Monitoreo en Tiempo Real de Pararrayos en Gabinetes GIS de 10kV: Mejorando la Seguridad del Sistema Eléctrico Ferroviario

1 Antecedentes de la Investigación

Los pararrayos de óxido metálico, sellados en gabinetes, soportan continuamente la tensión del sistema, lo que los expone a fallos por envejecimiento, e incluso a rupturas/explosiones que pueden causar incendios eléctricos. Por lo tanto, se necesita una inspección y mantenimiento regulares. La detección tradicional en un ciclo de 3-5 años (corte de energía, remoción del pararrayos para pruebas; reinstalación si se reemplaza) presenta riesgos de seguridad y dificultades para cumplir con estándares basados en el espacio/entorno.

2 Principio de Monitoreo del Pararrayos de Gabinete GIS de 10kV

Para garantizar la seguridad de las vías férreas de alta velocidad, es necesario habilitar el monitoreo en tiempo real del estado del pararrayos del gabinete GIS de 10kV, juzgar su vida útil y reemplazar a tiempo los que han expirado, desarrollar un sistema de monitoreo es imperativo.

En la operación normal del gabinete GIS, los pararrayos muestran una impedancia alta; durante las fallas a tierra, liberan energía y luego restablecen rápidamente la alta impedancia para bloquear la corriente a tierra. Normalmente, la corriente de fuga (decenas de mA, ~10mA componente resistivo) es minúscula. El envejecimiento o daños por humedad aumentan la corriente de fuga resistiva, pero los problemas menores causan aumentos poco notables, lo que dificulta la detección oportuna de peligros y amenaza la seguridad ferroviaria. Por lo tanto, se necesitan análisis y métodos de corriente resistiva (compensación, corriente total de fuga, tercera armónica).

Para aumentar la seguridad, se diseña una unidad integral de monitoreo de corriente de fuga (principio en la Figura 1). Monitorea en línea múltiples pararrayos, rastreando parámetros como la corriente de fuga. Al encenderse, se inicializa, realiza comprobaciones cíclicas de sensores, aborda errores de inmediato y sube datos a servidores a través de 5G para monitoreo remoto.

3 Implementación del Sistema de Monitoreo para Pararrayos en Gabinetes GIS de Subestaciones de 10kV

Guiado por el principio de monitoreo, se diseña e implementa el sistema. Cada subsistema de monitoreo en línea de pararrayos transmite datos al sistema interno de la subestación. Puede recopilar parámetros que incluyen el número de operaciones del pararrayos, la corriente de fuga, marcas de tiempo de operación (precisas hasta el segundo) y la corriente de descarga máxima durante las operaciones.

Los pararrayos utilizan sensores de corriente de fuga sin flujo de núcleo pasante para adquirir señales de corriente total. Estas señales luego pasan por la Transformada Rápida de Fourier (FFT), un algoritmo eficiente que reduce la complejidad computacional mientras permite un cálculo rápido de las transformadas de Fourier y sus inversas, convirtiéndolo en una herramienta matemática indispensable en sistemas de energía. La FFT descompone las señales de corriente para identificar componentes armónicos y analizar armónicos basados en frecuencia.

El GIS en subestaciones de 10kV sufre una grave contaminación de tercera armónica, que aumenta las pérdidas del sistema, eleva las cargas y perjudica el monitoreo de los pararrayos, amenazando la seguridad y estabilidad del sistema de energía ferroviaria. Por lo tanto, el sistema adopta el método de tercera armónica: analizando datos de "tercera armónica" (tres veces la frecuencia fundamental de 50Hz) descompuestos mediante FFT. La unidad de monitoreo integrada se conecta a los sensores de pararrayos a través de interfaces RS485, permitiendo la recopilación de datos de hasta 32 pararrayos de interruptores.

3.1 Transmisión de Datos y Análisis Inteligente

La unidad de monitoreo integrada utiliza un módulo de comunicación 5G para transmitir rápidamente los datos de detección a la plataforma en la nube. La plataforma analiza los estados de operación de los pararrayos, activa alarmas para anomalías y carga periódicamente los datos. El análisis automático de datos genera recomendaciones, por ejemplo, reemplazo oportuno de pararrayos o predicciones de ciclo de vida. El sistema de adquisición admite la carga programada de datos y la carga activa durante anomalías (como se muestra en la Figura 2).

3.2 Operación y Gestión del Sistema

Después de la implementación, la unidad procesa la corriente total, la tercera armónica y los datos de operación para calcular la corriente total, la corriente resistiva y la información de operación, transmitida a la nube a través de 5G. La plataforma en la nube muestra curvas de ciclo de vida de los pararrayos y alarmas de acción, permitiendo el monitoreo en tiempo real del ciclo de vida y la operación. El software de backend de la subestación almacena todos los datos de detección, con frecuencias/horarios de carga diaria configurables. Si la corriente de fuga excede el 10% de la base, el sistema activa alarmas.

Los parámetros técnicos clave se establecen como en la Tabla 1. El sistema de monitoreo se instala y opera, con la depuración alineada a los horarios de mantenimiento del equipo. Logra la gestión del ciclo de vida de los pararrayos, el monitoreo en tiempo real y mejora la eficiencia del mantenimiento, elevando los estándares de gestión del sistema de energía.

4 Conclusión

El sistema de monitoreo en tiempo real del estado de operación de los pararrayos en gabinetes GIS de subestaciones de 10kV transmite los datos recopilados al sistema de monitoreo de backend a través de la transmisión inalámbrica 5G. Mientras tanto, en el sistema de monitoreo de backend, genera curvas de cambios en la vida útil de los pararrayos y notificaciones de alarma para las operaciones de los pararrayos, permitiendo un control en tiempo real de las condiciones de vida útil y los estados de operación de los pararrayos.

El diseño e implementación de este sistema mejoran la precisión del monitoreo de operación de los pararrayos en gabinetes GIS de subestaciones de 10kV, reducen los costos de mantenimiento y previenen accidentes graves. Además, mejora la seguridad energética para la operación de las vías férreas de alta velocidad.