Charakteristika degradace výkonu a predikce životnosti elektrických kondenzátorů za vysokotepelných podmínek

Charakteristika degradace výkonu a predikce životnosti elektrických kondenzátorů za vysokotepelných podmínek

S neustálým rozšiřováním elektrických systémů a rostoucím zatěžováním se provozní prostředí pro elektrické zařízení stává čím dál složitějším. Stoupající okolní teplota se stala klíčovým faktorem ovlivňujícím spolehlivý provoz elektrických kondenzátorů. Jako klíčové komponenty v systémech přenosu a distribuce elektřiny má degradace výkonu elektrických kondenzátorů přímý dopad na bezpečnost a stabilitu sítě. Za vysokotepelných podmínek se dielektrické materiály uvnitř kondenzátorů rychleji stárnou, což vede k výraznému poklesu elektrického výkonu, zkrácení životnosti a potenciálně i k selhání systému.

1. Studie charakteristik degradace výkonu
1.1 Experimentální zařízení

Byly vybrány paralelní elektrické kondenzátory s nominálním napětím 10 kV a kapacitou 100 kvar jako testovací vzorky, splňující požadavky normy GB/T 11024.1—2019, Paralelní kondenzátory pro střídavé elektrické systémy s nominálním napětím nad 1000 V – Část 1: Obecné. Testovací systém zahrnoval OMICRON CP TD1 měřicí zařízení pro kapacitance a analyzátor dielektrických ztrát ME632, s teplotou řízenou pomocí kamery pro stárnutí při vysoké teplotě KSP-015. Byly nastaveny tři úrovně teploty—70 °C, 85 °C a 100 °C—a pět vzorků bylo testováno na každé úrovni. Postup testu sledoval IEC 60871-2, s nepřetržitým používáním nominálního napětí během stárnutí, aby byly simulovány skutečné provozní podmínky.

1.2 Chování degradace dielektrických ztrát

Při vysokých teplotách dielektrické ztráty (tanδ) ukázaly významnou závislost na teplotě. Při 70 °C se tan&δ; pomalu zvyšovalo v průběhu času, zůstávajíc v operačních limitech, což naznačuje stabilní izolační vlastnosti. Při 85 °C se rychlost zvyšování zrychlila, s křivkou se stávající strmější; některé vzorky později překročily standardní limity. Při 100 °C se tan&δ; rychle zvýšilo s strmou křivkou, ukazujíc typické vlastnosti tepelného stárnutí.

1.3 Charakteristiky změny kapacitance

Zvýšení teploty významně ovlivnilo stabilitu kapacitance, s jasně fázovým chováním. Při nízkých teplotách zůstaly odchylky kapacitance v povolených tolerancích, ukazujíc dobré stabilitu. V prostřední teplotní oblasti začala kapacitance zřetelně klesat, s odchylkami blížícími se k operačním limitům. Při vysokých teplotách rychle klesla kapacitance, překračujíc povolené odchylky, což naznačuje zrychlenou degradaci.

2. Vývoj modelu predikce životnosti
2.1 Analýza dat o degradaci výkonu

Porovnáním rychlostí degradace při různých teplotních úrovních byla analyzována vztah mezi teplotou a koeficientem zrychlení. Byl stanoven komplexní kritérium selhání založené na klíčových parametrech, jako jsou dielektrické ztráty, odchylky kapacitance a odpor izolace. Výsledky ukázaly, že degradace výkonu se výrazně zrychlila při vysokých teplotách, s koeficientem zrychlení ukazujícím exponenciální vztah s teplotou. Prokládání dat vedlo k vysokému korelačnímu koeficientu, potvrzující silnou statistickou významnost. Byla použita Arrheniovská rovnice pro výpočet koeficientu zrychlení, začlenění experimentálně odvozené aktivační energie a Boltzmannovy konstanty, takže byl založen kvantitativní vztah teplota-zrychlení.

2.2 Aplikace Arrheniovského modelu

Jak je znázorněno na obrázku 1, experimentální data byla proložena v souřadnicovém systému logaritmická doba životnosti vs. inverzní teplota (1/T), což vedlo k silné lineární korelaci. Sklon proložené linie odpovídá aktivační energii EaEa (v kJ/mol), reprezentující energetickou bariéru procesu stárnutí, a shoduje se dobře s teoretickými očekáváními. Vysoký korelační koeficient potvrzuje vynikající shodu mezi experimentálními daty a Arrheniovským modelem. Analýza 95% intervalu spolehlivosti ukazuje statisticky spolehlivé predikce. Experimentální výsledky ukazují, že v testovaném rozmezí teplot je rychlost degradace výkonu významně exponenciálně spojena s teplotou. Na základě dat o životnosti při různých teplotních bodech byl založen matematický model vztahu teploty a životnosti.

2.3 Implementace predikce životnosti
Predikce životnosti je založena na teorii kumulativního poškození, která superponuje efekty poškození při různých teplotních podmínkách. Prediktivní metoda komplexně zohledňuje faktory jako je rychlost stárnutí materiálu, fluktuace okolní teploty a změny zatěžování. Provozní cyklus je rozdělen na n časových intervalů, s poškozením v každém intervalu určeným provozní teplotou a délkou trvání. Teplotní data jsou získávána pomocí online monitorovacího systému s časovým intervalem vzorkování 1 h, aby byla zajistena kontinuita a přesnost dat. Měřené teploty jsou vloženy do Arrheniovské rovnice pro výpočet ekvivalentní doby provozu pro každý interval. Kumulativní poškození všech intervalů dává predikovanou zbývající životnost [4]. Přesnost predikce je ověřena pomocí výsledků akcelerovaných stárnutí, s průměrnou odchylkou mezi výpočty modelu a experimentálními daty udržovanou v rámci ±8%.

3. Aplikace a ověření
3.1 Analýza přesnosti predikce

Prediktivní model je ověřen kombinací akcelerovaných stárnutí a skutečných provozních dat. Byly vybrány více dávek elektrických kondenzátorů s různou dobu služby pro testování výkonu a výsledky byly porovnány s predikcemi modelu. Jak je uvedeno v tabulce 1, pro skupinu s 5 lety provozu, naměřená průměrná životnost je 4.8 let a predikovaná hodnota 5.2 let, což dává relativní chybu 7.7%; pro skupinu 8 let, naměřená hodnota je 7.6 let a predikovaná hodnota 8.3 let, s relativní chybou 8.4%; pro skupinu 10 let, naměřená hodnota je 9.5 let a predikovaná hodnota 10.2 let, což dává relativní chybu 6.9%. Analýza zdrojů chyb ukazuje, že fluktuace okolní teploty jsou hlavním faktorem ovlivňujícím přesnost predikce. Pokud denní variace teploty přesáhnou 20 °C, přesnost modelu se zvýší na 12%. Dále fluktuace teploty způsobené změnami zatěžování přispívají ke zvýšení chyby predikce o 4.2%.

3.2 Inženýrské doporučení pro aplikaci

Jak je uvedeno v tabulce 2, pokud je okolní teplota udržována pod 75 °C, rychlost degradace životnosti zařízení klesne o 58%. Pro každé snížení teploty instalace o 5 °C se očekávaná životnost zvýší o 18.5%. Zlepšením ventilace byla průměrná okolní teplota v místě testu snížena o 7.2 °C, což vedlo k 32% zlepšení stability parametrů výkonu kondenzátoru. Data teploty z online monitorovacího systému ukazují, že po implementaci inteligentní ventilace se maximální teplota okolo zařízení snížila o 11.3 °C a průměrná teplota o 8.7 °C. Model predikce životnosti byl uplatněn v 500 kV transformační stanici po dobu jednoho roku, úspěšně vydal předběžná varování šesti potenciálním selháním, zvýšil efektivitu preventivní údržby o 43%. Analýza dat o údržbě ukazuje, že rozhodnutí o údržbě a výměně založená na predikcích modelu dosáhla přesnosti 87%, což představuje 35% zlepšení oproti tradiční časové údržbě. Strategie správy zařízení řízená modelem snížila náklady na údržbu o 27% a zvýšila dostupnost zařízení o 15%.

4. Závěr

Prostřednictvím systematických akcelerovaných stárnutí a analýzy dat toto studium odhalilo vliv vysokoteplotních prostředí na degradaci výkonu elektrických kondenzátorů a založilo model predikce životnosti založený na Arrheniovské rovnici. Experimentální výsledky ukazují, že okolní teplota je klíčovým faktorem ovlivňujícím životnost kondenzátorů: za každé 10 °C zvýšení teploty životnost klesá o 42.5% ± 2.5%. Klíčové parametry výkonu, jako jsou dielektrické ztráty, kapacitance a odpor izolace, ukazují významné trendy degradace s rostoucí teplotou. Vyvinutý model predikce životnosti dosahuje přesnosti přes 90%, poskytujíc vědeckou základnu pro rozhodnutí o údržbě a výměně elektrických kondenzátorů.