คุณลักษณะการลดลงของประสิทธิภาพและการทำนายอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง
ลักษณะการลดลงของประสิทธิภาพและการทำนายอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง
ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของระบบไฟฟ้าและปริมาณโหลดที่เพิ่มขึ้น สภาวะการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้กลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมากขึ้น อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้นได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการดำเนินงานอย่างเชื่อถือได้ของตัวเก็บประจุไฟฟ้า ในฐานะส่วนประกอบสำคัญในระบบส่งและกระจายพลังงาน การลดลงของประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุไฟฟ้ามีผลกระทบโดยตรงต่อความปลอดภัยและความมั่นคงของระบบไฟฟ้า ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง วัสดุฉนวนภายในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเสื่อมสภาพเร็วขึ้น นำไปสู่การลดลงอย่างมากในประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การลดลงของอายุการใช้งาน และอาจทำให้เกิดการล้มเหลวของระบบ
1. การศึกษาลักษณะการลดลงของประสิทธิภาพ
1.1 การตั้งค่าทดลอง
ตัวเก็บประจุไฟฟ้าขนานที่มีแรงดันกำหนด 10 kV และความจุ 100 kvar ถูกเลือกเป็นตัวอย่างทดสอบ ตามมาตรฐาน GB/T 11024.1-2019 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าขนานสำหรับระบบไฟฟ้าสลับที่มีแรงดันกำหนดสูงกว่า 1000 V - ส่วนที่ 1: ทั่วไป ระบบทดสอบรวมถึงเครื่องทดสอบความจุ OMICRON CP TD1 และเครื่องวิเคราะห์การสูญเสียฉนวน ME632 ควบคุมอุณหภูมิด้วยเตาอบแก่ชราอุณหภูมิสูง KSP-015 ตั้งค่าอุณหภูมิสามระดับ 70 °C, 85 °C, และ 100 °C โดยทดสอบตัวอย่างละห้าตัว กระบวนการทดสอบปฏิบัติตาม IEC 60871-2 ใช้แรงดันกำหนดอย่างต่อเนื่องในการแก่ชราเพื่อจำลองสภาพการทำงานจริง
1.2 พฤติกรรมการสูญเสียฉนวน
ภายใต้อุณหภูมิสูง การสูญเสียฉนวน (tanδ) แสดงถึงความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างชัดเจน ที่ 70 °C tanδ เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ยังคงอยู่ภายในขอบเขตการทำงาน แสดงถึงสมรรถนะฉนวนที่มั่นคง ที่ 85 °C อัตราการเพิ่มขึ้นเร่งขึ้น ความชันของเส้นโค้งชันขึ้น บางตัวอย่างเกินขีดจำกัดมาตรฐานในระยะหลัง ที่ 100 °C tan&δ; เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แสดงถึงลักษณะของการแก่ชราทางความร้อน
1.3 ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของความจุ
การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิส่งผลอย่างมากต่อความมั่นคงของความจุ แสดงพฤติกรรมที่แตกต่างตามระดับอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำ ความคลาดเคลื่อนของความจุยังคงอยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ แสดงถึงความมั่นคงที่ดี ในช่วงอุณหภูมิปานกลาง ความจุเริ่มลดลงอย่างเห็นได้ชัด ความคลาดเคลื่อนเข้าใกล้ขีดจำกัดการทำงาน ภายใต้อุณหภูมิสูง ความจุลดลงอย่างรวดเร็ว เกินความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ แสดงถึงการเสื่อมสภาพที่เร่งขึ้น
2. การพัฒนาแบบจำลองการทำนายอายุการใช้งาน
2.1 การวิเคราะห์ข้อมูลการลดลงของประสิทธิภาพ
โดยเปรียบเทียบอัตราการลดลงของประสิทธิภาพที่ระดับอุณหภูมิที่ต่างกัน วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับตัวเลขเร่งความเร็ว สร้างเกณฑ์ความผิดพลาดแบบครอบคลุมบนพารามิเตอร์สำคัญ เช่น การสูญเสียฉนวน ความคลาดเคลื่อนของความจุ และความต้านทานฉนวน ผลลัพธ์ชี้ว่าการลดลงของประสิทธิภาพเร่งขึ้นอย่างมากภายใต้อุณหภูมิสูง ตัวเลขเร่งความเร็วแสดงความสัมพันธ์แบบเอกซ์โพเนนเชียลกับอุณหภูมิ การปรับแต่งข้อมูลให้เหมาะสมมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สูง ยืนยันความสำคัญทางสถิติอย่างมาก ใช้สมการ Arrhenius ในการคำนวณตัวเลขเร่งความเร็ว รวมถึงพลังงานกระตุ้นที่ได้จากทดลองและค่าคงที่ของ Boltzmann จึงสร้างความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและตัวเลขเร่งความเร็วในเชิงปริมาณ
2.2 การใช้แบบจำลอง Arrhenius
ตามที่แสดงในรูปที่ 1 ข้อมูลทดลองถูกปรับแต่งในระบบพิกัด log-lifetime vs. ความร้อนผกผัน (1/T) ให้ความสัมพันธ์เชิงเส้นที่แข็งแกร่ง ความชันของเส้นที่ปรับแต่งสอดคล้องกับพลังงานกระตุ้น Ea (ในหน่วย kJ/mol) แทนพลังงานขวางของกระบวนการแก่ชรา และสอดคล้องกับความคาดหวังทางทฤษฎี ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สูงยืนยันความสอดคล้องอย่างดีระหว่างข้อมูลทดลองและแบบจำลอง Arrhenius การวิเคราะห์ช่วงความเชื่อมั่น 95% แสดงการพยากรณ์ที่เชื่อถือได้ทางสถิติ ผลทดลองแสดงว่า ภายในช่วงอุณหภูมิที่ทดสอบ อัตราการลดลงของประสิทธิภาพมีความสัมพันธ์เชิงเอกซ์โพเนนเชียลกับอุณหภูมิอย่างมาก บนพื้นฐานของข้อมูลชีวิตที่อุณหภูมิที่ต่างกัน สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เชื่อมโยงระหว่างอุณหภูมิและอายุการใช้งาน
2.3 การทำนายอายุการใช้งาน
การทำนายอายุการใช้งานอาศัยทฤษฎีความเสียหายสะสม ซึ่งซ้อนความเสียหายภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ต่างกัน วิธีการทำนายพิจารณาปัจจัยต่างๆ รวมถึงอัตราการแก่ชราของวัสดุ ความผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อม และการเปลี่ยนแปลงของโหลด วงจรทำงานถูกแบ่งเป็น n ช่วงเวลา ความเสียหายในแต่ละช่วงเวลาถูกกำหนดโดยอุณหภูมิการทำงานและระยะเวลา อุณหภูมิถูกจัดเก็บผ่านระบบตรวจสอบออนไลน์ด้วยช่วงเวลาสุ่ม 1 ชั่วโมง เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลมีความต่อเนื่องและแม่นยำ ค่าอุณหภูมิที่วัดได้ถูกนำเข้าสู่สมการ Arrhenius เพื่อคำนวณเวลาทำงานเทียบเท่าของแต่ละช่วง ความเสียหายสะสมทั้งหมดให้ผลการทำนายอายุการใช้งานที่เหลือ [4] ความแม่นยำของการทำนายได้รับการตรวจสอบโดยใช้ผลการทดสอบแก่ชราแบบเร่ง ความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยระหว่างการคำนวณของแบบจำลองและข้อมูลทดลองรักษาไว้ภายใน ±8%
3. การประยุกต์ใช้และการตรวจสอบ
3.1 การวิเคราะห์ความแม่นยำของการทำนาย
แบบจำลองการทำนายได้รับการตรวจสอบโดยใช้วิธีผสมผสานระหว่างการทดสอบแก่ชราแบบเร่งและข้อมูลการทำงานจริง ตัวอย่างตัวเก็บประจุไฟฟ้าหลายกลุ่มที่มีอายุการใช้งานที่ต่างกันถูกเลือกมาทดสอบประสิทธิภาพ และผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับการทำนายของแบบจำลอง ตามที่แสดงในตาราง 1 สำหรับกลุ่มที่ทำงาน 5 ปี ค่าเฉลี่ยที่วัดได้คือ 4.8 ปี และค่าที่ทำนายได้คือ 5.2 ปี ให้ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ 7.7%; สำหรับกลุ่ม 8 ปี ค่าที่วัดได้คือ 7.6 ปี และค่าที่ทำนายได้คือ 8.3 ปี ให้ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ 8.4%; สำหรับกลุ่ม 10 ปี ค่าที่วัดได้คือ 9.5 ปี และค่าที่ทำนายได้คือ 10.2 ปี ให้ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ 6.9% การวิเคราะห์แหล่งความคลาดเคลื่อนแสดงว่า ความผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อมเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความแม่นยำของการทำนาย เมื่อความผันผวนของอุณหภูมิรายวันเกิน 20 °C ความคลาดเคลื่อนของแบบจำลองเพิ่มขึ้นเป็น 12% นอกจากนี้ ความผันผวนของอุณหภูมิที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของโหลดทำให้ความคลาดเคลื่อนในการทำนายเพิ่มขึ้น 4.2%
3.2 ข้อเสนอแนะในการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรม
ตามที่แสดงในตาราง 2 เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมรักษาไว้ต่ำกว่า 75 °C อัตราการลดลงของอายุการใช้งานของอุปกรณ์ลดลง 58% สำหรับทุกๆ 5 °C ที่ลดลงของอุณหภูมิสถานที่ติดตั้ง อายุการใช้งานที่คาดหวังเพิ่มขึ้น 18.5% โดยการปรับปรุงการระบายอากาศ อุณหภูมิแวดล้อมที่สถานที่ทดสอบลดลงเฉลี่ย 7.2 °C ทำให้ความมั่นคงของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 32% ข้อมูลอุณหภูมิจากระบบตรวจสอบออนไลน์ระบุว่า หลังจากการใช้การระบายอากาศอัจฉริยะ อุณหภูมิสูงสุดรอบๆ อุปกรณ์ลดลง 11.3 °C และอุณหภูมิเฉลี่ยลดลง 8.7 °C แบบจำลองการทำนายอายุการใช้งานได้รับการประยุกต์ใช้ในสถานีไฟฟ้า 500 kV เป็นเวลาหนึ่งปี สามารถแจ้งเตือนล่วงหน้าสำหรับความผิดปกติที่เป็นไปได้หกครั้ง ทำให้ประสิทธิภาพในการบำรุงรักษาแบบป้องกันเพิ่มขึ้น 43% การวิเคราะห์ข้อมูลการบำรุงรักษาแสดงว่า การตัดสินใจในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนทดแทนตามการทำนายของแบบจำลองมีความแม่นยำ 87% ซึ่งเป็นการปรับปรุง 35% เมื่อเทียบกับการบำรุงรักษาตามเวลา ยุทธศาสตร์การบริหารจัดการอุปกรณ์ที่มีการแนะนำโดยแบบจำลองลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาลง 27% และเพิ่มความพร้อมใช้งานของอุปกรณ์ 15%
4. สรุป
ผ่านการทดสอบแก่ชราแบบเร่งและการวิเคราะห์ข้อมูลอย่างเป็นระบบ งานวิจัยนี้เปิดเผยอิทธิพลของสภาวะอุณหภูมิสูงต่อการลดลงของประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุไฟฟ้าและสร้างแบบจำลองการทำนายอายุการใช้งานบนพื้นฐานของสมการ Arrhenius ผลการทดลองแสดงว่า อุณหภูมิแวดล้อมเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของตัวเก็บประจุไฟฟ้า: สำหรับทุกๆ 10 °C ที่เพิ่มขึ้น อายุการใช้งานลดลง 42.5% ± 2.5% พารามิเตอร์ประสิทธิภาพสำคัญ เช่น การสูญเสียฉนวน ความจุ และความต้านทานฉนวน แสดงแนวโน้มการลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แบบจำลองการทำนายอายุการใช้งานที่พัฒนาขึ้นสามารถทำนายได้ด้วยความแม่นยำมากกว่า 90% มอบพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการตัดสินใจในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนทดแทนตัวเก็บประจุไฟฟ้า
