Karakteristike smanjenja performansi i predviđanje vek trajanja kondenzatora pod uslovima visokih temperatura

Karakteristike smanjenja performansi i predviđanje veka trajanja električnih kondenzatora u uslovima visokih temperatura

Sa neprekidnim proširenjem elektroenergetskih sistema i porastom zahteva za opterećenjem, okruženje u kome se operiše električna oprema postaje sve složenije. Povećanje zračne temperature izazvalo je ključni faktor koji utiče na pouzdanu operaciju električnih kondenzatora. Kao ključni komponenti u sistemima prenose i raspodele struje, smanjenje performansi električnih kondenzatora direktno utiče na bezbednost i stabilnost mreže. U uslovima visokih temperatura, dielektrični materijali unutar kondenzatora brže stari, što dovodi do značajnog pogoršanja električnih performansi, skraćivanja veka trajanja i potencijalno do sistema grešaka.

1. Istraživanje karakteristika smanjenja performansi
1.1 Eksperimentalni postupak

Za testiranje su odabrani paralelni električni kondenzatori sa nominalnom napetosti od 10 kV i kapacitetom od 100 kvar, koji ispunjavaju zahteve GB/T 11024.1—2019, Shunt capacitors for a.c. power systems with a rated voltage above 1000 V – Part 1: General. Test sistem je uključivao OMICRON CP TD1 tester kapaciteta i analizator dielektričnih gubitaka ME632, sa temperaturom kontrolisanom od strane visokotemperaturne kamere za staranje KSP-015. Postavljena su tri nivoa temperature—70 °C, 85 °C i 100 °C—sa pet uzoraka testiranih na svakom nivou. Test procedura je pratio IEC 60871-2, primenjujući kontinuirano nominalnu napetost tokom staranja kako bi se simulirale realne uslove rada.

1.2 Ponašanje degradacije dielektričnih gubitaka

Pod visokim temperaturama, dielektrični gubitci (tanδ) pokazali su značajan ovisnost o temperaturi. Na 70 °C, tan&δ; je sporije povećavao tokom vremena, ostajući unutar operativnih granica, što ukazuje na stabilnu izolacionu performansu. Na 85 °C, stopa povećanja se ubrzala, sa nagibom krive koji postaje strmiji; neki uzorci su prekoracili standardne granice u kasnijim fazonima. Na 100 °C, tan&δ; je brzo porastao sa strmim oblikom krive, pokazujući tipične karakteristike toplinskog staranja.

1.3 Karakteristike varijacije kapaciteta

Povećanje temperature značajno je uticalo na stabilnost kapaciteta, sa jasnim ponašanjem ovisnim o fazama. Na niskim temperaturama, odstupanje kapaciteta ostalo je unutar dopuštenih toleranci, pokazujući dobru stabilnost. U srednjem temperaturnom opsegu, kapacitet je počeo značajno padati, sa odstupanjem koje se približava operativnim granicama. Pod visokim temperaturama, kapacitet je brzo padao, prelazeći dopušteno odstupanje, što ukazuje na ubrzano smanjenje.

2. Razvoj modela predviđanja veka trajanja
2.1 Analiza podataka o degradaciji performansi

Usporedbom stopa degradacije na različitim temperaturnim nivoima, analizirana je veza između temperature i faktora ubrzanja. Utvrđen je kompleksni kriterijum neispravnosti temeljen na ključnim parametrima poput dielektričnih gubitaka, odstupanja kapaciteta i otpornosti izolacije. Rezultati su pokazali da se degradacija performansi značajno ubrzava pod visokim temperaturama, sa faktorom ubrzanja koji pokazuje eksponencijalnu vezu s temperaturom. Fitovanje podataka dalo je visoki koeficijent korelacije, potvrđujući jaku statističku važnost. Jedinica Arrheniusa je korišćena za izračunavanje faktora ubrzanja, uključujući eksperimentalno izvedenu aktivnu energiju i Boltzmannovu konstantu, time postavljanjem kvantitativne veze između temperature i ubrzanja.

2.2 Primena Arrheniusovog modela

Kao što je prikazano na slici 1, eksperimentalni podaci su fitovani u koordinatnom sistemu logaritam veka trajanja vs. inverzna temperatura (1/T), dajući jaku linearnu korelaciju. Nagib fitovane linije odgovara aktivnoj energiji EaEa (u kJ/mol), koja predstavlja energijsku barijeru procesa staranja, i dobro se slaže sa teorijskim očekivanjima. Visok koeficijent korelacije potvrđuje odlično slaganje između eksperimentalnih podataka i Arrheniusovog modela. Analiza intervala 95% pouzdanosti pokazuje statistički pouzdane predviđanja. Eksperimentalni rezultati pokazuju da, unutar testiranog temperaturnog opsega, stopa degradacije performansi ima značajnu eksponencijalnu vezu s temperaturom. Na osnovu podataka o veku trajanja na različitim temperaturnim tačkama, izgrađen je matematički model koji povezuje temperaturu i vek trajanja.

2.3 Implementacija predviđanja veka trajanja
Predviđanje veka trajanja temelji se na teoriji kumulativne štete, koja superponira efekte štete pod različitim temperaturnim uslovima. Metod predviđanja komprehensivno uzima u obzir faktore poput brzine staranja materijala, fluktuacija zračne temperature i promena opterećenja. Operativni ciklus je podeljen na n vremenskih intervala, sa štetom u svakom intervalu određenom operativnom temperaturom i vremenom. Temperaturni podaci se prikupljaju putem onlajn sistema nadzora sa uzorkovanjem svakih 1 h kako bi se osigurala kontinuitet i tačnost podataka. Merene temperature se unose u jednačinu Arrheniusa kako bi se izračunao ekvivalentno operativno vreme za svaki interval. Akumulirana šteta kroz sve intervale daje predviđeni preostali vek trajanja [4]. Tačnost predviđanja je verifikovana pomoću rezultata ubrzanih testova staranja, sa prosečnim odstupanjem između izračuna modela i eksperimentalnih podataka održanom unutar ±8%.

3. Primena i verifikacija
3.1 Analiza tačnosti predviđanja

Model predviđanja je verifikovan kombinacijom ubrzanih testova staranja i stvarnih operativnih podataka. Odabrane su više serija električnih kondenzatora sa različitim vremenom službe za testiranje performansi, a rezultati su upoređeni sa predviđanjima modela. Kao što je prikazano u Tabeli 1, za grupu sa 5 godina rada, mereno prosečno vreme trajanja je 4.8 godine, a predviđena vrednost je 5.2 godine, što daje relativnu grešku od 7.7%; za grupu sa 8 godina, merena vrednost je 7.6 godine, a predviđena vrednost je 8.3 godine, sa relativnom greškom od 8.4%; za grupu sa 10 godina, merena vrednost je 9.5 godine, a predviđena vrednost je 10.2 godine, što daje relativnu grešku od 6.9%. Analiza izvora greške pokazuje da su fluktuacije zračne temperature glavni faktor koji utiče na tačnost predviđanja. Kada dnevna varijacija temperature premaši 20 °C, greška predviđanja modela poraste na 12%. Takođe, fluktuacije temperature uzrokovane promenama opterećenja doprinose povećanju greške predviđanja za 4.2%.

3.2 Preporuke za inženjersku primenu

Kao što je prikazano u Tabeli 2, kada se zračna temperatura održava ispod 75 °C, stopa degradacije veka trajanja opreme smanjuje se za 58%. Za svakih 5 °C smanjenje temperature na lokaciji instalacije, očekivani vek trajanja povećava se za 18.5%. Unapređenjem ventilacije, zračna temperatura na test lokaciji je prosječno smanjena za 7.2 °C, što je dovelo do 32% poboljšanja stabilnosti parametara performansi kondenzatora. Podaci o temperaturi iz onlajn sistema nadzora pokazuju da nakon implementacije inteligentne ventilacije, maksimalna temperatura oko opreme smanjila se za 11.3 °C, a prosječna temperatura za 8.7 °C. Model predviđanja veka trajanja primenjen je u 500 kV podstanciji tijekom jedne godine, uspješno izdavajući ranije upozorenja za šest potencijalnih grešaka, povećavajući učinkovitost preventivnog održavanja za 43%. Analiza podataka o održavanju pokazuje da su odluke o održavanju i zamjeni temeljene na predviđanjima modela dostigle tačnost od 87%, što predstavlja 35% poboljšanje u odnosu na tradicionalno vremensko održavanje. Strategija upravljanja opremom temeljena na modelu smanjila je troškove održavanja za 27% i povećala dostupnost opreme za 15%.

4. Zaključak

Kroz sistematska ubrzana testa staranja i analizu podataka, ovo istraživanje otkriva uticaj visokotemperaturnih okruženja na degradaciju performansi električnih kondenzatora i razvija model predviđanja veka trajanja temeljen na jednačini Arrheniusa. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je zračna temperatura ključni faktor koji utiče na vek trajanja kondenzatora: za svakih 10 °C povećanje temperature, vek trajanja smanjuje se za 42.5% ± 2.5%. Ključni parametri performansi poput dielektričnih gubitaka, kapaciteta i otpornosti izolacije pokazuju značajne trendove degradacije s povećanjem temperature. Razvijeni model predviđanja veka trajanja postiže tačnost predviđanja preko 90%, pružajući znanstvenu osnovu za odluke o održavanju i zamjeni električnih kondenzatora.