Ydelsesnedgang Karakteristika og Livsforudsigelse for Strømkondensatorer under Højtemperaturforhold

Ydeevnedringskarakteristika og levetidsforudsigelse for effektkondensatorer under højt temperaturforhold

Med den kontinuerlige udvidelse af strømsystemer og stigende belastningskrav er driftsmiljøet for elektrisk udstyr blevet stadig mere komplekst. Stigende omgivelsesvarme er opstået som en nøglefaktor, der påvirker den pålidelige drift af effektkondensatorer. Som kritiske komponenter i strømtransmissions- og distributionsystemer har ydeevnedrigningen af effektkondensatorer direkte indflydelse på netsikkerhed og -stabilitet. Under højt temperaturforhold aldrer dielektriske materialer i kondensatorerne hurtigere, hvilket fører til betydelig forringelse af elektrisk ydeevne, forkortet anvendelsesperiode og potentielle systemfejl.

1. Studie af ydeevnedrigningskarakteristikker
1.1 Eksperimentelt opsætning

Parallelle effektkondensatorer med en spændingsniveau på 10 kV og en kapacitet på 100 kvar blev valgt som prøveprøver, der opfylder kravene i GB/T 11024.1—2019, Parallellkondensatorer for vekselstrømssystemer med et spændingsniveau over 1000 V – Del 1: Generelt. Testsystemet inkluderede en OMICRON CP TD1 kapacitance-tester og en ME632 dielektrisk tab-analyser, med temperatur kontrolleret af en KSP-015 højt temperaturaldringsovn. Tre temperaturniveauer—70 °C, 85 °C, og 100 °C—blev sat, med fem prøver testet på hvert niveau. Testproceduren fulgte IEC 60871-2, ved at anvende spændingsniveauet konstant under aldring for at simulere reelle driftsforhold.

1.2 Dielektrisk tab degraderingsadfærd

Under høje temperaturer viste dielektrisk tab (tanδ) en betydelig temperaturafhængighed. Ved 70 °C steg tan&δ; langsomt over tid, og forblev inden for driftsgrænser, hvilket indikerer stabil isolationsydeevne. Ved 85 °C accelererede stigningsraten, og kurvens hældning blev stejlere; nogle prøver oversteg standardgrænser i senere faser. Ved 100 °C steg tan&δ; skarpt med en stejl kurve, hvilket viser typiske karakteristika for termisk aldring.

1.3 Kapacitansvariation karakteristika

Temperaturstigning påvirkede signifikant kapacitansstabiliteten, med klart faseafhængig adfærd. Ved lave temperaturer forblev kapacitansafvigelsen inden for tilladte tolerancer, hvilket demonstrerer god stabilitet. I det mellemtemperaturområde begyndte kapacitansen at falde mærkbart, med afvigelse nær driftsgrænser. Under høje temperaturer faldt kapacitansen hurtigt, overskred tilladte afvigelse, hvilket indikerer accelereret forringelse.

2. Udvikling af levetidsforudsigelsesmodel
2.1 Analyse af ydeevnedrigningsdata

Ved sammenligning af degraderingsrater på forskellige temperaturniveauer blev forholdet mellem temperatur og accelerationsfaktoren analyseret. En omfattende fejlkode blev etableret baseret på nøgleparametre såsom dielektrisk tab, kapacitansafvigelse og isolationsmodstand. Resultaterne indikerede, at ydeevnedrigningen accelererede betydeligt under høje temperaturer, med accelerationsfaktoren, der viste en eksponentiel relation til temperaturen. Datafitting resulterede i en høj korrelationskoefficient, hvilket bekræfter stærk statistisk betydning. Arrhenius ligningen blev anvendt til at beregne accelerationsfaktoren, ved at inkorporere eksperimentelt afledt aktiveringsenergi og Boltzmanns konstant, og dermed etablere en kvantitativ temperatur-acceleration relation.

2.2 Anvendelse af Arrhenius model

Som vist i figur 1, blev eksperimentelle data fitted i et log-livslængde mod invers temperatur (1/T) koordinatsystem, hvilket resulterede i en stærk lineær korrelation. Hældningen af den fittede linje svarer til aktiveringsenergien EaEa (i kJ/mol), der repræsenterer energibarrieren for aldringsprocessen, og passer godt med teoretiske forventninger. En høj korrelationskoefficient bekræfter fremragende overensstemmelse mellem eksperimentelle data og Arrhenius model. 95% konfidensinterval analyse indikerer statistisk pålidelige forudsigelser. Eksperimentelle resultater viser, at inden for det testede temperaturinterval er hastigheden af ydeevnedrigning betydeligt eksponentielt relateret til temperatur. Baseret på livslængdedata ved forskellige temperaturpunkter blev en matematisk model, der relaterer temperatur og anvendelsesperiode, etableret.

2.3 Implementering af levetidsforudsigelse
Livetidsforudsigelsen er baseret på den kumulative skade-teori, der superponerer skadeeffekter under forskellige temperaturforhold. Forudsigelsesmetoden tager hensyn til faktorer som materialealdringshastighed, miljøtemperaturfluktuationer og belastningsvariationer. Driftscyklussen er inddelt i n tidsintervaller, hvor skaden i hvert interval bestemmes af driftstemperaturen og varigheden. Temperaturdata indsamles gennem et online overvågningssystem med et sampelinterval på 1 h for at sikre datakontinuitet og -nøjagtighed. De målte temperaturer indgår i Arrhenius ligningen for at beregne den ækvivalente driftstid for hvert interval. Den akkumulerede skade over alle intervaller resulterer i den forudsigede resterende anvendelsesperiode [4]. Forudsigelsesnøjagtigheden bekræftes ved hjælp af resultater fra accelereret aldringstest, med den gennemsnitlige afvigelse mellem modelberegninger og eksperimentelle data vedligeholdt inden for ±8%.

3. Anvendelse og verifikation
3.1 Analyse af forudsigelsesnøjagtighed

Forudsigelsesmodellen verificeres ved hjælp af en kombineret metode af accelereret aldringstest og reelle driftsdata. Flere batcher af effektkondensatorer med forskellige anvendelsesperioder blev valgt til ydeevnetest, og resultaterne blev sammenlignet med modelforudsigelser. Som vist i tabel 1, for 5-års driftsgruppen, er den målte gennemsnitlige levetid 4,8 år, og den forudsagte værdi er 5,2 år, hvilket giver en relativ fejl på 7,7%; for 8-års gruppen, er den målte værdi 7,6 år, og den forudsagte værdi er 8,3 år, med en relativ fejl på 8,4%; for 10-års gruppen, er den målte værdi 9,5 år, og den forudsagte værdi er 10,2 år, hvilket resulterer i en relativ fejl på 6,9%. Fejl kildeanalyse viser, at miljøtemperaturfluktuationer er den primære faktor, der påvirker forudsigelsesnøjagtigheden. Når daglige temperaturvariationer overstiger 20 °C, øges modelforudsigelsesfejlen til 12%. Desuden bidrager temperaturvariationer, forårsaget af belastningsvariationer, til en øget forudsigelsesfejl på 4,2%.

3.2 Ingeniør anvendelses anbefalinger

Som vist i tabel 2, når omgivelses temperaturen holdes under 75 °C, minker hastigheden af udstyr levetids forringelse med 58%. For hver 5 °C reduktion i installationsplads temperaturen, øges forventet anvendelses periode med 18,5%. Ved at forbedre ventilation, blev omgivelses temperaturen på teststedet reduceret med i gennemsnit 7,2 °C, hvilket resulterede i en 32% forbedring i stabiliteten af kondensator ydeevne parametre. Temperatur data fra online overvågningssystemet viser, at efter implementering af intelligent ventilation, faldt maksimal temperaturen omkring udstyret med 11,3 °C og gennemsnitlig temperaturen med 8,7 °C. Livetids forudsigelsesmodellen blev anvendt i en 500 kV understation i et år, og udstedte succesfuldt tidlig advarsel for seks potentielle fejl, hvilket øgede forebyggende vedligeholdelseseffektiviteten med 43%. Vedligeholdelses data analyse viser, at vedligeholdelses- og udskiftelsesbeslutninger baseret på model forudsigelser opnåede en nøjagtighed på 87%, hvilket repræsenterer en 35% forbedring over traditionelt tidbasert vedligehold. Modellstyret udstyr forvaltningsstrategi reducere vedligeholdelseskostnader med 27% og øge udstyr tilgængelighed med 15%.

4. Konklusion

Gennem systematiske accelereret aldringstests og dataanalyse afslører denne studie indflydelsen af højt temperaturmiljøer på ydeevnedrigningen af effektkondensatorer og etablerer en levetidsforudsigelsesmodel baseret på Arrhenius ligningen. Eksperimentelle resultater viser, at omgivelses temperaturen er en nøglefaktor, der påvirker kondensator levetiden: for hver 10 °C stigning i temperaturen, minker levetiden med 42,5% ± 2,5%. Kritiske ydeevne parametre som dielektrisk tab, kapacitans og isolationsmodstand viser betydelige forringingstrender med stigende temperatur. Den udviklede levetidsforudsigelsesmodel opnår en forudsigelsesnøjagtighed på over 90%, og giver en videnskabelig grundlag for vedligeholdelses- og udskiftelsesbeslutninger for effektkondensatorer.