Prestandaförsämringsegenskaper och livslängdsprognos för elkondensatorer under högtemperaturförhållanden

Prestandaförsämringsegenskaper och livslängdsprognos för effektkondensatorer under högtemperaturförhållanden

Med den kontinuerliga expansionen av elkraftsystem och ökande belastningskrav har driftsmiljön för elektrisk utrustning blivit alltmer komplex. Ökad omgivningstemperatur har visat sig vara en viktig faktor som påverkar den tillförlitliga drift av effektkondensatorer. Som kritiska komponenter i elöverförings- och distributionsystem påverkar prestandaförsämringen av effektkondensatorer direkt nätets säkerhet och stabilitет. Under högtemperaturförhållanden åldras dielektriska material inuti kondensatorerna snabbare, vilket leder till betydande försämring av elektrisk prestanda, förkortad servicelevnад och potentiellt systemfel.

1. Studie av prestandaförsämringsegenskaper
1.1 Experimentell uppsättning

Parallella effektkondensatorer med en spänningsgräns på 10 kV och en kapacitet på 100 kvar valdes som provexemplar, vilka uppfyllde kraven enligt GB/T 11024.1—2019, Shunt capacitors for a.c. power systems with a rated voltage above 1000 V – Part 1: General. Testsystemet inkluderade en OMICRON CP TD1 kapacitansmätare och en ME632 dielektrisk förlustanalysator, med temperatur kontrollerad av en KSP-015 högtemperaturåldrandechammare. Tre temperaturnivåer—70 °C, 85 °C, och 100 °C—sattes, med fem prov vid varje nivå. Testproceduren följde IEC 60871-2, genom att applicera nominell spänning kontinuerligt under åldrande för att simulerа verkliga driftförhållanden.

1.2 Förlustegenskaper för dielektriska förluster

Under höga temperaturer visade dielektriska förluster (tanδ) en signifikant temperaturberoende. Vid 70 °C ökade tan&δ; långsamt över tid, vilket ligger inom driftgränser, vilket indikerar stabil isolationsprestanda. Vid 85 °C accelererade ökningshastigheten, med en större lutning på kurvan; vissa prov översteg standardgränserna i senare skeden. Vid 100 °C steg tan&δ; starkt med en brant kurva, vilket visar typiska egenskaper för termisk ålderіng.

1.3 Kapacitansvariationsegenskaper

Temperaturökning påverkade kapacitansstabiliteten betydligt, med tydlig fasberoende beteende. Vid låga temperaturer förblev kapacitansavvikelsen inom tillåtna toleranser, vilket visar god stabilitет. I mellanregionen började kapacitansen minska märkbart, med avvikelse nära driftgränser. Vid höga temperaturer minskade kapacitansen snabbt, överskred tillåtna avvikelser, vilket indikerar föraccelererad försämring.

2. Utveckling av livslängdsprognosmodell
2.1 Analys av prestandaförsämringdata

Genom att jämföra försämringshastigheter vid olika temperaturnivåer analyserades sambandet mellan temperatur och accelerationsfaktorn. En omfattande felkritier fastställdes baserat på viktiga parametrar som dielektriska förluster, kapacitansavvikelse och isolationsmotstånd. Resultaten visade att prestandaförsämringen accelererade betydligt vid höga temperaturer, med accelerationsfaktorn som visade en exponentiell relation med temperatur. Datapassning gav en hög korrelationskoefficient, vilket bekräftar stark statistisk signifikans. Arrhenius ekvation användes för att beräkna accelerationsfaktorn, med experimentellt härledd aktiveringsenergi och Boltzmanns konstant, vilket etablerade en kvantitativ temperatur-acceleration relation.

2.2 Tillämpning av Arrhenius-modellen

Som visas i figur 1 passerades experimentella data i ett log-livslängd mot invers temperatur (1/T) koordinatsystem, vilket resulterade i en stark linjär korrelation. Lutningen på passerade linjen motsvarar aktiveringsenergin EaEa (i kJ/mol), vilket representerar energibarriären för åldrandeprocessen, och stämmer väl överens med teoretiska förväntningar. En hög korrelationskoefficient bekräftar utmärkt överensstämmelse mellan experimentella data och Arrhenius-modellen. Analyser av 95% konfidensintervall indikerar statistiskt tillförlitliga prognoser. Experimentresultat visar att, inom det testade temperaturintervallet, är hastigheten av prestandaförsämring signifikant exponentiellt relaterad till temperatur. Baserat på livsdata vid olika temperaturpunkter etablerades en matematisk modell som relaterar temperatur och servicelevnад.

2.3 Implementering av livslängdsprognos
Livslängdsprognosen baseras på teorin om ackumulerad skada, vilket superponerar skadeeffekter under olika temperaturförhållanden. Prognosmetoden beaktar omfattande faktorer som materialeldningshastighet, variationer i miljötemperatur och belastningsvariationer. Driftcykeln delas in i n tidsintervall, med skadan i varje intervall bestämd av driftstemperatur och varaktighet. Temperaturdata erhålls via ett onlineövervakningssystem med ett sampelintervall på 1 h för att säkerställa datakontinuitet och noggrannhet. De mätta temperaturerna matas in i Arrhenius ekvation för att beräkna den ekvivalenta drifttid för varje intervall. Ackumulerad skada över alla intervall ger den förväntade återstående servicelevnaden [4]. Prognosnoggrannheten verifieras med hjälp av resultat från föraccelererade åldrandestester, med den genomsnittliga avvikelsen mellan modellberäkningar och experimentdata upprätthållen inom ±8%.

3. Tillämpning och verifiering
3.1 Analys av prognosnoggrannhet

Prognosmodellen verifieras med en kombinerad metod av föraccelererade åldrandestester och faktiska driftdata. Flera partier effektkondensatorer med olika serviceperioder väljs för prestandatest, och resultaten jämförs med modellprognoser. Som visas i tabell 1, för den 5-åriga driftgruppen, är den mätta genomsnittliga livslängden 4.8 år och den prognostiserade värdet 5.2 år, vilket ger en relativ felmarginal på 7.7%; för den 8-åriga gruppen, är det mätta värdet 7.6 år och det prognostiserade värdet 8.3 år, med en relativ felmarginal på 8.4%; för den 10-åriga gruppen, är det mätta värdet 9.5 år och det prognostiserade värdet 10.2 år, vilket ger en relativ felmarginal på 6.9%. Felkällsanalys visar att variationer i miljötemperatur är den primära faktorn som påverkar prognosnoggrannhet. När den dagliga temperaturvariationen överskrider 20 °C, ökar modellprognosfelet till 12%. Dessutom bidrar temperaturvariationer orsakade av belastningsvariationer till en ökning av prognosfelet med 4.2%.

3.2 Ingenjörstillämpningsrekommendationer

Som visas i tabell 2, när omgivningstemperaturen hålls under 75 °C, minskar hastigheten av utrustningslivsförsämring med 58%. För varje 5 °C minskning av installationstempеraturen, ökar den förväntade servicelevnaden med 18.5%. Genom att förbättra ventilationen minskades omgivningstemperaturen på testplatsen i genomsnitt med 7.2 °C, vilket resulterade i en 32% förbättring av effektkondensatorernas prestandaparameters stabilitet. Temperaturdata från onlineövervakningssystemet indikerar att efter implementering av intelligenta ventilationslösningar minskade den maximala temperaturen runt utrustningen med 11.3 °C och den genomsnittliga temperaturen med 8.7 °C. Livslängdsprognosmodellen tillämpades i ett 500 kV understation under ett år, vilket framgångsrikt utfärdade tidigvarningar för sex potentiella fel, vilket ökade effektiviteten av preventivt underhåll med 43%. Underhållsdataanalys visar att underhålls- och byttebeslut baserade på modellprognoser uppnådde en noggrannhet på 87%, vilket representerar en 35% förbättring jämfört med traditionellt tidsbaserat underhåll. Modellguidad utrustningshanteringstrategi minskade underhållskostnader med 27% och ökade utrustningstillgängligheten med 15%.

4. Slutsats

Genom systematiska föraccelererade åldrandestester och dataanalys avslöjar denna studie påverkan av högtemperaturmiljöer på prestandaförsämringen av effektkondensatorer och etablerar en livslängdsprognosmodell baserad på Arrhenius ekvation. Experimentresultat visar att omgivningstemperatur är en nyckelfaktor som påverkar kondensatorernas livslängd: för varje 10 °C ökning i temperatur, minskar servicelevnaden med 42.5% ± 2.5%. Kritiska prestandaparametrar som dielektriska förluster, kapacitans och isolationsmotstånd visar betydande försämringstrender med ökande temperatur. Den utvecklade livslängdsprognosmodellen uppnår en prognosnoggrannhet över 90%, vilket ger en vetenskaplig grund för underhålls- och byttebeslut för effektkondensatorer.