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

ویژگی‌های تضعیف عملکرد و پیش‌بینی عمر کندانسورهای قدرت در شرایط دما بالا

با افزایش مداوم سیستم‌های قدرت و نیازهای بار، محیط کاری تجهیزات الکتریکی به طور چشمگیری پیچیده‌تر شده است. افزایش دمای محیط به عنوان عامل کلیدی تأثیرگذار بر عملکرد قابل اعتماد کندانسورهای قدرت ظاهر شده است. به عنوان اجزای مهم در سیستم‌های انتقال و توزیع قدرت، تضعیف عملکرد کندانسورهای قدرت به طور مستقیم بر ایمنی و ثبات شبکه تأثیر می‌گذارد. در شرایط دمای بالا، مواد دی‌الکتریک داخل کندانسورها به سرعت قدیمی‌تر می‌شوند، که منجر به تضعیف قابل توجه در عملکرد الکتریکی، کوتاه شدن عمر مفید و حتی خرابی‌های سیستمی می‌شود.

1. مطالعه روی ویژگی‌های تضعیف عملکرد
1.1 راه‌اندازی آزمایشی

کندانسورهای قدرت موازی با ولتاژ اسمی 10 کیلوولت و ظرفیت 100 کیلووار به عنوان نمونه‌های آزمایشی انتخاب شدند که با الزامات GB/T 11024.1-2019، کندانسورهای موازی برای سیستم‌های قدرت جریان متناوب با ولتاژ اسمی بالاتر از 1000 V - بخش 1: عمومی مطابقت دارند. سیستم آزمایش شامل یک دستگاه تست ظرفیت OMICRON CP TD1 و یک آنالیزر زیان دی‌الکتریک ME632 بود، با کنترل دما توسط یک کابین قدیمی‌سازی دمای بالا KSP-015. سه سطح دما 70 °C، 85 °C و 100 °C تنظیم شد، با پنج نمونه در هر سطح. روش آزمایش IEC 60871-2 را دنبال کرد، با اعمال ولتاژ اسمی به طور مداوم در طول قدیمی‌سازی برای شبیه‌سازی شرایط عملیاتی واقعی.

1.2 رفتار تضعیف زیان دی‌الکتریک

در دماهای بالا، زیان دی‌الکتریک (tanδ) وابستگی قابل توجهی به دما نشان داد. در 70 °C، tanδ به طور آهسته با گذشت زمان افزایش یافت و در محدوده عملیاتی باقی ماند، نشان‌دهنده عملکرد عایق‌بندی پایدار. در 85 °C، نرخ افزایش تسریع یافت، با شیب منحنی تندتر؛ برخی نمونه‌ها در مرحله آخر محدوده استاندارد را تجاوز کردند. در 100 °C، tanδ با شیب تند افزایش یافت، نشان‌دهنده ویژگی‌های معمول قدیمی‌سازی حرارتی.

1.3 ویژگی‌های تغییر ظرفیت

افزایش دما به طور قابل توجهی بر پایداری ظرفیت تأثیر گذاشت، با رفتار وابسته به مرحله. در دماهای 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 دماهای بالا، ظرفیت به سرعت کاهش یافت و محدوده انحراف مجاز را تجاوز کرد، نشان‌دهنده تضعیف تسریع یافته.

2. توسعه مدل پیش‌بینی عمر
2.1 تحلیل داده‌های تضعیف عملکرد

با مقایسه نرخ‌های تضعیف در سطوح دمای مختلف، رابطه بین دما و فاکتور شتاب تحلیل شد. معیار شکست جامع بر اساس پارامترهای کلیدی مانند زیان دی‌الکتریک، انحراف ظرفیت و مقاومت عایق‌بندی ایجاد شد. نتایج نشان داد که تضعیف عملکرد به طور قابل توجهی در دماهای بالا شتاب یافت، با فاکتور شتاب دارای رابطه نمایی با دما. برازش داده‌ها ضریب همبستگی بالایی را نتیجه داد که اعتبار آماری قوی را تأیید کرد. از معادله آرنیوس برای محاسبه فاکتور شتاب استفاده شد، با ترکیب انرژی فعالیت مشتق شده از آزمایش و ثابت بولتزمن، بنابراین یک رابطه کمی دما-شتاب ایجاد شد.

2.2 کاربرد مدل آرنیوس

همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است، داده‌های آزمایشی در یک سیستم مختصات لگاریتم عمر-معکوس دما (1/T) برازش شدند، که همبستگی خطی قوی را نتیجه داد. شیب خط برازش شده به انرژی فعالیت EaEa (در kJ/mol)، نماینده مانع انرژی فرآیند قدیمی‌سازی، و با انتظارات نظری مطابقت دارد. ضریب همبستگی بالا تأیید می‌کند که داده‌های آزمایشی با مدل آرنیوس تطابق خوبی دارند. تحلیل فاصله اطمینان 95% پیش‌بینی‌های آماری قابل اعتماد را نشان می‌دهد. نتایج آزمایشی نشان می‌دهد که در محدوده دماهای آزمایشی، نرخ تضعیف عملکرد به طور قابل توجهی با دما رابطه نمایی دارد. 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 آسیب تجمعی است که تأثیرات آسیب در شرایط دماهای مختلف را ترکیب می‌کند. روش پیش‌بینی به طور جامع عواملی مانند نرخ قدیمی‌سازی ماده، نوسانات دما محیطی و تغییرات بار را در نظر می‌گیرد. چرخه عملیاتی به n بازه زمانی تقسیم می‌شود، با آسیب در هر بازه توسط دما و مدت زمان عملیات تعیین می‌شود. داده‌های دما از طریق یک سیستم مانیتورینگ آنلاین با بازه نمونه‌برداری 1 ساعت به دست می‌آید تا اطمینان از پیوستگی و دقت داده‌ها حاصل شود. دماهای اندازه‌گیری شده به معادله آرنیوس وارد می‌شوند تا زمان عملیاتی معادل برای هر بازه محاسبه شود. آسیب تجمعی در تمام بازه‌ها عمر مانده پیش‌بینی شده را نتیجه می‌دهد [4]. دقت پیش‌بینی با استفاده از نتایج آزمایش‌های قدیمی‌سازی شتابی معتبر 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 قدیمی‌سازی شتابی و داده‌های عملیاتی واقعی تأیید شد. چند دسته از کندانسورهای قدرت با مدت‌های مختلف خدمت انتخاب شدند برای آزمایش عملکرد 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 است، با خطای نسبی 7.7٪؛ برای گروه 8 ساله، مقدار اندازه‌گیری شده 7.6 سال و مقدار پیش‌بینی شده 8.3 سال است، با خطای نسبی 8.4٪؛ برای گروه 10 ساله، مقدار اندازه‌گیری شده 9.5 سال و مقدار پیش‌بینی شده 10.2 سال است، با خطای نسبی 6.9٪. تحلیل منبع خطا نشان می‌دهد که نوسانات دمای محیطی عامل اصلی تأثیرگذار بر دقت پیش‌بینی است. وقتی نوسان دما روزانه بیش از 20 °C باشد، خطای پیش‌بینی مدل به 12٪ افزایش می‌یابد. علاوه بر این، نوسانات دما ناشی از تغییرات بار به افزایش خطای پیش‌بینی به میزان 4.2٪ کمک می‌کند.

3.2 توصیه‌های کاربرد مهندسی

همان‌طور که در جدول 2 نشان داده شده است، وقتی دمای محیط زیر 75 °C نگهداری شود، نرخ تضعیف 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 محیط در محل آزمایش به طور میانگین 7.2 °C کاهش یافت، که منجر به بهبود 32٪ در پایداری پارامترهای عملکرد کندانسور شد. داده‌های دما از سیستم مانیتورینگ آنلاین نشان می‌دهد 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 زیرстан 500 کیلوولت برای یک سال اعمال شد، با موفقیت هشدارهای مقدماتی برای شش شکست پتانسیل صادر کرد و کارایی نگهداری پیشگیرانه را 43٪ افزایش داد. تحلیل داده‌های نگهداری نشان می‌دهد که تصمیمات نگهداری و تعویض بر اساس پیش‌بینی‌های مدل 87٪ دقت داشتند، که 35٪ بهبود نسبت به نگهداری مبتنی بر زمان است. استراتژی مدیریت تجهیزات مبتنی بر مدل هزینه‌های نگهداری را 27٪ کاهش داد و دسترسی تجهیزات را 15٪ افزایش داد.

4. نتیجه‌گیری

از طریق آزمایش‌های سیستماتیک قدیمی‌سازی شتابی و تحلیل داده‌ها، این مطالعه تأثیر محیط‌های دمای بالا بر تضعیف عملکرد کندانسورهای قدرت را آشکار می‌کند و یک مدل پیش‌بینی عمر بر اساس معادله آرنیوس ایجاد می‌کند. نتایج آزمایشی نشان می‌دهد که دمای محیط عامل کلیدی تأثیرگذار بر عمر کندانسور است: برای هر 10 °C افزایش در دما، عمر مفید 42.5٪±2.5٪ کاهش می‌یابد. پارامترهای عملکردی کلیدی مانند زیان دی‌الکتریک، ظرفیت و مقاومت عایق‌بندی روندهای تضعیف قابل توجهی با افزایش دما نشان می‌دهند. مدل پیش‌بینی عمر توسعه یافته دقت بیش از 90٪ دارد و پایه علمی برای تصمیمات نگهداری و تعویض کندانسورهای قدرت ارائه می‌دهد.