聚焦分析 | 儲能系統中變壓器常見(jiàn)失效分析
儲能系統中干式變壓器常見(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。
參考文獻：
［1］王曉康. 不良工況下干式變壓器故障診斷試驗研究［D］. 北京：華北電力大學(xué)，2017.
［2］沈陽(yáng)干式變壓器研究所，武漢高壓研究院，順特電氣有限公司.GB/T 10228—2008 干式干式變壓器技術(shù)參數和要求［S］. 出版社不詳，2008.
［3］沈陽(yáng)干式變壓器研究所.GB 1094.1—1996 電力干式變壓器 第 1 部分 總則［S］. 出版社不詳，1996.
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