Karakteristike smanjenja performansi i predviđanje vijeka trajanja električnih kondenzatora u uvjetima visoke temperature

Karakteristike smanjenja performansi i predviđanje vijeka trajanja električnih kondenzatora u uvjetima visoke temperature

S neprekidnim proširenjem sustava za opskrbu strujom i porastom zahtjeva za opterećenjem, radni okoliš električnog opreme postaje sve složeniji. Povećanje zračne temperature isticalo se kao ključni faktor koji utječe na pouzdan rad električnih kondenzatora. Kao ključni komponenti u sustavima prijenosa i distribucije struje, smanjenje performansi električnih kondenzatora direktno utječe na sigurnost i stabilnost mreže. Pod uvjetima visoke temperature, dielektrični materijali unutar kondenzatora stari brže, što dovodi do značajnog pogoršanja elektromagnetskih performansi, skraćivanja vijeka trajanja i potencijalno neuspjeha sustava.

1. Istraživanje karakteristika smanjenja performansi
1.1 Eksperimentalna postavka

Za testne uzorke odabrani su paralelni električni kondenzatori s nominalnom napetosti od 10 kV i kapacitetom od 100 kvar, kojima ispunjavaju zahtjeve GB/T 11024.1—2019, Shunt capacitors for a.c. power systems with a rated voltage above 1000 V – Part 1: General. Testni sustav uključivao je OMICRON CP TD1 tester kapacitance i ME632 analizator dielektričnih gubitaka, s temperaturom kontroliranom pomoću visokotemperaturne kamere za staranje KSP-015. Postavljene su tri različite temperature—70 °C, 85 °C i 100 °C—s pet uzoraka testiranih na svakoj razini. Postupak testiranja pratio je IEC 60871-2, primjenjujući nominalnu napetost neprekidno tijekom staranja kako bi se simulirale stvarne uvjeti rada.

1.2 Ponašanje degradacije dielektričnih gubitaka

Pod visokim temperaturama, dielektrični gubitci (tanδ) pokazali su značajnu ovisnost o temperaturi. Na 70 °C, tanδ se sporo povećavao tijekom vremena, ostajući unutar operativnih granica, što ukazuje na stabilnu izolacijsku performansu. Na 85 °C, stopa povećanja se ubrzala, s nagibom krivulje koji postaje strmiji; neki uzorci premašili su standardne granice u kasnijim fazama. Na 100 °C, tanδ se brzo povećavao s strmim oblikom krivulje, pokazujući tipične karakteristike toplinskog staranja.

1.3 Karakteristike promjene kapacitance

Povećanje temperature značajno je utjecalo na stabilnost kapacitance, s jasnim etapnim ponašanjem. Na niskim temperaturama, odstupanje kapacitance ostalo je unutar dopuštenih toleranci, pokazujući dobriu stabilnost. U srednjem temperaturnom rasponu, kapacitance počela je značajno opadati, s odstupanjem blizu operativnih granica. Pod visokim temperaturama, kapacitance je brzo opadala, prelazeći dopuštene odstupanja, što upućuje na ubrzano pogoršanje.

2. Razvoj modela predviđanja vijeka trajanja
2.1 Analiza podataka o degradaciji performansi

Usporedbom stopa degradacije na različitim temperaturnim razinama, analizirana je veza između temperature i faktora ubrzanja. Utvrđen je kompleksni kriterij neuspjeha temeljen na ključnim parametrima poput dielektričnih gubitaka, odstupanja kapacitance i otpora izolacije. Rezultati su pokazali da se degradacija performansi značajno ubrzava pod visokim temperaturama, s faktorom ubrzanja koji pokazuje eksponencijalnu vezu s temperaturom. Dobar koeficijent korelacije pri fitovanju podataka potvrdio je jaku statističku važnost. Primijenjena je Arrheniusova jednadžba za izračun faktora ubrzanja, uključujući eksperimentalno izvedenu aktivnu energiju i Boltzmannovu konstantu, čime je uspostavljena kvantitativna veza između temperature i ubrzanja.

2.2 Primjena Arrheniusovog modela

Kao što je prikazano na slici 1, eksperimentalni podaci su fitirani u koordinatnom sustavu logaritamskog vijeka trajanja protiv inverzne temperature (1/T), dajući jaku linearnu korelaciju. Nagib fitirane linije odgovara aktivnoj energiji EaEa (u kJ/mol), koja predstavlja energijski prepreku procesa staranja, i dobro se slaže s teorijskim očekivanjima. Visoki koeficijent korelacije potvrđuje odličnu usklađenost između eksperimentalnih podataka i Arrheniusovog modela. Analiza intervala 95% pouzdanosti pokazuje statistički pouzdane predviđanja. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je, unutar ispitivanih temperaturnih granica, stopa degradacije performansi značajno eksponencijalno vezana s temperaturom. Na osnovu podataka o vijeku trajanja na različitim temperaturnim točkama, uspostavljen je matematički model koji povezuje temperaturu i vijek trajanja.

2.3 Implementacija predviđanja vijeka trajanja
Predviđanje vijeka trajanja temelji se na teoriji kumulativne štete, koja nadograđuje efekte štete pod različitim temperaturnim uvjetima. Metoda predviđanja komprehensivno uzima u obzir faktore poput brzine staranja materijala, fluktuacija zračne temperature i varijacija opterećenja. Radni ciklus podijeljen je na n vremenskih intervala, s štetom u svakom intervalu određenom operativnom temperaturom i trajanjem. Temperaturni podaci prikupljeni su putem online monitoring sustava s uzorkovanjem svakih 1 h kako bi se osigurala kontinuitetnost i točnost podataka. Izmjerene temperature unesene su u Arrheniusovu jednadžbu kako bi se izračunao ekvivalentni operativni vremenski interval. Akumulirana šteta na svim intervalima daje predviđeni preostali vijek trajanja [4]. Točnost predviđanja provjerena je pomoću rezultata ubrzanih testova staranja, s prosječnom devijacijom između izračuna modela i eksperimentalnih podataka održanom unutar ±8%.

3. Primjena i verifikacija
3.1 Analiza točnosti predviđanja

Model predviđanja verificiran je kombiniranim pristupom ubrzanih testova staranja i stvarnih operativnih podataka. Odabrane su više serija električnih kondenzatora s različitim vremenom rada za testiranje performansi, a rezultati su uspoređeni s predviđanjima modela. Kao što je prikazano u tablici 1, za grupu sa 5-godišnjim radom, prosječni izmjereni vijek trajanja iznosi 4.8 godina, a predviđena vrijednost 5.2 godine, s relativnom greškom od 7.7%; za grupu sa 8-godišnjim radom, izmjerena vrijednost iznosi 7.6 godina, a predviđena vrijednost 8.3 godine, s relativnom greškom od 8.4%; za grupu sa 10-godišnjim radom, izmjerena vrijednost iznosi 9.5 godina, a predviđena vrijednost 10.2 godine, s relativnom greškom od 6.9%. Analiza izvora grešaka pokazala je da su fluktuacije zračne temperature glavni faktor koji utječe na točnost predviđanja. Kada dnevna varijacija temperature premaši 20 °C, greška predviđanja modela povećava se na 12%. Također, fluktuacije temperature uzrokovane varijacijama opterećenja doprinose povećanju greške predviđanja za 4.2%.

3.2 Preporuke za inženjersku primjenu

Kao što je prikazano u tablici 2, kada se zračna temperatura održava ispod 75 °C, stopa degradacije vijeka trajanja opreme smanjuje se za 58%. Za svakih 5 °C smanjenja temperature lokacije instalacije, očekivani vijek trajanja povećava se za 18.5%. Unaprjeđivanjem ventilacije, zračna temperatura na testnom lokaciji smanjila se prosečno za 7.2 °C, što je dovelo do 32% poboljšanja stabilnosti parametara performansi kondenzatora. Temperaturni podaci iz online monitoring sustava pokazuju da nakon implementacije inteligentne ventilacije, maksimalna temperatura oko opreme smanjila se za 11.3 °C, a prosječna temperatura za 8.7 °C. Model predviđanja vijeka trajanja primijenjen je u 500 kV podstanici tijekom jedne godine, uspješno izdavajući ranije upozorenja za šest potencijalnih neuspjeha, povećavajući učinkovitost preventivnog održavanja za 43%. Analiza podataka o održavanju pokazala je da su odluke o održavanju i zamjeni temeljene na predviđanjima modela dostigle točnost od 87%, što predstavlja 35% poboljšanja u odnosu na tradicionalno vremensko održavanje. Strategija upravljanja opremom voditeljstvom modela smanjila je troškove održavanja za 27% i povećala dostupnost opreme za 15%.

4. Zaključak

Putem sistematiziranih ubrzanih testova staranja i analize podataka, ovo istraživanje otkriva utjecaj visokotemperaturnih okruženja na degradaciju performansi električnih kondenzatora i uspostavlja model predviđanja vijeka trajanja temeljen na Arrheniusovoj jednadžbi. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je zračna temperatura ključni faktor koji utječe na vijek trajanja kondenzatora: za svakih 10 °C povećanja temperature, vijek trajanja smanjuje se za 42.5% ± 2.5%. Ključni parametri performansi poput dielektričnih gubitaka, kapacitance i otpora izolacije pokazuju značajne trendove degradacije s porastom temperature. Razvijeni model predviđanja vijeka trajanja postiže točnost predviđanja preko 90%, pružajući znanstvenu osnovu za odluke o održavanju i zamjeni električnih kondenzatora.