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储能系统中变压器常见失效分析

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阅读次数:69    发布时间: 2020-09-25 10:26:59

 

摘 要:介绍了变压器在储能系统应用中的常见故障及形成原因,提出了变压器选型设计要素,为储能系统变压器设计选型提供一些参考依据。

 

关键词:变压器;储能系统;设计选型;系统匹配

 

1、变压器在储能系统中应用

 

不同变压器在储能系统中的主要作用为:

 

①升压、隔离变压器,起电压变换和工频隔离作用;

②配电变压器,起电压变换作用;

③采样变压器,起工频隔离和产生中性点作用。具体如图 1 所示。

 

图 1 储能系统中的不同变压器

 

2、常见故障模式分析

 

2.1 绕组故障

 

2.1.1 绕组过温故障

 

绕组过温是变压器所有故障中最常见的,主要有以下三方面原因。

 

系统散热不良。在系统设计时,对变压器的损耗评估不准、散热做的不够,导致变压器无法在标称的容量下持续工作。储能系统中变压器一般是依照 Class H 绝缘等级制作的, 材料的耐温达到了 180 ℃,变压器本身的的耐温等级较高, 所以变压器温度过高时首先影响的是布局在其周围的电气、电子部件和环境温度,导致其他工作温度较低的器件先发生过温。

 

匝间短路。变压器的匝间短路是同绕组线匝之间的短路,由绕组间绝缘失效导致,匝件短路会导致变压器绕组局部出现短路电流,局部严重发热直到绕组烧断。变压器本身的漆包线、绝缘纸质量问题、绕线导致漆包线损伤或引出线有毛刺等制作工艺问题外,雷击、操作过电压等过电压是导致绕组匝间绝缘击穿失效的主要因素之一。

 

铁芯饱和。超过变压器设计的持续工作过电压或电压谐波时,将造成变压器工作磁通密度增加,使变压器铁芯饱和导磁率会急剧下降,变压器绕组阻抗下降,电流增大,绕组出现过温,严重情况下出现烧断现象。

 

2.1.2 连接失效

 

连接失效有三方面原因:

 

①引出线工艺不良,引出端和绕组接触电阻大;

②变压器使用安装过程引出端受到过分应力产生松动或断裂;

③引出端材质的铜铝转换问题。

 

2.1.3 绝缘失效

 

绝缘失效的原因有:

 

① NTC 与铁芯或者耐压之间绝缘处理不够,绝缘耐压测试不过;

②长期放置加上存放环境不良,变压器受潮,绝缘性能降低;

③不当的安装导致绝缘层损坏。

 

2.2 铁芯故障

 

2.2.1 铁芯过温

 

铁芯过温也是变压器常见故障之一,除系统散热不够外,谐波或纹波过大也是铁芯过温的常见原因。负荷谐波或纹波过大时,通过阻抗形成谐波电压,谐波电压在铁芯碟片中将产生涡流电流,使其产生发热和损耗。

 

2.2.2 噪声变大

 

铁芯振动是变压器噪声主要来源,铁芯振动主包括有磁致伸缩和电磁力引起铁芯振动。变压器在运行一段时间后噪声变大,应用中常见的是负荷谐波电流变大,导致损耗增加, 振动加剧,噪声变大。

 

2.2.3 铁芯生锈

 

变压器铁芯一般采用硅钢片作为铁芯导磁材料,在高湿下极容易生锈,危害为可能导致铁芯片间短路,涡流环流增大,铁芯发热量增大。

 

2.3 其他故障

 

2.3.1 空载电流谐波大

 

变压器磁化曲线强度较低时是非线性的。磁场强度较大时,有一端线性区域。在设计变压器时,一般会合理设计铁芯截面,使铁芯在变压器额定状态下处于该线性区域。变压器在空载时,电流较小,铁芯处于非线性区,电流发生畸变, 通常呈尖顶波,电流增大后,磁场进入线性区,这种现象会随之消失。不合理的设计会导致电流较大时,变压器铁芯磁场强度还处于非线性区域,电流有畸变,即本该在空载时才有的畸变,在电流较大时还存在,导致储能系统谐波超标。

 

2.3.2 励磁涌流

 

变压器励磁涌流过大导致上级跳闸是储能系统配电柜常见的故障。变压器在空载时投入或断电后电压恢复时,会在变压器电压突变的一侧产生数值很大的冲击电流,这就是励磁涌流。其有如下特点:①最大幅值可以达到变压器额定电流的 6 ~ 15 倍,可以和短路电流相比;②励磁涌流程尖顶波,含有大量的非周期分量、高次谐波。

 

励磁涌流导致的故障为:诱发配电变压器上级保护开关跳闸,主回路变压器前端断路器无法合闸或合闸时过大的冲击电流烧坏断路器,一般应用需要增加软启动电路。

 

2.3.3NTC 预埋工艺

 

NTC 一般在设计制造时埋入变压器内部,用来监测变压器内部绕组或铁芯温度,其绝缘处理的厚度、预埋位置会影响到变压器运行时检测到的温度值。批量生产工艺管控不到位的情况下,会导致不同变压器在同样工况下检测的 NTC 温度差异较大,在保护限值固定的情况下会引起过温误报或者实际过温不保护。

 

2.3.4 系统匹配

 

变压器的系统匹配在储能系统中暴露过以下问题。

 

中性线接地问题。储能系统一般都是应用在 IT 系统中, 即中性点不接地系统,IT 系统一般采用对地绝缘电阻检测做接地保护,部分客户将储能系统接到中性点接地系统的应用,此时原储能系统中配置的绝缘检测就要去掉保护装置, 否则就会出现误护,应在交流侧增加RCD(剩余电流保护装置),在直流侧增加对地绝缘电阻检测。

 

中性点接地还容易出现另一个系统匹配问题——储能系统中的 PCS 交流侧对地具有极高的共模电压,其二次配电变压器往往从 PCS 输出端口取电,如果将配电变压器二次侧 N 线接地,会导致共模干扰通过地线耦合到二次侧,导致二次侧 L-N 间出现较大的高频纹波,影响其供电质量。

 

3、变压器设计选型注意事项

 

在提供变压器设计需求时,需要明确如表 1 所示的项目具体要求。

 

(来源:变压器技术杂志,版权归原作者)

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