儲能系統(tǒng)中變壓器失效原因有哪些？

本文闡述了變壓器在儲能系統(tǒng)應(yīng)用中常見的故障及其形成原因，提出了變壓器選型設(shè)計要點，為儲能系統(tǒng)變壓器的設(shè)計選型提供一些參考依據(jù)。
引文作者:上海蓋能電氣市場部（專注干式變壓器30年）
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一、將變壓器應(yīng)用于儲能系統(tǒng)

各種變壓器在儲能系統(tǒng)中的主要作用是：

①提升、隔離變壓器，起到電壓轉(zhuǎn)換和工頻隔離作用；

②起電壓轉(zhuǎn)換作用的配電變壓器；

③采樣變壓器起工頻隔離作用，產(chǎn)生中性點。下圖顯示了具體內(nèi)容：

二、常見的故障模式分析

2.1繞組失敗

2.1.1繞組過熱故障

繞組過溫是變壓器最常見的故障之一，其原因主要有以下三個方面。

①該系統(tǒng)熱量不足。變壓器在設(shè)計時，對變壓器的損耗評估不準(zhǔn)確，散熱不充分，導(dǎo)致變壓器不能在額定容量下連續(xù)工作。蓄能系統(tǒng)中的變壓器一般按照ClassH絕緣等級制造，材料的耐溫達到180℃，變壓器本身的耐溫等級較高，因此變壓器溫度過高首先影響的是其周圍布置的電氣、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。

②線圈短路。變壓器匝間短路是由于線圈間絕緣失效引起的同繞組線匝之間的短路，匝間短路會導(dǎo)致變壓器繞組局部產(chǎn)生短路電流，從而使線圈局部產(chǎn)生短路電流，引起局部嚴(yán)重發(fā)熱。制造工藝中的問題，如變壓器本身的漆包線、絕緣紙質(zhì)量問題、線圈引起的漆包線損壞、引線有毛刺等制造工藝問題，雷擊、工作過電壓等過電壓是造成繞組匝間絕緣擊穿失效的主要原因之一。

③核心已經(jīng)飽和。若變壓器持續(xù)運行過電壓或電壓諧波，則變壓器工作磁通密度增大，鐵心飽和導(dǎo)磁率將急劇下降，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連接失敗

導(dǎo)致連接失敗的原因有三：

①引出線工藝不良，引出端和繞組的接觸電阻大；

②在安裝過程中，變壓器在引出端因過載而引起松動或斷裂；

③引出端材的銅鋁轉(zhuǎn)換問題。

2.1.3絕緣損壞

絕熱破壞的原因是：

①NTC與鐵芯或耐壓間絕緣處理不足，絕緣耐壓試驗不能通過；

②長時間放置加上存放環(huán)境不好，變壓器受潮，絕緣性能下降；

③安裝不當(dāng)，造成絕緣層損壞。

2.2核心失效

2.2.1核心過熱

鐵芯過溫也是變壓器常見故障之一，除系統(tǒng)散熱不足外，諧波或紋波是常見的鐵芯過溫原因。當(dāng)負(fù)載諧波或紋波過大時，通過阻抗形成諧波電壓，在鐵芯片內(nèi)產(chǎn)生渦流電流，使其發(fā)熱損耗。

2.2.2噪音增大

變壓器的主要噪聲源是鐵心振動，鐵心振動主要包括磁致伸縮和電磁力引起鐵心振動。運行一段時間后，變壓器噪聲增大，使用中常出現(xiàn)的問題是諧波電流增大，引起損耗增加，振動加劇，噪聲變大。

2.2.3核心生銹

變壓器鐵芯一般采用硅鋼片作為導(dǎo)磁材料，在高濕的情況下極易發(fā)生銹蝕，危害是可能導(dǎo)致鐵片間短路，渦流環(huán)流增大，鐵芯發(fā)熱量增加。

2.3其它故障

2.3.1無負(fù)載諧波大

在低強度的情況下，變壓器表現(xiàn)為非線性。強磁場時，存在一端的線性區(qū)域。變壓器設(shè)計時，通常需要對鐵心截面進行合理的設(shè)計，使其在額定狀態(tài)下處于該線性區(qū)域。當(dāng)變壓器空載時，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，電流增加后，磁場進入線性區(qū)，這種現(xiàn)象將消失。如果設(shè)計不當(dāng)，將導(dǎo)致電流過大，變壓器鐵心的磁場強度仍處于非線性區(qū)域，電流產(chǎn)生畸變，即在空載時產(chǎn)生畸變，在電流較大時還存在，造成儲能系統(tǒng)諧波超標(biāo)。

2.3.2勵磁涌流

引起上位跳閘是儲能系統(tǒng)配電柜常見故障之一，勵磁涌流過大。當(dāng)變壓器在空載或斷電后恢復(fù)電壓時，將在變壓器電壓突變的一側(cè)產(chǎn)生數(shù)值較大的沖擊電流，稱為勵磁涌流。它具有以下特點：①與短路電流相比，最大振幅可達變壓器額定電流的6~15倍，并可與短路電流相比較；②勵磁涌流流尖頂波，含有大量非周期成分、高次諧波。

勵磁涌流引起的故障是：引起配電變壓器上級保護開關(guān)跳閘，主回路變壓器前端斷路器不能合閘或合閘時產(chǎn)生的沖擊電流燒壞斷路器，一般應(yīng)用中需要增加軟啟動電路。

2.3.3NTC預(yù)埋法

NTC一般在設(shè)計和制造時埋入變壓器內(nèi)部，用來監(jiān)控變壓器內(nèi)繞組或鐵芯的溫度，其絕緣處理厚度、預(yù)埋位置等因素影響變壓器運行時檢測到的溫度值。在沒有嚴(yán)格控制的情況下，不同變壓器在相同條件下檢測到的NTC溫度差異較大，當(dāng)保護限值固定時，會造成過溫誤報或?qū)嶋H過溫不保護。

2.3.4系統(tǒng)匹配

在儲能系統(tǒng)中，變壓器的系統(tǒng)匹配存在以下問題。

中線接地故障。蓄能系統(tǒng)一般應(yīng)用于IT系統(tǒng)，即中性點不接地系統(tǒng)，IT系統(tǒng)一般使用對地絕緣電阻檢測作接地保護，部分客戶將儲能系統(tǒng)接到中性點接地系統(tǒng)的應(yīng)用，此時會有一些客戶將儲能系統(tǒng)接到接地系統(tǒng)中，這就需要去掉保護裝置。

中性點接地也容易產(chǎn)生另一個系統(tǒng)匹配問題——儲能系統(tǒng)中PCS交流側(cè)對地具有極高的共模電壓，而其二次配電變壓器通常是從PCS輸出端口產(chǎn)生的，如果將配電變壓器二次側(cè)N線接地，會引起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。