Monitorització en temps real dels parafulmes en armari GIS de 10kV: Millorant la seguretat del sistema elèctric ferroviari
1 Antecedents de recerca
Els parafulmeres metàl·lics-òxid, tancats en armari, porten la tensió del sistema de manera contínua, arribant a patir falles per envejeciment, fins i tot explosions que poden causar incendis elèctrics. Per tant, es necessita una inspecció i manteniment regulars. La detecció tradicional cada 3-5 anys (tall de corrent, eliminació del parafulmèr per a proves; reinserció si s'ha reemplaçat) comporta riscos de seguretat i dificultats per a l'aprenentatge de normes basades en l'espai i l'entorn.
2 Principi de monitorització del parafulmèr de l'armari GIS de 10kV
Per assegurar la seguretat de les vies de ferrocarril d'alta velocitat, permetre la monitorització en temps real de l'estat del parafulmèr de l'armari GIS de 10kV, jutjar la vida útil i substituir els que han expirat a temps, és imperatiu desenvolupar un sistema de monitorització.
En el funcionament normal de l'armari GIS, els parafulmeres mostren una alta impedància; en cas de falles a terra, alliberen energia i després restableixen ràpidament l'alta impedància per bloquejar la corrent a terra. Normalment, la corrent de fuga (d'uns deu mA, ~10mA component resistiu) és minúscula. L'envejeciment o els danys per humitat augmenten la corrent de fuga resistiva, però problemes menors causen increments no evidents, dificultant la detecció oportuna de perills i amenaçant la seguretat del ferrocarril. Per tant, són necessàries anàlisi de la corrent resistiva i mètodes (compensació, corrent total de fuga, harmònica tercera).
Per millorar la seguretat, s'ha dissenyat una unitat integral de monitorització de la corrent de fuga (principi a la Figura 1). Monitoritza diversos parafulmeres en línia, seguient paràmetres com la corrent de fuga. En encendre's, inicialitza, fa cicles de comprovacions dels sensors, adreça errors prontament i carrega dades als servidors mitjançant 5G per a la monitorització remota.
3 Implementació del sistema de monitorització dels parafulmeres en els armaris GIS de les subestacions de 10kV
Guiat pel principi de monitorització, el sistema s'ha dissenyat i implementat. Cada subsistema de monitorització en línia del parafulmèr transmet dades al sistema intern de la subestació. Pot recopilar paràmetres com el nombre d'operacions del parafulmèr, la corrent de fuga, marques de temps d'operació (precises fins a la segona), i la corrent de descàrrega màxima durant les operacions.
Els parafulmeres utilitzen sensors de corrent de fuga zero-flux de nucli passant per adquirir senyals de corrent total. Aquests senyals llavors passen per Transformada Ràpida de Fourier (FFT) – un algoritme eficient que reduïx la complexitat computacional mentre permet el càlcul ràpid de transformades de Fourier i les seves inverses, fent-lo una eina matemàtica indispensable en sistemes d'energia. La FFT descompon els senyals de corrent per identificar components harmònics i analitzar harmoniques basades en freqüències.
El GIS en les subestacions de 10kV pateix una contaminació severa de la tercera harmònica, que augmenta les pèrdues del sistema, eleva les càrregues i compromet la monitorització del parafulmèr – amenaçant la seguretat i estabilitat del sistema d'energia del ferrocarril. Per tant, el sistema adopta el mètode de la tercera harmònica: analitzant dades de "tercera harmònica" (tres vegades la freqüència fonamental de 50Hz) descompostes mitjançant FFT. La unitat de monitorització integrada es connecta als sensors del parafulmèr a través de interfícies RS485, permetent la recopilació de dades de fins a 32 parafulmeres de commutadors.
3.1 Transmissió de dades i anàlisi intel·ligent
La unitat de monitorització integrada utilitza un mòdul de comunicació 5G per transmetre ràpidament les dades de detecció a la plataforma cloud. La plataforma analitza els estats d'operació dels parafulmeres, activa alarmes per anomàlies i carrega dades periòdicament. L'anàlisi automàtica de dades genera recomanacions – per exemple, substitució oportuna del parafulmèr o prediccions de cicle de vida. El sistema d'adquisició suporta carregues programades de dades i carregues actives durant les anomàlies (com es mostra a la Figura 2).
3.2 Operació i gestió del sistema
Després de la implementació, la unitat processa la corrent total, la tercera harmònica i les dades d'operació per calcular la corrent total, la corrent resistiva i informació d'operació – transmesa a la nube via 5G. La plataforma cloud mostra corbes de cicle de vida del parafulmèr i alarmes d'acció, permetent la monitorització en temps real del cicle de vida i l'operació. El software de backend de la subestació emmagatzema totes les dades de detecció, amb freqüències i horaris de carrega diària configurables. Si la corrent de fuga supera el 10% de la base, el sistema activa alarmes.
Els paràmetres tècnics clau es configuren com a la Taula 1. El sistema de monitorització s'ha instal·lat i opera, amb la depuració alineada amb els calendaris de manteniment de l'equipament. Aconsegueix la gestió del cicle de vida del parafulmèr, la monitorització en temps real i millora l'eficiència del manteniment – elevant els estàndards de gestió del sistema d'energia.
4 Conclusió
El sistema de monitorització en temps real de l'estat d'operació dels parafulmeres en els armaris GIS de les subestacions de 10kV transmet les dades recopilades al sistema de monitorització de backend mitjançant la transmissió sense fil 5G. Alhora, en el sistema de monitorització de backend, genera corbes de canvis de vida útil del parafulmèr i notificacions d'alarma per a les operacions del parafulmèr, permetent la captació en temps real de les condicions de vida útil i els estats d'operació del parafulmèr.
El disseny i implementació d'aquest sistema milloren la precisió de la monitorització de l'operació dels parafulmeres en els armaris GIS de les subestacions de 10kV, redueixen els costos de manteniment i prenen precaucions contra accidents majors. A més, millora la seguretat energètica per a l'operació de les vies de ferrocarril d'alta velocitat.
