Echtzeitüberwachung von Überspannungsschutzschaltern in 10kV GIS-Schaltanlagen: Verbesserung der Sicherheit des Bahnstromnetzes

1 Forschungshintergrund

Metall-Oxid-Überspannungsschutzstöcke, die in Schränken versiegelt sind, stehen ständig unter Systemspannung und riskieren Alterungsfehler, ja sogar Zerstörungen/Explosionen, die zu elektrischen Bränden führen können. Daher ist eine regelmäßige Prüfung/Wartung erforderlich. Die traditionelle Prüfung im Zyklus von 3–5 Jahren (Stromabschaltung, Entfernung des Schutzes für Tests; Wiedereinbau, falls ersetzt) birgt Sicherheitsrisiken und stellt Herausforderungen bei der Erfassung von Raum- und umweltbedingten Standards.

2 Überwachungsprinzip des 10kV GIS-Schrank-Überspannungsschutzstocks

Um die Sicherheit der Hochgeschwindigkeitsbahnen zu gewährleisten, den Zustand des 10kV GIS-Schrank-Überspannungsschutzstocks in Echtzeit zu überwachen, die Lebensdauer zu beurteilen und abgelaufene Geräte rechtzeitig zu ersetzen, ist die Entwicklung eines Überwachungssystems unerlässlich.

Während des normalen Betriebs eines GIS-Schranks zeigen Überspannungsschutzstöcke einen hohen Widerstand; bei Erdschlüssen geben sie Energie frei und stellen dann schnell wieder einen hohen Widerstand her, um den Erdstrom zu blockieren. Normalerweise ist der Leckstrom (Dutzende von mA, ~10mA ohmscher Anteil) minimal. Alterung oder Feuchtigkeitsschäden erhöhen den ohmschen Leckstrom, aber geringfügige Probleme verursachen kaum merkliche Erhöhungen, was eine zeitnahe Gefahrenentdeckung behindert und die Bahnsicherheit bedroht. Daher sind Analysen des ohmschen Stroms und Methoden (Kompensation, Gesamtleckstrom, Dritte Harmonische) erforderlich.

Um die Sicherheit zu steigern, wurde eine umfassende Leckstromüberwachungseinheit entwickelt (Prinzip in Abbildung 1). Sie überwacht mehrere Überspannungsschutzstöcke online und verfolgt Parameter wie den Leckstrom. Beim Einschalten initialisiert sie sich, durchläuft Sensorprüfzyklen, behebt Fehler sofort und lädt Daten über 5G auf Server hoch, um Fernüberwachung zu ermöglichen.

3 Implementierung des Überwachungssystems für Überspannungsschutzstöcke in GIS-Schränken von 10kV-Umspannwerken

Gemäß dem Überwachungsprinzip wurde das System entworfen und implementiert. Jedes Online-Überwachungssubsystem für Überspannungsschutzstöcke überträgt Daten an das interne Umspannwerkssystem. Es kann Parameter sammeln, einschließlich der Anzahl der Betriebsvorgänge des Schutzes, des Leckstroms, der Betriebszeitstempel (genau bis zur Sekunde) und des Spitzenentladungsstroms während der Betriebsvorgänge.

Überspannungsschutzstöcke verwenden Durchkernullfluss-Leckstromsensorik, um Gesamtstromsignale zu erlangen. Diese Signale werden dann mit der Schnellen Fourier-Transformation (FFT) – einem effizienten Algorithmus, der die Rechenkomplexität reduziert und eine schnelle Berechnung von Fourier-Transformationen und deren Inversen ermöglicht, was es zu einem unverzichtbaren mathematischen Werkzeug in Energiesystemen macht – analysiert. FFT zerlegt die Stromsignale, um harmonische Komponenten zu identifizieren und frequenzbasierte Harmonische zu analysieren.

Das GIS in 10kV-Umspannwerken leidet unter schwerer Dritte-Harmonische-Belastung, die die Systemverluste erhöht, die Lasten steigert und die Überwachung der Schutzstöcke beeinträchtigt – was die Sicherheit und Stabilität des Bahnstromsystems bedroht. Daher verwendet das System die Methode der Dritten Harmonischen: die Analyse der „Dritten Harmonischen“-Daten (dreimal die Grundfrequenz von 50Hz), die über FFT zerlegt werden. Die integrierte Überwachungseinheit verbindet sich über RS485-Schnittstellen mit den Schutzstoßensoren, wodurch Daten von bis zu 32 Schaltanlagen-Schutzstöcken gesammelt werden können.

3.1 Datentransmission und intelligente Analyse

Die integrierte Überwachungseinheit verwendet ein 5G-Kommunikationsmodul, um Detektionsdaten schnell auf die Cloud-Plattform zu übertragen. Die Plattform analysiert den Betriebsstatus der Schutzstöße, löst bei Auffälligkeiten Alarmsignale aus und lädt periodisch Daten hoch. Automatische Datenanalyse erzeugt Empfehlungen – z.B. rechtzeitiger Austausch der Schutzstöße oder Lebenszyklusprognosen. Das Erfassungssystem unterstützt geplante Datenübertragungen und aktive Übertragungen bei Auffälligkeiten (wie in Abbildung 2 dargestellt).

3.2 Systembetrieb und -verwaltung

Nach der Implementierung verarbeitet die Einheit Gesamtstrom, Dritte Harmonische und Betriebsdaten, um Gesamtstrom, ohmschen Strom und Betriebsinformationen zu berechnen – diese werden über 5G an die Cloud übertragen. Die Cloud-Plattform zeigt Lebenszykluskurven der Schutzstöße und Alarmmeldungen an, was eine Echtzeitüberwachung des Lebenszyklus und des Betriebs ermöglicht. Die Substation-Backend-Software speichert alle Detektionsdaten, mit konfigurierbaren täglichen Übertragungsfrequenzen/-zeiten. Wenn der Leckstrom 10% der Basislinie überschreitet, löst das System Alarmsignale aus.

Technische Schlüsselparameter sind in Tabelle 1 festgelegt. Das Überwachungssystem ist installiert und betriebsbereit, mit einer Abstimmung der Fehlersuche auf den Wartungsplan der Ausrüstung. Es erreicht die Lebenszyklus-Verwaltung der Schutzstöße, die Echtzeitüberwachung und verbessert die Wartungseffizienz – was die Verwaltungsstandards des Energiesystems steigert.

4 Fazit

Das Echtzeitüberwachungssystem für den Betriebsstatus von Überspannungsschutzstöcken in GIS-Schränken von 10kV-Umspannwerken überträgt gesammelte Daten über drahtlose 5G-Übertragung an das Backend-Überwachungssystem. Gleichzeitig erzeugt das Backend-Überwachungssystem Kurven der Lebensdaueränderungen der Schutzstöße und Alarmbenachrichtigungen für Betriebsvorgänge, was eine Echtzeitüberwachung des Lebenszyklus und des Betriebsstatus ermöglicht.

Der Entwurf und die Implementierung dieses Systems erhöhen die Genauigkeit der Betriebsüberwachung für Überspannungsschutzstöcke in GIS-Schränken von 10kV-Umspannwerken, reduzieren Wartungskosten und verhindern schwere Unfälle. Darüber hinaus verbessert es die Energieversorgungssicherheit für den Betrieb von Hochgeschwindigkeitsbahnen.