Ciri Penurunan Prestasi dan Ramalan Umur Kapasitor Kuasa Dalam Keadaan Suhu Tinggi

Ciri Penurunan Prestasi dan Ramalan Umur Kapasitor Kuasa dalam Keadaan Suhu Tinggi

Dengan peningkatan berterusan sistem kuasa dan permintaan beban, persekitaran operasi untuk peralatan elektrik telah menjadi semakin kompleks. Peningkatan suhu sekitar telah muncul sebagai faktor utama yang mempengaruhi operasi yang boleh dipercayai kapasitor kuasa. Sebagai komponen penting dalam sistem penghantaran dan pembahagian kuasa, penurunan prestasi kapasitor kuasa memberi kesan langsung kepada keselamatan dan kestabilan grid. Dalam keadaan suhu tinggi, bahan dielektrik di dalam kapasitor menua dengan lebih cepat, menyebabkan penurunan signifikan dalam prestasi elektrik, umur layanan yang pendek, dan potensi kegagalan sistem.

1. Kajian Ciri Penurunan Prestasi
1.1 Set Up Eksperimen

Kapasitor kuasa paralel dengan voltan terkini 10 kV dan kapasiti 100 kvar dipilih sebagai sampel ujian, memenuhi keperluan GB/T 11024.1—2019, Kapasitor sampingan untuk sistem kuasa a.c. dengan voltan terkini melebihi 1000 V – Bahagian 1: Umum. Sistem ujian termasuk OMICRON CP TD1 pemacu kapasitansi dan ME632 analisis kerugian dielektrik, dengan suhu dikawal oleh tabung penuaan suhu tinggi KSP-015. Tiga tahap suhu—70 °C, 85 °C, dan 100 °C—ditetapkan, dengan lima sampel diuji pada setiap tahap. Prosedur ujian mengikuti IEC 60871-2, menerapkan voltan terkini secara berterusan semasa penuaan untuk mensimulasikan keadaan operasi sebenar.

1.2 Tingkah Laku Penurunan Kerugian Dielektrik

Pada suhu tinggi, kerugian dielektrik (tanδ) menunjukkan ketakbergantungan suhu yang signifikan. Pada 70 °C, tan&δ; meningkat perlahan sepanjang masa, tetap dalam had operasi, menunjukkan prestasi isolasi yang stabil. Pada 85 °C, kadar peningkatan bertambah laju, dengan kecerunan lengkung menjadi lebih curam; beberapa sampel melampaui had piawaian pada tahap akhir. Pada 100 °C, tan&δ; meningkat dengan tiba-tiba dengan lengkung yang curam, menunjukkan ciri-ciri biasa penuaan termal.

1.3 Ciri Variasi Kapasitansi

Penurunan suhu memberi kesan signifikan kepada kestabilan kapasitansi, dengan tingkah laku yang jelas bergantung pada tahap. Pada suhu rendah, penyimpangan kapasitansi kekal dalam toleransi yang dibenarkan, menunjukkan kestabilan yang baik. Dalam julat suhu sederhana, kapasitansi bermula untuk merosot dengan jelas, dengan penyimpangan mendekati had operasi. Pada suhu tinggi, kapasitansi menurun dengan cepat, melampaui penyimpangan yang dibenarkan, menunjukkan penurunan yang dipercepat.

2. Pembangunan Model Ramalan Umur
2.1 Analisis Data Penurunan Prestasi

Dengan membandingkan kadar penurunan di antara tahap suhu yang berbeza, hubungan antara suhu dan faktor pemecutan dianalisis. Kriteria kegagalan yang menyeluruh ditubuhkan berdasarkan parameter utama seperti kerugian dielektrik, penyimpangan kapasitansi, dan rintangan isolasi. Hasil menunjukkan bahawa penurunan prestasi dipercepat dengan signifikan pada suhu tinggi, dengan faktor pemecutan menunjukkan hubungan eksponensial dengan suhu. Penyesuaian data menghasilkan pekali korelasi yang tinggi, mengesahkan signifikansi statistik yang kuat. Persamaan Arrhenius digunakan untuk mengira faktor pemecutan, menggabungkan tenaga aktivasi yang diperoleh dari eksperimen dan pemalar Boltzmann, dengan itu menubuhkan hubungan kuantitatif suhu-pemecutan.

2.2 Penggunaan Model Arrhenius

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambaraj 1, data eksperimen disesuaikan dalam sistem koordinat log-masa vs. suhu songsang (1/T), menghasilkan korelasi linear yang kuat. Kecondongan garis yang disesuaikan berkaitan dengan tenaga aktivasi EaEa (dalam kJ/mol), mewakili halangan tenaga proses penuaan, dan sesuai dengan jangkaan teori. Pekali korelasi yang tinggi mengesahkan persetujuan yang sangat baik antara data eksperimen dan model Arrhenius. Analisis selang keyakinan 95% menunjukkan ramalan yang dapat dipercayai secara statistik. Hasil eksperimen menunjukkan bahawa, dalam julat suhu yang diuji, kadar penurunan prestasi berkaitan eksponensial dengan suhu. Berdasarkan data umur pada titik suhu yang berbeza, model matematik yang berkaitan dengan suhu dan umur layanan ditubuhkan.

2.3 Pelaksanaan Ramalan Umur
Ramalan umur didasarkan pada teori kerosakan kumulatif, yang menumpukan kesan kerosakan di bawah keadaan suhu yang berbeza. Kaedah ramalan secara menyeluruh mempertimbangkan faktor seperti kadar penuaan bahan, fluktuasi suhu persekitaran, dan variasi beban. Siklus operasi dibahagikan kepada n selang masa, dengan kerosakan pada setiap selang ditentukan oleh suhu operasi dan tempoh. Data suhu diperoleh melalui sistem pemantauan dalam talian dengan selang sampel 1 j, untuk memastikan kesinambungan dan ketepatan data. Suhu yang diukur dimasukkan ke dalam persamaan Arrhenius untuk mengira masa operasi setara untuk setiap selang. Kerosakan yang dikumpulkan di semua selang menghasilkan umur layanan baki yang diramalkan [4]. Ketepatan ramalan divalidasi menggunakan hasil ujian penuaan yang dipercepat, dengan penyimpangan purata antara penghitungan model dan data eksperimen dikekalkan dalam ±8%.

3. Aplikasi dan Pengujuan
3.1 Analisis Ketepatan Ramalan

Model ramalan divalidasi menggunakan pendekatan gabungan ujian penuaan yang dipercepat dan data operasi sebenar. Beberapa batch kapasitor kuasa dengan tempoh layanan yang berbeza dipilih untuk ujian prestasi, dan hasilnya dibandingkan dengan ramalan model. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, untuk kumpulan operasi 5 tahun, umur purata yang diukur adalah 4.8 tahun dan nilai yang diramalkan adalah 5.2 tahun, menghasilkan ralat relatif 7.7%; untuk kumpulan 8 tahun, nilai yang diukur adalah 7.6 tahun dan nilai yang diramalkan adalah 8.3 tahun, dengan ralat relatif 8.4%; untuk kumpulan 10 tahun, nilai yang diukur adalah 9.5 tahun dan nilai yang diramalkan adalah 10.2 tahun, menghasilkan ralat relatif 6.9%. Analisis sumber ralat menunjukkan bahawa fluktuasi suhu persekitaran adalah faktor utama yang mempengaruhi ketepatan ramalan. Apabila variasi suhu harian melebihi 20 °C, ralat ramalan model meningkat kepada 12%. Selain itu, fluktuasi suhu yang disebabkan oleh variasi beban menyumbang kepada peningkatan ralat ramalan sebanyak 4.2%.

3.2 Cadangan Aplikasi Kejuruteraan

Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2, apabila suhu sekitar dikekalkan di bawah 75 °C, kadar penurunan umur peralatan berkurang sebanyak 58%. Untuk setiap penurunan 5 °C suhu lokasi pemasangan, umur layanan yang dijangka meningkat sebanyak 18.5%. Dengan meningkatkan ventilasi, suhu sekitar di tapak ujian berkurang secara purata 7.2 °C, menghasilkan peningkatan 32% dalam kestabilan parameter prestasi kapasitor. Data suhu dari sistem pemantauan dalam talian menunjukkan bahawa selepas pelaksanaan ventilasi pintar, suhu maksimum di sekitar peralatan berkurang sebanyak 11.3 °C dan suhu purata berkurang sebanyak 8.7 °C. Model ramalan umur diterapkan di stesen pengubah 500 kV selama satu tahun, dengan berjaya mengeluarkan amaran awal bagi enam kegagalan potensial, meningkatkan kecekapan pemeliharaan preventif sebanyak 43%. Analisis data pemeliharaan menunjukkan bahawa keputusan pemeliharaan dan penggantian berdasarkan ramalan model mencapai ketepatan 87%, mewakili peningkatan 35% daripada pemeliharaan berdasarkan masa tradisional. Strategi pengurusan peralatan yang dipandu oleh model mengurangkan kos pemeliharaan sebanyak 27% dan meningkatkan ketersediaan peralatan sebanyak 15%.

4. Kesimpulan

Melalui ujian penuaan yang dipercepat secara sistematik dan analisis data, kajian ini mengungkapkan pengaruh persekitaran suhu tinggi terhadap penurunan prestasi kapasitor kuasa dan menubuhkan model ramalan umur berdasarkan persamaan Arrhenius. Hasil eksperimen menunjukkan bahawa suhu sekitar adalah faktor utama yang mempengaruhi umur kapasitor: untuk setiap peningkatan suhu 10 °C, umur layanan berkurang sebanyak 42.5% ± 2.5%. Parameter prestasi utama seperti kerugian dielektrik, kapasitansi, dan rintangan isolasi menunjukkan trend penurunan yang signifikan dengan peningkatan suhu. Model ramalan umur yang dibangunkan mencapai ketepatan ramalan lebih daripada 90%, memberikan asas saintifik untuk keputusan pemeliharaan dan penggantian kapasitor kuasa.