Reálné časové monitorování ochranných odporů v 10kV GIS skříních: Zvyšování bezpečnosti železničního elektrického systému

1 Výzkumné základy

Kovové-oxidové ochranné přepážky, zapouzdřené v skříních, jsou neustále vystaveny napětí systému, což může vést k selhání v důsledku stárnutí, dokonce i k haváriím/výbuchům, které mohou způsobit požáry. Proto je třeba pravidelné kontroly a údržby. Tradiční kontrola s cyklem 3–5 let (vypnutí napájení, odstranění přepážky pro testy; znovuinstalace v případě výměny) představuje bezpečnostní rizika a čelí problémům s dodržováním standardů vzhledem k prostoru a prostředí.

2 Princip monitorování ochranné přepážky ve skříni GIS 10kV

Aby byla zajištěna bezpečnost vysokorychlostní železnice, je nezbytné povolit reálné časové sledování stavu ochranné přepážky ve skříni GIS 10kV, posoudit její životnost a včas ji vyměnit, pokud vypršela. Je tedy nutné vyvinout systém pro monitorování.

Během normálního provozu skříně GIS mají ochranné přepážky vysokou impedanci; při zemných poruchách uvolňují energii a pak se rychle vracejí do stavu s vysokou impedancí, aby zabránily proudění zemného proudu. Běžně je unikající proud (desítky mA, ~10mA rezistivní složka) velmi malý. Stárnutí nebo poškození vlhkem zvyšuje rezistivní unikající proud, ale menší problémy vedou k nepatrnému nárůstu, což komplikuje včasnou detekci rizik a ohrožuje bezpečnost železnice. Proto je potřeba analýzy rezistivního proudu a metod (kompenzace, celkový unikající proud, třetí harmonická).

Pro zlepšení bezpečnosti byl navržen komplexní modul pro sledování unikajícího proudu (princip v obrázku 1). Tento modul umožňuje online sledování více ochranných přepážek a sledování parametrů jako je unikající proud. Po zapnutí se inicializuje, provádí cyklické kontroly senzorů, okamžitě řeší chyby a data odesílá na servery přes 5G pro vzdálené monitorování.

3 Implementace systému pro monitorování ochranných přepážek ve skříních GIS 10kV podstací

Na základě principu monitorování byl systém navržen a implementován. Každý pod-systém pro online monitorování ochranných přepážek přenáší data do interního systému podstací. Systém může shromažďovat parametry jako je počet operací ochranných přepážek, unikající proud, časové razítko operací (s přesností na sekundy) a maximální výbojkový proud během operací.

Ochranné přepážky používají senzory unikajícího proudu typu through-core zero-flux k získání signálů celkového proudu. Tyto signály pak podléhají rychlé Fourierově transformaci (FFT) – efektivnímu algoritmu, který snižuje výpočetní složitost a umožňuje rychlé výpočty Fourierových transformací a jejich inverzí, což z něj dělá nezbytný matematický nástroj v elektroenergetických systémech. FFT rozkládá signály proudu pro identifikaci harmonických složek a analýzu frekvenčních harmonických.

GIS v 10kV podstacích trpí vážným znečištěním třetí harmonickou, což zvyšuje ztráty systému, zvyšuje zátěž a narušuje monitorování ochranných přepážek – hrozí to bezpečnosti a stabilitě elektrického systému vysokorychlostní železnice. Proto systém používá metodu třetí harmonické: analyzuje data "třetí harmonické" (třikrát 50Hz základní frekvence) dekomponovaná pomocí FFT. Integrovaný monitorovací modul je propojen s senzory ochranných přepážek přes rozhraní RS485, což umožňuje sběr dat až z 32 přepážek v rozvodných skříních.

3.1 Přenos dat a inteligentní analýza

Integrovaný monitorovací modul používá komunikační modul 5G pro rychlý přenos detekčních dat na cloudovou platformu. Platforma analyzuje stav provozu ochranných přepážek, aktivuje alarmy při anomáliích a pravidelně nahrává data. Automatizovaná analýza dat generuje doporučení – např. včasnou výměnu ochranných přepážek nebo predikce životnosti. Systém sběru dat podporuje plánované nahrávání dat a aktivní nahrávání během anomálií (jak je vidět na obrázku 2).

3.2 Provoz a správa systému

Po implementaci zpracovává modul celkový proud, třetí harmonickou a operační data pro výpočet celkového proudu, rezistivního proudu a informací o provozu – data jsou přenesena na cloud přes 5G. Cloudová platforma zobrazuje křivky životnosti ochranných přepážek a alarmy pro akce, což umožňuje reálné časové sledování životnosti a provozu. Zázemí podstací ukládá všechna detekční data, s možností konfigurace denní frekvence a času nahrávání. Pokud unikající proud překročí 10% základní hodnoty, systém aktivuje alarmy.

Klíčové technické parametry jsou nastaveny podle tabulky 1. Monitorovací systém je nainstalován a v provozu, s laděním v souladu s plány údržby zařízení. Dosahuje správy životnosti ochranných přepážek, reálného časového sledování a zlepšuje efektivitu údržby – což zvyšuje standardy správy elektrického systému.

4 Závěr

Reálně časový monitorovací systém pro stav provozu ochranných přepážek ve skříních GIS 10kV přenáší shromážděná data na zadní část monitorovacího systému přes 5G bezdrátový přenos. Zároveň v zadní části monitorovacího systému generuje křivky změn životnosti ochranných přepážek a upozornění na jejich provoz, což umožňuje reálné časové sledování stavu životnosti a provozu ochranných přepážek.

Návrh a implementace tohoto systému zlepšují přesnost sledování provozu ochranných přepážek ve skříních GIS 10kV, snižují náklady na údržbu a prevenci větších nehod. Dále zlepšuje bezpečnost dodávky elektrické energie pro provoz vysokorychlostních železnic.