Характеристики виробничення продуктивності та прогноз тривалості експлуатації електроконденсаторів у умовах високих температур

Характеристики виробничення продуктивності та прогноз тривалості роботи електроконденсаторів у умовах високих температур

З постійним розширенням електромереж і зростанням навантаження, середовище роботи електрообладнання стає все більш складним. Зростання температури оточуючого середовища стало ключовим фактором, що впливає на надійну роботу електроконденсаторів. Як критичні компоненти систем передачі та розподілу електроенергії, виробничення продуктивності електроконденсаторів безпосередньо впливає на безпеку та стабільність мережі. У умовах високих температур діелектричні матеріали всередині конденсаторів старіють швидше, що призводить до значного погіршення електричних характеристик, скорочення терміну служби та можливих аварій систем.

1. Дослідження характеристик виробничення продуктивності
1.1 Експериментальна установка

Для проведення тестів було обрано паралельні електроконденсатори з номінальною напругою 10 кВ та ємністю 100 квар, які відповідають вимогам GB/T 11024.1—2019, Паралельні конденсатори для альтернативних електричних систем з номінальною напругою понад 1000 В – Частина 1: Загальні положення. Тестова система включала в себе тестирувальний пристрій OMICRON CP TD1 та аналізатор діелектричних втрат ME632, з контролем температури за допомогою камери високої температури KSP-015. Було задано три рівні температури — 70 °C, 85 °C та 100 °C, з п'ятьма зразками, тестованими на кожному рівні. Процедура тестування відповідала IEC 60871-2, застосовуючи номінальну напругу протягом процесу старіння, щоб симулювати реальні умови роботи.

1.2 Поведінка втрать діелектрики

У умовах високих температур втрати діелектрики (tanδ) демонстрували значну температурну залежність. При 70 °C, tanδ повільно збільшувався з часом, залишаючись в рамках допустимих меж, що свідчить про стабільні характеристики ізоляції. При 85 °C, швидкість зростання збільшилася, з кривою, що стала набагато круче; деякі зразки перевищили стандартні межі на пізніших етапах. При 100 °C, tanδ різко зрос, з кривою, що показує типові ознаки теплового старіння.

1.3 Характеристики зміни ємності

Зростання температури значно впливало на стабільність ємності, з чіткими стадіями поведінки. При низьких температурах, відхилення ємності залишалося в допустимих межах, демонструючи хорошу стабільність. В середньому температурному діапазоні, ємність починала помітно зменшуватися, з відхиленням, що наближалося до операційних меж. При високих температурах, ємність швидко зменшувалася, перевищуючи допустиме відхилення, що свідчить про прискорене виробничення.

2. Розробка моделі прогнозування тривалості роботи
2.1 Аналіз даних виробничення продуктивності

Шляхом порівняння швидкостей виробничення на різних рівнях температури, було проаналізовано зв'язок між температурою та коефіцієнтом прискорення. Було встановлено комплексний критерій виникнення аварій на основі ключових параметрів, таких як втрати діелектрики, відхилення ємності та опір ізоляції. Результати показали, що виробничення продуктивності значно прискорюється при високих температурах, з коефіцієнтом прискорення, що має експоненціальний зв'язок з температурою. Підгонка даних давала високий коефіцієнт кореляції, підтверджуючи сильну статистичну значущість. Для обчислення коефіцієнта прискорення було використано рівняння Аррениуса, враховуючи експериментально визначену енергію активації та константу Больцмана, що дозволило встановити кількісний зв'язок температура-прискорення.

2.2 Застосування моделі Аррениуса

Як показано на рисунку 1, експериментальні дані були підганені в координатах логарифм довжини життя на температуру (1/T), що дало сильну лінійну кореляцію. Нахил підганеної лінії відповідає енергії активації EaEa (в кДж/моль), що представляє енергетичний бар'єр процесу старіння, і добре відповідає теоретичним очікуванням. Високий коефіцієнт кореляції підтверджує відмінне співпадіння експериментальних даних з моделлю Аррениуса. Аналіз 95% довірчого інтервалу показує статистично надійні прогнози. Експериментальні результати показують, що в досліджуваному діапазоні температур, швидкість виробничення продуктивності значно експоненціально залежить від температури. На основі даних про тривалість роботи при різних температурних точках, було встановлено математичну модель, що зв'язує температуру та тривалість роботи.

2.3 Реалізація прогнозування тривалості роботи
Прогнозування тривалості роботи базується на теорії кумулятивного пошкодження, яка сумує ефекти пошкодження при різних температурних умовах. Метод прогнозування комплексно враховує такі фактори, як швидкість старіння матеріалу, коливання температури оточуючого середовища та зміни навантаження. Цикл роботи розбивається на n часових інтервалів, де пошкодження в кожному інтервалі визначається робочою температурою та тривалістю. Температурні дані отримуються через онлайн-моніторингову систему з інтервалом збору даних 1 год, щоб забезпечити неперервність та точність даних. Виміряні температури вводяться в рівняння Аррениуса для обчислення еквівалентного часу роботи для кожного інтервалу. Накопичене пошкодження по всіх інтервалах дає прогнозований залишковий термін служби [4]. Точність прогнозу підтверджується за допомогою результатів тестів прискореного старіння, з середнім відхиленням між обчисленнями моделі та експериментальними даними, що підтримується в межах ±8%.

3. Застосування та перевірка
3.1 Аналіз точності прогнозу

Модель прогнозу перевіряється за допомогою комбінованого підходу, що включає тестування прискореного старіння та реальні операційні дані. Обираються кілька партій електроконденсаторів з різними тривалостями служби для тестування продуктивності, і результати порівнюються з прогнозами моделі. Як показано в таблиці 1, для групи з 5-річним періодом роботи, середній виміряний термін служби становить 4.8 роки, а прогнозований значення — 5.2 роки, що дає відносну похибку 7.7%; для 8-річної групи, виміряне значення становить 7.6 роки, а прогнозований значення — 8.3 роки, з відносною похибкою 8.4%; для 10-річної групи, виміряне значення становить 9.5 роки, а прогнозований значення — 10.2 роки, що дає відносну похибку 6.9%. Аналіз джерел похибок показує, що коливання температури оточуючого середовища є основним фактором, що впливає на точність прогнозу. Коли щоденне коливання температури перевищує 20 °C, похибка прогнозу моделі збільшується до 12%. Також коливання температури, спричинені змінами навантаження, призводять до збільшення похибки прогнозу на 4.2%.

3.2 Рекомендації для інженерного застосування

Як показано в таблиці 2, коли температура оточуючого середовища підтримується нижче 75 °C, швидкість виробничення тривалості роботи обладнання зменшується на 58%. За кожні 5 °C зниження температури місця встановлення, очікуваний термін служби збільшується на 18.5%. Шляхом покращення вентиляції, температура на місці проведення тестів була знижена в середньому на 7.2 °C, що призвело до 32% покращення стабільності параметрів продуктивності конденсаторів. Температурні дані з онлайн-моніторингової системи показують, що після впровадження інтелектуальної вентиляції, максимальна температура навколо обладнання знизилася на 11.3 °C, а середня температура — на 8.7 °C. Модель прогнозування тривалості роботи була застосована в підстанції напруги 500 кВ протягом одного року, успішно видавши ранні попередження про шість потенційних аварій, що збільшило ефективність профілактичного обслуговування на 43%. Аналіз даних обслуговування показує, що рішення про обслуговування та заміну, засновані на прогнозах моделі, досягли точності 87%, що є 35% покращенням по відношенню до традиційного обслуговування за часом. Стратегія управління обладнанням, керована моделлю, зменшила витрати на обслуговування на 27% та збільшила доступність обладнання на 15%.

4. Висновки

За допомогою систематичних тестів прискореного старіння та аналізу даних, це дослідження розкриває вплив високотемпературного середовища на виробничення продуктивності електроконденсаторів та розробляє модель прогнозування тривалості роботи на основі рівняння Аррениуса. Експериментальні результати показують, що температура оточуючого середовища є ключовим фактором, що впливає на тривалість роботи конденсаторів: за кожні 10 °C зростання температури, тривалість роботи зменшується на 42.5% ± 2.5%. Критичні параметри продуктивності, такі як втрати діелектрики, ємність та опір ізоляції, демонструють значні тенденції виробничення зі зростанням температури. Розроблена модель прогнозування досягає точності прогнозу понад 90%, надаючи наукову основу для рішень щодо обслуговування та заміни електроконденсаторів.