מאפייני ירידה ביעילות והערכה של תוחלת חיים של קונדנסטורי כוח בתנאי טמפרטורה גבוהה
מאפייני ירידה ביעילות ותחזיות חיים של קונדנסטורים חשמליים בתנאים של טמפרטורה גבוהה
עם ההתרחבות המתמשכת של מערכות החשמל והדרישה הגוברת ל עומס, סביבת הפעולה של ציוד חשמלי הפכה מורכבת יותר ויותר. עלייה בטמפרטורת הסביבה התגלתה כגורם מפתח המשפיע על הפעולה המבוססת של קונדנסטורים חשמליים. כרכיבים קריטיים במערכות העברת חשמל ובהתפלגות, ירידת הביצועים של קונדנסטורים חשמליים משפיעה ישירות על הבטיחות והיציבות של הרשת. בתנאי טמפרטורה גבוהה, חומרי הדיאלקטרי בתוך הקונדנסטורים מתבגרים מהר יותר, מה שמביא להחמרה משמעותית בביצועים החשמליים, לקיצור תוחלת החיים ולכישלונות אפשריים של המערכת.
1. מחקר מאפייני ירידה בביצועים
1.1 התקנת ניסוי
נבחרו קונדנסטורים חשמליים מקבילים עם מתח דירוג של 10 kV וקיבולת של 100 kvar כדוגמאות בניסוי, בהתאם לדרישות של GB/T 11024.1—2019, קונדנסטורים מקבילים למערכות חשמל חילופין עם מתח דירוג מעל 1000 V – חלק 1: כללי. מערכת הניסוי כללה מדידת קיבול CP TD1 של OMICRON ומדידת אובדן דיאלקטרי ME632, עם בקרה על הטמפרטורה באמצעות תא הזדקנות בטמפרטורה גבוהה KSP-015. הוגדרו שלוש רמות טמפרטורה — 70 °C, 85 °C ו-100 °C — עם חמש דגימות שנבדקו ברמה אחת. תהליך הניסוי עוקב אחרי IEC 60871-2, תוך שימוש במתח הדירוג באופן מתמיד במהלך הזדקנות כדי לשכפל את תנאי הפעילות האמיתיים.
1.2 התנהגות אובדן דיאלקטרי
בתנאי טמפרטורה גבוהה, אובדן הדיאלקטרי (tanδ) הציג תלות טמפרטורה משמעותית. בטמפרטורה של 70 °C, tanδ עלה לאט לאורך זמן, תוך שמירה על גבולות הפעילות, מה שהצביע על יציבות ההצמדה. בטמפרטורה של 85 °C, קצב העלייה התגבר, עם עקומה בעלת שיפוע תלול יותר; חלק מהדגימות עברו את הגבולות הסטנדרטיים בשלבים מאוחרים. בטמפרטורה של 100 °C, tan&δ עלה במהירות עם עקומה תלולה, המראה מאפיינים טיפוסיים של הזדקנות טermal.
1.3 מאפייני שינוי קיבול
עליית הטמפרטורה השפיעה משמעותית על יציבות הקיבול, עם התנהגות תלויה בשלבים. בטמפרטורות נמוכות, סטיות הקיבול נותרו בגבולות הסובלנות, ומראות יציבות טובה. בתחום הטמפרטורה הממוצע, הקיבול החל להתפורר בצורה מורגשת, עם סטיות מתקרבות לגבולות הפעילות. בטמפרטורות גבוהות, הקיבול ירד במהירות, עובר את הסטיות המותרות, מה שמצביע על התדרדרות מהירה.
2. פיתוח מודל תחזיות חיים
2.1 ניתוח נתונים של ירידה בביצועים
על ידי השוואת קצבים של ירידה בביצועים ברמות טמפרטורה שונות, נערך ניתוח של הקשר בין הטמפרטורה לפקטור האצת. נקבע קריטריון כשל כולל מבוסס על פרמטרים מרכזיים כמו אובדן דיאלקטרי, סטיות קיבול ונגד ההצמדה. התוצאות מצביעות על כך שהירידה בביצועים מאיצה משמעותית בתנאי טמפרטורה גבוהה, עם פקטור האצת המראה קשר מעריכי לטמפרטורה. התאמה של הנתונים הביאה לקoefficient מתאם גבוה, המאשר חשיבות סטטיסטית חזקה. משוואת ארניוס נשאה לחישוב פקטור האצת, כולל אנרגיית פעילה נגזרת מניסויים וקבוע בולצמן, ובכך הוקם קשר קוונטטיבי בין הטמפרטורה לפקטור האצת.
2.2 יישום מודל ארניוס
כפי שמתואר בציור 1, נתוני ניסויים התאימו במערכת צירים של לוג-זמן חיים מול טמפרטורה הפוכה (1/T), ומביאים לעקיבה ליניארית חזקה. השיפוע של הקו המתאים מתאים לאנרגיית הפעילה Ea (בקילו-ג'אול למול), המייצגת את מחסום האנרגיה של תהליך הזדקנות, ונעימה עם הציפיות התאורטיות. koefficient מתאם גבוה מאשר Übereinstimmung מצוינת בין הנתונים הניסיוניים למודל ארניוס. ניתוח תחום אמון של 95% מצביע על תחזיות סטטיסטיות אמינות. תוצאות הניסויים מראות כי, בתחום הטמפרטורות הנבדק, קצב הירידה בביצועים קשור משמעותית ומעריכי לטמפרטורה. על בסיס נתונים של חיים בטמפרטורות שונות, הוקם מודל מתמטי המחבר בין הטמפרטורה לתוחלת החיים.
2.3 יישום תחזיות חיים
התחזית חיים מבוססת על תורת הנזק המצטבר, שמחברת את השפעות הנזק בתנאי טמפרטורה שונים. שיטת התחזית היא שיקול של גורמים כגון קצב הזדקנות החומר, תנודות טמפרטורה סביבתיות ושינויים בעומס. מחזור הפעולה מחולק ל-n תקופות זמן, עם הנזק בכל תקופה המוכרע על ידי הטמפרטורה והמשך הזמן של הפעילות. נתונים של טמפרטורה נאספים באמצעות מערכת מוניטורינג מקוונת עם תקופת דגימה של 1 h כדי להבטיח רציפות ודיוק של הנתונים. הטמפרטורות המדודות נקלטות במשוואת ארניוס לחישוב הזמן המשקולל עבור כל תקופה. הנזק המצטבר לכל התקופות נותן את תחזית החיים שנותרו [4]. דיוק התחזית נבדק באמצעות תוצאות ניסויי הזדקנות מואצים, עם ממוצע של סטייה בין חישובי המודל לנתונים ניסיוניים שמaintained בתוך ±8%.
3. יישום ובדיקה
3.1 ניתוח דיוק התחזית
המודל התחזית נבדק באמצעות גישה משולבת של ניסויי הזדקנות מואצים ונתונים ממשיים של פעולה. נבחרו מספר קבוצות של קונדנסטורים חשמליים עם תקופות שירות שונות לבדיקת ביצועים, והתוצאות השוונו עם התחזיות של המודל. כפי שמתואר בטבלה 1, עבור קבוצת ההפעלה של 5 שנים, הממוצע המדוד הוא 4.8 שנים והערך המחזית הוא 5.2 שנים, עם שגיאת יחס של 7.7%; עבור קבוצת 8 שנים, הממוצע המדוד הוא 7.6 שנים והערך המחזית הוא 8.3 שנים, עם שגיאת יחס של 8.4%; עבור קבוצת 10 שנים, הממוצע המדוד הוא 9.5 שנים והערך המחזית הוא 10.2 שנים, עם שגיאת יחס של 6.9%. ניתוח מקורות השגיאה מצביע על כך שתנודות טמפרטורה סביבתיות הן הגורם העיקרי המשפיע על דיוק התחזית. כאשר השינוי היומי בטמפרטורה עולה על 20 °C, שגיאת המודל עולה ל-12%. בנוסף, תנודות טמפרטורה הנגרמות על ידי שינויים בעומס תורמות לעלייה בשגיאת התחזית ב-4.2%.
3.2 המלצות ליישום הנדסי
כפי שמתואר בטבלה 2, כאשר טמפרטורת הסביבה נשמרת מתחת ל-75 °C, קצב הירידה בחיים של הציוד יורד ב-58%. עבור כל ירידה של 5 °C בטמפרטורת מיקום התקנה, תוחלת החיים המתוכנטת עולה ב-18.5%. על ידי שיפור אוורור, טמפרטורת הסביבה באתר הניסוי ירדה בממוצע ב-7.2 °C, מה שהביא לשיפור של 32% ביציבות הפרמטרים של ביצועי הקונדנסטור. נתונים של טמפרטורה מהמערכת המוניטורינג המקוונת מצביעים על כך שבתנאי אוורור חכם, הטמפרטורה המקסימלית סביב הציוד ירדה ב-11.3 °C והטמפרטורה הממוצעת ירדה ב-8.7 °C. מודל התחזית חיים הופעל בתחנת 500 kV במשך שנה אחת, והצליח למסור אזהרות מוקדמות לשש כשלים פוטנציאליים, מה שהעלה את יעילות תחזוקה מניעה ב-43%. ניתוח נתונים תחזוקה מצביע על כך שהחלטות תחזוקה והחלפה המבוססות על תחזיות המודל הגיעו לדיוק של 87%, מה שמציין שיפור של 35% לעומת תחזוקה מבוססת זמן. אסטרטגיית ניהול הציוד המנוהלת על ידי המודל הקטינה את עלויות התחזוקה ב-27% והגביר את זמינות הציוד ב-15%.
4. סיכום
דרך ניסויים מואצים וניתוח נתונים, המחקר מחשוף את השפעת סביבות טמפרטורה גבוהה על ירידה בביצועים של קונדנסטורים חשמליים ומייצר מודל תחזיות חיים על בסיס משוואת ארניוס. תוצאות הניסויים מצביעות על כך שטמפרטורת הסביבה היא גורם מרכזי המשפיע על חיי הקונדנסטור: עבור כל עלייה של 10 °C בטמפרטורה, תוחלת החיים יורדת ב-42.5% ± 2.5%. פרמטרים מרכזיים של ביצועים כמו אובדן דיאלקטרי, קיבול ונגד ההצמדה מראים מגמות ירידה משמעותיות עם עליית הטמפרטורה. המודל המפתח של תחזיות החיים מגיע לדיוק של מעל 90%, ומספק בסיס מדעי להחלטות תחזוקה והחלפת קונדנסטורים חשמליים.
