儲能系統(tǒng)中干式變壓器常見失效分析

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

關(guān)鍵詞：干式變壓器；儲能系統(tǒng)；設(shè)計(jì)選型；系統(tǒng)匹配

1、干式變壓器在儲能系統(tǒng)中應(yīng)用

不同干式變壓器在儲能系統(tǒng)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(tǒng)中的不同干式變壓器

2、常見故障模式分析

2.1 繞組故障

2.1.1 繞組過溫故障

繞組過溫是干式變壓器所有故障中較常見的，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)，對干式變壓器的損耗評估不準(zhǔn)、散熱做的不夠，導(dǎo)致干式變壓器無法在標(biāo)稱的容量下持續(xù)工作。儲能系統(tǒng)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(dá)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高時(shí)先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。干式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)致干式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。干式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。超過干式變壓器設(shè)計(jì)的持續(xù)工作過電壓或電壓諧波時(shí)，將造成干式變壓器工作磁通密度增加，使干式變壓器鐵芯飽和導(dǎo)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(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干式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：

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，干式變壓器受潮，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

鐵芯過溫也是干式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)是干式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)。干式變壓器在運(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

干式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

干式變壓器磁化曲線強(qiáng)度較低時(shí)是非線性的。磁場強(qiáng)度較大時(shí)，有一端線性區(qū)域。在設(shè)計(jì)干式變壓器時(shí)，一般會(huì)合理設(shè)計(jì)鐵芯截面，使鐵芯在干式變壓器額定狀態(tài)下處于該線性區(qū)域。干式變壓器在空載時(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)，干式變壓器鐵芯磁場強(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)致儲能系統(tǒng)諧波超標(biāo)。

2.3.2 勵(lì)磁涌流

干式變壓器勵(lì)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。干式變壓器在空載時(shí)投入或斷電后電壓恢復(fù)時(shí)，會(huì)在干式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較大幅值可以達(dá)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(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)配電干式變壓器上級保護(hù)開關(guān)跳閘，主回路干式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。

2.3.3NTC 預(yù)埋工藝

NTC 一般在設(shè)計(jì)制造時(shí)埋入干式變壓器內(nèi)部，用來監(jiān)測干式變壓器內(nèi)部繞組或鐵芯溫度，其絕緣處理的厚度、預(yù)埋位置會(huì)影響到干式變壓器運(yùn)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(dǎo)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(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

干式變壓器的系統(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(diǎn)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(hù)，部分客戶將儲能系統(tǒng)接到中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的應(yīng)用，此時(shí)原儲能系統(tǒng)中配置的絕緣檢測就要去掉保護(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)增加對地絕緣電阻檢測。

中性點(diǎn)接地還容易出現(xiàn)另一個(gè)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(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、干式變壓器設(shè)計(jì)選型注意事項(xiàng)

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

參考文獻(xiàn)：

［1］王曉康. 不良工況下干式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(shù)和要求［S］. 出版社不詳，2008.

［3］沈陽干式變壓器研究所.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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