Yüksek Sıcaklık Koşullarında Güç Kondansatörlerinin Performans Azalma Özellikleri ve Ömür Tahmini

Yüksek Sıcaklık Koşullarında Güç Kondansatörlerinin Performans Azalma Özellikleri ve Ömür Tahmini

Güç sistemlerinin sürekli genişlemesi ve artan yük talepleriyle birlikte, elektrik ekipmanları için işletim ortamı giderek daha karmaşık hale gelmiştir. Ortam sıcaklığının artması, güç kondansatörlerinin güvenilir işlemesini etkileyen ana faktör olarak öne çıkmıştır. Elektrik iletim ve dağıtım sistemlerinde kritik bileşenler olan güç kondansatörlerinin performans azalması, şebeke güvenliği ve istikrarını doğrudan etkilemektedir. Yüksek sıcaklık koşullarında, kondansatörlerin dielektrik malzemeleri daha hızlı yaşlanır, bu da elektriksel performansın önemli ölçüde azalmasına, hizmet ömrünün kısalmasına ve potansiyel olarak sistem arızalarına yol açmaktadır.

1. Performans Azalma Özellikleri Üzerine Çalışma
1.1 Deneysel Kurulum

GB/T 11024.1—2019, 1000 V'den yüksek belirlenmiş gerilimli a.c. güç sistemleri için paralel kondansatörler – Bölüm 1: Genel gereksinimlerini karşılayan 10 kV belirlenmiş gerilim ve 100 kvar kapasiteli paralel güç kondansatörleri test örnekleri olarak seçildi. Test sistemi, OMICRON CP TD1 kapasitans test cihazı, ME632 dielektrik kayıp analizörü ve KSP-015 yüksek sıcaklık yaşlandırma odası ile oluşmaktaydı. Üç sıcaklık düzeyi—70 °C, 85 °C ve 100 °C—ayarlandı, her düzeyde beş örnek test edildi. Test prosedürü IEC 60871-2'ye uygun olarak, gerçek işletim koşullarını simüle etmek için yaşlandırma sırasında belirlenmiş gerilimin sürekli uygulanmasını içeriyordu.

1.2 Dielektrik Kayıp Azalma Davranışı

Yüksek sıcaklıklarda, dielektrik kayıp (tanδ) anlamlı derecede sıcaklık bağımlılığı gösterdi. 70 °C'de, tanδ zamanla yavaşça arttı, operasyonel limitler içinde kalarak izolasyon performansının stabil olduğunu gösterdi. 85 °C'de artış hızı hızlandı, eğri daha dikleşti; bazı örnekler daha sonraki aşamalarda standart limitleri aştı. 100 °C'de, tanδ dik bir eğriyle keskin bir şekilde yükseldi, termal yaşlanmanın tipik özelliklerini gösterdi.

1.3 Kapasitans Değişim Özellikleri

Sıcaklığın artması, kapasitans istikrarını önemli ölçüde etkiledi, aşamaya bağlı açıklayıcı davranışlar gösterdi. Düşük sıcaklıklarda, kapasitans sapması izin verilen toleranslar içinde kaldı, iyi istikrarı gösterdi. Orta sıcaklık aralığında, kapasitans belirgin bir şekilde azalmaya başladı, sapma operasyonel limitlere yaklaştı. Yüksek sıcaklıklarda, kapasitans hızla azaldı, izin verilen sapmayı aştı, bu da hızlandırılmış bozulmayı işaret etti.

2. Ömür Tahmin Modeli Geliştirme
2.1 Performans Azalma Veri Analizi

Farklı sıcaklık seviyelerindeki azalma oranlarını karşılaştırarak, sıcaklık ile ivme faktörü arasındaki ilişki analiz edildi. Dielektrik kayıp, kapasitans sapması ve izolasyon direnci gibi kritik parametrelere dayalı kapsamlı bir başarısızlık kriteri oluşturuldu. Sonuçlar, yüksek sıcaklıklarda performans azalmasının önemli ölçüde hızlandığını, ivme faktörünün sıcaklıkla üssel bir ilişkiye sahip olduğunu gösterdi. Veri uyarlama, güçlü bir korelasyon katsayısıyla sonuçlandı, güçlü istatistiksel anlamlılığı doğruladı. Arrhenius denklemi, deneysel olarak elde edilen aktivasyon enerjisi ve Boltzmann sabiti ile birlikte kullanılarak, niceliksel bir sıcaklık-ivme ilişkisi kuruldu.

2.2 Arrhenius Modelinin Uygulanması

Şekil 1'de gösterildiği gibi, deneysel veriler log-ömrü vs. ters sıcaklık (1/T) koordinat sisteminde uyutuldu, güçlü bir doğrusal korelasyon sağlandı. Uyutulan çizginin eğimi, aktivasyon enerjisi EaEa (kJ/mol cinsinden) ile temsil edilir, yaşlanma sürecinin enerji bariyerini ifade eder ve teorik beklentilerle uyumludur. Yüksek korelasyon katsayısı, deneysel verilerin Arrhenius modeliyle mükemmel bir uyumunu doğrular. %95 güven aralığı analizi, istatistiksel olarak güvenilir tahminleri gösterir. Deneysel sonuçlar, test edilen sıcaklık aralığında, performans azalma hızının sıcaklıkla anlamlı bir şekilde üssel bir ilişkiye sahip olduğunu gösterir. Farklı sıcaklık noktalarındaki ömür verilerine dayanarak, sıcaklık ve hizmet ömrü arasındaki matematiksel bir model oluşturuldu.

2.3 Ömür Tahmin Uygulaması
Ömür tahmini, farklı sıcaklık koşulları altında hasar etkilerini üst üste yığan kümülatif hasar teorisine dayanmaktadır. Tahmin yöntemi, malzeme yaşlanma hızı, çevresel sıcaklık dalgalanmaları ve yük değişkenlikleri gibi faktörleri kapsamlı bir şekilde göz önünde bulundurur. İşletim döngüsü, n zaman aralığına bölünür, her aralıkta hasar, işletme sıcaklığı ve süreye göre belirlenir. Sıcaklık verileri, veri sürekliliğini ve doğruluğunu sağlamak için 1 saatlik örnekleme aralığı ile çevrimiçi izleme sistemi aracılığıyla elde edilir. Ölçülen sıcaklıklar, her aralık için eşdeğer işletme süresini hesaplamak üzere Arrhenius denklemine girdi olarak girilir. Tüm aralıklardaki toplanan hasar, tahmin edilen kalan hizmet ömrünü verir [4]. Tahmin doğruluğu, hızlandırılmış yaşlandırma test sonuçlarıyla doğrulanır, model hesaplamaları ile deneysel veriler arasındaki ortalama sapma ±8% içinde tutulur.

3. Uygulama ve Doğrulama
3.1 Tahmin Doğruluğu Analizi

Tahmin modeli, hızlandırılmış yaşlandırma testleri ve gerçek işletme verilerinin birleştirilmiş yaklaşımıyla doğrulanmıştır. Farklı hizmet sürelerine sahip birden fazla parti güç kondansatörü, performans testi için seçilmiştir ve sonuçlar model tahminleriyle karşılaştırılmıştır. Tablo 1'de gösterildiği gibi, 5 yıllık işletme grubu için ölçüm yapılan ortalama ömür 4.8 yıl ve tahmin edilen değer 5.2 yıl olup, göreceli hata oranı %7.7'dir; 8 yıllık grup için ölçüm değer 7.6 yıl ve tahmin edilen değer 8.3 yıl olup, göreceli hata oranı %8.4'tür; 10 yıllık grup için ölçüm değer 9.5 yıl ve tahmin edilen değer 10.2 yıl olup, göreceli hata oranı %6.9'dur. Hata kaynağı analizi, çevre sıcaklık dalgalanmalarının tahmin doğruluğunu etkileyen başlıca faktör olduğunu gösterir. Günlük sıcaklık değişikliği 20 °C'yi aşarsa, model tahmin hatası %12'ye çıkar. Ayrıca, yük değişkenlikleri nedeniyle oluşan sıcaklık dalgalanmaları, tahmin hatasını %4.2 artırır.

3.2 Mühendislik Uygulama Önerileri

Tablo 2'de görüldüğü gibi, çevre sıcaklığı 75 °C'nin altına tutulduğunda, ekipman ömrü azalma hızı %58 azalır. Kurulum yerindeki sıcaklığın her 5 °C azalması, beklenen hizmet ömrünü %18.5 artırır. Ventilasyonun iyileştirilmesiyle, test alanındaki çevre sıcaklığı ortalama 7.2 °C azaltılmış, bu da kondansatör performans parametrelerinin istikrarını %32 iyileştirmiştir. Çevrimiçi izleme sistemi verileri, akıllı ventilasyon uygulandıktan sonra, ekipmandaki maksimum sıcaklığın 11.3 °C ve ortalama sıcaklığın 8.7 °C azaldığını göstermiştir. Ömür tahmin modeli, bir yıl boyunca 500 kV trafiğe alınmış bir alt trafiğe uygulanmıştır, başarıyla altı potansiyel arızaya erken uyarı verilmiştir, önleyici bakım verimliliği %43 artmıştır. Bakım veri analizi, model tahminlerine dayalı bakım ve değiştirme kararlarının %87 doğruluk oranına ulaşmış olduğunu, bu da geleneksel zaman tabanlı bakımdan %35 iyileştirme sağladığını göstermiştir. Model yönlendirilmiş ekipman yönetim stratejisi, bakım maliyetlerini %27 azaltmış ve ekipman kullanılabilirliğini %15 artırmıştır.

4. Sonuç

Bu çalışma, sistemli hızlandırılmış yaşlandırma testleri ve veri analizi aracılığıyla, yüksek sıcaklık ortamlarının güç kondansatörlerinin performans azalması üzerindeki etkisini ortaya koymuştur ve Arrhenius denklemine dayalı bir ömür tahmin modeli oluşturmuştur. Deneysel sonuçlar, çevre sıcaklığının kondansatör ömrünü etkileyen kilit bir faktör olduğunu göstermiştir: sıcaklığın her 10 °C artması, hizmet ömrünü %42.5 ± 2.5 azaltmıştır. Dielektrik kayıp, kapasitans ve izolasyon direnci gibi kritik performans parametreleri, sıcaklık artışıyla önemli ölçüde azalma eğilimini göstermiştir. Geliştirilen ömür tahmin modeli, %90'dan fazla tahmin doğruluğu sağlamış, güç kondansatörlerinin bakım ve değiştirme kararları için bilimsel bir temel sunmuştur.