李善鵬

儲(chǔ)能系統(tǒng)中變壓器常見失效分析

李善鵬

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

介紹了變壓器在儲(chǔ)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(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)。

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(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(jì)的持續(xù)工作過電壓或電壓諧波時(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變壓器使用安裝過程引出端受到過分應(yīng)力產(chǎn)生松動(dòng)或斷裂；③引出端材質(zhì)的銅鋁轉(zhuǎn)換問題。

2.1.3 絕緣失效

絕緣失效的原因有：①NTC與鐵芯或者耐壓之間絕緣處理不夠，絕緣耐壓測(cè)試不過；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(fù)荷諧波或紋波過大時(shí)，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(dòng)是變壓器噪聲主要來源，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)磁涌流過大導(dǎo)致上級(jí)跳閘是儲(chǔ)能系統(tǒng)配電柜常見的故障。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)開關(guān)跳閘，主回路變壓器前端斷路器無法合閘或合閘時(shí)過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。

2.3.3 NTC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)引起過溫誤報(bào)或者實(shí)際過溫不保護(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)中暴露過以下問題。

中性線接地問題。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。

表1 項(xiàng)目具體要求

序號(hào)項(xiàng)目重點(diǎn)或誤區(qū) 1額定絕緣電壓變壓器額定絕緣電壓不得低于所應(yīng)用系統(tǒng)的最高電壓 2最高工作電壓變壓器最高工作電壓應(yīng)不低于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大工作電壓 3諧波電流耐受能力充分評(píng)估系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大電流諧波，變壓器的諧波電流耐受能力應(yīng)不低于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大諧波電流 4諧波電壓耐受能力充分評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)針對(duì)市場(chǎng)的電網(wǎng)電壓諧波標(biāo)準(zhǔn)，變壓器的諧波電壓耐受能力應(yīng)不低于系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大諧波電壓 5空載電流諧波需要跟變壓器設(shè)計(jì)制作廠家明確好變壓器的磁場(chǎng)線性區(qū)域和非線性區(qū)域，變壓器的自身產(chǎn)生的諧波應(yīng)能滿足系統(tǒng)諧波電流要求 6電壓變換率對(duì)于電壓采樣隔離使用的變壓器，此項(xiàng)要求規(guī)定了變壓器輸入輸出的偏差，其會(huì)影響到采樣精度，比較重要 7勵(lì)磁涌流明確提出勵(lì)磁涌流最大限值或者找廠家提供勵(lì)磁涌流值，并將該值傳遞給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)方，用于變壓器緩沖電路的設(shè)計(jì)和上級(jí)保護(hù)裝置的匹配 8污染等級(jí)根據(jù)變壓器所安裝位置的污染等級(jí)情況提交設(shè)計(jì)要求 9工作環(huán)境溫度根據(jù)變壓器所安裝的環(huán)境可能出現(xiàn)的最大濕度提交設(shè)計(jì)要求 10溫升對(duì)于變壓器產(chǎn)品溫升要求最大的誤區(qū)為：不僅僅要考量變壓器本身的溫升是否超限，還要考量變壓器周邊的器件是否可能承受變壓器的高溫 11熱敏電阻/熱保護(hù)開關(guān)熱敏電阻和熱保護(hù)開關(guān)的要求誤區(qū)一般為：①預(yù)埋探頭的絕緣耐壓處理要能滿足要求且與要檢測(cè)部件的熱阻要控制在一定誤差范圍內(nèi)；②預(yù)埋探頭所檢測(cè)的部件要明確，預(yù)埋的位置要明確 12工作環(huán)境相對(duì)濕度允許濕度不得低于安裝環(huán)境可能出現(xiàn)的最高濕度 13鹽霧明確提出防銹要求和鹽霧試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 14工頻耐壓（方均根值）工頻耐壓一般依照1000V+2倍額定絕緣電壓值提要求，測(cè)試時(shí)間1min，漏電流小于10mA 15鐵芯材料損耗：鐵基非晶合金＜有取向硅鋼片＜無取向硅鋼片噪聲：鐵基非晶合金＜有取向硅鋼片＜無取向硅鋼片成本：鐵基非晶合金＞有取向硅鋼片＞無取向硅鋼片 16繞組材料如果選擇鋁的話，需要明確銅鋁轉(zhuǎn)接方式

［1］王曉康.不良工況下變壓器故障診斷試驗(yàn)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2017.

［2］沈陽變壓器研究所，武漢高壓研究院，順特電氣有限公司.GB/T 10228—2008 干式變壓器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.出版社不詳，2008.

［3］沈陽變壓器研究所.GB 1094.1—1996 電力變壓器第1部分總則［S］.出版社不詳，1996.

TM407

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.032

2095－6835（2019）16－0079－02

〔編輯：王霞〕