儲能系統中變壓器常見(jiàn)失效分析

摘 要：介紹了干式變壓器在儲能系統應用中的常見(jiàn)故障及形成原因，提出了干式變壓器選型設計要素，為儲能系統干式變壓器設計選型提供一些參考依據。關(guān)鍵詞：干式變壓器；儲能系統；設計選型；系統匹配1、干式變壓器在儲能系統中應用不同干式變壓器在儲能系統中的主要作用為：①升壓、隔離干式變壓器，起電壓變換和工頻隔離作用；②配電干式變壓器，起電壓變換作用；③采樣干式變壓器，起工頻隔離和產(chǎn)生中性點(diǎn)作用。具體如圖 1 所示。圖 1 儲能系統中的不同干式變壓器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)溫是干式變壓器所有故障中較常見(jiàn)的，主要有以下三方面原因。系統散熱不良。在系統設計時(shí)，對干式變壓器的損耗評估不準、散熱做的不夠，導致干式變壓器無(wú)法在標稱(chēng)的容量下持續工作。儲能系統中干式變壓器一般是依照 Class H 絕緣等級制作的， 材料的耐溫達到了 180 ℃，干式變壓器本身的的耐溫等級較高， 所以干式變壓器溫度過(guò)高時(shí)先先影響的是布局在其周?chē)碾姎?、電子部件和環(huán)境溫度，導致其他工作溫度較低的器件先發(fā)生過(guò)溫。匝間短路。干式變壓器的匝間短路是同繞組線(xiàn)匝之間的短路，由繞組間絕緣失效導致，匝件短路會(huì )導致干式變壓器繞組局部出現短路電流，局部嚴重發(fā)熱直到繞組燒斷。干式變壓器本身的漆包線(xiàn)、絕緣紙質(zhì)量問(wèn)題、繞線(xiàn)導致漆包線(xiàn)損傷或引出線(xiàn)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)干式變壓器設計的持續工作過(guò)電壓或電壓諧波時(shí)，將造成干式變壓器工作磁通密度增加，使干式變壓器鐵芯飽和導磁率會(huì )急劇下降，干式變壓器繞組阻抗下降，電流增大，繞組出現過(guò)溫，嚴重情況下出現燒斷現象。2.1.2 連接失效連接失效有三方面原因：①引出線(xiàn)工藝不良，引出端和繞組接觸電阻大；②干式變壓器使用安裝過(guò)程引出端受到過(guò)分應力產(chǎn)生松動(dòng)或斷裂；③引出端材質(zhì)的銅鋁轉換問(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，絕緣耐壓測試不過(guò)；②長(cháng)期放置加上存放環(huán)境不良，干式變壓器受潮，絕緣性能降低；③不當的安裝導致絕緣層損壞。2.2 鐵芯故障2.2.1 鐵芯過(guò)溫鐵芯過(guò)溫也是干式變壓器常見(jiàn)故障之一，除系統散熱不夠外，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)是干式變壓器噪聲主要來(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)。干式變壓器在運行一段時(shí)間后噪聲變大，應用中常見(jiàn)的是負荷諧波電流變大，導致?lián)p耗增加， 振動(dòng)加劇，噪聲變大。2.2.3 鐵芯生銹干式變壓器鐵芯一般采用硅鋼片作為鐵芯導磁材料，在高濕下極容易生銹，危害為可能導致鐵芯片間短路，渦流環(huán)流增大，鐵芯發(fā)熱量增大。2.3 其他故障2.3.1 空載電流諧波大干式變壓器磁化曲線(xiàn)強度較低時(shí)是非線(xiàn)性的。磁場(chǎng)強度較大時(shí)，有一端線(xiàn)性區域。在設計干式變壓器時(shí)，一般會(huì )合理設計鐵芯截面，使鐵芯在干式變壓器額定狀態(tài)下處于該線(xiàn)性區域。干式變壓器在空載時(shí)，電流較小，鐵芯處于非線(xiàn)性區，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(xiàn)性區，這種現象會(huì )隨之消失。不合理的設計會(huì )導致電流較大時(shí)，干式變壓器鐵芯磁場(chǎng)強度還處于非線(xiàn)性區域，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，導致儲能系統諧波超標。2.3.2 勵磁涌流干式變壓器勵磁涌流過(guò)大導致上級跳閘是儲能系統配電柜常見(jiàn)的故障。干式變壓器在空載時(shí)投入或斷電后電壓恢復時(shí)，會(huì )在干式變壓器電壓突變的一側產(chǎn)生數值很大的沖擊電流，這就是勵磁涌流。其有如下特點(diǎn)：①較大幅值可以達到干式變壓器額定電流的 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。勵磁涌流導致的故障為：誘發(fā)配電干式變壓器上級保護開(kāi)關(guān)跳閘，主回路干式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，一般應用需要增加軟啟動(dòng)電路。2.3.3NTC 預埋工藝NTC 一般在設計制造時(shí)埋入干式變壓器內部，用來(lái)監測干式變壓器內部繞組或鐵芯溫度，其絕緣處理的厚度、預埋位置會(huì )影響到干式變壓器運行時(shí)檢測到的溫度值。批量生產(chǎn)工藝管控不到位的情況下，會(huì )導致不同干式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(huì )引起過(guò)溫誤報或者實(shí)際過(guò)溫不保護。2.3.4 系統匹配干式變壓器的系統匹配在儲能系統中暴露過(guò)以下問(wèn)題。中性線(xiàn)接地問(wèn)題。儲能系統一般都是應用在 IT 系統中， 即中性點(diǎn)不接地系統，IT 系統一般采用對地絕緣電阻檢測做接地保護，部分客戶(hù)將儲能系統接到中性點(diǎn)接地系統的應用，此時(shí)原儲能系統中配置的絕緣檢測就要去掉保護裝置， 否則就會(huì )出現誤護，應在交流側增加RCD（剩余電流保護裝置），在直流側增加對地絕緣電阻檢測。中性點(diǎn)接地還容易出現另一個(gè)系統匹配問(wèn)題——儲能系統中的 PCS 交流側對地具有極高的共模電壓，其二次配電干式變壓器往往從 PCS 輸出端口取電，如果將配電干式變壓器二次側 N 線(xiàn)接地，會(huì )導致共模干擾通過(guò)地線(xiàn)耦合到二次側，導致二次側 L-N 間出現較大的高頻紋波，影響其供電質(zhì)量。3、干式變壓器設計選型注意事項在提供干式變壓器設計需求時(shí)，需要明確如表 1 所示的項目具體要求。

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