Surveillance en temps réel des parafoudres dans les cellules GIS 10kV : Amélioration de la sécurité du système d'alimentation ferroviaire

1 Contexte de la recherche

Les parafoudres à oxyde métallique, scellés dans des armoires, sont soumis en permanence à la tension du système, ce qui les expose à un risque de défaillance due au vieillissement, voire d'explosion causant des incendies électriques. Il est donc nécessaire de procéder à des inspections et à des entretiens réguliers. La détection traditionnelle sur un cycle de 3 à 5 ans (coupure de courant, retrait du parafoudre pour des tests ; réinstallation s'il est remplacé) comporte des risques de sécurité et rencontre des difficultés liées à l'espace et à l'environnement pour respecter les normes.

2 Principe de surveillance des parafoudres d'armoire GIS 10kV

Pour assurer la sécurité des lignes ferroviaires à grande vitesse, il est essentiel de pouvoir surveiller en temps réel l'état des parafoudres d'armoire GIS 10kV, d'évaluer leur durée de vie et de les remplacer en temps opportun, ce qui nécessite le développement d'un système de surveillance.

Lorsqu'une armoire GIS fonctionne normalement, les parafoudres présentent une impédance élevée ; en cas de défaut de mise à la terre, ils libèrent de l'énergie puis retrouvent rapidement une impédance élevée pour bloquer le courant de terre. En conditions normales, le courant de fuite (quelques dizaines de mA, environ 10mA de composante résistive) est minime. Le vieillissement ou les dommages dus à l'humidité augmentent le courant de fuite résistif, mais des problèmes mineurs ne provoquent qu'une augmentation peu visible, ce qui complique la détection rapide des dangers et menace la sécurité ferroviaire. Il est donc nécessaire d'analyser le courant résistif et d'utiliser des méthodes comme la compensation, le courant de fuite total et la troisième harmonique.

Pour améliorer la sécurité, on conçoit une unité de surveillance complète du courant de fuite (principe illustré à la Figure 1). Elle surveille en ligne plusieurs parafoudres, suivant des paramètres tels que le courant de fuite. Une fois alimentée, elle se met en marche, effectue des vérifications cycliques des capteurs, corrige rapidement les erreurs et transmet les données aux serveurs via 5G pour une surveillance à distance.

3 Mise en œuvre du système de surveillance des parafoudres dans les armoires GIS des postes 10kV

Conformément au principe de surveillance, le système est conçu et mis en œuvre. Chaque sous-système de surveillance en ligne de parafoudres transmet les données au système interne du poste. Il peut collecter des paramètres tels que le nombre d'opérations du parafoudre, le courant de fuite, les horodatages des opérations (précis à la seconde), et le courant de décharge maximal lors des opérations.

Les parafoudres utilisent des capteurs de courant de fuite à flux nul à noyau passant pour acquérir les signaux de courant total. Ces signaux subissent ensuite une transformation de Fourier rapide (FFT) - un algorithme efficace qui réduit la complexité de calcul tout en permettant un calcul rapide des transformations de Fourier et de leurs inverses, ce qui en fait un outil mathématique indispensable dans les systèmes électriques. La FFT décompose les signaux de courant pour identifier les composantes harmoniques et analyser les harmoniques basées sur la fréquence.

Le GIS des postes 10kV souffre d'une pollution sévère par la troisième harmonique, ce qui augmente les pertes du système, élève les charges et compromet la surveillance des parafoudres - menaçant la sécurité et la stabilité du système électrique ferroviaire. Ainsi, le système adopte la méthode de la troisième harmonique : analyse des données de "troisième harmonique" (trois fois la fréquence fondamentale de 50Hz) décomposées via FFT. L'unité de surveillance intégrée se connecte aux capteurs des parafoudres via des interfaces RS485, permettant la collecte de données jusqu'à 32 parafoudres de commutateurs.

3.1 Transmission des données et analyse intelligente

L'unité de surveillance intégrée utilise un module de communication 5G pour transmettre rapidement les données de détection à la plateforme cloud. La plateforme analyse les statuts d'opération des parafoudres, déclenche des alarmes en cas d'anomalies et télécharge périodiquement les données. L'analyse automatique des données génère des recommandations - par exemple, le remplacement opportun des parafoudres ou des prédictions de durée de vie. Le système d'acquisition prend en charge les téléchargements planifiés et les téléchargements actifs en cas d'anomalies (comme illustré à la Figure 2).

3.2 Fonctionnement et gestion du système

Après la mise en œuvre, l'unité traite le courant total, la troisième harmonique et les données d'opération pour calculer le courant total, le courant résistif et les informations d'opération - transmises au cloud via 5G. La plateforme cloud affiche les courbes de durée de vie des parafoudres et les alarmes d'action, permettant une surveillance en temps réel de la durée de vie et des opérations. Le logiciel backend du poste stocke toutes les données de détection, avec des fréquences et des horaires de téléchargement quotidiens configurables. Si le courant de fuite dépasse 10% de la valeur de référence, le système déclenche une alarme.

Les paramètres techniques clés sont définis comme dans le Tableau 1. Le système de surveillance est installé et opérationnel, avec un débogage aligné sur les calendriers de maintenance de l'équipement. Il permet la gestion de la durée de vie des parafoudres, la surveillance en temps réel et l'amélioration de l'efficacité de la maintenance - élevant les normes de gestion du système électrique.

4 Conclusion

Le système de surveillance en temps réel de l'état de fonctionnement des parafoudres dans les armoires GIS des postes 10kV transmet les données collectées au système de surveillance backend via une transmission sans fil 5G. Dans le même temps, dans le système de surveillance backend, il génère des courbes de changement de durée de vie des parafoudres et des notifications d'alarme pour les opérations des parafoudres, permettant une prise en main en temps réel de la durée de vie et des statuts d'opération des parafoudres.

La conception et la mise en œuvre de ce système améliorent la précision de la surveillance des opérations des parafoudres dans les armoires GIS des postes 10kV, réduisent les coûts de maintenance et préviennent les accidents majeurs. De plus, il améliore la sécurité électrique pour l'exploitation des lignes ferroviaires à grande vitesse.