ویژگی‌های کاهش عملکرد و پیش‌بینی طول عمر خازن‌های قدرت در شرایط دمای بالا

ویژگی‌های کاهش عملکرد و پیش‌بینی عمر مخازن برق در شرایط دما بالا

با افزایش مداوم سیستم‌های برق و تقاضای بار، محیط کاری تجهیزات الکتریکی به طور مداوم پیچیده‌تر می‌شود. افزایش دمای محیط به عنوان عامل کلیدی تأثیرگذار بر عملکرد قابل اعتماد مخازن برق ظاهر شده است. به عنوان مؤلفه‌های حیاتی در سیستم‌های انتقال و توزیع برق، کاهش عملکرد مخازن برق به طور مستقیم بر امنیت و ثبات شبکه تأثیر می‌گذارد. در شرایط دمای بالا، مواد دی الکتریک داخل مخازن برق به سرعت تولید سن می‌کنند که منجر به کاهش قابل توجه در عملکرد الکتریکی، کوتاه شدن عمر مفید و حتی خرابی سیستم می‌شود.

1. مطالعه روی ویژگی‌های کاهش عملکرد
1.1 تنظیم آزمایش

مخازن برق موازی با ولتاژ اسمی 10 کیلوولت و ظرفیت 100 کیلووار به عنوان نمونه‌های آزمون انتخاب شدند که با الزامات GB/T 11024.1-2019، مخازن برق موازی برای سیستم‌های توان متناوب با ولتاژ اسمی بالاتر از 1000 V - بخش 1: عمومی مطابقت داشتند. سیستم آزمون شامل تست‌کننده ظرفیت OMICRON CP TD1 و آنالیزگر زیان دی الکتریک ME632 بود، با کنترل دما توسط کابین سنگین‌سازی دما بالا KSP-015. سه سطح دما - 70 °C، 85 °C و 100 °C - تنظیم شدند، با پنج نمونه در هر سطح. روش آزمون IEC 60871-2 را دنبال کرد، با اعمال ولتاژ اسمی به طور مداوم در طول سنگین‌سازی برای شبیه‌سازی شرایط عملیاتی واقعی.

1.2 رفتار کاهش زیان دی الکتریک

در دمای بالا، زیان دی الکتریک (tanδ) وابستگی دمایی قابل توجهی نشان داد. در 70 °C، tanδ به تدریج در طول زمان افزایش یافت، همچنان در محدوده عملیاتی باقی ماند، نشان‌دهنده عملکرد عایق‌بندی پایدار. در 85 °C، نرخ افزایش تسریع شد، با شیب منحنی تندتر؛ برخی نمونه‌ها در مرحله آخر محدوده استاندارد را تجاوز کردند. در 100 °C، tanδ به طور قابل توجهی افزایش یافت با منحنی تند، نشان‌دهنده ویژگی‌های معمول سنگین‌سازی حرارتی.

1.3 ویژگی‌های تغییر ظرفیت

افزایش دما به طور قابل توجهی بر پایداری ظرفیت تأثیر گذاشت، با رفتار وابسته به مرحله. در دمای پایین، انحراف ظرفیت در محدوده تحمل مجاز باقی ماند، نشان‌دهنده پایداری خوب. در محدوده دمای متوسط، ظرفیت به طور قابل توجهی کاهش یافت، با انحراف نزدیک به محدوده عملیاتی. در دمای بالا، ظرفیت به سرعت کاهش یافت، فراتر از انحراف مجاز، نشان‌دهنده تسریع در تخریب.

2. توسعه مدل پیش‌بینی عمر
2.1 تجزیه و تحلیل داده‌های کاهش عملکرد

با مقایسه نرخ‌های کاهش در سطوح دمای مختلف، رابطه بین دما و عامل تسریع تحلیل شد. معیار شکست جامع بر اساس پارامترهای کلیدی مانند زیان دی الکتریک، انحراف ظرفیت و مقاومت عایق‌بندی ایجاد شد. نتایج نشان داد که کاهش عملکرد به طور قابل توجهی در دمای بالا تسریع می‌یابد، با عامل تسریع نشان‌دهنده رابطه نمایی با دما. برازش داده‌ها ضریب همبستگی بالایی را نتیجه داد، تأیید قابلیت آماری قوی. از معادله آرنیوس برای محاسبه عامل تسریع استفاده شد، با اضافه کردن انرژی فعالیت مشتق شده از آزمایش و ثابت Больцман، بنابراین رابطه کمی دما-تسریع ایجاد شد.

2.2 کاربرد مدل آرنیوس

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، داده‌های آزمایشی در یک سیستم مختصات زمان عمر لگاریتمی-دما وارون (1/T) برازش شدند، با نشان دادن همبستگی خطی قوی. شیب خط برازش شده به انرژی فعالیت EaEa (به کیلوژول/مول)، نماینده مانع انرژی فرآیند سنگین‌سازی، و با انتظارات نظری مطابقت دارد. ضریب همبستگی بالا تأیید تطابق عالی بین داده‌های آزمایشی و مدل آرنیوس را نشان می‌دهد. تحلیل بازه اطمینان 95% پیش‌بینی‌های آماری قابل اعتماد را نشان می‌دهد. نتایج آزمایشی نشان می‌دهند که در محدوده دمای آزمایشی، نرخ کاهش عملکرد به طور قابل توجهی به صورت نمایی با دما مرتبط است. بر اساس داده‌های عمر در نقاط دمای مختلف، یک مدل ریاضی مرتبط با دما و عمر مفید ایجاد شد.

2.3 اجرای پیش‌بینی عمر
پیش‌بینی عمر بر اساس نظریه تلفات تجمعی است که تأثیرات تلفات در شرایط دمای مختلف را ترکیب می‌کند. روش پیش‌بینی به طور جامع عواملی مانند نرخ تولید سن مواد، نوسانات دمای محیطی و تغییرات بار را در نظر می‌گیرد. چرخه عملیاتی به n بازه زمانی تقسیم می‌شود، با تعیین تلفات در هر بازه توسط دما و مدت زمان عملیاتی. داده‌های دما از طریق سیستم نظارت آنلاین با بازه نمونه‌برداری 1 ساعت به دست می‌آیند تا اطمینان از پیوستگی و دقت داده‌ها. دماهای اندازه‌گیری شده به معادله آرنیوس وارد می‌شوند تا زمان عملیاتی هم‌ارز برای هر بازه محاسبه شود. تلفات تجمعی در تمام بازه‌ها عمر مفید باقی‌مانده را پیش‌بینی می‌کند [4]. دقت پیش‌بینی با استفاده از نتایج آزمایش‌های سنگین‌سازی سریع تأیید شد، با میانگین انحراف بین محاسبات مدل و داده‌های آزمایشی در محدوده ±8%.

3. کاربرد و تأیید
3.1 تحلیل دقت پیش‌بینی

مدل پیش‌بینی با استفاده از روش ترکیبی آزمایش‌های سنگین‌سازی سریع و داده‌های عملیاتی واقعی تأیید شد. چند دسته از مخازن برق با مدت‌های خدمت متفاوت برای آزمایش عملکرد انتخاب شدند و نتایج با پیش‌بینی‌های مدل مقایسه شد. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، برای گروه 5 ساله، میانگین عمر اندازه‌گیری شده 4.8 سال و مقدار پیش‌بینی شده 5.2 سال بود، با خطای نسبی 7.7%؛ برای گروه 8 ساله، مقدار اندازه‌گیری شده 7.6 سال و مقدار پیش‌بینی شده 8.3 سال بود، با خطای نسبی 8.4%؛ برای گروه 10 ساله، مقدار اندازه‌گیری شده 9.5 سال و مقدار پیش‌بینی شده 10.2 سال بود، با خطای نسبی 6.9%. تحلیل منبع خطا نشان داد که نوسانات دمای محیطی عامل اصلی تأثیرگذار بر دقت پیش‌بینی هستند. وقتی نوسان دما روزانه بیش از 20 °C است، خطای پیش‌بینی مدل به 12% افزایش می‌یابد. علاوه بر این، نوسانات دما ناشی از تغییرات بار منجر به افزایش خطای پیش‌بینی به 4.2% می‌شود.

3.2 توصیه‌های کاربرد مهندسی

همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، وقتی دمای محیطی زیر 75 °C حفظ می‌شود، نرخ تخریب عمر تجهیزات 58% کاهش می‌یابد. برای هر 5 °C کاهش در دمای محل نصب، عمر مورد انتظار 18.5% افزایش می‌یابد. با بهبود تهویه، دمای محیطی محل آزمون به طور میانگین 7.2 °C کاهش یافت، که منجر به بهبود 32% در پایداری پارامترهای عملکرد مخازن برق شد. داده‌های دما از سیستم نظارت آنلاین نشان می‌دهند که پس از اجرای تهویه هوشمند، دمای حداکثر حول تجهیزات 11.3 °C و دمای میانگین 8.7 °C کاهش یافت. مدل پیش‌بینی عمر در یک زیراستانیون 500 kV برای یک سال اجرا شد، با موفقیت هشدارهای مقدماتی برای شش شکست پتانسیل ارسال شد، کارایی نگهداری پیشگیرانه را 43% افزایش داد. تحلیل داده‌های نگهداری نشان می‌دهد که تصمیمات نگهداری و جایگزینی بر اساس پیش‌بینی‌های مدل دقت 87% داشتند، که 35% بهبود نسبت به نگهداری مبتنی بر زمان است. استراتژی مدیریت تجهیزات هدایت شده توسط مدل نگهداری را 27% کاهش داد و در دسترس بودن تجهیزات را 15% افزایش داد.

4. نتیجه‌گیری

این مطالعه با استفاده از آزمایش‌های سیستماتیک سنگین‌سازی سریع و تحلیل داده‌ها، تأثیر محیط‌های دمای بالا بر کاهش عملکرد مخازن برق را آشکار کرده و یک مدل پیش‌بینی عمر بر اساس معادله آرنیوس ایجاد کرده است. نتایج آزمایشی نشان می‌دهند که دمای محیطی عامل کلیدی تأثیرگذار بر عمر مخازن برق است: برای هر 10 °C افزایش در دما، عمر مفید 42.5%±2.5% کاهش می‌یابد. پارامترهای عملکردی کلیدی مانند زیان دی الکتریک، ظرفیت و مقاومت عایق‌بندی با افزایش دما روند کاهش قابل توجهی نشان می‌دهند. مدل پیش‌بینی عمر توسعه یافته دقت بیش از 90% دارد، که یک پایه علمی برای تصمیمات نگهداری و جایگزینی مخازن برق ارائه می‌دهد.