Značilnosti degradacije zmogljivosti in napoved življenjske dobe močnih kondenzatorjev v pogojih visokih temperatur

Značilnosti degradacije zmogljivosti in napoved življenjske dobe močnih kondenzatorjev v visokotemperaturnih pogojih

S stalnim razširjanjem močnih sistemov in naraščanjem obremenitvenih zahtev je delovanje električnega opreme postalo vse bolj zapleteno. Povišanje okoljske temperature se je izkazalo za ključen dejavnik, ki vpliva na zanesljivo delovanje močnih kondenzatorjev. Kot ključni komponente v sistemu prenose in distribucije električne energije ima degradacija zmogljivosti močnih kondenzatorjev neposredni vpliv na varnost in stabilnost omrežja. V visokotemperaturnih pogojih se dielektrični materiali znotraj kondenzatorjev hitreje starajo, kar vodi do značajne zmanjšanja elektrotehnične zmogljivosti, skrajšane uporabne dobe in potencialno tudi propadom sistema.

1. Raziskava značilnosti degradacije zmogljivosti
1.1 Eksperimentalna nastavitev

Za testne vzorce so bile izbrane vzporedne močne kondenzatorji z imenovano napetostjo 10 kV in kapacitancijo 100 kvar, ki izpolnjujejo zahteve standarda GB/T 11024.1—2019, Vzporedni kondenzatorji za AC močne sisteme z imenovano napetostjo nad 1000 V – Del 1: Splošno. Testni sistem je vključeval OMICRON CP TD1 merilnik kapacitance in ME632 analizator dielektričnih izgub, s temperaturo, ki jo kontrolira KSP-015 visokotemperaturna starašča škatla. Nastavili so tri ravni temperatur—70 °C, 85 °C in 100 °C—in pri vsaki ravni so testirali pet vzorcev. Postopek testiranja je sledil IEC 60871-2, z zveznim uporabljanjem imenovane napetosti med staraščo, da bi simuliral realne delovne pogoje.

1.2 Obnašanje degradacije dielektričnih izgub

Pri visokih temperaturah so dielektrične izgube (tanδ) pokazale značilno odvisnost od temperature. Pri 70 °C se je tan&δ; počasi povečal s časom, ohranjajuči se znotraj operativnih mej, kar kaže na stabilno izolacijsko zmogljivost. Pri 85 °C se je hitrost povečevanja pospešila, s krivuljo, ki postaja strmljša; nekateri vzorci so kasneje presegli standardne meje. Pri 100 °C se je tan&δ; hitro povečal s strmljo krivuljo, kar kaže tipične značilnosti termalne stareščine.

1.3 Značilnosti variacije kapacitance

Povišanje temperature je značilno vplivalo na stabilnost kapacitance, s jasno fazno odvisnostjo. Pri nizkih temperaturah je odklon kapacitance ostal znotraj dopustnih toleranc, kar kaže dobro stabilnost. V srednjih temperaturah je kapacitanca začela jasno upadanje, z odklonom, ki se približuje operativnim mejam. Pri visokih temperaturah se je kapacitanca hitro zmanjšala, presegala pa je dopustne odklone, kar kaže pospešeno zastarevanje.

2. Razvoj modela napovedovanja življenjske dobe
2.1 Analiza podatkov o degradaciji zmogljivosti

Z usporedbo hitrosti degradacije na različnih temperaturah je bila analizirana povezava med temperaturo in koeficientom pospešitve. Ustvarjen je bil celosten kriterij odpovedi na podlagi ključnih parametrov, kot so dielektrične izgube, odklon kapacitance in izolacijska upornost. Rezultati so pokazali, da se degradacija zmogljivosti značilno pospeši pri visokih temperaturah, z eksponentno povezavo koeficienta pospešitve z temperaturo. Prilagoditev podatkov je prinesla visok koeficient korelacije, ki potrjuje močno statistično značilnost. Za izračun koeficienta pospešitve je bila uporabljena Arrheniusova enačba, vključno s eksperimentalno izvedeno aktivacijsko energijo in Boltzmannovo konstanto, s tem ustvarjena kvantitativna povezava med temperaturo in pospešitvijo.

2.2 Uporaba Arrheniusovega modela

Kot je prikazano na Sliki 1, so bili eksperimentalni podatki prilagojeni v koordinatnem sistemu logaritma življenjske dobe glede na inverzno temperaturo (1/T), kar je prineslo močno linearno korelacijo. Nagib prilagojene premice ustreza aktivacijski energiji EaEa (v kJ/mol), ki predstavlja energetski prepreko procesa stareščine, in se dobro ujema s teoretskimi pričakovanji. Visok koeficient korelacije potrjuje odlično ujemanje med eksperimentalnimi podatki in Arrheniusovim modelom. Analiza intervala 95% zaupanja kaže statistično zanesljive napovedi. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je v testiranem temperaturnem območju hitrost degradacije zmogljivosti značilno eksponentno povezana z temperaturo. Na podlagi življenjskih podatkov na različnih temperaturnih točkah je bil ustanovljen matematični model, ki povezuje temperaturo in uporabno dobo.

2.3 Izvajanje napovedovanja življenjske dobe
Napovedovanje življenjske dobe temelji na teoriji kumulativnega poškodovanja, ki sešteva učinke poškodovanja pri različnih temperaturnih pogoji. Metoda napovedovanja obsežno upošteva dejavnike, kot so hitrost staranja materiala, fluktuacije okoljske temperature in spremembe obremenitve. Operativni cikel je razdeljen na n časovnih intervalov, z učinkom poškodovanja v vsakem intervalu, določenim z operativno temperaturo in dolžino trajanja. Podatki o temperaturi so pridobljeni preko on-line nadzornega sistema z vzorčnim intervalom 1 h, da zagotovi zveznost in natančnost podatkov. Merjene temperature so vnese v Arrheniusovo enačbo za izračun ekvivalentnega operativnega časa za vsak interval. Kumulativno poškodovanje v vseh intervalih prinese napovedan preostali čas uporabe [4]. Natančnost napovedi je preverjena z rezultati pospešenih staraščih testov, z povprečnim odklonom med izračuni modela in eksperimentalnimi podatki, ohranjenim znotraj ±8%.

3. Uporaba in preverjanje
3.1 Analiza natančnosti napovedi

Model napovedovanja je preverjen z kombiniranim pristopom pospešenih staraščih testov in dejanskih operativnih podatkov. Izbrani so več paketi močnih kondenzatorjev z različnimi časovnimi obdobji uporabe za preverjanje zmogljivosti, in rezultati so primerjeni z napovedmi modela. Kot je prikazano v Tabeli 1, za skupino z 5-letnim operativnim obdobjem je merjeno povprečno življenjsko dobo 4.8 let in napovedano vrednost 5.2 let, s relativnim odklonom 7.7%; za 8-letno skupino je merjena vrednost 7.6 let in napovedana vrednost 8.3 let, z relativnim odklonom 8.4%; za 10-letno skupino je merjena vrednost 9.5 let in napovedana vrednost 10.2 let, s relativnim odklonom 6.9%. Analiza virov napak kaže, da so fluktuacije okoljske temperature glavni dejavnik, ki vpliva na natančnost napovedi. Ko dnevna variacija temperature preseže 20 °C, se napaka modela poveča na 12%. Dodatno, fluktuacije temperature, povzročene spremembami obremenitve, prispevajo k povečanju napake napovedi za 4.2%.

3.2 Priporočila za inženirske uporabe

Kot je prikazano v Tabeli 2, ko je okoljska temperatura ohranjena pod 75 °C, se stopnja degradacije življenjske dobe opreme zmanjša za 58%. Za vsako 5 °C zmanjšanje temperature namestitvenega mesta se pričakovana življenjska doba poveča za 18.5%. Z izboljšanjem ventilacije je bila okoljska temperatura na mestu testiranja v povprečju zmanjšana za 7.2 °C, kar je prineslo 32% izboljšanje stabilnosti parametričnih zmogljivosti kondenzatorjev. Podatki o temperaturi iz on-line nadzornega sistema kažejo, da je po uvedbi pametne ventilacije najvišja temperatura okoli opreme zmanjšana za 11.3 °C in povprečna temperatura za 8.7 °C. Model napovedovanja življenjske dobe je bil uporabljen v 500 kV podstanici za eno leto, uspešno izdajajoč predhodna opozorila za šest potencialnih propadov, s povečanjem učinkovitosti preventivnega vzdrževanja za 43%. Analiza podatkov o vzdrževanju kaže, da so odločitve o vzdrževanju in zamenjavi, temeljene na napovedih modela, dosegle natančnost 87%, kar predstavlja 35% izboljšanje v primerjavi z tradicionalnim časovnim vzdrževanjem. Strategija upravljanja opreme, vodena z modelom, je zmanjšala stroške vzdrževanja za 27% in povečala dostopnost opreme za 15%.

4. Zaključek

Skupaj s sistemskimi pospešenimi staraščimi testi in analizo podatkov ta raziskava razkriva vpliv visokotemperaturnih okolij na degradacijo zmogljivosti močnih kondenzatorjev in ustanavlja model napovedovanja življenjske dobe, temeljeno na Arrheniusovi enačbi. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je okoljska temperatura ključen dejavnik, ki vpliva na življenjsko dobo kondenzatorjev: za vsako 10 °C povišanje temperature se življenjska doba zmanjša za 42.5% ± 2.5%. Ključni parametri zmogljivosti, kot so dielektrične izgube, kapacitance in izolacijska upornost, kažejo značilne trende degradacije z povišanjem temperature. Razviti model napovedovanja življenjske dobe doseže natančnost preko 90%, zagotavljajoč znanstveno osnovo za odločitve o vzdrževanju in zamenjavi močnih kondenzatorjev.