Характеристики снижения производительности и прогнозирование срока службы силовых конденсаторов при высокотемпературных условиях

Характеристики деградации производительности и прогнозирование срока службы силовых конденсаторов в условиях высоких температур

С不断的翻译内容似乎被截断了，我将按照要求继续完成翻译：

С постоянным расширением энергетических систем и увеличением нагрузочных требований условия эксплуатации электрического оборудования становятся все более сложными. Повышение окружающей температуры стало ключевым фактором, влияющим на надежную работу силовых конденсаторов. Как важные компоненты в системах передачи и распределения электроэнергии, деградация производительности силовых конденсаторов напрямую влияет на безопасность и стабильность сети. В условиях высоких температур диэлектрические материалы внутри конденсаторов стареют быстрее, что приводит к значительному ухудшению электрических характеристик, сокращению срока службы и потенциально к отказам системы.

1. Исследование характеристик деградации производительности
1.1 Экспериментальная установка

В качестве образцов для испытаний были выбраны параллельные силовые конденсаторы с номинальным напряжением 10 кВ и емкостью 100 квар, соответствующие требованиям ГОСТ Р 53764-2019, «Параллельные конденсаторы для сетей переменного тока с номинальным напряжением выше 1000 В — Часть 1: Общие положения». Испытательная система включала измеритель емкости OMICRON CP TD1 и анализатор диэлектрических потерь ME632, с контролем температуры при помощи термостата KSP-015. Были установлены три уровня температуры — 70 °C, 85 °C и 100 °C, по пять образцов на каждом уровне. Процедура испытаний следовала стандарту IEC 60871-2, при этом номинальное напряжение подавалось непрерывно во время старения, чтобы смоделировать реальные условия эксплуатации.

1.2 Поведение деградации диэлектрических потерь

При высоких температурах диэлектрические потери (tanδ) демонстрировали значительную зависимость от температуры. При 70 °C значение tanδ медленно увеличивалось со временем, оставаясь в пределах допустимых значений, что указывает на стабильность изоляционных свойств. При 85 °C скорость увеличения ускорялась, и кривая стала более крутой; некоторые образцы превысили стандартные ограничения на поздних этапах. При 100 °C значение tanδ резко возрастало с крутой кривой, что характерно для теплового старения.

1.3 Характеристики изменения емкости

Повышение температуры значительно влияло на стабильность емкости, проявляя ясные стадийные характеристики. При низких температурах отклонение емкости оставалось в пределах допустимых значений, демонстрируя хорошую стабильность. В среднем температурном диапазоне началось заметное уменьшение емкости, с отклонением, приближающимся к операционным пределам. При высоких температурах емкость быстро уменьшалась, превышая допустимые отклонения, что указывает на ускоренную деградацию.

2. Разработка модели прогнозирования срока службы
2.1 Анализ данных о деградации производительности

Сравнивая скорости деградации при различных температурных уровнях, был проведен анализ взаимосвязи между температурой и коэффициентом ускорения. На основе ключевых параметров, таких как диэлектрические потери, отклонение емкости и сопротивление изоляции, была разработана комплексная критерия неисправности. Результаты показали, что деградация производительности значительно ускоряется при высоких температурах, а коэффициент ускорения имеет экспоненциальную зависимость от температуры. Подгонка данных дала высокий коэффициент корреляции, подтверждая сильную статистическую значимость. Для расчета коэффициента ускорения использовалось уравнение Аррениуса, включающее экспериментально определенную энергию активации и постоянную Больцмана, что позволило установить количественную связь между температурой и ускорением.

2.2 Применение модели Аррениуса

Как показано на рисунке 1, экспериментальные данные были подогнаны в координатной системе логарифм времени жизни против обратной температуры (1/T), что дало сильную линейную корреляцию. Наклон подогнанной линии соответствует энергии активации EaEa (в кДж/моль), представляющей собой энергетический барьер процесса старения, и хорошо согласуется с теоретическими ожиданиями. Высокий коэффициент корреляции подтверждает отличное соответствие между экспериментальными данными и моделью Аррениуса. Анализ 95% доверительного интервала указывает на статистически надежные прогнозы. Экспериментальные результаты показывают, что в исследованном диапазоне температур скорость деградации производительности значительно экспоненциально связана с температурой. На основе данных о сроке службы при различных температурных точках была разработана математическая модель, связывающая температуру и срок службы.

2.3 Реализация прогнозирования срока службы
Прогнозирование срока службы основано на теории кумулятивного повреждения, которая суммирует эффекты повреждений при различных температурных условиях. Метод прогнозирования комплексно учитывает такие факторы, как скорость старения материала, колебания окружающей температуры и вариации нагрузки. Операционный цикл делится на n временных интервалов, а повреждение в каждом интервале определяется рабочей температурой и продолжительностью. Данные температуры собираются через онлайн-мониторинговую систему с интервалом выборки 1 час, чтобы обеспечить непрерывность и точность данных. Измеренные температуры вводятся в уравнение Аррениуса для расчета эквивалентного времени работы для каждого интервала. Суммарное повреждение по всем интервалам дает предсказанный остаточный срок службы [4]. Точность прогнозирования подтверждается с помощью результатов ускоренных испытаний на старение, при этом среднее отклонение между расчетами модели и экспериментальными данными поддерживается в пределах ±8%.

3. Применение и верификация
3.1 Анализ точности прогнозирования

Модель прогнозирования проверяется комбинированным подходом, используя ускоренные испытания на старение и фактические эксплуатационные данные. Выбираются несколько партий силовых конденсаторов с различными сроками службы для проведения испытаний производительности, и результаты сравниваются с прогнозами модели. Как показано в таблице 1, для группы с 5-летним сроком эксплуатации, измеренный средний срок службы составляет 4,8 года, а предсказанное значение — 5,2 года, что дает относительную ошибку 7,7%; для группы с 8-летним сроком, измеренное значение составляет 7,6 года, а предсказанное — 8,3 года, с относительной ошибкой 8,4%; для группы с 10-летним сроком, измеренное значение составляет 9,5 лет, а предсказанное — 10,2 года, что дает относительную ошибку 6,9%. Анализ источников ошибок показывает, что колебания окружающей температуры являются основным фактором, влияющим на точность прогнозирования. Когда суточное колебание температуры превышает 20 °C, ошибка прогноза модели увеличивается до 12%. Кроме того, колебания температуры, вызванные изменением нагрузки, приводят к увеличению ошибки прогноза на 4,2%.

3.2 Рекомендации по инженерному применению

Как показано в таблице 2, когда окружающая температура поддерживается ниже 75 °C, скорость деградации срока службы оборудования снижается на 58%. Каждое снижение температуры места установки на 5 °C увеличивает ожидаемый срок службы на 18,5%. Улучшение вентиляции привело к снижению окружающей температуры на испытательном участке в среднем на 7,2 °C, что повысило стабильность параметров производительности конденсаторов на 32%. Данные температуры из онлайн-мониторинговой системы показывают, что после внедрения интеллектуальной вентиляции максимальная температура вокруг оборудования снизилась на 11,3 °C, а средняя температура — на 8,7 °C. Модель прогнозирования срока службы была применена в подстанции 500 кВ в течение одного года, успешно выдав ранние предупреждения о шести потенциальных отказах, что увеличило эффективность профилактического обслуживания на 43%. Анализ данных по обслуживанию показывает, что решения по обслуживанию и замене, основанные на прогнозах модели, достигли точности 87%, что представляет собой 35%-ное улучшение по сравнению с традиционным обслуживанием по времени. Стратегия управления оборудованием, управляемая моделью, снизила затраты на обслуживание на 27% и увеличила доступность оборудования на 15%.

4. Заключение

На основе систематических ускоренных испытаний на старение и анализа данных это исследование раскрывает влияние высокотемпературных условий на деградацию производительности силовых конденсаторов и разрабатывает модель прогнозирования срока службы на основе уравнения Аррениуса. Экспериментальные результаты показывают, что окружающая температура является ключевым фактором, влияющим на срок службы конденсаторов: каждое повышение температуры на 10 °C приводит к сокращению срока службы на 42,5% ± 2,5%. Критические параметры производительности, такие как диэлектрические потери, емкость и сопротивление изоляции, демонстрируют значительные тенденции деградации с повышением температуры. Разработанная модель прогнозирования срока службы достигает точности прогнозирования более 90%, предоставляя научную основу для принятия решений по обслуживанию и замене силовых конденсаторов.