خصائص تدهور الأداء وتوقع عمر خدمة المكثفات الكهربائية في ظروف درجات الحرارة العالية
خصائص تدهور الأداء وتوقع عمر الخدمة للمكثفات الكهربائية في ظروف الحرارة العالية
مع التوسع المستمر في أنظمة الطاقة وزيادة متطلبات الحمل، أصبحت بيئة التشغيل للمعدات الكهربائية أكثر تعقيدًا. ظهر ارتفاع درجة حرارة البيئة كعامل رئيسي يؤثر على تشغيل المكثفات الكهربائية بشكل موثوق. باعتبارها مكونات حاسمة في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة، يتأثر أمان واستقرار الشبكة مباشرة بتدهور أداء المكثفات الكهربائية. تحت ظروف الحرارة العالية، تتعرض المواد العازلة داخل المكثفات للشيخوخة بشكل أسرع، مما يؤدي إلى تدهور كبير في الأداء الكهربائي وتقلص عمر الخدمة وإمكانية حدوث فشل في النظام.
1. دراسة خصائص تدهور الأداء
1.1 الإعداد التجريبي
تم اختيار المكثفات الكهربائية المتوازية ذات الجهد المقنن 10 كيلوفولت والسعة 100 كفار كعينات اختبار، وهي تلبي متطلبات GB/T 11024.1-2019، المكثفات الموازية لأنظمة الطاقة البديلة ذات الجهد المقنن فوق 1000 فولت - الجزء 1: العام. شمل نظام الاختبار جهاز قياس السعة OMICRON CP TD1 وجهاز تحليل فقد العازلة ME632، مع السيطرة على درجة الحرارة بواسطة غرفة الشيخوخة عالية الحرارة KSP-015. تم تحديد ثلاث مستويات من درجات الحرارة - 70 °C، 85 °C، و100 °C - مع اختبار خمس عينات لكل مستوى. اتبع إجراء الاختبار IEC 60871-2، حيث يتم تطبيق الجهد المقنن بشكل مستمر أثناء الشيخوخة لمحاكاة الظروف التشغيلية الحقيقية.
1.2 سلوك تدهور فقد العازلة
تحت درجات الحرارة العالية، أظهر فقد العازلة (tanδ) اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة. عند 70 °C، زاد tan&δ; ببطء مع مرور الوقت، ظل ضمن الحدود التشغيلية، مما يشير إلى استقرار أداء العزل. عند 85 °C، تسارعت معدلات الزيادة، وأصبح ميل المنحنى أشد انحدارًا؛ بعض العينات تجاوزت الحدود القياسية في المراحل الأخيرة. عند 100 °C، ارتفع tan&δ; بشكل حاد مع منحنى حاد، مما يظهر خصائص الشيخوخة الحرارية النموذجية.
1.3 خصائص تغير السعة
أثر ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير على استقرار السعة، مع سلوك واضح يعتمد على المراحل. عند درجات الحرارة المنخفضة، ظلت انحرافات السعة ضمن التolerances المسموح بها، مما يدل على استقرار جيد. في نطاق درجات الحرارة المتوسطة، بدأت السعة في الانخفاض بشكل ملحوظ، مع انحراف يتقارب مع الحدود التشغيلية. تحت درجات الحرارة العالية، انخفضت السعة بسرعة، تجاوزت الانحراف المسموح به، مما يشير إلى تسارع التدهور.
2. تطوير نموذج توقع العمر
2.1 تحليل بيانات تدهور الأداء
من خلال مقارنة معدلات التدهور عبر مستويات درجات الحرارة المختلفة، تم تحليل العلاقة بين درجة الحرارة ومعامل التعجيل. تم إنشاء معيار فشل شامل بناءً على معلمات رئيسية مثل فقد العازلة وانحراف السعة وممانعة العزل. أشارت النتائج إلى تسارع كبير في تدهور الأداء تحت درجات الحرارة العالية، مع وجود علاقة أسية بين معامل التعجيل ودرجة الحرارة. أدى تناسب البيانات إلى الحصول على معامل ارتباط عالٍ، مما يؤكد أهميته الإحصائية القوية. تم استخدام معادلة آرنيوس لحساب معامل التعجيل، مع دمج الطاقة النشطة المشتقة تجريبيًا والثابت البولتزماني، وبالتالي إقامة علاقة كمية بين درجة الحرارة ومعامل التعجيل.
2.2 تطبيق نموذج آرنيوس
كما هو موضح في الشكل 1، تم تناسب البيانات التجريبية في نظام إحداثيات اللوغاريتمي للعمر مقابل المعكوس لدرجة الحرارة (1/T)، مما أدى إلى ارتباط خطي قوي. يتوافق ميل الخط المنطبق مع الطاقة النشطة Ea (بالكيلوجول/مول)، الذي يمثل الحاجز الطاقي لعملية الشيخوخة، ويتوافق بشكل جيد مع التوقعات النظرية. يؤكد معامل الارتباط العالي توافقًا ممتازًا بين البيانات التجريبية ونموذج آرنيوس. تشير تحليل فترة الثقة 95% إلى توقعات إحصائية موثوقة. تظهر النتائج التجريبية أنه، ضمن نطاق درجات الحرارة المختبرة، يكون معدل تدهور الأداء مرتبطًا بشكل أسّي كبير بدرجة الحرارة. بناءً على بيانات العمر في نقاط درجة الحرارة المختلفة، تم إنشاء نموذج رياضي يربط بين درجة الحرارة وعمر الخدمة.
2.3 تنفيذ توقع العمر
يعتمد توقع العمر على نظرية التلف التراكمي، والتي تجمع تأثيرات التلف تحت ظروف درجات الحرارة المختلفة. تأخذ طريقة التوقع في الاعتبار عوامل مثل معدل الشيخوخة للمواد والتقلبات الحرارية في البيئة والتغيرات في الحمل. يتم تقسيم دورة التشغيل إلى n فترات زمنية، مع تحديد التلف في كل فترة بناءً على درجة الحرارة والفترة الزمنية. يتم الحصول على بيانات درجة الحرارة عبر نظام الرصد عبر الإنترنت بفاصل زمني 1 ساعة لضمان استمرارية ودقة البيانات. يتم إدخال درجات الحرارة المقاسة في معادلة آرنيوس لحساب الوقت العملي المكافئ لكل فترة. يؤدي التلف المتراكم عبر جميع الفترات إلى توقع العمر المتبقى [4]. يتم التحقق من دقة التوقع باستخدام نتائج اختبارات الشيخوخة المتسارعة، مع الحفاظ على متوسط الانحراف بين حسابات النموذج والبيانات التجريبية ضمن ±8%.
3. التطبيق والتحقق
3.1 تحليل دقة التوقع
يتم التحقق من نموذج التوقع باستخدام مقاربة مجمعة من اختبارات الشيخوخة المتسارعة والبيانات التشغيلية الفعلية. يتم اختيار عدة دفعات من المكثفات الكهربائية ذات فترات خدمة مختلفة لاختبار الأداء، ويتم مقارنة النتائج مع التوقعات النموذجية. كما هو موضح في الجدول 1، بالنسبة لمجموعة التشغيل لمدة 5 سنوات، فإن متوسط العمر المقاس هو 4.8 سنة والقيمة المتوقعة هي 5.2 سنة، مما ينتج عنه خطأ نسبي 7.7%؛ بالنسبة لمجموعة 8 سنوات، فإن القيمة المقاسة هي 7.6 سنة والقيمة المتوقعة هي 8.3 سنة، مما ينتج عنه خطأ نسبي 8.4%؛ بالنسبة لمجموعة 10 سنوات، فإن القيمة المقاسة هي 9.5 سنة والقيمة المتوقعة هي 10.2 سنة، مما ينتج عنه خطأ نسبي 6.9%. تبين تحليل مصدر الخطأ أن التقلبات الحرارية في البيئة هي العامل الرئيسي المؤثر على دقة التوقع. عندما تتجاوز تقلب درجة الحرارة اليومية 20 °C، يزيد خطأ التوقع النموذجي إلى 12%. بالإضافة إلى ذلك، تساهم التقلبات الحرارية الناجمة عن التغيرات في الحمل في زيادة خطأ التوقع بنسبة 4.2%.
3.2 توصيات التطبيق الهندسي
كما هو موضح في الجدول 2، عندما تظل درجة الحرارة المحيطة أقل من 75 °C، ينخفض معدل تدهور عمر المعدات بنسبة 58%. لكل انخفاض 5 °C في درجة حرارة موقع التركيب، يزداد العمر المتوقع بنسبة 18.5%. من خلال تحسين التهوية، تم تخفيض درجة الحرارة المحيطة بمعدل 7.2 °C في موقع الاختبار، مما أدى إلى تحسين استقرار معلمات أداء المكثف بنسبة 32%. تشير بيانات درجة الحرارة من نظام الرصد عبر الإنترنت إلى أن بعد تنفيذ التهوية الذكية، انخفضت درجة الحرارة القصوى حول المعدات بمقدار 11.3 °C والمتوسط بمقدار 8.7 °C. تم تطبيق نموذج توقع العمر في محطة كهرباء 500 كيلوفولت لمدة عام واحد، مما أدى إلى إصدار تحذيرات مبكرة لست حالات فشل محتملة، مما زاد كفاءة الصيانة الوقائية بنسبة 43%. تشير تحليل بيانات الصيانة إلى أن القرارات المتعلقة بالصيانة والاستبدال بناءً على توقعات النموذج حققت دقة 87%، مما يمثل تحسينًا بنسبة 35% مقارنة بصيانة الوقت التقليدية. أدت استراتيجية إدارة المعدات الموجهة بالنموذج إلى تخفيض تكاليف الصيانة بنسبة 27% وزادت توفر المعدات بنسبة 15%.
4. الخلاصة
من خلال الاختبارات المتسارعة للشيخوخة والتحليل الدوري، كشف هذا البحث عن تأثير البيئات ذات درجات الحرارة العالية على تدهور أداء المكثفات الكهربائية وقام بإنشاء نموذج توقع العمر بناءً على معادلة آرنيوس. تظهر النتائج التجريبية أن درجة الحرارة المحيطة هي عاملاً رئيسيًا يؤثر على عمر المكثف: لكل زيادة 10 °C في درجة الحرارة، ينخفض العمر بنسبة 42.5% ± 2.5%. تظهر المعلمات الأداء الرئيسية مثل فقد العازلة والسعة وممانعة العزل توجهات تدهور كبيرة مع ارتفاع درجة الحرارة. حقق نموذج توقع العمر دقة توقع تتجاوز 90%، مما يوفر أساسًا علميًا لقرارات الصيانة والاستبدال للمكثفات الكهربائية.
