Característiques de degradació del rendiment i predicció de la vida útil de condensadors elèctrics en condicions d'alta temperatura
Característiques de la Degradació del Rendiment i Predicció de la Vida Útil dels Condensadors Elèctrics en Condicions d'Altes Temperatures
Amb l'expansió contínua dels sistemes elèctrics i l'increment de les demandes de càrrega, l'entorn operatiu dels equips elèctrics ha esdevingut cada vegada més complex. L'augment de la temperatura ambiental s'ha convertit en un factor clau que afecta el funcionament fiable dels condensadors elèctrics. Com a components crítics en els sistemes de transmissió i distribució d'energia, la degradació del rendiment dels condensadors elèctrics impacta directament la seguretat i estabilitat de la xarxa. En condicions d'alta temperatura, els materials dielèctrics dins dels condensadors envejeixen més ràpidament, provocant una deterioració significativa del rendiment elèctric, una vida útil més curta i potencialment falles del sistema.
1. Estudi de les Característiques de la Degradació del Rendiment
1.1 Configuració Experimental
Es van seleccionar condensadors elèctrics paral·lels amb una tensió nominal de 10 kV i una capacitat de 100 kvar com a mostres de prova, complint els requisits de la norma GB/T 11024.1—2019, Condensadors de derivació per a sistemes d'energia alternada amb una tensió nominal superior a 1000 V – Part 1: Generalitats. El sistema de prova inclouia un analitzador de capacitance OMICRON CP TD1 i un analitzador de pèrdues dielèctriques ME632, amb la temperatura controlada per una cambra d'envejeciment a alta temperatura KSP-015. Es van establir tres nivells de temperatura—70 °C, 85 °C i 100 °C—amb cinc mostres provades a cada nivell. El procediment de prova seguïa la norma IEC 60871-2, aplicant la tensió nominal de manera contínua durant l'envejeciment per simular les condicions reals d'operació.
1.2 Comportament de la Deterioració de les Pèrdues Dielèctriques
En temperatures altes, les pèrdues dielèctriques (tanδ) mostraven una dependència significativa de la temperatura. A 70 °C, tanδ augmentava lentament amb el temps, romenant-se dins dels límits operatius, indicant un rendiment d'aïllament estable. A 85 °C, la velocitat d'augment s'accelerava, amb la pendient de la corba tornant-se més pronunciada; algunes mostres superaven els límits estàndard en les fases posteriors. A 100 °C, tanδ augmentava de manera abrupta amb una corba molt pronunciada, mostrant característiques típiques de l'envejeciment tèrmic.
1.3 Característiques de la Variació de la Capacitat
L'augment de la temperatura afectava significativament la estabilitat de la capacitance, amb un comportament evident en diferents etapes. A baixes temperatures, la desviació de la capacitance romania dins de les toleràncies permises, demostrant una bona estabilitat. En el rang de temperatures mitjanes, la capacitance començava a decréixer notablement, amb la desviació aproximant-se als límits operatius. En temperatures altes, la capacitance disminuïa ràpidament, superant la desviació permesa, indicant una deterioració accelerada.
2. Desenvolupament del Model de Predicció de la Vida Útil
2.1 Anàlisi de Dades de Degradació del Rendiment
Comparant les velocitats de degradació a diferents nivells de temperatura, es va analitzar la relació entre la temperatura i el factor d'acceleració. Es va establir un criteri de fallida integral basat en paràmetres clau com les pèrdues dielèctriques, la desviació de la capacitance i la resistència d'aïllament. Els resultats indicaven que la degradació del rendiment s'accelerava significativament en temperatures altes, amb el factor d'acceleració mostrant una relació exponencial amb la temperatura. La fita de dades va donar un coeficient de correlació alt, confirmant una significança estadística forta. S'utilitzà l'equació d'Arrhenius per calcular el factor d'acceleració, incorporant l'energia d'activació derivada experimentalment i la constant de Boltzmann, establint així una relació quantitativa entre la temperatura i l'acceleració.
2.2 Aplicació del Model d'Arrhenius
Com es mostra en la Figura 1, les dades experimentals s'ajustaren en un sistema de coordenades log-viç versus inversa de la temperatura (1/T), obtenint una forta correlació lineal. La pendent de la línia ajustada correspon a l'energia d'activació Ea (en kJ/mol), representant la barra energètica del procés d'envejeciment, i concorda bé amb les expectatives teòriques. Un coeficient de correlació alt confirma una excel·lent concordança entre les dades experimentals i el model d'Arrhenius. L'anàlisi de l'interval de confiança del 95% indica prediccions estadísticament fiables. Els resultats experimentals mostren que, dins del rang de temperatures provat, la velocitat de degradació del rendiment té una relació exponencial significativa amb la temperatura. Basant-se en les dades de vida a diferents punts de temperatura, es va establir un model matemàtic que relaciona la temperatura i la vida útil.
2.3 Implementació de la Predicció de la Vida Útil
La predicció de la vida útil es basa en la teoria del dany acumulatiu, que superposa els efectes del dany en diferents condicions de temperatura. El mètode de predicció considera de manera integral factors com la velocitat d'envejeciment del material, les fluctuacions de la temperatura ambiental i les variacions de càrrega. El cicle d'operació es divideix en n intervals de temps, amb el dany en cada interval determinat per la temperatura d'operació i la durada. Les dades de temperatura es recullen a través d'un sistema de monitorització en línia amb un interval de mostreig d'1 h per assegurar la continuïtat i precisió de les dades. Les temperatures mesurades es introduïxen a l'equació d'Arrhenius per calcular el temps equivalent d'operació per a cada interval. El dany acumulat en tots els intervals dóna la vida útil restant predita [4]. La precisió de la predicció es valida utilitzant els resultats de proves d'envejeciment accelerat, mantenint la desviació mitjana entre els càlculs del model i les dades experimentals dins de ±8%.
3. Aplicació i Verificació
3.1 Anàlisi de la Precisió de la Predicció
El model de predicció es verifica utilitzant un mètode combinat de proves d'envejeciment accelerat i dades d'operació real. Es seleccionen diversos lots de condensadors elèctrics amb diferents durades de servei per a proves de rendiment, i els resultats es comparen amb les prediccions del model. Com es mostra a la Taula 1, per al grup d'operació de 5 anys, la vida útil mitjana mesurada és de 4.8 anys i el valor predit és de 5.2 anys, donant un error relatiu del 7.7%; per al grup de 8 anys, el valor mesurat és de 7.6 anys i el valor predit és de 8.3 anys, amb un error relatiu del 8.4%; per al grup de 10 anys, el valor mesurat és de 9.5 anys i el valor predit és de 10.2 anys, resultant en un error relatiu del 6.9%. L'anàlisi de les fonts d'error mostra que les fluctuacions de la temperatura ambiental són el factor principal que afecta la precisió de la predicció. Quan la variació diària de la temperatura supera els 20 °C, l'error de predicció del model augmenta fins a un 12%. A més, les fluctuacions de temperatura causades per les variacions de càrrega contribueixen a un increment de l'error de predicció del 4.2%.
3.2 Recomanacions d'Aplicació Enginyera
Com es mostra a la Taula 2, quan la temperatura ambiental es manté per sota dels 75 °C, la velocitat de degradació de la vida útil de l'equip disminueix en un 58%. Per cada reducció de 5 °C en la temperatura de la ubicació d'instal·lació, la vida útil esperada augmenta en un 18.5%. Millorant la ventilació, la temperatura ambiental al lloc de prova es va reduir en mitjana 7.2 °C, resultant en una millora del 32% en la estabilitat dels paràmetres de rendiment dels condensadors. Les dades de temperatura del sistema de monitorització en línia indiquen que, després de la implementació de la ventilació intel·ligent, la temperatura màxima al voltant de l'equip va disminuir en 11.3 °C i la temperatura mitjana en 8.7 °C. El model de predicció de la vida útil es va aplicar en una subestació de 500 kV durant un any, emetent avísos prèvius per sis possibles fallides, augmentant l'eficiència de la manutenção preventiva en un 43%. L'anàlisi de les dades de manutenção mostra que les decisions de manteniment i substitució basades en les prediccions del model van assolir una precisió del 87%, representant una millora del 35% sobre la manutenção basada en el temps. La estratègia de gestió d'equipaments guiada pel model va reduir els costos de manteniment en un 27% i augmentar la disponibilitat dels equips en un 15%.
4. Conclusió
A través de proves sistemàtiques d'envejeciment accelerat i anàlisi de dades, aquest estudi revela l'influència de l'entorn d'alta temperatura en la degradació del rendiment dels condensadors elèctrics i estableix un model de predicció de la vida útil basat en l'equació d'Arrhenius. Els resultats experimentals mostren que la temperatura ambiental és un factor clau que afecta la vida útil dels condensadors: per cada increment de 10 °C en la temperatura, la vida útil disminueix en un 42.5% ± 2.5%. Paràmetres de rendiment crítics com les pèrdues dielèctriques, la capacitance i la resistència d'aïllament mostren tendències de degradació significatives amb l'augment de la temperatura. El model de predicció de la vida útil desenvolupat assolix una precisió de predicció superior al 90%, proporcionant una base científica per a les decisions de manteniment i substitució dels condensadors elèctrics.
