中國報告大廳網(wǎng)訊，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大與負(fù)載不斷增長，電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，環(huán)境溫度升高成為威脅電力電容器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。電力電容器作為輸配電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能衰退直接關(guān)乎電網(wǎng)安全穩(wěn)定，高溫會加速電容器介質(zhì)材料老化、導(dǎo)致電氣性能退化，縮短設(shè)備壽命甚至引發(fā)系統(tǒng)故障?；诖?，通過多梯度溫度加速老化試驗(yàn)，深入研究電力電容器介電損耗、電容量等關(guān)鍵性能參數(shù)的衰退規(guī)律，并構(gòu)建考慮溫度波動的壽命預(yù)測模型，對提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性具有重要意義。
(一)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計
研究選取額定電壓 10kV、容量 100kvar 的并聯(lián)電力電容器作為研究對象，樣品規(guī)格符合 GB/T 11024.1-2019《標(biāo)稱電壓 1000V 以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器 第 1 部分：總則》標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用 OMICRON CP TD1 電容測試儀和 ME632 介質(zhì)損耗測試儀，通過高溫老化試驗(yàn)箱控制環(huán)境溫度，溫度梯度設(shè)置為 70℃、85℃、100℃三個測試點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)配置 5 組實(shí)驗(yàn)樣品。試驗(yàn)過程參照 IEC 60871-2 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，老化過程中持續(xù)施加額定電壓以模擬實(shí)際運(yùn)行工況。
(二)電力電容器介電損耗的溫度依賴衰退規(guī)律
高溫環(huán)境下，電力電容器的介電損耗呈現(xiàn)顯著溫度依賴特性。在低溫區(qū)間，介電損耗隨時間增長緩慢，介質(zhì)材料保持良好電氣性能，損耗維持在設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);進(jìn)入中等溫度區(qū)間，介電損耗增長速率明顯提升，曲線斜率增大，部分電力電容器樣品的損耗值在試驗(yàn)后期超出運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)限值;處于高溫區(qū)間時，電力電容器介電損耗呈急劇上升趨勢，損耗增長曲線陡峭，表現(xiàn)出典型的熱老化特征。
(三)電力電容器電容量的溫度影響變化特征
對電力電容器電容量偏移特性分析發(fā)現(xiàn)，溫度升高對電容器容值穩(wěn)定性影響顯著，溫度與電容量偏移率呈現(xiàn)階段性變化。低溫區(qū)間內(nèi)，電力電容器電容量偏移率保持在設(shè)備允許偏差范圍內(nèi)，容值穩(wěn)定性較好;進(jìn)入中溫區(qū)間，電力電容器電容量開始呈現(xiàn)明顯衰減趨勢，偏移率逐漸接近運(yùn)行極限值;在高溫區(qū)間，電力電容器電容量快速衰減，偏移率顯著超出允許范圍，呈現(xiàn)加速劣化特征。
(一)電力電容器性能衰退數(shù)據(jù)的分析與規(guī)律提煉
通過對比不同溫度梯度下電力電容器的性能衰退速率，研究溫度與加速因子的對應(yīng)關(guān)系，并基于介電損耗、電容量偏移率和絕緣電阻等關(guān)鍵參數(shù)，建立完整的電力電容器失效判據(jù)體系。研究發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下電力電容器性能衰退呈明顯加速特征，加速因子與溫度之間存在指數(shù)關(guān)系。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示，模型相關(guān)系數(shù)達(dá)到較高水平，說明溫度與加速因子的關(guān)系具有良好統(tǒng)計顯著性。加速因子計算采用阿倫尼烏斯公式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得的激活能和波爾茲曼常數(shù)，建立溫度 - 加速效應(yīng)定量關(guān)系。
(二)阿倫尼烏斯模型在電力電容器壽命預(yù)測中的應(yīng)用
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對數(shù)壽命 - 倒溫度坐標(biāo)系下進(jìn)行擬合，獲得良好的線性關(guān)系。擬合直線斜率對應(yīng)激活能 Ea(激活能表示電力電容器材料老化過程的能量障礙，單位為 kJ/mol)，與模型理論預(yù)期相符，相關(guān)系數(shù)表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與阿倫尼烏斯模型具有高度吻合性。95% 置信區(qū)間分析顯示，預(yù)測結(jié)果具有可靠的統(tǒng)計顯著性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)，電力電容器性能退化速率與溫度顯著指數(shù)相關(guān)。基于溫度點(diǎn)的壽命數(shù)據(jù)回歸分析，建立溫度與電力電容器壽命的數(shù)學(xué)模型，其中激活能 Ea=90.5kJ/mol，相關(guān)系數(shù) R2=0.951。
(三)電力電容器壽命預(yù)測的實(shí)現(xiàn)方法與精度驗(yàn)證
電力電容器壽命預(yù)測采用累積損傷理論，將不同溫度環(huán)境下的損傷效應(yīng)進(jìn)行疊加計算。該預(yù)測方法綜合考慮材料老化速率、環(huán)境溫度波動和負(fù)載變化因素，計算過程將電力電容器運(yùn)行周期分為 n 個時間段，每段損傷量由運(yùn)行溫度和持續(xù)時間確定。溫度數(shù)據(jù)通過在線監(jiān)測系統(tǒng)采集，采樣間隔設(shè)定為 1h，以保證數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性。將實(shí)測溫度代入阿倫尼烏斯方程，計算該時段等效運(yùn)行時間，累加各時段損傷量獲得電力電容器剩余壽命預(yù)測值。壽命預(yù)測精度驗(yàn)證采用加速老化試驗(yàn)結(jié)果，模型計算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均偏差保持在 ±8% 范圍內(nèi)。
(一)電力電容器壽命預(yù)測模型的精度分析
預(yù)測模型驗(yàn)證采用加速老化試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，選取多批次運(yùn)行年限不同的電力電容器樣本進(jìn)行性能測試，并將測試結(jié)果與模型預(yù)測值對比分析。具體數(shù)據(jù)如下：運(yùn)行 5 年的電力電容器樣品組，樣品數(shù)量 5 個，實(shí)測壽命平均值為 4.8 年，預(yù)測值為 5.2 年，相對誤差為 7.7%;運(yùn)行 8 年的電力電容器樣品組，樣品數(shù)量 5 個，實(shí)測值為 7.6 年，預(yù)測值為 8.3 年，相對誤差為 8.4%;運(yùn)行 10 年的電力電容器樣品組，樣品數(shù)量 5 個，實(shí)測值為 9.5 年，預(yù)測值為 10.2 年，相對誤差為 6.9%。誤差源分析顯示，環(huán)境溫度波動是影響預(yù)測精度的主要因素，日溫差超過 20℃時，模型預(yù)測誤差會增加至 12%;同時，負(fù)載波動引起的溫度起伏會導(dǎo)致預(yù)測誤差增加 4.2%。
(二)電力電容器工程應(yīng)用的優(yōu)化建議
中國報告大廳《2025-2030年中國電力電容器行業(yè)運(yùn)營態(tài)勢與投資前景調(diào)查研究報告》指出，在電力電容器工程應(yīng)用中，溫度控制對延長設(shè)備壽命至關(guān)重要。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)環(huán)境溫度控制在 75℃以下時，電力電容器壽命衰減速率降低 58%;安裝位置溫度每降低 5℃，電力電容器預(yù)期壽命提升 18.5%。通過改善通風(fēng)條件，測試現(xiàn)場的環(huán)境溫度平均降低 7.2℃，電力電容器性能參數(shù)的穩(wěn)定性提升 32%;采用智能通風(fēng)后，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)表明，電力電容器周邊最高溫度降低 11.3℃，平均溫度降低 8.7℃。此外，壽命預(yù)測模型在 500kV 變電站現(xiàn)場應(yīng)用一年，準(zhǔn)確預(yù)警了 6 起潛在故障，預(yù)防性維護(hù)效率提升 43%;檢修數(shù)據(jù)分析顯示，基于模型預(yù)測進(jìn)行維護(hù)決策，電力電容器檢修及更換計劃的準(zhǔn)確率達(dá)到 87%，較傳統(tǒng)定期檢修方式提高 35%;在預(yù)測模型指導(dǎo)下的設(shè)備管理方案，使電力電容器維護(hù)成本降低 27%，設(shè)備可用率提升 15%。
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