基于电能质量的变压器冷却风扇电机故障原因分析

张小虎，陈子辉，吴智影

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000）

0 引言

电力变压器作为电网运行的主要设备，在其运行的过程中会产生大量的热量，如果仅通过自然冷却，变压器并不能达到良好的散热效果，会造成热量的积累，从而导致电力变压器的温度上升，而一旦电力变压器产生的热量累积到一定限度，会导致电力变压器局部温度过高，加速变压器内部绝缘老化，甚至会造成变压器过热损坏，缩短电力变压器的使用寿命，可能导致意外事故。

电力变压器冷却风扇主要是起到冷却、降温的效果，大中型电力变压器中的冷却方式采用的是油循环风冷的冷却方式，相对于自然冷却散热量而言，吹风冷却的散热量可以增加8.7倍左右，可以提高30%左右电力变压器容量。但是，在电力变压器实际运行过程中，冷却风扇电机常会因为各种原因损坏，从而对电力变压器散热造成很大影响，进而影响到电力变压器的正常、有效运行。

因此，针对电力变压器冷却风扇电机引入电能质量相关指标，将对电能质量指标进行分析、评估，分析电力变压器冷却风扇电机的常见故障原因，总结有效的修理措施。

1 电力变压器冷却风扇电能质量监测

电力变压器冷却风扇电能质量监测主要通过电压和电流来监测冷却风扇的运行状况，主要包括以下信息：

（1）冷却风扇正常运行状态下的稳态电流、电压。

（2）冷却风扇发生故障前的暂态电压、电流。

（3）冷却风扇自动投切过程中电压、电流变化信息等。

对于电力变压器冷却风扇进行电能质量监测的目的是准确分析冷却风扇故障原因，缩短冷却风扇维修时间，并且结合长期监测数据，对冷却风扇故障进行预警和排查，结合主变检修时对冷却风扇进行有针对性的定向维护。电力变压器冷却风扇电能质量指标关系如图1 所示。

图1 电力变压器冷却风扇电能质量指标关系

变压器冷却装置的机械故障、电气故障等可以通过电能质量反应出来。电能质量包括电压质量、电流质量等。电压质量包括稳态电压、暂态过电压状况，电流质量的变化表现为稳态电流、暂态过电流。

2 电力变压器冷却风扇常见故障

电力变压器的冷却风扇主要包括两大部分，一是专用的鼠笼式三相异步电机，另外就是轴流式风扇，轴流式风扇通常安装在电机转子轴端。一般情况下，风扇本身不容易出现故障，出现故障的原因一般由于以下两大原因：

（1）轴流式风扇的安装，与电机转子轴之间的配合出现问题。

（2）冷却风扇的电机控制箱或者三相异步电机出现故障，其中三相异步电机影响导致的故障占74%左右。

以上两个原因分别对应风扇的机械故障和电器故障。下面将对两种故障的具体表现形式进行说明。

2.1 机械故障

大概有30%～40%电力变压器冷却风扇电机故障属于机械故障，主要是由于风扇电机的轴承损坏导致的。常见的风扇电机轴承损坏故障包括以下两种形式：

（1）轴承抱死。这种现象是指风扇电机转子无法正常转动，这样的结果会导致电机堵转，从而使风扇电源三相电流过流，进而使控制系统损坏，电机烧毁。

（2）轴承磨损。一旦风扇轴承出现磨损，轴承之间的间隙就会增大，从而导致发电机的定子和转子发生摩擦扫膛，定子的温度会升高，加快绕组的绝缘老化，甚至会导致烧毁。因此一旦发现电机轴承抱死，无法转动或者轴承磨损的情况，应及时更换新的电机轴承，选用精度等级为P5 的高速电机专用轴承。

2.2 电器故障

2.2.1 电机进水受潮故障

电力变压器冷却风扇的安装都是和室外的电力变压器散热器中部垂直，在这样的安装方式下，电力变压器的冷却风扇容易进水受潮。经过统计分析相关的损坏电力变压器冷却风扇电机的烧毁情况，大概30%左右的冷却电扇电机烧毁是由于不慎进水受潮所致。这主要是因为电力变压器冷却风扇电机在进水后，会短时间内快速降低冷却风扇电机绕组的绝缘等级，导致电机出现匝间短路、对地击穿、相间击穿等现象，最终烧毁电机。其次，电力变压器冷却风扇电机在进水受潮后，会导致电机轴承锈蚀，进一步加重电机轴承的磨损程度，也有可能会出现电机转子堵转或轴承卡死的现象。

因此，应该更进一步优化设计室外安装的风扇电机结构设计，加强冷却风扇电机的防护等级，尽可能避免雨水进入冷却风扇电机内使电机受潮。如果冷却风扇电机已经损坏需要修复的情况下，应进一步加强端盖和引线、电机止口、轴等部位之间的防水措施，尽可能避免冷却风扇电机进水。

2.2.2 缺相运行故障

电力变压器冷却风扇电机在实际运行过程中，由于控制箱故障、线路故障、三相电源缺相故障，都有可能会导致缺相运行现象。在缺相运行的过程中，三相电机在较短的时间内可能会烧毁绕组。为了避免出现缺相运行现象而烧毁绕组，应该增加设置一个断相保护电路，同时变电站检修人员应该定期进行检修，值班人员需要定期进行巡视，一旦出现异常情况，应及时进行相应的处理，确保冷却风扇的正常、高效运行。

2.2.3 电源不正常

电力变压器冷却风扇电机的配套属鼠笼式三相异步电机运行时容易受到电源的影响，一旦冷却风扇的动力电源电压出现波动的情况下，容易导致三相电压、欠电压、过电压失衡现象，从而影响到冷却风扇电机的工作性能，进而影响到风扇电机的正常运行，严重的情况下还有可能会损坏电机。

3 冷却风扇故障的电能质量分析

检修人员往往只能电力变压器冷却风扇发生故障后再进行检修，并且冷却风扇故障原因的分析需要花费一定的时间，提出的基于电能质量的冷却风扇电机故障分析，通过轻便的电能质量分析仪收集冷却风扇日常运行过程中的电流、电压等电气参量，借助原始测试数据对收集到的电气参量数据进行分析、处理，并且能够实时监测冷却风扇的电气参量，从而较早发现冷却风扇的故障，能够准确分析冷却风扇的故障原因。高压电力变压器冷却风扇电机故障与电气量参数的简易模型如图2 所示。

图2 高压电力变压器冷却风扇电能质量指标关系

电能质量参数的变化可能反应出电力冷却风扇的单一故障或者多个故障，在遇到具体问题是，需要建立故障原因的排查机制，准确的找到风扇的故障原因。

3.1 机械故障的冷却风扇电能质量分析

冷却风扇电机正常转动时，电机转子转速和电机定子旋转磁场的转速相差不大，转子切割定子旋转磁场磁力线的速度小，转子感应电势小，转子电流小。当冷却风扇出现轴承抱死或故障时，冷却风扇电机定子停止或转速减小，风扇内部转子与定子的转速差急速变大，转子导体就感应出非常大的感应电势，使电机转子的电流产生突变或这电流快速增大。如不及时处理，最终将导致风扇的电机烧毁。

通过电能质量分析仪的实时监控冷却风扇运行过程中，在发现某一组冷却风扇电流出现突变和增大时，应及时停用该组冷却风扇。风扇停用后，人员需要对风扇的进行检查，如果风扇出现转动卡涩，异响等现象，应尽快拆除风扇，并对风扇进行检修，重点应该检查冷却风扇的轴承，观察是否进水、生锈等，如果发现问题应及时更换相关部件。

3.2 电器故障的冷却风扇电能质量分析

3.2.1 缺相运行

冷却风扇电机缺相运行时，缺失一相电流为零或接近于零，另外两相的电流增大。通过电能质量分析仪的实时监控冷却风扇运行过程中时，在某一组冷却风扇电流某一相电流快速减少，另外两相电流增大，应及时停用该组冷却风扇，此时检修人员应该重点检查冷却风扇的电源问题，主要检查控制箱、风扇接线盒内的接线是否牢固，接线端子是否出现了生锈、进水导致接触不良或者接地的情况，另外为了避免出现缺相运行导致风扇电机绕组，应该增加设置一个断相保护电路，确保冷却风扇的正常、高效运行。

3.2.2 电源故障和电机进水

当冷却风扇电机进水和电源故障时，电机的电压会出现突变。通过电能质量分析仪的数据分析发现风扇的电压出现突变或电压明显降低，应及时停用该组冷却风扇，此时检修人员应该重点检查电机的内部故障，对停下来的冷却风扇进行电机内部的电阻测量，并将其于正常电机的内部电阻进行对比，快速准确地找到故障点、隔离故障风扇并进行维护。

4 结束语

总结变压器风扇故障的原因，并将变压器风扇故障因素与电能质量关系的进行分析，在此基础上，提出基于电能质量的变压器冷却风扇电机故障原因分析方法，实现“电能质量监测数据的实时记录→监测数据的分析→分析结果的反馈”的分析流程，能够直观反映出冷却风扇的故障电流、电压等信息，并且根据故障信息快速准确地找到风扇故障原因，从而保障电力变压器和电网的安全运行。