Χαρακτηριστικά Μείωσης Απόδοσης και Πρόβλεψη Διάρκειας Ζωής των Ηλεκτρικών Καταθρεπτών σε Συνθήκες Υψηλών Θερμοκρασιών

Χαρακτηριστικά Κατάχρησης Απόδοσης και Πρόβλεψη Διάρκειας Ζωής των Ενεργειακών Καταναλωτών σε Συνθήκες Υψηλής Θερμοκρασίας

Με τη συνεχή επέκταση των συστημάτων παροχής ρεύματος και την αυξημένη ζήτηση φορτίου, η λειτουργική περιβάλλοντος των ηλεκτρικών εξοπλισμών έχει γίνει όλο και πιο περίπλοκο. Η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος έχει εμφανιστεί ως βασικός παράγοντας που επηρεάζει την αξιόπιστη λειτουργία των ενεργειακών καταναλωτών. Ως κρίσιμα συστατικά στοιχεία στα συστήματα μεταφοράς και διανομής ρεύματος, η κατάχρηση απόδοσης των ενεργειακών καταναλωτών επηρεάζει άμεσα την ασφάλεια και σταθερότητα του δικτύου. Σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, τα ηλεκτρικά διελεκτικά υλικά μέσα στους καταναλωτές γηράσκουν πιο γρήγορα, οδηγώντας σε σημαντική υποβάθμιση της ηλεκτρικής απόδοσης, μείωση της διάρκειας ζωής και πιθανά συστημικά προβλήματα.

1. Μελέτη των Χαρακτηριστικών Κατάχρησης Απόδοσης
1.1 Σύνθεση Πειράματος

Επιλέχθηκαν παράλληλοι ενεργειακοί καταναλωτές με ρευστική τάση 10 kV και ισχύ 100 kvar ως δείγματα δοκιμής, πληρούντας τις απαιτήσεις του GB/T 11024.1—2019, Παράλληλοι καταναλωτές για συστήματα εναλλασσόμενης ροής ρεύματος με ρευστική τάση πάνω από 1000 V – Μέρος 1: Γενικά. Το σύστημα δοκιμής περιελάμβανε ένα OMICRON CP TD1 διαβατήρα καταναλωτών και έναν ME632 αναλυτή διελεκτικών απωλειών, με τη θερμοκρασία να ελέγχεται από ένα KSP-015 διαμονητικό φρέαρ υψηλής θερμοκρασίας. Ορίστηκαν τρεις επίπεδα θερμοκρασίας—70 °C, 85 °C, και 100 °C—με πέντε δείγματα δοκιμής σε κάθε επίπεδο. Το διαδικαστικό ακολούθησε το IEC 60871-2, εφαρμόζοντας συνεχώς την ρευστική τάση για την προσομοίωση πραγματικών συνθηκών λειτουργίας.

1.2 Συμπεριφορά Κατάχρησης Διελεκτικών Απωλειών

Σε υψηλές θερμοκρασίες, οι διελεκτικές απώλειες (tanδ) εμφάνισαν σημαντική εξάρτηση από τη θερμοκρασία. Στα 70 °C, ο tan&δ; αυξήθηκε αργά με την πάροδο του χρόνου, παραμένοντας εντός των λειτουργικών ορίων, δείχνοντας σταθερή απόδοση απομόνωσης. Στα 85 °C, η ταχύτητα αύξησης επιταχύνθηκε, με την κλίση της καμπύλης να γίνεται πιο ξανθρωπημένη· κάποια δείγματα ξεπέρασαν τα πρότυπα ορία στα μεταγενέστερα στάδια. Στα 100 °C, ο tan&δ; αυξήθηκε αιφνιδιαστικά με μια ξανθρωπημένη καμπύλη, δείχνοντας τυπικά χαρακτηριστικά θερμικής γήρανσης.

1.3 Χαρακτηριστικά Μεταβολής Καταναλωτικότητας

Η αύξηση της θερμοκρασίας επηρεάζει σημαντικά τη σταθερότητα της καταναλωτικότητας, με σαφή συμπεριφορά που εξαρτάται από το στάδιο. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η απόκλιση της καταναλωτικότητας παρέμεινε εντός των επιτρεπτών ορίων, δείχνοντας καλή σταθερότητα. Στο μεσαίο εύρος θερμοκρασίας, η καταναλωτικότητα άρχισε να μειώνεται σημαντικά, με την απόκλιση να πλησιάζει τα λειτουργικά ορία. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η καταναλωτικότητα μειώθηκε γρήγορα, ξεπερνώντας τις επιτρεπτές αποκλίσεις, δείχνοντας επιταχυνμένη υποβάθμιση.

2. Ανάπτυξη Μοντέλου Πρόβλεψης Διάρκειας Ζωής
2.1 Ανάλυση Δεδομένων Κατάχρησης Απόδοσης

Μέσω της σύγκρισης των ταχύτητων κατάχρησης σε διαφορετικά επίπεδα θερμοκρασίας, αναλύθηκε η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και του παράγοντα επιτάχυνσης. Θεσπίστηκε ένα συντομευμένο κριτήριο αποτυχίας βασισμένο σε κλειδία παράμετρα, όπως οι διελεκτικές απώλειες, η απόκλιση της καταναλωτικότητας και η αντίσταση απομόνωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατάχρηση απόδοσης επιταχύνεται σημαντικά σε υψηλές θερμοκρασίες, με τον παράγοντα επιτάχυνσης να εμφανίζει εκθετική σχέση με τη θερμοκρασία. Η προσαρμογή δεδομένων έδωσε υψηλό συντελεστή συσχέτισης, επιβεβαιώνοντας μεγάλη στατιστική σημασία. Η εξίσωση Arrhenius χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του παράγοντα επιτάχυνσης, ενσωματώνοντας την πειραματικά προκύπτουσα ενεργειακή ενεργότητα και τη σταθερά Boltzmann, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια ποσοτική σχέση θερμοκρασίας-επιτάχυνσης.

2.2 Εφαρμογή του Μοντέλου Arrhenius

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, τα πειραματικά δεδομένα εντάχθηκαν σε ένα σύστημα συντεταγμένων log-διάρκειας ζωής vs. αντίστροφη θερμοκρασία (1/T), παράγοντας μια ισχυρή γραμμική σχέση. Η κλίση της ενταγμένης γραμμής αντιστοιχεί στην ενεργειακή ενεργότητα EaEa (σε kJ/mol), που αντιπροσωπεύει την ενεργειακή μπάριερα της διαδικασίας γήρανσης, και συμφωνεί καλά με τις θεωρητικές προσδοκίες. Ένας υψηλός συντελεστής συσχέτισης επιβεβαιώνει την εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των πειραματικών δεδομένων και του μοντέλου Arrhenius. Η ανάλυση του 95% εμπιστοσύνης δείχνει στατιστικά αξιόπιστες προβλέψεις. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι, στο ελεγχόμενο εύρος θερμοκρασίας, η ταχύτητα κατάχρησης απόδοσης είναι σημαντικά εκθετικά συνδεδεμένη με τη θερμοκρασία. Με βάση τα δεδομένα διάρκειας ζωής σε διαφορετικά σημεία θερμοκρασίας, δημιουργήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο που συνδέει τη θερμοκρασία και τη διάρκεια ζωής.

2.3 Εφαρμογή Πρόβλεψης Διάρκειας Ζωής
Η πρόβλεψη διάρκειας ζωής βασίζεται στη θεωρία της συσσωρευμένης βλάβης, η οποία συνθέτει τις επιπτώσεις βλάβης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η μέθοδος πρόβλεψης λαμβάνει υπόψη παράγοντες όπως η ταχύτητα γήρανσης των υλικών, τις κυμαίνονταις θερμοκρασίες του περιβάλλοντος και τις κυμαίνονταις φορτία. Ο κύκλος λειτουργίας χωρίζεται σε n διαστήματα, με τη βλάβη σε κάθε διάστημα να καθορίζεται από τη λειτουργική θερμοκρασία και τη διάρκεια. Τα δεδομένα θερμοκρασίας αποκτώνται μέσω ενός συστήματος τηλεπαρακολούθησης με διάστημα δείγματος 1 ώρα, για να εξασφαλίσει τη συνέχεια και ακρίβεια των δεδομένων. Οι μετρημένες θερμοκρασίες εισάγονται στην εξίσωση Arrhenius για τον υπολογισμό της ισοδύναμης λειτουργικής διάρκειας για κάθε διάστημα. Η συσσωρευμένη βλάβη σε όλα τα διαστήματα παράγει την προβλεπόμενη υπόλοιπη διάρκεια ζωής [4]. Η ακρίβεια της πρόβλεψης επαληθεύεται με τα αποτελέσματα των πειραμάτων επιταχυνμένης γήρανσης, με τη μέση απόκλιση μεταξύ των υπολογισμών του μοντέλου και των πειραματικών δεδομένων να διατηρείται εντός ±8%.

3. Εφαρμογή και Επαλήθευση
3.1 Ανάλυση Ακρίβειας Πρόβλεψης

Το μοντέλο πρόβλεψης επαληθεύεται με ένα συνδυασμένο προσέγγιση πειραμάτων επιταχυνμένης γήρανσης και πραγματικών δεδομένων λειτουργίας. Επιλέγονται πολλαπλά πακέτα ενεργειακών καταναλωτών με διαφορετικές διαρκείες λειτουργίας για δοκιμές απόδοσης, και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τις προβλέψεις του μοντέλου. Όπως φαίνεται στο Πίνακα 1, για την ομάδα 5-ετίας λειτουργίας, η μέτρημα μέσης διάρκειας ζωής είναι 4.8 χρόνια και η πρόβλεψη είναι 5.2 χρόνια, παράγοντας σχετικό σφάλμα 7.7%; για την ομάδα 8-ετίας, η μέτρημα είναι 7.6 χρόνια και η πρόβλεψη είναι 8.3 χρόνια, με σχετικό σφάλμα 8.4%; για την ομάδα 10-ετίας, η μέτρημα είναι 9.5 χρόνια και η πρόβλεψη είναι 10.2 χρόνια, παράγοντας σχετικό σφάλμα 6.9%. Η ανάλυση των πηγών σφάλματος δείχνει ότι οι κυμαίνονταις θερμοκρασίες του περιβάλλοντος είναι ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει την ακρίβεια της πρόβλεψης. Όταν η ημερήσια κυμαίνονταις θερμοκρασίας ξεπερνά τα 20 °C, το σφάλμα πρόβλεψης του μοντέλου αυξάνεται στο 12%. Επιπλέον, οι κυμαίνονταις θερμοκρασίες λόγω κυμαίνονταις φορτίων συνεισφέρουν σε αύξηση του σφάλματος πρόβλεψης κατά 4.2%.

3.2 Συστάσεις Εφαρμογής Μηχανικής

Όπως φαίνεται στον Πίνακα 2, όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος διατηρείται κάτω από 75 °C, η ταχύτητα κατάχρησης διάρκειας ζωής του εξοπλισμού μειώνεται κατά 58%. Για κάθε μείωση 5 °C της θερμοκρασίας του τόπου εγκατάστασης, η προσδοκώμενη διάρκεια ζωής αυξάνεται κατά 18.5%. Με τη βελτίωση της αεροποίησης, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος στον τόπο δοκιμής μειώθηκε κατά μέσο όρο 7.2 °C, έχοντας ως αποτέλεσμα 32% βελτίωση στη σταθερότητα των παραμέτρων απόδοσης των καταναλωτών. Τα δεδομένα θερμοκρασίας από το σύστημα τηλεπαρακολούθησης δείχνουν ότι, μετά την εφαρμογή της νοημονικής αεροποίησης, η μέγιστη θερμοκρασία γύρω από τον εξοπλισμό μειώθηκε κατά 11.3 °C και η μέση θερμοκρασία κατά 8.7 °C. Το μοντέλο πρόβλεψης διάρκειας ζωής εφαρμόστηκε σε ένα 500 kV υποσταθμό για ένα έτος, εκδίδοντας επιτυχώς προειδοποιήσεις για έξι πιθανές αποτυχίες, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της προληπτικής συντήρησης κατά 43%. Η ανάλυση των δεδομένων συντήρησης δείχνει ότι οι αποφάσεις συντήρησης και αντικατάστασης με βάση τις προβλέψεις του μοντέλου επέτυχαν ακρίβεια 87%, παρουσιάζοντας 35% βελτίωση σε σχέση με την παραδοσιακή συντήρηση με βάση το