Teljesítmény romlásának jellemzői és élettartam-előrejelzés erőművek kondenzátorai magas hőmérsékleti körülmények között

Teljesítmény romlásának jellemzői és élettartam-előrejelzés nagy hőmérsékletű körülmények között

A villamosenergia-rendszerek folyamatos bővítése és a növekvő terhelési igények miatt az elektromos berendezések működési környezete egyre összetettebbé válik. A környezeti hőmérséklet emelkedése egy kulcsfontosságú tényezővé vált a kondensátorok megbízható működésének befolyásolásában. A villamosenergia-hordozási és -elosztási rendszerekben lényeges alkotórészekként a kondensátorok teljesítményének romlása közvetlenül hat a hálózat biztonságára és stabilitására. Nagy hőmérsékleten a kondensátorok dielektrikus anyagai gyorsabban öregednek, ami jelentős romlást eredményez a villamos jellemzőkben, rövidíti a hasznos élettartamot, és potenciálisan hibákat okozhat a rendszerben.

1. Teljesítmény romlásának jellemzőinek vizsgálata
1.1 Kísérleti beállítás

A teszt mintaként 10 kV-os előírt feszültségű és 100 kvar-os kapacitású párhuzamos kondensátorokat választották, amelyek megfelelnek a GB/T 11024.1-2019, Alternátoros villamosenergia-rendszerhez tartozó, 1000 V-nél magasabb előírt feszültségű szárnykondensátorok - 1. rész: Általános előírások követelményeinek. A tesztrendszer tartalmazott egy OMICRON CP TD1 kapacitív tesztelő eszközt és egy ME632 dielektrikus veszteség-analizátort, a hőmérsékletet pedig egy KSP-015 nagy hőmérsékletű öregedési kamra vezérelte. Három hőmérséklet szintet állítottak be – 70 °C, 85 °C és 100 °C – minden szinten öt mintát tesztelve. A tesztelési eljárás az IEC 60871-2 szerint történt, folyamatosan az előírt feszültséget alkalmazva az öregedés szimulálásához a valós működési körülmények alatt.

1.2 Dielektrikus veszteség romlásának viselkedése

Nagy hőmérsékleten a dielektrikus veszteség (tanδ) jelentősen hőmérséklet-függő volt. 70 °C-on tan&δ; lassan növekedett idővel, a működési határok között maradva, ami stabil izolációs jellemzőket jelez. 85 °C-on a növekedési ütem felgyorsult, a görbe meredeksége sarkosabbá vált; néhány minta a későbbi szakaszban túllépte a standard határokat. 100 °C-on tanδ drámai mértékben emelkedett, a görbe sarkosan, ami a hőmérsékleti öregedés jellegzetes jellemzőit mutatta.

1.3 Kapacitáns-változás jellemzői

A hőmérséklet emelkedése jelentősen befolyásolta a kapacitáns-stabilitást, jól megfogható szakaszokban. Alacsony hőmérsékleten a kapacitáns-elkhelyezkedés a megengedett toleranciák között maradt, ami jó stabilitást mutatott. A közepes hőmérsékleti tartományban a kapacitáns jelentősen csökkent, az elkhelyezkedés a működési határokhoz közelített. Magas hőmérsékleten a kapacitáns gyorsan csökkent, túllépte a megengedett elkhelyezkedést, ami a gyors romlást jelezte.

2. Élettartam-előrejelzési modell fejlesztése
2.1 Teljesítmény romlásának adatelemzése

A különböző hőmérsékleti szinteken tapasztalt romlási ütemek összehasonlításával elemizték a hőmérséklet és a gyorsító tényező közötti kapcsolatot. Komplex hibajelző kritériumot állítottak fel, amely a dielektrikus veszteség, a kapacitáns-elkhelyezkedés és az izolációs ellenállás fontos paramétereire támaszkodott. Az eredmények azt mutatták, hogy a nagy hőmérsékleten a teljesítmény romlása jelentősen felgyorsult, a gyorsító tényező exponenciális kapcsolatban áll a hőmérséklettel. Az adatillesztés magas korrelációs együtthatót eredményezett, ami erős statisztikai jelentőséget jelzett. Az Arrhenius-egyenlet segítségével számolták a gyorsító tényezőt, beleértve a kísérletileg meghatározott aktivációs energiát és a Boltzmann-állandót, így kvantitatív hőmérséklet-gyorsító kapcsolatot állítottak fel.

2.2 Az Arrhenius-modell alkalmazása

Ahogy az 1. ábrán látható, a kísérleti adatokat logaritmikus élettartam vs. inverz hőmérséklet (1/T) koordinátarendszerben illesztették, ami erős lineáris korrelációt eredményezett. Az illesztett vonal meredeksége megfelel az aktivációs energiának EaEa (kJ/mol), ami az öregedési folyamat energia-barréjét jelenti, és jól illeszkedik a teoretikus elvárásokhoz. A magas korrelációs együttható kiváló egyetértést mutat a kísérleti adatok és az Arrhenius-modell között. A 95%-os konfidencia-intervallum elemzése statisztikailag megbízható előrejelzéseket jelez. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a tesztelt hőmérsékleti tartományon belül a teljesítmény romlásának üteme jelentősen exponenciálisan kapcsolódik a hőmérséklettel. Különböző hőmérsékleti pontokon végzett élettartam-adatok alapján matematikai modellt állítottak fel a hőmérséklet és a hasznos élettartam közötti kapcsolat leírására.

2.3 Élettartam-előrejelzés végrehajtása
Az élettartam-előrejelzés a kumulatív károsodási elméletre alapoz, amely különböző hőmérsékleti körülmények közötti károsodási hatásokat összead. Az előrejelzési módszer számos tényezőt vesz figyelembe, például az anyag öregedési ütemét, a környezeti hőmérséklet-ingadozásokat és a terhelés-változásokat. A működési ciklust n darab időszakra osztják, ahol minden időszakban a károsodást a működési hőmérséklet és a tartam határozza meg. A hőmérsékleti adatokat egy online monitorozási rendszerrel, 1 órás mintavételi intervallummal szerezik be, hogy biztosítsák az adatok folytonosságát és pontosságát. A mértnél hőmérsékleteket az Arrhenius-egyenletbe helyezik, hogy kiszámítsák az egyes időszakok ekvivalens működési idejét. Az összes időszakon keresztül kumulált károsodás a maradék hasznos élettartam előrejelzését eredményezi [4]. Az előrejelzési pontosságot gyorsított öregedési teszteredményekkel validálták, a modellekből számolt és a kísérleti adatok közötti átlagos eltérést ±8%-nál tartották.

3. Alkalmazás és ellenőrzés
3.1 Előrejelzési pontosság elemzése

Az előrejelzési modellt gyorsított öregedési tesztek és valós működési adatok kombinált alkalmazásával ellenőrizték. Több csoportba osztott, különböző hasznos élettartamú kondensátorokat választottak ki teljesítménytesztelésre, és az eredményeket a modell előrejelzéseihez hasonlították. Ahogy az 1. táblázatban látható, a 5 évig működő csoport esetén a mértnél élettartam 4,8 év, a előrejelzett érték pedig 5,2 év, ami 7,7% relatív hibát eredményez; a 8 évig működő csoport esetén a mértnél érték 7,6 év, a előrejelzett érték pedig 8,3 év, ami 8,4% relatív hibát eredményez; a 10 évig működő csoport esetén a mértnél érték 9,5 év, a előrejelzett érték pedig 10,2 év, ami 6,9% relatív hibát eredményez. A hibaforrások elemzése azt mutatja, hogy a környezeti hőmérséklet-ingadozás a legfőbb tényező az előrejelzési pontosság befolyásolásában. Amikor a napi hőmérséklet-ingadozás 20 °C-nél nagyobb, a modell előrejelzési hibája 12%-ra emelkedik. Ezenkívül a terhelés-változások által okozott hőmérséklet-ingadozás is hozzájárul a 4,2%-os előrejelzési hiba növekedéséhez.

3.2 Mérnöki alkalmazási ajánlások

Ahogy a 2. táblázatban látható, ha a környezeti hőmérséklet 75 °C alatt tartós, a berendezések élettartamának romlásának üteme 58%-kal csökken. Minden 5 °C-es csökkenés a telepítési hely hőmérsékletében 18,5%-kal növeli a várható hasznos élettartamot. A szellőztetés javításával a próbaoldali környezeti hőmérséklet átlagosan 7,2 °C-rel csökkent, ami a kondensátorok teljesítmény-paramétereinek stabilitását 32%-kal javította. Az online monitorozási rendszer hőmérsékleti adatai azt mutatják, hogy az intelligens szellőztetés bevezetése után a berendezések környékén a maximális hőmérséklet 11,3 °C-rel, az átlagos hőmérséklet pedig 8,7 °C-rel csökkent. Az élettartam-előrejelzési modellt egy 500 kV-os átalakítóállomásban egy évig alkalmazták, sikeresen hat potenciális hiba előrejelezését végzett, a megelőző karbantartás hatékonyságát 43%-kal növelte. A karbantartási adatok elemzése azt mutatja, hogy a modell előrejelzésekre alapozott karbantartási és cserére vonatkozó döntések 87%-os pontosságot értek el, ami a hagyományos időalapú karbantartáshoz képest 35%-kal jobb eredményt adott. A modell iránymutatású berendezékek kezelési stratégia 27%-kal csökkentette a karbantartási költségeket, és 15%-kal növelte a berendezések rendelkezésre állását.

4. Következtetés

Rendszeres gyorsított öregedési tesztek és adatelemzések révén ez a tanulmány feltárja a nagy hőmérsékletű környezet kondensátorok teljesítményének romlására gyakorolt hatásait, és az Arrhenius-egyenlet alapján állított fel élettartam-előrejelzési modellt. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a környezeti hőmérséklet a kondensátorok élettartamának kulcsfontosságú tényezője: minden 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés 42,5% ± 2,5%-kal csökkenti a hasznos élettartamot. A dielektrikus veszteség, a kapacitáns és az izolációs ellenállás jelentős romlást mutatnak a hőmérséklet növekedésével. A fejlesztett élettartam-előrejelzési modell 90%-nál magasabb előrejelzési pontosságot ér, amely tudományos alapot nyújt a kondensátorok karbantartási és cserére vonatkozó döntéseinek.