Augstām temperatūrām apstākļos sprieguma kondensatoru izturības pazemināšanās raksturlielumi un dzīves ilguma prognozēšana

Augstām temperatūrām raksturīgās jaudas kondensatoru veiktspējas degradācijas īpašības un dzīves laika prognozēšana

Ar enerģijas sistēmu nepārtrauktu paplašināšanos un pieaugošajām slodzes prasībām, elektriskā aprīkojuma darbības vide kļūst arvien sarežģītāka. Apvietnes temperatūras pieaugums ir kļuvis par galveno faktoru, kas ietekmē jaudas kondensatoru uzticamu darbību. Kā kritiski svarīgi komponenti enerģijas pārraidešanas un sadalīšanas sistēmās, jaudas kondensatoru veiktspējas degradācija tieši ietekmē tīkla drošību un stabilitāti. Augstākās temperatūras apstākļos kondensatoru dielektriskie materiāli noveco straujāk, kas noved pie būtiska elektrostatiskās veiktspējas pasliktināšanās, saīsināta izmantošanas laika un potenciālām sistēmas traucējumiem.

1. Pētījums par veiktspējas degradācijas īpašībām
1.1 Eksperimentālais ierīkojums

Par eksperimenta paraugiem tika izvēlēti paralēlie jaudas kondensatori ar nominaļo spriegumu 10 kV un kapacitāti 100 kvar, kas atbilst GB/T 11024.1-2019 prasībām, "Paralēlie kondensatori akustiskajiem enerģijas sistēmām ar nominaļo spriegumu virs 1000 V - Daļa 1: Vispārīgi". Testēšanas sistēma ietvēra OMICRON CP TD1 kapacitātes testētāju un ME632 dielektrisko zudumu analizētāju, ar temperatūru kontrolējošu KSP-015 augstās temperatūras novecošanas kameru. Tika iestatītas trīs temperatūras līmeņas - 70 °C, 85 °C un 100 °C, katrā līmenī testējot piecus paraugus. Testēšanas procedūra sekotā IEC 60871-2, piemērojot nominaļo spriegumu nepārtraukti novecošanas laikā, lai simulētu reālus darbības apstākļus.

1.2 Dielektrisko zudumu degradācijas uzvedība

Augstākās temperatūras apstākļos dielektriskais zudums (tanδ) parādīja būtisku temperatūras atkarību. 70 °C temperatūrā tanδ lēni pieauga laika gaitā, paliekot operatīvajos robežās, kas norāda uz stabilu izolācijas veiktspēju. 85 °C temperatūrā pieauguma rādītājs paātrinās, ar līnijas slīpumu kļūstot straujākam; daži paraugi pārsniedz standarta robežas vēlākajā posmā. 100 °C temperatūrā tanδ strauji pieauga ar strauju līniju, parādot tipiskas termisko novecošanās īpašības.

1.3 Kapacitātes maiņas īpašības

Temperatūras pieaugums būtiski ietekmēja kapacitātes stabilitāti, parādot skaidru stadijas atkarīgu uzvedību. Zemākajās temperatūrās kapacitātes novirze palika robežās, kas liecina par labu stabilitāti. Vidējā temperatūras diapazonā kapacitāte sāka būtami samazināties, ar novirzi tuvojoties operatīvajām robežām. Augstākajās temperatūrās kapacitāte strauji samazinājās, pārsniedzot atļauto novirni, kas norāda uz paātrinātu pasliktināšanos.

2. Dzīves laika prognozēšanas modeļa izstrāde
2.1 Veiktspējas degradācijas datu analīze

Salīdzinot degradācijas ātrumus dažādās temperatūras līmeņos, tika analizēta temperatūras un paātrināšanas faktora attiecība. Tika izveidots visaptverošs neveiksmju kritērijs, balstoties uz galvenajiem parametriem, piemēram, dielektrisko zudumu, kapacitātes novirzi un izolācijas pretestību. Rezultāti parādīja, ka augstākās temperatūras apstākļos veiktspējas degradācija paātrinās būtiski, ar paātrināšanas faktoru, kas parāda eksponenciālu attiecību ar temperatūru. Datu pielāgošana sniedza augstu korelācijas koeficientu, apstiprinot stipru statistisko nozīmi. Tika izmantota Arrhenius vienādojuma metode, lai aprēķinātu paātrināšanas faktoru, iekļaujot eksperimentāli iegūto aktivācijas enerģiju un Boltzmāna konstanti, tādējādi izveidojot kvantitatīvu temperatūras-paātrināšanas attiecību.

2.2 Arrhenius modeļa lietošana

Kā redzams 1. diagrammā, eksperimentālie dati tika pielāgoti logaritmiskā dzīves laika pret inverso temperatūru (1/T) koordinātu sistēmā, dodot stipru lineāro korelāciju. Pielāgotā līnijas slīpums atbilst aktivācijas energijai EaEa (kJ/mol), kas pārstāv novecošanas procesa enerģijas barjeru un atbilst teorētiskām sagaidām. Augsts korelācijas koeficients apstiprina labu sakritību starp eksperimentālajiem datiem un Arrhenius modeļa. 95% uzticamības intervāla analīze norāda statistiski uzticamas prognozes. Eksperimentālie rezultāti parāda, ka testētajā temperatūras diapazonā veiktspējas degradācijas ātrums ir būtiski eksponenciāli atkarīgs no temperatūras. Balstoties uz dzīves laika datiem dažādos temperatūras punktos, tika izveidots matemātisks modelis, kas savieno temperatūru un izmantošanas laiku.

2.3 Dzīves laika prognozēšanas realizācija
Dzīves laika prognozēšana balstīta uz kumulatīvās kropļojuma teoriju, kas superpozē dažādas temperatūras apstākļos radītās kropļojuma efektus. Prognozēšanas metode visaptveroši ņem vērā faktorus, piemēram, materiālu novecošanas ātrumu, vides temperatūras svārstības un slodzes maiņas. Darbības cikls tiek sadalīts n laika intervālos, ar katra intervāla kropļojumu noteiktu, pamatojoties uz darbības temperatūru un ilgumu. Temperatūras dati tiek iegūti caur tiešsaistes monitorēšanas sistēmu ar mērīšanas intervālu 1 h, lai nodrošinātu datu nepārtrauktību un precizitāti. Mērītās temperatūras tiek ievadītas Arrhenius vienādojumā, lai aprēķinātu ekvivalento darbības laiku katram intervālam. Visu intervālu kumulatīvais kropļojums dāvā prognozēto atlikušo izmantošanas laiku [4]. Prognozēšanas precizitāte tiek apstiprināta, izmantojot paātrināto novecošanas testu rezultātus, ar vidējo novirzi starp modeļa aprēķiniem un eksperimentālajiem datiem, kas uzturēti robežās ±8%.

3. Lietojums un verifikācija
3.1 Prognozēšanas precizitātes analīze

Prognozēšanas modelis tiek pārbaudīts, izmantojot kombinētu pieeju, iekļaujot paātrinātos novecošanas testus un patiesus darbības datus. Tiecas tika izvēlētas dažādas pakāpes jaudas kondensatori ar dažādu izmantošanas laiku, lai veiktu veiktspējas testus, un rezultāti tika salīdzināti ar modeļa prognozēm. Kā redzams 1. tabulā, 5 gadu darbības grupai mērītais vidējais dzīves laiks ir 4.8 gadi, prognozētais vērtība ir 5.2 gadi, relatīvā kļūda ir 7.7%; 8 gadu grupai mērītā vērtība ir 7.6 gadi, prognozētā vērtība ir 8.3 gadi, ar relatīvo kļūdu 8.4%; 10 gadu grupai mērītā vērtība ir 9.5 gadi, prognozētā vērtība ir 10.2 gadi, ar relatīvo kļūdu 6.9%. Kļūdas avota analīze parāda, ka vides temperatūras svārstības ir galvenais faktors, kas ietekmē prognozēšanas precizitāti. Ja ikdienas temperatūras svārstība pārsniedz 20 °C, modeļa prognozēšanas kļūda palielinās līdz 12%. Papildus tam, slodzes maiņas izraisītās temperatūras svārstības veicina prognozēšanas kļūdas palielināšanos par 4.2%.

3.2 Inženierzinātniskas lietošanas ieteikumi

Kā redzams 2. tabulā, ja apkārtējā temperatūra tiek uzturēta zemāk par 75 °C, aprīkojuma dzīves laika degradācijas ātrums samazinās par 58%. Katra 5 °C samazinājums instalācijas vietas temperatūrā, gaida dzīves laiks palielinās par 18.5%. Ventilācijas uzlabojumiem testēšanas vietā apkārtējā temperatūra tika samazināta vidēji par 7.2 °C, kas radīja 32% uzlabojumu kondensatoru veiktspējas parametru stabilitātei. Tiešsaistes monitorēšanas sistēmas temperatūras dati parāda, ka pēc intelektuālās ventilācijas ieviešanas, maksimālā temperatūra aprīkojuma apkārtējā vietā samazinājās par 11.3 °C un vidējā temperatūra par 8.7 °C. Dzīves laika prognozēšanas modelis tika pielietots 500 kV pārvadešanas stacijā vienu gadu, veiksmīgi izsniedzot agrīnu brīdinājumu par sešiem potenciālajiem traucējumiem, palielinot preventīvās remontes efektivitāti par 43%. Remontes datu analīze parāda, ka remonta un aizvietošanas lēmumi, balstīti uz modeļa prognozēm, sasniedza 87% precizitāti, kas pārstāv 35% uzlabojumu salīdzinājumā ar tradicionālo laika balstīto remontēšanu. Modeļa vadītā aprīkojuma pārvaldības stratēģija samazināja remontes izmaksas par 27% un palielināja aprīkojuma pieejamību par 15%.

4. Secinājumi

Pētījums, izmantojot sistēmātiskus paātrinātos novecošanas testus un datu analīzi, atklāja augstām temperatūrām raksturīgo ietekmi uz jaudas kondensatoru veiktspējas degradāciju un izveidoja dzīves laika prognozēšanas modeli, balstoties uz Arrhenius vienādojumu. Eksperimentālie rezultāti parādīja, ka apkārtējā temperatūra ir galvenais faktors, kas ietekmē kondensatoru dzīves laiku: katram 10 °C temperatūras pieaugumam, izmantošanas laiks samazinās par 42.5% ± 2.5%. Galvenie veiktspējas parametri, piemēram, dielektriskais zudums, kapacitāte un izolācijas pretestība, parāda būtisku pasliktināšanās tendences ar temperatūras pieaugumu. Izstrādātais dzīves laika prognozēšanas modelis sasniedz prognozēšanas precizitāti virs 90%, nodrošinot zinātnisko pamatu jaudas kondensatoru uzturēšanai un aizvietošanai.