Đặc trưng Suy Giảm Hiệu Suất và Dự Đoán Tuổi Thọ của tụ điện trong Điều Kiện Nhiệt Độ Cao

Đặc trưng Giảm Hiệu Suất và Dự Đoán Tuổi Thọ của tụ Điện dưới Điều Kiện Nhiệt Độ Cao

Với sự mở rộng liên tục của hệ thống điện và nhu cầu tải ngày càng tăng, môi trường hoạt động của thiết bị điện đã trở nên phức tạp hơn. Nhiệt độ môi trường xung quanh tăng lên đã trở thành yếu tố chính ảnh hưởng đến việc vận hành đáng tin cậy của tụ điện. Là các thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện, sự suy giảm hiệu suất của tụ điện trực tiếp tác động đến an toàn và ổn định của lưới điện. Trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu cách điện bên trong tụ lão hóa nhanh hơn, dẫn đến sự suy giảm đáng kể về hiệu suất điện, tuổi thọ sử dụng ngắn lại và có thể gây ra sự cố hệ thống.

1. Nghiên cứu Đặc trưng Giảm Hiệu Suất
1.1 Thiết lập Thí nghiệm

Các tụ điện song song với điện áp định mức 10 kV và dung lượng 100 kvar được chọn làm mẫu thử, đáp ứng yêu cầu của GB/T 11024.1—2019, Tụ điện song song cho hệ thống điện xoay chiều có điện áp định mức trên 1000 V – Phần 1: Tổng quát. Hệ thống thí nghiệm bao gồm máy đo điện dung OMICRON CP TD1 và máy phân tích hao hụt điện môi ME632, với nhiệt độ được kiểm soát bởi buồng lão hóa nhiệt độ cao KSP-015. Ba mức nhiệt độ—70 °C, 85 °C, và 100 °C—được đặt, với năm mẫu thử ở mỗi mức. Quy trình thí nghiệm theo IEC 60871-2, áp dụng điện áp định mức liên tục trong quá trình lão hóa để mô phỏng điều kiện hoạt động thực tế.

1.2 Hành vi Hao hụt Điện Môi

Trong điều kiện nhiệt độ cao, hao hụt điện môi (tanδ) thể hiện sự phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ. Tại 70 °C, tan&δ; tăng chậm theo thời gian, vẫn nằm trong giới hạn hoạt động, chỉ ra hiệu suất cách điện ổn định. Tại 85 °C, tốc độ tăng nhanh hơn, với độ dốc của đường cong trở nên dốc hơn; một số mẫu vượt quá giới hạn tiêu chuẩn ở giai đoạn sau. Tại 100 °C, tan&δ; tăng mạnh với đường cong dốc, thể hiện đặc trưng điển hình của lão hóa nhiệt.

1.3 Đặc trưng Biến đổi Dung lượng

Nhiệt độ tăng lên có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của dung lượng, với hành vi phụ thuộc rõ rệt theo giai đoạn. Ở nhiệt độ thấp, sai lệch dung lượng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, thể hiện sự ổn định tốt. Trong phạm vi nhiệt độ trung bình, dung lượng bắt đầu giảm rõ rệt, với sai lệch tiếp cận giới hạn hoạt động. Ở nhiệt độ cao, dung lượng giảm nhanh, vượt quá sai lệch cho phép, chỉ ra sự suy giảm nhanh chóng.

2. Phát triển Mô hình Dự Đoán Tuổi Thọ
2.1 Phân tích Dữ liệu Giảm Hiệu Suất

Bằng cách so sánh tốc độ suy giảm ở các mức nhiệt độ khác nhau, mối quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số tăng tốc được phân tích. Tiêu chí hỏng hóc tổng hợp được thiết lập dựa trên các thông số chính như hao hụt điện môi, sai lệch dung lượng và điện trở cách điện. Kết quả cho thấy sự suy giảm hiệu suất tăng nhanh đáng kể ở nhiệt độ cao, với hệ số tăng tốc thể hiện mối quan hệ mũ với nhiệt độ. Phù hợp dữ liệu cho kết quả hệ số tương quan cao, xác nhận ý nghĩa thống kê mạnh mẽ. Phương trình Arrhenius được sử dụng để tính hệ số tăng tốc, bao gồm năng lượng kích hoạt được xác định từ thí nghiệm và hằng số Boltzmann, do đó thiết lập mối quan hệ định lượng giữa nhiệt độ và tăng tốc.

2.2 Áp dụng Mô hình Arrhenius

Như thể hiện trong Hình 1, dữ liệu thí nghiệm được phù hợp trong hệ tọa độ log-thời gian tồn tại so với nhiệt độ nghịch đảo (1/T), cho kết quả tương quan tuyến tính mạnh. Độ dốc của đường phù hợp tương ứng với năng lượng kích hoạt EaEa (trong kJ/mol), đại diện cho rào cản năng lượng của quá trình lão hóa, và phù hợp tốt với kỳ vọng lý thuyết. Hệ số tương quan cao xác nhận sự đồng nhất xuất sắc giữa dữ liệu thí nghiệm và mô hình Arrhenius. Phân tích khoảng tin cậy 95% cho thấy dự đoán thống kê đáng tin cậy. Kết quả thí nghiệm cho thấy, trong phạm vi nhiệt độ được thử nghiệm, tốc độ suy giảm hiệu suất có mối quan hệ mũ đáng kể với nhiệt độ. Dựa trên dữ liệu tuổi thọ ở các điểm nhiệt độ khác nhau, một mô hình toán học liên kết giữa nhiệt độ và tuổi thọ sử dụng được thiết lập.

2.3 Triển khai Dự Đoán Tuổi Thọ
Dự đoán tuổi thọ dựa trên lý thuyết tổn thương tích lũy, chồng chất hiệu ứng tổn thương dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Phương pháp dự đoán tổng hợp xem xét các yếu tố như tốc độ lão hóa vật liệu, dao động nhiệt độ môi trường và biến đổi tải. Chu kỳ hoạt động được chia thành n khoảng thời gian, với tổn thương trong mỗi khoảng được xác định bởi nhiệt độ hoạt động và thời gian. Dữ liệu nhiệt độ được thu thập qua hệ thống giám sát trực tuyến với khoảng lấy mẫu 1 giờ để đảm bảo tính liên tục và chính xác. Nhiệt độ đo được nhập vào phương trình Arrhenius để tính thời gian hoạt động tương đương cho mỗi khoảng. Tổn thương tích lũy qua tất cả các khoảng thời gian cho kết quả dự đoán tuổi thọ còn lại [4]. Độ chính xác của dự đoán được xác minh bằng kết quả thí nghiệm lão hóa tăng tốc, với sai số trung bình giữa tính toán mô hình và dữ liệu thí nghiệm duy trì trong ±8%.

3. Ứng dụng và Xác minh
3.1 Phân tích Độ Chính xác Dự Đoán

Mô hình dự đoán được xác minh bằng cách kết hợp giữa thí nghiệm lão hóa tăng tốc và dữ liệu hoạt động thực tế. Nhiều lô tụ điện với thời gian sử dụng khác nhau được chọn để thử nghiệm hiệu suất, và kết quả được so sánh với dự đoán của mô hình. Như thể hiện trong Bảng 1, đối với nhóm hoạt động 5 năm, giá trị trung bình đo được là 4,8 năm và giá trị dự đoán là 5,2 năm, cho sai số tương đối là 7,7%; đối với nhóm 8 năm, giá trị đo được là 7,6 năm và giá trị dự đoán là 8,3 năm, với sai số tương đối là 8,4%; đối với nhóm 10 năm, giá trị đo được là 9,5 năm và giá trị dự đoán là 10,2 năm, cho sai số tương đối là 6,9%. Phân tích nguồn lỗi cho thấy dao động nhiệt độ môi trường là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của dự đoán. Khi dao động nhiệt độ hàng ngày vượt quá 20 °C, lỗi dự đoán của mô hình tăng lên 12%. Ngoài ra, dao động nhiệt độ do biến đổi tải góp phần tăng lỗi dự đoán thêm 4,2%.

3.2 Đề xuất Ứng dụng Kỹ thuật

Như thể hiện trong Bảng 2, khi nhiệt độ môi trường được duy trì dưới 75 °C, tỷ lệ suy giảm tuổi thọ thiết bị giảm 58%. Đối với mỗi 5 °C giảm nhiệt độ vị trí lắp đặt, tuổi thọ sử dụng dự kiến tăng 18,5%. Bằng cách cải thiện thông gió, nhiệt độ môi trường tại địa điểm thử nghiệm giảm trung bình 7,2 °C, dẫn đến cải thiện 32% về sự ổn định của các thông số hiệu suất tụ. Dữ liệu nhiệt độ từ hệ thống giám sát trực tuyến cho thấy sau khi áp dụng thông gió thông minh, nhiệt độ tối đa xung quanh thiết bị giảm 11,3 °C và nhiệt độ trung bình giảm 8,7 °C. Mô hình dự đoán tuổi thọ được áp dụng tại một trạm biến áp 500 kV trong một năm, thành công phát ra cảnh báo sớm cho sáu sự cố tiềm ẩn, tăng hiệu quả bảo dưỡng phòng ngừa 43%. Phân tích dữ liệu bảo dưỡng cho thấy quyết định bảo dưỡng và thay thế dựa trên dự đoán của mô hình đạt độ chính xác 87%, tăng 35% so với bảo dưỡng dựa trên thời gian truyền thống. Chiến lược quản lý thiết bị hướng dẫn bởi mô hình giảm chi phí bảo dưỡng 27% và tăng khả năng sẵn sàng của thiết bị 15%.

4. Kết luận

Qua các thí nghiệm lão hóa tăng tốc và phân tích dữ liệu hệ thống, nghiên cứu này tiết lộ ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ cao đối với sự suy giảm hiệu suất của tụ điện và thiết lập mô hình dự đoán tuổi thọ dựa trên phương trình Arrhenius. Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường là yếu tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ tụ: cho mỗi 10 °C tăng nhiệt độ, tuổi thọ sử dụng giảm 42,5% ± 2,5%. Các thông số hiệu suất quan trọng như hao hụt điện môi, dung lượng và điện trở cách điện thể hiện xu hướng suy giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Mô hình dự đoán tuổi thọ được phát triển đạt độ chính xác dự đoán trên 90%, cung cấp cơ sở khoa học cho quyết định bảo dưỡng và thay thế tụ điện.