2、常見故障模式分析

 

2.1 繞組故障

 

2.1.1 繞組過溫故障

 

繞組過溫是變壓器所有故障中最常見的，主要有以下三方面原因。

 

系統(tǒng)散熱不良。在系統(tǒng)設(shè)計時，對變壓器的損耗評估不準、散熱做的不夠，導(dǎo)致變壓器無法在標稱的容量下持續(xù)工作。儲能系統(tǒng)中變壓器一般是依照 Class H 絕緣等級制作的， 材料的耐溫達到了 180 ℃，變壓器本身的的耐溫等級較高， 所以變壓器溫度過高時首先影響的是布局在其周圍的電氣、電子部件和環(huán)境溫度，導(dǎo)致其他工作溫度較低的器件先發(fā)生過溫。

 

匝間短路。變壓器的匝間短路是同繞組線匝之間的短路，由繞組間絕緣失效導(dǎo)致，匝件短路會導(dǎo)致變壓器繞組局部出現(xiàn)短路電流，局部嚴重發(fā)熱直到繞組燒斷。變壓器本身的漆包線、絕緣紙質(zhì)量問題、繞線導(dǎo)致漆包線損傷或引出線有毛刺等制作工藝問題外，雷擊、操作過電壓等過電壓是導(dǎo)致繞組匝間絕緣擊穿失效的主要因素之一。

 

鐵芯飽和。超過變壓器設(shè)計的持續(xù)工作過電壓或電壓諧波時，將造成變壓器工作磁通密度增加，使變壓器鐵芯飽和導(dǎo)磁率會急劇下降，變壓器繞組阻抗下降，電流增大，繞組出現(xiàn)過溫，嚴重情況下出現(xiàn)燒斷現(xiàn)象。

 

2.1.2 連接失效

 

連接失效有三方面原因：

 

①引出線工藝不良，引出端和繞組接觸電阻大；

②變壓器使用安裝過程引出端受到過分應(yīng)力產(chǎn)生松動或斷裂；

③引出端材質(zhì)的銅鋁轉(zhuǎn)換問題。

 

2.1.3 絕緣失效

 

絕緣失效的原因有：

 

① NTC 與鐵芯或者耐壓之間絕緣處理不夠，絕緣耐壓測試不過；

②長期放置加上存放環(huán)境不良，變壓器受潮，絕緣性能降低；

③不當?shù)陌惭b導(dǎo)致絕緣層損壞。

 

2.2 鐵芯故障

 

2.2.1 鐵芯過溫

 

鐵芯過溫也是變壓器常見故障之一，除系統(tǒng)散熱不夠外，諧波或紋波過大也是鐵芯過溫的常見原因。負荷諧波或紋波過大時，通過阻抗形成諧波電壓，諧波電壓在鐵芯碟片中將產(chǎn)生渦流電流，使其產(chǎn)生發(fā)熱和損耗。

 

2.2.2 噪聲變大

 

鐵芯振動是變壓器噪聲主要來源，鐵芯振動主包括有磁致伸縮和電磁力引起鐵芯振動。變壓器在運行一段時間后噪聲變大，應(yīng)用中常見的是負荷諧波電流變大，導(dǎo)致?lián)p耗增加， 振動加劇，噪聲變大。

 

2.2.3 鐵芯生銹

 

變壓器鐵芯一般采用硅鋼片作為鐵芯導(dǎo)磁材料，在高濕下極容易生銹，危害為可能導(dǎo)致鐵芯片間短路，渦流環(huán)流增大，鐵芯發(fā)熱量增大。

 

2.3 其他故障

 

2.3.1 空載電流諧波大

 

變壓器磁化曲線強度較低時是非線性的。磁場強度較大時，有一端線性區(qū)域。在設(shè)計變壓器時，一般會合理設(shè)計鐵芯截面，使鐵芯在變壓器額定狀態(tài)下處于該線性區(qū)域。變壓器在空載時，電流較小，鐵芯處于非線性區(qū)，電流發(fā)生畸變， 通常呈尖頂波，電流增大后，磁場進入線性區(qū)，這種現(xiàn)象會隨之消失。不合理的設(shè)計會導(dǎo)致電流較大時，變壓器鐵芯磁場強度還處于非線性區(qū)域，電流有畸變，即本該在空載時才有的畸變，在電流較大時還存在，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)諧波超標。

 

2.3.2 勵磁涌流

 

變壓器勵磁涌流過大導(dǎo)致上級跳閘是儲能系統(tǒng)配電柜常見的故障。變壓器在空載時投入或斷電后電壓恢復(fù)時，會在變壓器電壓突變的一側(cè)產(chǎn)生數(shù)值很大的沖擊電流，這就是勵磁涌流。其有如下特點：①最大幅值可以達到變壓器額定電流的 6 ～ 15 倍，可以和短路電流相比；②勵磁涌流程尖頂波，含有大量的非周期分量、高次諧波。

 

勵磁涌流導(dǎo)致的故障為：誘發(fā)配電變壓器上級保護開關(guān)跳閘，主回路變壓器前端斷路器無法合閘或合閘時過大的沖擊電流燒壞斷路器，一般應(yīng)用需要增加軟啟動電路。

 

2.3.3NTC 預(yù)埋工藝

 

NTC 一般在設(shè)計制造時埋入變壓器內(nèi)部，用來監(jiān)測變壓器內(nèi)部繞組或鐵芯溫度，其絕緣處理的厚度、預(yù)埋位置會影響到變壓器運行時檢測到的溫度值。批量生產(chǎn)工藝管控不到位的情況下，會導(dǎo)致不同變壓器在同樣工況下檢測的 NTC 溫度差異較大，在保護限值固定的情況下會引起過溫誤報或者實際過溫不保護。

 

2.3.4 系統(tǒng)匹配

 

變壓器的系統(tǒng)匹配在儲能系統(tǒng)中暴露過以下問題。

 

中性線接地問題。儲能系統(tǒng)一般都是應(yīng)用在 IT 系統(tǒng)中， 即中性點不接地系統(tǒng)，IT 系統(tǒng)一般采用對地絕緣電阻檢測做接地保護，部分客戶將儲能系統(tǒng)接到中性點接地系統(tǒng)的應(yīng)用，此時原儲能系統(tǒng)中配置的絕緣檢測就要去掉保護裝置， 否則就會出現(xiàn)誤護，應(yīng)在交流側(cè)增加RCD（剩余電流保護裝置），在直流側(cè)增加對地絕緣電阻檢測。

 

中性點接地還容易出現(xiàn)另一個系統(tǒng)匹配問題——儲能系統(tǒng)中的 PCS 交流側(cè)對地具有極高的共模電壓，其二次配電變壓器往往從 PCS 輸出端口取電，如果將配電變壓器二次側(cè) N 線接地，會導(dǎo)致共模干擾通過地線耦合到二次側(cè)，導(dǎo)致二次側(cè) L-N 間出現(xiàn)較大的高頻紋波，影響其供電質(zhì)量。

 

3、變壓器設(shè)計選型注意事項

 

在提供變壓器設(shè)計需求時，需要明確如表 1 所示的項目具體要求。

 

（來源：變壓器技術(shù)雜志，版權(quán)歸原作者）