儲(chǔ)能系統(tǒng)中變壓器常見(jiàn)失效分析

 

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

 

關(guān)鍵詞：變壓器；儲(chǔ)能系統(tǒng)；設(shè)計(jì)選型；系統(tǒng)匹配

 

1、變壓器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用

 

不同變壓器在儲(chǔ)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(diǎn)作用。具體如圖 1 所示。

 

圖 1 儲(chǔ)能系統(tǒng)中的不同變壓器

 

2、常見(jiàn)故障模式分析

 

2.1 繞組故障

 

2.1.1 繞組過(guò)溫故障

 

繞組過(guò)溫是變壓器所有故障中最常見(jiàn)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(jì)時(shí)，對(duì)變壓器的損耗評(píng)估不準(zhǔn)、散熱做的不夠，導(dǎo)致變壓器無(wú)法在標(biāo)稱的容量下持續(xù)工作。儲(chǔ)能系統(tǒng)中變壓器一般是依照 Class H 絕緣等級(jí)制作的， 材料的耐溫達(dá)到了 180 ℃，變壓器本身的的耐溫等級(jí)較高， 所以變壓器溫度過(guò)高時(shí)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(guò)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(huì)導(dǎo)致變壓器繞組局部出現(xiàn)短路電流，局部嚴(yán)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(wèn)題、繞線導(dǎo)致漆包線損傷或引出線有毛刺等制作工藝問(wèn)題外，雷擊、操作過(guò)電壓等過(guò)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(guò)變壓器設(shè)計(jì)的持續(xù)工作過(guò)電壓或電壓諧波時(shí)，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(huì)急劇下降，變壓器繞組阻抗下降，電流增大，繞組出現(xiàn)過(guò)溫，嚴(yán)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(guò)程引出端受到過(guò)分應(yīng)力產(chǎn)生松動(dòng)或斷裂；

③引出端材質(zhì)的銅鋁轉(zhuǎn)換問(wèn)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(cè)試不過(guò)；

②長(zhǎng)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(dāng)?shù)陌惭b導(dǎo)致絕緣層損壞。

 

2.2 鐵芯故障

 

2.2.1 鐵芯過(guò)溫

 

鐵芯過(guò)溫也是變壓器常見(jiàn)故障之一，除系統(tǒng)散熱不夠外，諧波或紋波過(guò)大也是鐵芯過(guò)溫的常見(jiàn)原因。負(fù)荷諧波或紋波過(guò)大時(shí)，通過(guò)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(dòng)是變壓器噪聲主要來(lái)源，鐵芯振動(dòng)主包括有磁致伸縮和電磁力引起鐵芯振動(dòng)。變壓器在運(yùn)行一段時(shí)間后噪聲變大，應(yīng)用中常見(jiàn)的是負(fù)荷諧波電流變大，導(dǎo)致?lián)p耗增加， 振動(dòng)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(qiáng)度較低時(shí)是非線性的。磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，有一端線性區(qū)域。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，一般會(huì)合理設(shè)計(jì)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(shí)，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(chǎng)進(jìn)入線性區(qū)，這種現(xiàn)象會(huì)隨之消失。不合理的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致電流較大時(shí)，變壓器鐵芯磁場(chǎng)強(qiáng)度還處于非線性區(qū)域，電流有畸變，即本該在空載時(shí)才有的畸變，在電流較大時(shí)還存在，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)諧波超標(biāo)。

 

2.3.2 勵(lì)磁涌流

 

變壓器勵(lì)磁涌流過(guò)大導(dǎo)致上級(jí)跳閘是儲(chǔ)能系統(tǒng)配電柜常見(jiàn)的故障。變壓器在空載時(shí)投入或斷電后電壓恢復(fù)時(shí)，會(huì)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(lì)磁涌流。其有如下特點(diǎn)：①最大幅值可以達(dá)到變壓器額定電流的 6 ～ 15 倍，可以和短路電流相比；②勵(lì)磁涌流程尖頂波，含有大量的非周期分量、高次諧波。

 

勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的故障為：誘發(fā)配電變壓器上級(jí)保護(hù)開(kāi)關(guān)跳閘，主回路變壓器前端斷路器無(wú)法合閘或合閘時(shí)過(guò)大的沖擊電流燒壞斷路器，一般應(yīng)用需要增加軟啟動(dòng)電路。

 

2.3.3NTC 預(yù)埋工藝

 

NTC 一般在設(shè)計(jì)制造時(shí)埋入變壓器內(nèi)部，用來(lái)監(jiān)測(cè)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(huì)影響到變壓器運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到的溫度值。批量生產(chǎn)工藝管控不到位的情況下，會(huì)導(dǎo)致不同變壓器在同樣工況下檢測(cè)的 NTC 溫度差異較大，在保護(hù)限值固定的情況下會(huì)引起過(guò)溫誤報(bào)或者實(shí)際過(guò)溫不保護(hù)。

 

2.3.4 系統(tǒng)匹配

 

變壓器的系統(tǒng)匹配在儲(chǔ)能系統(tǒng)中暴露過(guò)以下問(wèn)題。

 

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

 

中性點(diǎn)接地還容易出現(xiàn)另一個(gè)系統(tǒng)匹配問(wèn)題——儲(chǔ)能系統(tǒng)中的 PCS 交流側(cè)對(duì)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(huì)導(dǎo)致共模干擾通過(guò)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(jì)選型注意事項(xiàng)

 

在提供變壓器設(shè)計(jì)需求時(shí)，需要明確如表 1 所示的項(xiàng)目具體要求。

 

（來(lái)源：變壓器技術(shù)雜志，版權(quán)歸原作者）