Характеристики на сведување на перформансите и претсказување на животот на електричните кондензатори при високи температури

Характеристики на деградацијата на перформансите и предвидување на животот на електричните кондензатори во услови на висока температура

Со непрекинатото проширување на електричните системи и зголемувањето на бременските потребности, работната средина за електричката опрема станала все повеќе комплексна. Повишениот околен температурски режим се појавил како кључен фактор кој влијае на надежниот работен модус на електричните кондензатори. Како критички компоненти во системите за пренос и дистрибуција на енергија, деградацијата на перформансите на електричните кондензатори директно влијае на безопасноста и стабилноста на мрежата. Под услови на висока температура, диелектричните материјали во кондензаторите старееат побрзо, што доведува до значително упатнување на електричките карактеристики, скратен служебен век и потенцијално системски грешки.

1. Студија на карактеристиките на деградацијата на перформансите
1.1 Експериментална поставка

Како пробни узорци беа избрани паралелни електрични кондензатори со номинална напона од 10 кВ и капацитет од 100 квар, кои задоволуваат стандардите GB/T 11024.1—2019, Паралелни кондензатори за а.ч. електрични системи со номинална напона над 1000 В – Дел 1: Општо. Тестирачкиот систем вклучуваше OMICRON CP TD1 тестирач на капацитет и ME632 анализа на диелектрични загуби, со контролирана температура од KSP-015 камера за стареење при висока температура. Беа поставени три нивоа на температура—70 °C, 85 °C и 100 °C—со пет узорци тестирани на секое ниво. Процедурата за тестирање следеше IEC 60871-2, применувајќи номинален напон непрекинато во текот на процесот на стареење за да се симулираат реалните работни услови.

1.2 Појава на диелектрични загуби

Под услови на висока температура, диелектричните загуби (tanδ) покажаа значителна зависност од температурата. При 70 °C, tanδ се зголемуваше полесно со времето, останувајќи во оперативни граници, што указува на стабилна изолационна перформанса. При 85 °C, брзината на зголемување се забрзаше, со кривата што стана по стрмна; некои узорци надминаа стандардните лимити во последната фаза. При 100 °C, tanδ се зголемуваше брзо со стрмна крива, што покажува типични карактеристики на термално стареење.

1.3 Карактеристики на варијацијата на капацитетот

Повишениот температурски режим значително влијае на стабилноста на капацитетот, со јасно дефинирани фази. При ниски температури, отклонувањето на капацитетот останува во дозволени толеранси, што демонстрира добра стабилност. Во средната температурска област, капацитетот започнува да се намалува, со отклонување што се приближува до оперативни лимити. Под услови на високи температури, капацитетот се намалува брзо, надминувајќи дозволено отклонување, што указува на забрзано упатнување.

2. Развој на модел за предвидување на животот
2.1 Анализа на податоци за деградацијата на перформансите

Со споредба на брзините на деградација при различни температурски нивоа, беше анализирана врската помеѓу температурата и факторот на забрзување. Беше установен општи критериум за неуспех базиран на клучни параметри како диелектрични загуби, отклонување на капацитетот и изолациони отпор. Резултатите покажаа дека деградацијата на перформансите се забрзува значително под услови на висока температура, со факторот на забрзување што покажува експоненцијална врска со температурата. Податоците за прилагодување дадоа висок коефициент на корелација, што потврдува силна статистичка значајност. За пресметка на факторот на забрзување беше применета ЈАренхиусова равенка, вклучувајќи експериментално изведена активна енергија и Болцманова константа, со тоа се постави количествена врска температура-забрзување.

2.2 Примена на ЈАренхиусовиот модел

Како што е прикажано на Слика 1, експерименталните податоци беа прилагодени во координатен систем со логаритамски век против инверзна температура (1/T), што резултираше со силна линеарна корелација. Нагибот на прилагодената линија соодветствува на активната енергија EaEa (во кЈ/мoл), што претставува енергетска бариера на процесот на стареење, и се согласува добре со теоријата. Високиот коефициент на корелација потврдува отлична согласност помеѓу експерименталните податоци и ЈАренхиусовиот модел. Анализа на интервалот на 95% доверба покажува статистично надежни предвидувања. Експерименталните резултати покажуваат дека, во испитаниот температурски опсег, брзината на деградацијата на перформансите е значително експоненцијално поврзана со температурата. На основа на податоци за животот при различни температурски точки, беше поставен математички модел кој поврзува температурата и служебниот век.

2.3 Имплементација на предвидувањето на животот
Предвидувањето на животот е базирано на теоријата за кумулативна штета, која суперпозира ефектите на штетата под различни температурски услови. Методот за предвидување обемно разгледува фактори како брзината на стареење на материјалите, флуктуациите на околната температура и варијациите на бремето. Работниот циклус е поделен на n временски интервали, со штетата во секој интервал која се одредува од работната температура и длабочината. Податоците за температурата се придобиваат преку онлајн систем за мониторинг со интервал на узимање примерок од 1 h за да се осигура континуитетот и точноста на податоците. Измерените температури се внесуваат во ЈАренхиусовата равенка за да се пресмета еквивалентниот работен век за секој интервал. Кумулативната штета низ сите интервали дава предвидениот остаток на служебниот век [4]. Точноста на предвидувањето се потврдува со резултати од тестирање со забрзано стареење, со просечен одклон од 8% помеѓу пресметките на моделот и експерименталните податоци.

3. Примена и верификација
3.1 Анализа на точноста на предвидувањето

Моделот за предвидување е верификуван со комбиниран пристап на тестирање со забрзано стареење и реални оперативни податоци. Избрано е неколку серији на електрични кондензатори со различни периоди на служба за тестирање на перформансите, и резултатите се споредуваат со предвидувањата на моделот. Како што е прикажано во Табела 1, за групата со 5 години работа, мерената просечна продолжителност на животот е 4.8 години, а предвидената вредност е 5.2 години, што дава релативна грешка од 7.7%; за групата со 8 години, мерената вредност е 7.6 години, а предвидената вредност е 8.3 години, со релативна грешка од 8.4%; за групата со 10 години, мерената вредност е 9.5 години, а предвидената вредност е 10.2 години, што дава релативна грешка од 6.9%. Анализата на изворот на грешките покажува дека флуктуациите на околната температура се главниот фактор кој влијае на точноста на предвидувањето. Кога дневната варијација на температурата надминува 20 °C, грешката на предвидување на моделот се зголемува до 12%. Дополнително, температурните флуктуации причинети од варијациите на бремето допринасуваат за зголемување на грешката на предвидување за 4.2%.

3.2 Инженерски препораки за примената

Како што е прикажано во Табела 2, кога околната температура се одржува под 75 °C, брзината на деградацијата на животот на опремата се намалува за 58%. За секои 5 °C намалување на температурата на местото на инсталација, очекуваниот служебен век се зголемува за 18.5%. Со подобрување на вентилацијата, околната температура на местото на испитување се намалила просечно за 7.2 °C, што доведе до 32% подобрување на стабилноста на параметрите на перформансите на кондензаторите. Податоците за температурата од онлајн системот за мониторинг покажуваат дека, по имплементација на интелигентна вентилација, максималната температура околу опремата се намалила за 11.3 °C, а просечната температура за 8.7 °C. Моделот за предвидување на животот беше применет во 500 кВ подстанција за една година, успешно издаде ранни предупредувања за шест потенцијални неуспеви, зголемувајќи ефикасноста на предизвиканата одржба за 43%. Анализа на податоци за одржба покажува дека одлуки за одржба и замена базирани на предвидувањето на моделот постигнаа точност од 87%, што претставува подобрување од 35% споредено со традиционалната одржба базирана на време. Стратегијата за управување со опремата направена со водечкиот модел го намалила цената на одржбата за 27% и го зголемила достапноста на опремата за 15%.

4. Заклучок

Низ систематско тестирање со забрзано стареење и анализа на податоци, оваа студија открила влијанието на условите на висока температура врз деградацијата на перформансите на електричните кондензатори и поставила модел за предвидување на животот базиран на ЈАренхиусовата равенка. Експерименталните резултати покажуваат дека околната температура е кључен фактор кој влијае на животот на кондензаторите: за секои 10 °C зголемување на температурата, служебниот век се намалува за 42.5% ± 2.5%. Критични параметри на перформансите како диелектрични загуби, капацитет и изолациони отпор покажуваат значителни трендови на деградација со зголемување на температурата. Развиениот модел за предвидување на животот постигнал точност над 90%, што пружа научна основа за одлуки за одржба и замена на електричните кондензатори.