Características da degradación do rendemento e predición da vida útil dos condensadores de potencia en condicións de alta temperatura

Características de degradación do rendemento e predición da vida útil dos condensadores de potencia en condicións de alta temperatura

Con a expansión continua dos sistemas de potencia e o aumento da demanda de carga, o entorno operativo do equipo eléctrico tornouse cada vez máis complexo. O aumento da temperatura ambiente emerxu como un factor clave que afecta á operación fiable dos condensadores de potencia. Como compoñentes críticos nos sistemas de transmisión e distribución de potencia, a degradación do rendemento dos condensadores de potencia impacta directamente na seguridade e estabilidade da rede. En condicións de alta temperatura, os materiais dieléctricos dentro dos condensadores envelecen máis rapidamente, provocando un deterioro significativo no rendemento eléctrico, unha vida útil acortada e, potencialmente, fallos do sistema.

1. Estudo das características de degradación do rendemento
1.1 Configuración experimental

Foron seleccionados condensadores de potencia paralelos con unha tensión nominal de 10 kV e unha capacidade de 100 kvar como mostras de proba, cumpriendo os requisitos do GB/T 11024.1—2019, Condensadores de derivación para sistemas de corrente alternativa con tensión nominal superior a 1000 V – Parte 1: Xeral. O sistema de proba incluía un probador de capacitancia OMICRON CP TD1 e un analizador de perdas dieléctricas ME632, coa temperatura controlada por unha cámara de envellecemento a alta temperatura KSP-015. Foron establecidos tres niveis de temperatura—70 °C, 85 °C e 100 °C—con cinco mostras probadas en cada nivel. O procedemento de proba seguiu o IEC 60871-2, aplicando a tensión nominal de forma continua durante o envellecemento para simular as condicións reais de operación.

1.2 Comportamento de degradación das perdas dieléctricas

En altas temperaturas, as perdas dieléctricas (tanδ) mostraron unha dependencia significativa da temperatura. A 70 °C, tanδ aumentou lentamente ao longo do tempo, permanecendo dentro dos límites operativos, indicando un rendemento de aislamento estable. A 85 °C, a taxa de aumento acelerouse, coa pendente da curva volvéndose máis pronunciada; algúns mostras superaron os límites estándar nas etapas finais. A 100 °C, tanδ aumentou de forma aguda con unha curva pronunciada, mostrando características típicas de envellecemento térmico.

1.3 Características de variación da capacitancia

O aumento da temperatura afectou significativamente a estabilidade da capacitancia, con un comportamento claramente dependente do estado. A temperaturas baixas, a desviación da capacitancia permaneceu dentro das tolerancias permitidas, demostrando boa estabilidade. No rango de temperaturas medias, a capacitancia comezou a decrescer notablemente, coa desviación aproximándose aos límites operativos. A altas temperaturas, a capacitancia diminuíu rapidamente, superando a desviación permitida, indicando un deterioro acelerado.

2. Desenvolvemento do modelo de predición da vida útil
2.1 Análise de datos de degradación do rendemento

Comparando as taxas de degradación en diferentes niveis de temperatura, analizóuse a relación entre a temperatura e o factor de aceleración. Establecéronse criterios de falla comprehensivos baseados en parámetros clave como as perdas dieléctricas, a desviación da capacitancia e a resistencia de aislamento. Os resultados indicaron que a degradación do rendemento acelerouse significativamente en altas temperaturas, co factor de aceleración mostrando unha relación exponencial coa temperatura. A axuste de datos obtivo un coeficiente de correlación alto, confirmando unha significancia estatística forte. A ecuación de Arrhenius foi empregada para calcular o factor de aceleración, incorporando a enerxía de activación derivada experimentalmente e a constante de Boltzmann, establecendo así unha relación cuantitativa entre a temperatura e a aceleración.

2.2 Aplicación do modelo de Arrhenius

Como se mostra na Figura 1, os datos experimentais foron axustados nun sistema de coordenadas de log-lifetime contra inversa da temperatura (1/T), obteñendo unha fuerte correlación linear. A pendente da liña axustada corresponde á enerxía de activación EaEa (en kJ/mol), representando a barreira de enerxía do proceso de envellecemento, e alíneas ben coas expectativas teóricas. Un coeficiente de correlación alto confirma unha excelente concordancia entre os datos experimentais e o modelo de Arrhenius. A análise do intervalo de confianza do 95% indica previsións estatisticamente fiáveis. Os resultados experimentais amosan que, dentro do rango de temperaturas probado, a taxa de degradación do rendemento está significativamente relacionada de forma exponencial coa temperatura. Basándose en datos de vida útil a diferentes puntos de temperatura, establecéronse un modelo matemático que relaciona a temperatura e a vida útil.

2.3 Implementación da predición da vida útil
A predición da vida útil basease na teoría do dano acumulado, que superposición os efectos de dano en diferentes condicións de temperatura. O método de predición considera comprehensivamente factores como a taxa de envellecemento do material, as fluctuacións de temperatura ambiental e as variacións de carga. O ciclo de operación divídese en n intervalos de tempo, co dano en cada intervalo determinado pola temperatura de operación e a duración. Os datos de temperatura adquiríronse mediante un sistema de monitorización en liña con un intervalo de muestreo de 1 h para asegurar a continuidade e precisión dos datos. As temperaturas medidas introducíronse na ecuación de Arrhenius para calcular o tempo de operación equivalente para cada intervalo. O dano acumulado en todos os intervalos proporciona a vida útil restante prevista [4]. A precisión da predición validouse usando resultados de probas de envellecemento acelerado, mantendo a desviación media entre os cálculos do modelo e os datos experimentais dentro de ±8%.

3. Aplicación e verificación
3.1 Análise da precisión da predición

O modelo de predición verificouse utilizando un enfoque combinado de probas de envellecemento acelerado e datos de operación real. Foron seleccionados varios lotes de condensadores de potencia con diferentes períodos de servizo para probas de rendemento, e os resultados comparáronse coas prediccións do modelo. Como se mostra na Táboa 1, para o grupo de 5 anos de operación, a vida útil media medida é de 4.8 anos e o valor previsto é de 5.2 anos, resultando en un erro relativo do 7.7%; para o grupo de 8 anos, o valor medido é de 7.6 anos e o valor previsto é de 8.3 anos, con un erro relativo do 8.4%; para o grupo de 10 anos, o valor medido é de 9.5 anos e o valor previsto é de 10.2 anos, resultando en un erro relativo do 6.9%. A análise das fontes de erro amosa que as fluctuacións de temperatura ambiental son o factor principal que afecta a precisión da predición. Cando a variación diaria da temperatura supera os 20 °C, o erro de predición do modelo aumenta ao 12%. Ademais, as fluctuacións de temperatura causadas polas variacións de carga contribúen a un aumento do erro de predición polo 4.2%.

3.2 Recomendacións para a aplicación en xénie

Como se mostra na Táboa 2, cando a temperatura ambiente se mantiñe abaixo dos 75 °C, a taxa de degradación da vida útil do equipo diminúe polo 58%. Por cada 5 °C de redución na temperatura do lugar de instalación, a vida útil esperada aumenta polo 18.5%. Melorando a ventilación, a temperatura ambiente no local de proba reduciuse en media por 7.2 °C, resultando nunha mellora do 32% na estabilidade dos parámetros de rendemento dos condensadores. Os datos de temperatura do sistema de monitorización en liña indican que, tras implementar a ventilación intelixente, a temperatura máxima arredor do equipo diminuíu en 11.3 °C e a temperatura media en 8.7 °C. O modelo de predición da vida útil aplicouse en unha subestación de 500 kV durante un ano, emitindo con éxito alertas anticipadas para seis fallos potenciais, aumentando a eficiencia da manutención preventiva polo 43%. A análise dos datos de manutención amosa que as decisións de manutención e substitución baseadas nas prediccións do modelo lograron unha precisión do 87%, representando unha mellora do 35% respecto á manutención basada en tempo. A estratexia de xestión do equipo guiada polo modelo reduciu os custos de manutención polo 27% e aumentou a dispoñibilidade do equipo polo 15%.

4. Conclusión

A través de probas sistemáticas de envellecemento acelerado e análise de datos, este estudio revela a influencia dos entornos de alta temperatura na degradación do rendemento dos condensadores de potencia e establece un modelo de predición da vida útil baseado na ecuación de Arrhenius. Os resultados experimentais amosan que a temperatura ambiente é un factor clave que afecta a vida útil dos condensadores: por cada aumento de 10 °C na temperatura, a vida útil diminúe polo 42.5% ± 2.5%. Parámetros de rendemento críticos como as perdas dieléctricas, a capacitancia e a resistencia de aislamento mostran tendencias de degradación significativas co aumento da temperatura. O modelo de predición da vida útil desenvolvido logra unha precisión de predición superior ao 90%, proporcionando unha base científica para as decisións de manutención e substitución dos condensadores de potencia.