基于電能質量的變壓器冷卻風扇電機故障原因分析

張小虎，陳子輝，吳智影

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

電力變壓器作為電網運行的主要設備，在其運行的過程中會產生大量的熱量，如果僅通過自然冷卻，變壓器并不能達到良好的散熱效果，會造成熱量的積累，從而導致電力變壓器的溫度上升，而一旦電力變壓器產生的熱量累積到一定限度，會導致電力變壓器局部溫度過高，加速變壓器內部絕緣老化，甚至會造成變壓器過熱損壞，縮短電力變壓器的使用壽命，可能導致意外事故。

電力變壓器冷卻風扇主要是起到冷卻、降溫的效果，大中型電力變壓器中的冷卻方式采用的是油循環風冷的冷卻方式，相對于自然冷卻散熱量而言，吹風冷卻的散熱量可以增加8.7倍左右，可以提高30%左右電力變壓器容量。但是，在電力變壓器實際運行過程中，冷卻風扇電機常會因為各種原因損壞，從而對電力變壓器散熱造成很大影響，進而影響到電力變壓器的正常、有效運行。

因此，針對電力變壓器冷卻風扇電機引入電能質量相關指標，將對電能質量指標進行分析、評估，分析電力變壓器冷卻風扇電機的常見故障原因，總結有效的修理措施。

1 電力變壓器冷卻風扇電能質量監測

電力變壓器冷卻風扇電能質量監測主要通過電壓和電流來監測冷卻風扇的運行狀況，主要包括以下信息：

（1）冷卻風扇正常運行狀態下的穩態電流、電壓。

（2）冷卻風扇發生故障前的暫態電壓、電流。

（3）冷卻風扇自動投切過程中電壓、電流變化信息等。

對于電力變壓器冷卻風扇進行電能質量監測的目的是準確分析冷卻風扇故障原因，縮短冷卻風扇維修時間，并且結合長期監測數據，對冷卻風扇故障進行預警和排查，結合主變檢修時對冷卻風扇進行有針對性的定向維護。電力變壓器冷卻風扇電能質量指標關系如圖1 所示。

圖1 電力變壓器冷卻風扇電能質量指標關系

變壓器冷卻裝置的機械故障、電氣故障等可以通過電能質量反應出來。電能質量包括電壓質量、電流質量等。電壓質量包括穩態電壓、暫態過電壓狀況，電流質量的變化表現為穩態電流、暫態過電流。

2 電力變壓器冷卻風扇常見故障

電力變壓器的冷卻風扇主要包括兩大部分，一是專用的鼠籠式三相異步電機，另外就是軸流式風扇，軸流式風扇通常安裝在電機轉子軸端。一般情況下，風扇本身不容易出現故障，出現故障的原因一般由于以下兩大原因：

（1）軸流式風扇的安裝，與電機轉子軸之間的配合出現問題。

（2）冷卻風扇的電機控制箱或者三相異步電機出現故障，其中三相異步電機影響導致的故障占74%左右。

以上兩個原因分別對應風扇的機械故障和電器故障。下面將對兩種故障的具體表現形式進行說明。

2.1 機械故障

大概有30%～40%電力變壓器冷卻風扇電機故障屬于機械故障，主要是由于風扇電機的軸承損壞導致的。常見的風扇電機軸承損壞故障包括以下兩種形式：

（1）軸承抱死。這種現象是指風扇電機轉子無法正常轉動，這樣的結果會導致電機堵轉，從而使風扇電源三相電流過流，進而使控制系統損壞，電機燒毀。

（2）軸承磨損。一旦風扇軸承出現磨損，軸承之間的間隙就會增大，從而導致發電機的定子和轉子發生摩擦掃膛，定子的溫度會升高，加快繞組的絕緣老化，甚至會導致燒毀。因此一旦發現電機軸承抱死，無法轉動或者軸承磨損的情況，應及時更換新的電機軸承，選用精度等級為P5 的高速電機專用軸承。

2.2 電器故障

2.2.1 電機進水受潮故障

電力變壓器冷卻風扇的安裝都是和室外的電力變壓器散熱器中部垂直，在這樣的安裝方式下，電力變壓器的冷卻風扇容易進水受潮。經過統計分析相關的損壞電力變壓器冷卻風扇電機的燒毀情況，大概30%左右的冷卻電扇電機燒毀是由于不慎進水受潮所致。這主要是因為電力變壓器冷卻風扇電機在進水后，會短時間內快速降低冷卻風扇電機繞組的絕緣等級，導致電機出現匝間短路、對地擊穿、相間擊穿等現象，最終燒毀電機。其次，電力變壓器冷卻風扇電機在進水受潮后，會導致電機軸承銹蝕，進一步加重電機軸承的磨損程度，也有可能會出現電機轉子堵轉或軸承卡死的現象。

因此，應該更進一步優化設計室外安裝的風扇電機結構設計，加強冷卻風扇電機的防護等級，盡可能避免雨水進入冷卻風扇電機內使電機受潮。如果冷卻風扇電機已經損壞需要修復的情況下，應進一步加強端蓋和引線、電機止口、軸等部位之間的防水措施，盡可能避免冷卻風扇電機進水。

2.2.2 缺相運行故障

電力變壓器冷卻風扇電機在實際運行過程中，由于控制箱故障、線路故障、三相電源缺相故障，都有可能會導致缺相運行現象。在缺相運行的過程中，三相電機在較短的時間內可能會燒毀繞組。為了避免出現缺相運行現象而燒毀繞組，應該增加設置一個斷相保護電路，同時變電站檢修人員應該定期進行檢修，值班人員需要定期進行巡視，一旦出現異常情況，應及時進行相應的處理，確保冷卻風扇的正常、高效運行。

2.2.3 電源不正常

電力變壓器冷卻風扇電機的配套屬鼠籠式三相異步電機運行時容易受到電源的影響，一旦冷卻風扇的動力電源電壓出現波動的情況下，容易導致三相電壓、欠電壓、過電壓失衡現象，從而影響到冷卻風扇電機的工作性能，進而影響到風扇電機的正常運行，嚴重的情況下還有可能會損壞電機。

3 冷卻風扇故障的電能質量分析

檢修人員往往只能電力變壓器冷卻風扇發生故障后再進行檢修，并且冷卻風扇故障原因的分析需要花費一定的時間，提出的基于電能質量的冷卻風扇電機故障分析，通過輕便的電能質量分析儀收集冷卻風扇日常運行過程中的電流、電壓等電氣參量，借助原始測試數據對收集到的電氣參量數據進行分析、處理，并且能夠實時監測冷卻風扇的電氣參量，從而較早發現冷卻風扇的故障，能夠準確分析冷卻風扇的故障原因。高壓電力變壓器冷卻風扇電機故障與電氣量參數的簡易模型如圖2 所示。

圖2 高壓電力變壓器冷卻風扇電能質量指標關系

電能質量參數的變化可能反應出電力冷卻風扇的單一故障或者多個故障，在遇到具體問題是，需要建立故障原因的排查機制，準確的找到風扇的故障原因。

3.1 機械故障的冷卻風扇電能質量分析

冷卻風扇電機正常轉動時，電機轉子轉速和電機定子旋轉磁場的轉速相差不大，轉子切割定子旋轉磁場磁力線的速度小，轉子感應電勢小，轉子電流小。當冷卻風扇出現軸承抱死或故障時，冷卻風扇電機定子停止或轉速減小，風扇內部轉子與定子的轉速差急速變大，轉子導體就感應出非常大的感應電勢，使電機轉子的電流產生突變或這電流快速增大。如不及時處理，最終將導致風扇的電機燒毀。

通過電能質量分析儀的實時監控冷卻風扇運行過程中，在發現某一組冷卻風扇電流出現突變和增大時，應及時停用該組冷卻風扇。風扇停用后，人員需要對風扇的進行檢查，如果風扇出現轉動卡澀，異響等現象，應盡快拆除風扇，并對風扇進行檢修，重點應該檢查冷卻風扇的軸承，觀察是否進水、生銹等，如果發現問題應及時更換相關部件。

3.2 電器故障的冷卻風扇電能質量分析

3.2.1 缺相運行

冷卻風扇電機缺相運行時，缺失一相電流為零或接近于零，另外兩相的電流增大。通過電能質量分析儀的實時監控冷卻風扇運行過程中時，在某一組冷卻風扇電流某一相電流快速減少，另外兩相電流增大，應及時停用該組冷卻風扇，此時檢修人員應該重點檢查冷卻風扇的電源問題，主要檢查控制箱、風扇接線盒內的接線是否牢固，接線端子是否出現了生銹、進水導致接觸不良或者接地的情況，另外為了避免出現缺相運行導致風扇電機繞組，應該增加設置一個斷相保護電路，確保冷卻風扇的正常、高效運行。

3.2.2 電源故障和電機進水

當冷卻風扇電機進水和電源故障時，電機的電壓會出現突變。通過電能質量分析儀的數據分析發現風扇的電壓出現突變或電壓明顯降低，應及時停用該組冷卻風扇，此時檢修人員應該重點檢查電機的內部故障，對停下來的冷卻風扇進行電機內部的電阻測量，并將其于正常電機的內部電阻進行對比，快速準確地找到故障點、隔離故障風扇并進行維護。

4 結束語

總結變壓器風扇故障的原因，并將變壓器風扇故障因素與電能質量關系的進行分析，在此基礎上，提出基于電能質量的變壓器冷卻風扇電機故障原因分析方法，實現“電能質量監測數據的實時記錄→監測數據的分析→分析結果的反饋”的分析流程，能夠直觀反映出冷卻風扇的故障電流、電壓等信息，并且根據故障信息快速準確地找到風扇故障原因，從而保障電力變壓器和電網的安全運行。