Характеристики на намаление на производителността и прогноза за продължителността на експлоатация на електроемкостни апарати при високи температурни условия

Характеристики на намаление на производителността и прогноза на жизнения цикъл на електроемкостите при високи температури

С постоянното разширяване на електроенергийните системи и увеличаването на потребностите от натоварване, условията за работа на електрическото оборудване са станали все по-сложни. Нарастването на околната температура се явява ключов фактор, влияещ надеждната работа на електроемкостите. Като важни компоненти в системите за пренос и разпределение на електроенергия, намалението на производителността на електроемкостите直接影响了电网的安全性和稳定性。在高温条件下，电容器内部的介质材料老化速度加快，导致电气性能显著下降，使用寿命缩短，并可能引发系统故障。

1. Характеристики на намаление на производителността - изследвания
1.1 Експериментална поставка

За целите на тестовете бяха избрани паралелни електроемкости с номинално напрежение от 10 кВ и капацитет 100 квар, които удовлетворяват изискванията на GB/T 11024.1—2019, Електроемкости за а.с. електроенергийни системи с номинално напрежение над 1000 В – част 1: Общи положения. Тестовата система включваше OMICRON CP TD1 тестиращо устройство за емкости и ME632 анализатор на диелектрични загуби, с контролирана температура чрез KSP-015 камера за стареене при висока температура. Бяха зададени три нива на температура—70 °C, 85 °C и 100 °C—при които всеки ниво бяха тествани пет проби. Процедурата за тестове следваше IEC 60871-2, прилагайки непрекъснато номинално напрежение по време на процеса на стареене, за да се симулират реални условия на работа.

1.2 Поведение на намалението на диелектричните загуби

При високи температури диелектричните загуби (tanδ) показваха значителна зависимост от температурата. При 70 °C, tanδ се увеличаваше бавно с времето, оставайки в допустими граници, указвайки стабилна изолационна производителност. При 85 °C, скоростта на увеличение се ускори, с по-стръмен наклон на кривата; някои проби надхвърлиха стандартните граници в по-късната фаза. При 100 °C, tan&δ се увеличи рязко с много стръмна крива, показвайки типични характеристики на термично стареене.

1.3 Характеристики на вариацията на емкостта

Повишението на температурата значително влияе на стабилността на емкостта, с ясно зависящо от етапа поведение. При ниски температури, отклонението на емкостта остава в допустими толеранции, демонстрирайки добра стабилност. В средния диапазон на температурите, емкостта започва да намалява забележимо, с отклонение, приближаващо се до оперативни граници. При високи температури, емкостта намалява бързо, надхвърляйки допустимите отклонения, сочейки ускорено влошаване.

2. Разработване на модел за прогноза на жизнения цикъл
2.1 Анализ на данни за намаление на производителността

Чрез сравнение на скоростта на намаление при различни нива на температура, беше анализирана връзката между температурата и фактора на ускорение. Беше установен комплексен критерий за отказ, основан на ключови параметри като диелектрични загуби, отклонение на емкостта и изолационно съпротивление. Резултатите показаха, че намалението на производителността се ускорява значително при високи температури, с факторът на ускорение показващ експоненциална връзка с температурата. Подборът на данни доведе до висок коефициент на корелация, потвърждавайки силна статистическа значимост. Уравнението на Арениус беше използвано за изчисление на фактора на ускорение, включвайки експериментално извлечена активационна енергия и константата на Больцман, така че да се установи количествена връзка между температурата и ускорението.

2.2 Применение на модела на Арениус

Както е показано на фигура 1, експерименталните данни бяха подобрени в координатна система логаритъм от продължителността на живота спрямо обратната температура (1/T), давайки силна линейна корелация. Наклонът на подобрената линия съответства на активационната енергия EaEa (в кДж/мoл), представляваща енергийната бариера на процеса на стареене, и съответства добре на теоретичните очаквания. Високият коефициент на корелация потвърждава отлична съгласуваност между експерименталните данни и модела на Арениус. Анализът на интервала на 95% увереност показва статистически надеждни прогнози. Експерименталните резултати показват, че в рамките на тестираната температурна зона, скоростта на намаление на производителността има значителна експоненциална връзка с температурата. На основата на данни за жизнения цикъл при различни точки на температурата, беше създаден математически модел, свързващ температурата и продължителността на живота.

2.3 Реализация на прогнозата на жизнения цикъл
Прогнозата на жизнения цикъл е основана на теорията за кумулативен ущърб, която наслаява ефектите от ущърб при различни температурни условия. Методът за прогноза обобщава фактори като скоростта на стареене на материала, флуктуациите на околната температура и вариациите на натоварването. Оперативният цикъл е разделен на n временни интервали, с ущърб във всеки интервал, определен от оперативната температура и продължителността. Температурните данни се придобиват чрез онлайн система за мониторинг с интервал за пробиране от 1 h, за да се осигури непрекъснатост и точност на данните. Измерените температури се въвеждат в уравнението на Арениус, за да се изчисли еквивалентната оперативна продължителност за всеки интервал. Наслеелият ущърб във всички интервали дава прогнозираната оставаща продължителност на живота [4]. Точността на прогнозата е проверена чрез резултати от ускорени тестове за стареене, със средно отклонение между изчисленията на модела и експерименталните данни, поддържано в пределите ±8%.

3. Приложение и проверка
3.1 Анализ на точността на прогнозата

Моделът за прогноза е проверен чрез комбиниран подход, включващ ускорени тестове за стареене и реални оперативни данни. Са избрани няколко партиди електроемкости с различна продължителност на използване за тестове на производителността, и резултатите са сравнявани с прогнозите на модела. Както е показано в таблица 1, за групата с 5 години използване, измерената средна продължителност на живота е 4.8 години, а прогнозираната стойност е 5.2 години, давайки относителна грешка от 7.7%; за 8-годишната група, измерената стойност е 7.6 години, а прогнозираната стойност е 8.3 години, с относителна грешка от 8.4%; за 10-годишната група, измерената стойност е 9.5 години, а прогнозираната стойност е 10.2 години, давайки относителна грешка от 6.9%. Анализът на източниците на грешката показва, че флуктуациите на околната температура са основният фактор, влияещ върху точността на прогнозата. Когато дневната вариация на температурата надхвърли 20 °C, грешката на прогнозата на модела се увеличава до 12%. Освен това, температурните флуктуации, причинени от вариации на натоварването, допринасят за увеличаване на грешката на прогнозата с 4.2%.

3.2 Предложения за инженерно приложение

Както е показано в таблица 2, когато околната температура се поддържа под 75 °C, скоростта на намаление на продължителността на живота на оборудването намалява с 58%. За всяко понижение на температурата на мястото на инсталация с 5 °C, очакваната продължителност на живота се увеличава с 18.5%. Чрез подобряване на вентилацията, околната температура на местоположението за тестове беше намалена със средно 7.2 °C, водейки до 32% подобряване на стабилността на параметрите на производителността на електроемкостите. Температурните данни от онлайн системата за мониторинг показват, че след прилагането на интелигентна вентилация, максималната температура около оборудването намаля с 11.3 °C, а средната температура с 8.7 °C. Моделът за прогноза на жизнения цикъл беше приложена в 500 kV подстанция за един годин, успешно издавайки ранни предупреждения за шест потенциални отказа, увеличавайки ефективността на профилактичното поддръжка с 43%. Анализът на данни за поддръжка показва, че решенията за поддръжка и замяна, базирани на прогнози на модела, достигнаха точност от 87%, представлявайки 35% подобряване в сравнение с традиционната поддръжка, базирана на време. Стратегията за управление на оборудването, водена от модела, намали разходите за поддръжка с 27% и увеличи наличността на оборудването с 15%.

4. Заключение

Чрез систематични ускорени тестове за стареене и анализ на данни, това изследване разкрива влиянието на високите температурни условия върху намалението на производителността на електроемкостите и създава модел за прогноза на жизнения цикъл, основан на уравнението на Арениус. Експерименталните резултати показват, че околната температура е ключов фактор, влияещ върху продължителността на живота на електроемкостите: за всяко 10 °C увеличение на температурата, продължителността на живота намалява с 42.5% ± 2.5%. Ключовите параметри на производителността, като диелектрични загуби, емкост и изолационно съпротивление, показват значителни тенденции на намаление при повишаване на температурата. Разработеният модел за прогноза на жизнения цикъл достига точност над 90%, предоставяйки научна основа за решения за поддръжка и замяна на електроемкостите.