Prestatieafnamekenmerken en levensduurvoorspelling van stroomcondensatoren onder hoge temperatuurcondities
Kenmerken van prestatieafname en levensduurvoorspelling van stroomcondensatoren onder hoge temperatuurcondities
Met de continue uitbreiding van elektriciteitsnetwerken en toenemende belastingsvragen is de werkomgeving voor elektrische apparatuur steeds complexer geworden. De stijgende omgevingstemperatuur is een belangrijke factor geworden die de betrouwbare werking van stroomcondensatoren beïnvloedt. Als cruciale componenten in energieoverdracht- en -verdelingssystemen heeft de prestatieafname van stroomcondensatoren directe gevolgen voor de veiligheid en stabiliteit van het netwerk. Onder hoge temperatuurcondities vergaat het dielectrische materiaal in condensatoren sneller, wat leidt tot een aanzienlijke achteruitgang van de elektrische prestaties, een verkorte levensduur en potentieel systeemuitval.
1. Studie naar kenmerken van prestatieafname
1.1 Experimentele opzet
Parallelle stroomcondensatoren met een nominale spanning van 10 kV en een capaciteit van 100 kvar werden geselecteerd als proefmonsters, voldoend aan de eisen van GB/T 11024.1—2019, Shunt condensatoren voor wisselstroomkrachtstroomsystemen met een nominale spanning boven 1000 V – Deel 1: Algemeen. Het test systeem omvatte een OMICRON CP TD1 capaciteitstester en een ME632 dielectrische verliesanalyser, waarbij de temperatuur werd geregeld door een KSP-015 hoge temperatuur verouderingskamer. Drie temperatuurniveaus—70 °C, 85 °C, en 100 °C—zijn ingesteld, met vijf monsters getest op elk niveau. Het testproces volgde IEC 60871-2, met continu toepassen van de nominale spanning tijdens veroudering om reële werkcondities te simuleren.
1.2 Gedrag van dielectrisch verliesafname
Bij hoge temperaturen toonde het dielectrische verlies (tanδ) een aanzienlijke temperatuurafhankelijkheid. Bij 70 °C nam tanδ langzaam toe over de tijd, bleef binnen operationele limieten, wat wijst op stabiele isolatieprestaties. Bij 85 °C versnelde de stijging, met een steilere curve; sommige monsters overschreden standaardlimieten in latere fasen. Bij 100 °C steeg tanδ scherp met een steile curve, wat typische kenmerken van thermische veroudering aantoont.
1.3 Kenmerken van capaciteitsvariatie
Temperatuurstijging had een aanzienlijke invloed op de stabiliteit van de capaciteit, met duidelijk faseafhankelijk gedrag. Bij lage temperaturen bleef de capaciteitsafwijking binnen toelaatbare toleranties, wat goede stabiliteit aantoont. In het midden temperatuurbereik begon de capaciteit merkbaar af te nemen, met een afwijking die de operationele limieten nadert. Bij hoge temperaturen daalde de capaciteit snel, overstijgt de toelaatbare afwijking, wat op versnelde aftakeling wijst.
2. Ontwikkeling van levensduurvoorspellingsmodel
2.1 Analyse van prestatieafnamedata
Door het vergelijken van de afslijtingssnelheden op verschillende temperatuurniveaus werd de relatie tussen temperatuur en de acceleratiefactor geanalyseerd. Een alomvattende faalcriteria werd opgesteld op basis van belangrijke parameters zoals dielectrisch verlies, capaciteitsafwijking en isolatieweerstand. De resultaten wezen uit dat prestatieafname aanzienlijk versnelde bij hoge temperaturen, met de acceleratiefactor een exponentiële relatie met temperatuur vertonend. Gegevensfitting leverde een hoge correlatiecoëfficiënt op, wat sterke statistische significantie bevestigt. De Arrhenius-vergelijking werd gebruikt om de acceleratiefactor te berekenen, met experimenteel afgeleide activatie-energie en Boltzmanns constante, waarmee een kwantitatieve temperatuur-acceleratierelatie werd vastgesteld.
2.2 Toepassing van het Arrhenius-model
Zoals weergegeven in Figuur 1, werden de experimentele gegevens gepast in een log-levensduur vs. inverse temperatuur (1/T) coördinatensysteem, wat een sterke lineaire correlatie oplevert. De helling van de gepaste lijn komt overeen met de activatie-energie Ea (in kJ/mol), wat de energiebarrière van het verouderingsproces vertegenwoordigt, en past goed bij theoretische verwachtingen. Een hoge correlatiecoëfficiënt bevestigt uitstekende overeenstemming tussen de experimentele gegevens en het Arrhenius-model. 95% betrouwbaarheidsintervalanalyse geeft statistisch betrouwbare voorspellingen aan. Experimentele resultaten tonen aan dat, binnen het geteste temperatuurbereik, de snelheid van prestatieafname aanzienlijk exponentieel gerelateerd is aan temperatuur. Op basis van levensduurgegevens op verschillende temperatuurpunten werd een wiskundig model opgesteld dat temperatuur en levensduur relateert.
2.3 Implementatie van levensduurvoorspelling
De levensduurvoorspelling is gebaseerd op de cumulatieve schadetheorie, die schadeeffecten onder verschillende temperatuurcondities op elkaar laat aansluiten. De voorspellingsmethode overweegt factoren zoals de ouderdomssnelheid van het materiaal, fluctuaties in omgevingstemperatuur en belastingvariaties. De bedrijfsperiode wordt verdeeld in n tijdsintervallen, waarbij de schade in elk interval wordt bepaald door de bedrijfstemperatuur en de duur. Temperatuurgegevens worden verkregen via een online monitoring systeem met een bemonsteringsinterval van 1 u om gegevenscontinuïteit en -nauwkeurigheid te garanderen. De gemeten temperaturen worden ingevoerd in de Arrhenius-vergelijking om de equivalente bedrijfstijd voor elk interval te berekenen. De opgelopen schade over alle intervallen levert de voorspelde resterende levensduur [4] op. De voorspellingsnauwkeurigheid wordt gevalideerd met behulp van resultaten van versnelde verouderingstests, met de gemiddelde afwijking tussen modelberekeningen en experimentele gegevens binnen ±8% gehouden.
3. Toepassing en validatie
3.1 Analyse van voorspellingsnauwkeurigheid
Het voorspellingsmodel wordt gevalideerd met een gecombineerde benadering van versnelde verouderingstests en werkelijke bedrijfsgegevens. Meerdere series stroomcondensatoren met verschillende bedrijfsduren worden geselecteerd voor prestatietests, en de resultaten worden vergeleken met modelvoorspellingen. Zoals weergegeven in Tabel 1, voor de 5-jaar groep, is de gemeten gemiddelde levensduur 4,8 jaar en de voorspelde waarde 5,2 jaar, wat een relatieve fout van 7,7% oplevert; voor de 8-jaar groep, is de gemeten waarde 7,6 jaar en de voorspelde waarde 8,3 jaar, met een relatieve fout van 8,4%; voor de 10-jaar groep, is de gemeten waarde 9,5 jaar en de voorspelde waarde 10,2 jaar, wat een relatieve fout van 6,9% oplevert. Foutbronanalyse toont aan dat fluctuaties in omgevingstemperatuur de primaire factor zijn die de voorspellingsnauwkeurigheid beïnvloeden. Wanneer de dagelijkse temperatuurvariatie 20 °C overschrijdt, neemt de modelvoorspellingsfout toe tot 12%. Daarnaast dragen temperatuurfluctuaties veroorzaakt door belastingsvariaties bij aan een toename van de voorspellingsfout met 4,2%.
3.2 Ingenieursadvies voor toepassing
Zoals weergegeven in Tabel 2, als de omgevingstemperatuur onder 75 °C wordt gehouden, neemt de snelheid van apparatuurlevensduuraftakeling met 58% af. Voor elke 5 °C vermindering in de installatielocatietemperatuur, neemt de verwachte levensduur met 18,5% toe. Door ventilatie te verbeteren, werd de omgevingstemperatuur op de testlocatie gemiddeld met 7,2 °C verlaagd, wat resulteert in een 32% verbetering van de stabiliteit van de condensatorprestatieparameters. Temperatuurgegevens van het online monitoring systeem laten zien dat na de implementatie van slimme ventilatie, de maximale temperatuur rond het apparaat met 11,3 °C en de gemiddelde temperatuur met 8,7 °C afnam. Het levensduurvoorspellingsmodel werd een jaar lang toegepast in een 500 kV substation, waarbij succesvol vroegwaarschuwingen werden uitgegeven voor zes potentiële storingen, wat de efficiëntie van preventieve onderhoudsmaatregelen met 43% verhoogde. Analyse van onderhoudsgegevens toont aan dat onderhouds- en vervangingsbeslissingen op basis van modelvoorspellingen een nauwkeurigheid van 87% behaalden, wat een verbetering van 35% is ten opzichte van traditioneel tijdgebaseerd onderhoud. De modelgeleide apparatuurbeheerstrategie verlaagde de onderhoudskosten met 27% en verhoogde de beschikbaarheid van het apparaat met 15%.
4. Conclusie
Door systematische versnelde verouderingstests en gegevensanalyse onthult deze studie de invloed van hoge temperatuuromgevingen op de prestatieafname van stroomcondensatoren en stelt een levensduurvoorspellingsmodel op basis van de Arrhenius-vergelijking op. Experimentele resultaten tonen aan dat de omgevingstemperatuur een sleutelfactor is die de levensduur van condensatoren beïnvloedt: voor elke 10 °C stijging in temperatuur, neemt de levensduur met 42,5% ± 2,5% af. Belangrijke prestatieparameters zoals dielectrisch verlies, capaciteit en isolatieweerstand tonen aanzienlijke degradatiepatronen bij stijgende temperaturen. Het ontwikkelde levensduurvoorspellingsmodel behaalt een voorspellingsnauwkeurigheid van meer dan 90%, wat een wetenschappelijke basis biedt voor onderhouds- en vervangingsbeslissingen van stroomcondensatoren.
