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摘 要：介紹了變壓器在儲能系統應用中的常見故障及形成原因，提出了變壓器選型設計要素，為儲能系統變壓器設計選型提供一些參考依據。

關鍵詞：變壓器；儲能系統；設計選型；系統匹配

1、變壓器在儲能系統中應用

不(bu)同變壓器在儲能(neng)系統中(zhong)的(de)主要作用為：

①升壓、隔(ge)離(li)變壓器，起(qi)電壓變換和工頻隔(ge)離(li)作用(yong)；

②配電(dian)變(bian)壓(ya)器，起電(dian)壓(ya)變(bian)換作用；

③采樣(yang)變壓器，起工頻(pin)隔離和產生中性(xing)點作用。具體(ti)如圖 1 所示。

圖(tu) 1 儲(chu)能系統中的不同(tong)變壓器(qi)

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(guo)溫(wen)是變壓(ya)器所有故障中最(zui)常見的(de)，主要有以下三方面(mian)原因。

系統(tong)散熱不良。在系統(tong)設(she)計時(shi)，對變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)(de)損耗(hao)評估不準、散熱做的(de)(de)不夠，導致變(bian)壓(ya)器(qi)無法在標稱的(de)(de)容量下(xia)持(chi)續工(gong)作。儲能系統(tong)中變(bian)壓(ya)器(qi)一般是依(yi)照(zhao) Class H 絕(jue)緣等(deng)(deng)級(ji)制作的(de)(de)， 材料的(de)(de)耐溫(wen)(wen)達到了 180 ℃，變(bian)壓(ya)器(qi)本身的(de)(de)的(de)(de)耐溫(wen)(wen)等(deng)(deng)級(ji)較高， 所以變(bian)壓(ya)器(qi)溫(wen)(wen)度(du)過(guo)(guo)高時(shi)首(shou)先(xian)影響的(de)(de)是布局在其(qi)周圍(wei)的(de)(de)電氣、電子部件(jian)和環境溫(wen)(wen)度(du)，導致其(qi)他工(gong)作溫(wen)(wen)度(du)較低的(de)(de)器(qi)件(jian)先(xian)發生過(guo)(guo)溫(wen)(wen)。

匝(za)(za)間(jian)(jian)短(duan)(duan)路(lu)。變壓器的(de)匝(za)(za)間(jian)(jian)短(duan)(duan)路(lu)是同繞組(zu)線(xian)匝(za)(za)之間(jian)(jian)的(de)短(duan)(duan)路(lu)，由繞組(zu)間(jian)(jian)絕緣失效導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)，匝(za)(za)件短(duan)(duan)路(lu)會導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)變壓器繞組(zu)局(ju)部出(chu)現短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)流(liu)，局(ju)部嚴重發熱直(zhi)到(dao)繞組(zu)燒斷。變壓器本身的(de)漆(qi)包線(xian)、絕緣紙(zhi)質量(liang)問題、繞線(xian)導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)漆(qi)包線(xian)損傷或引出(chu)線(xian)有(you)毛刺等制(zhi)作工藝問題外，雷擊、操作過電(dian)(dian)壓等過電(dian)(dian)壓是導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)繞組(zu)匝(za)(za)間(jian)(jian)絕緣擊穿失效的(de)主要因素之一。

鐵(tie)(tie)芯(xin)(xin)飽(bao)和(he)。超過變(bian)壓(ya)器(qi)設計的(de)持續工作過電壓(ya)或電壓(ya)諧波時，將造(zao)成變(bian)壓(ya)器(qi)工作磁通密度增(zeng)加(jia)，使變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)(tie)芯(xin)(xin)飽(bao)和(he)導磁率會急劇下(xia)降(jiang)，變(bian)壓(ya)器(qi)繞(rao)組阻抗下(xia)降(jiang)，電流(liu)增(zeng)大，繞(rao)組出現(xian)過溫，嚴重情況下(xia)出現(xian)燒斷(duan)現(xian)象。

2.1.2 連接失效

連接(jie)失效有三(san)方面原(yuan)因：

①引(yin)出(chu)線工藝(yi)不良，引(yin)出(chu)端和繞組接觸電阻大；

②變壓器使用(yong)安裝過程引(yin)出端(duan)受到過分應力產生松動或斷裂(lie)；

③引出端材質的銅(tong)鋁轉換問題。

2.1.3 絕緣失效

絕緣失效的原因有：

① NTC 與鐵芯或者耐壓(ya)之間(jian)絕(jue)緣處(chu)理不夠，絕(jue)緣耐壓(ya)測試不過；

②長期放置加上存放環(huan)境不良，變壓器受潮，絕(jue)緣(yuan)性(xing)能降(jiang)低；

③不當的安裝導(dao)致絕緣層損(sun)壞。

2.2 鐵芯故障

2.2.1 鐵芯過溫

鐵芯(xin)過溫也是(shi)變(bian)壓器(qi)常(chang)見故障(zhang)之一，除系統(tong)散(san)熱不夠外，諧(xie)(xie)波(bo)或(huo)(huo)紋波(bo)過大也是(shi)鐵芯(xin)過溫的常(chang)見原因。負荷(he)諧(xie)(xie)波(bo)或(huo)(huo)紋波(bo)過大時，通過阻(zu)抗形(xing)成諧(xie)(xie)波(bo)電(dian)壓，諧(xie)(xie)波(bo)電(dian)壓在鐵芯(xin)碟片中將(jiang)產生渦流電(dian)流，使(shi)其產生發熱和損耗。

2.2.2 噪(zao)聲變大(da)

鐵(tie)(tie)芯振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)是變(bian)(bian)(bian)壓器(qi)噪聲主要(yao)來源，鐵(tie)(tie)芯振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)主包(bao)括有磁(ci)致(zhi)伸縮和電磁(ci)力引起鐵(tie)(tie)芯振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)。變(bian)(bian)(bian)壓器(qi)在運行一(yi)段(duan)時間后噪聲變(bian)(bian)(bian)大(da)，應用中常見的是負(fu)荷諧波電流(liu)變(bian)(bian)(bian)大(da)，導(dao)致(zhi)損耗增加(jia)， 振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)加(jia)劇，噪聲變(bian)(bian)(bian)大(da)。

2.2.3 鐵(tie)芯(xin)生銹

變壓器鐵(tie)芯(xin)(xin)一般采用(yong)硅(gui)鋼片作為鐵(tie)芯(xin)(xin)導磁材料，在高濕下極容易生銹，危害(hai)為可能導致(zhi)鐵(tie)芯(xin)(xin)片間(jian)短路，渦流(liu)(liu)環流(liu)(liu)增大，鐵(tie)芯(xin)(xin)發熱量增大。

2.3 其他故障

2.3.1 空載電(dian)流(liu)諧(xie)波大

變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)磁化曲線(xian)強度較低時(shi)是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)的。磁場強度較大時(shi)，有(you)(you)一(yi)端線(xian)性(xing)(xing)區(qu)域。在(zai)(zai)(zai)設計變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)時(shi)，一(yi)般(ban)會(hui)合理(li)設計鐵芯(xin)截面(mian)，使鐵芯(xin)在(zai)(zai)(zai)變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)額定狀態(tai)下處于該(gai)線(xian)性(xing)(xing)區(qu)域。變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)在(zai)(zai)(zai)空載時(shi)，電流(liu)(liu)較小，鐵芯(xin)處于非(fei)線(xian)性(xing)(xing)區(qu)，電流(liu)(liu)發(fa)生畸變(bian)(bian)(bian)， 通(tong)常呈尖頂(ding)波(bo)，電流(liu)(liu)增大后(hou)，磁場進入線(xian)性(xing)(xing)區(qu)，這種(zhong)現象會(hui)隨之消失。不合理(li)的設計會(hui)導(dao)致電流(liu)(liu)較大時(shi)，變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)鐵芯(xin)磁場強度還處于非(fei)線(xian)性(xing)(xing)區(qu)域，電流(liu)(liu)有(you)(you)畸變(bian)(bian)(bian)，即本(ben)該(gai)在(zai)(zai)(zai)空載時(shi)才有(you)(you)的畸變(bian)(bian)(bian)，在(zai)(zai)(zai)電流(liu)(liu)較大時(shi)還存在(zai)(zai)(zai)，導(dao)致儲能系統諧波(bo)超標(biao)。

2.3.2 勵磁涌流

變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)勵(li)(li)磁涌(yong)流(liu)(liu)(liu)過大導致上級跳(tiao)閘是儲能系統配電(dian)(dian)柜常見的(de)故障。變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)在空載時投(tou)入(ru)或斷電(dian)(dian)后電(dian)(dian)壓(ya)恢復時，會在變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)電(dian)(dian)壓(ya)突變(bian)的(de)一側產生數值很大的(de)沖擊電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，這就是勵(li)(li)磁涌(yong)流(liu)(liu)(liu)。其有(you)如下(xia)特點：①最大幅(fu)值可以達到變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)額定電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de) 6 ～ 15 倍，可以和短路電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)相比；②勵(li)(li)磁涌(yong)流(liu)(liu)(liu)程尖(jian)頂波，含有(you)大量的(de)非(fei)周期分(fen)量、高(gao)次諧波。

勵磁涌流導致的故(gu)障為：誘(you)發配電(dian)變(bian)壓器(qi)上(shang)級保護(hu)開關跳閘(zha)(zha)，主回(hui)路(lu)變(bian)壓器(qi)前端斷路(lu)器(qi)無法合(he)閘(zha)(zha)或合(he)閘(zha)(zha)時過大的沖擊電(dian)流燒壞斷路(lu)器(qi)，一般(ban)應用(yong)需要增加軟(ruan)啟動電(dian)路(lu)。

2.3.3NTC 預(yu)埋(mai)工藝

NTC 一般在設計制造時(shi)埋入變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)內(nei)部(bu)，用來(lai)監測(ce)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)內(nei)部(bu)繞組或(huo)鐵芯溫(wen)度，其絕(jue)緣處理的(de)(de)厚度、預埋位置(zhi)會(hui)影(ying)響到變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)運行時(shi)檢(jian)(jian)測(ce)到的(de)(de)溫(wen)度值。批量生產工藝管控不(bu)到位的(de)(de)情況(kuang)下(xia)，會(hui)導致不(bu)同變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)在同樣工況(kuang)下(xia)檢(jian)(jian)測(ce)的(de)(de) NTC 溫(wen)度差(cha)異(yi)較大，在保護限(xian)值固定(ding)的(de)(de)情況(kuang)下(xia)會(hui)引起過(guo)溫(wen)誤報或(huo)者實際過(guo)溫(wen)不(bu)保護。

2.3.4 系統(tong)匹配

變壓器的系(xi)統(tong)匹配在儲(chu)能系(xi)統(tong)中(zhong)暴(bao)露過以(yi)下問題。

中(zhong)性(xing)(xing)(xing)線接地(di)(di)問題。儲(chu)(chu)能系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)一般都是應用在(zai)(zai) IT 系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)， 即中(zhong)性(xing)(xing)(xing)點不接地(di)(di)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)，IT 系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)一般采用對(dui)地(di)(di)絕緣電(dian)阻(zu)檢測(ce)做(zuo)接地(di)(di)保護(hu)，部分(fen)客戶將儲(chu)(chu)能系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)接到中(zhong)性(xing)(xing)(xing)點接地(di)(di)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的應用，此時(shi)原儲(chu)(chu)能系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)配置的絕緣檢測(ce)就要去掉保護(hu)裝置， 否(fou)則就會(hui)出現誤(wu)護(hu)，應在(zai)(zai)交流側增加RCD（剩余電(dian)流保護(hu)裝置），在(zai)(zai)直(zhi)流側增加對(dui)地(di)(di)絕緣電(dian)阻(zu)檢測(ce)。

中性(xing)點接地還容易(yi)出現另一個系(xi)統匹配問題——儲能系(xi)統中的(de) PCS 交流側對地具(ju)有極高(gao)的(de)共(gong)(gong)模電(dian)(dian)壓(ya)，其(qi)(qi)二次(ci)(ci)配電(dian)(dian)變壓(ya)器(qi)(qi)往(wang)往(wang)從 PCS 輸出端口取電(dian)(dian)，如果(guo)將(jiang)配電(dian)(dian)變壓(ya)器(qi)(qi)二次(ci)(ci)側 N 線接地，會導致共(gong)(gong)模干擾通過地線耦(ou)合到二次(ci)(ci)側，導致二次(ci)(ci)側 L-N 間出現較大的(de)高(gao)頻紋波，影響其(qi)(qi)供(gong)電(dian)(dian)質量。

3、變壓器設計選型注意事項

在(zai)提供變(bian)壓器設計(ji)需求(qiu)時(shi)，需要明確如表(biao) 1 所示的項(xiang)目具體要求(qiu)。