Monitoraggio in tempo reale dei parafulmini in armadi GIS a 10kV: miglioramento della sicurezza del sistema elettrico ferroviario

1 Contesto di Ricerca

I parafulmini in ossido metallico, sigillati all'interno di armadi, sono sottoposti continuamente alla tensione del sistema, rischiando guasti dovuti all'invecchiamento, anche esplosioni che possono causare incendi elettrici. Pertanto, è necessaria una manutenzione e ispezione regolare. La tradizionale rilevazione a ciclo triennale o quinquennale (con interruzione della corrente e rimozione del parafulmine per i test; reinstallazione se sostituito) comporta rischi per la sicurezza e difficoltà nel rispettare standard basati sullo spazio e sull'ambiente.

2 Principio di Monitoraggio del Parafulmine dell'Armadio GIS a 10kV

Per garantire la sicurezza delle ferrovie ad alta velocità, abilitare il monitoraggio in tempo reale dello stato del parafulmine dell'armadio GIS a 10kV, valutare la durata e sostituire tempestivamente quelli scaduti, è imperativo sviluppare un sistema di monitoraggio.

Durante l'operazione normale dell'armadio GIS, i parafulmini presentano un'elevata impedenza; in caso di guasti a terra, rilasciano energia e rapidamente ripristinano l'alta impedenza per bloccare la corrente di terra. Normalmente, la corrente di fuga (decine di mA, ~10mA componente resistiva) è minima. L'invecchiamento o danni da umidità aumentano la corrente di fuga resistiva, ma problemi minori causano incrementi non evidenti, ostacolando la rilevazione tempestiva dei pericoli e minacciando la sicurezza ferroviaria. Pertanto, sono necessari l'analisi della corrente resistiva e metodi come la compensazione, la corrente totale di fuga e l'armonica terza.

Per migliorare la sicurezza, è progettato un unità complessiva di monitoraggio della corrente di fuga (principio in Figura 1). Monitorizza online più parafulmini, tracciando parametri come la corrente di fuga. Una volta alimentata, si inizializza, esegue cicli di controllo dei sensori, gestisce prontamente gli errori e invia i dati ai server tramite 5G per il monitoraggio remoto.

3 Implementazione del Sistema di Monitoraggio per i Parafulmini negli Armadi GIS di Sottostazioni a 10kV

Guidati dal principio di monitoraggio, il sistema è progettato e implementato. Ogni sottosistema di monitoraggio online del parafulmine trasmette i dati al sistema interno della sottostazione. Può raccogliere parametri come il numero di operazioni del parafulmine, la corrente di fuga, i timestamp delle operazioni (precisi al secondo) e la corrente di scarica massima durante le operazioni.

I parafulmini utilizzano sensori di corrente di fuga a zero flusso attraverso il nucleo per acquisire i segnali di corrente totale. Questi segnali vengono poi sottoposti alla Trasformata di Fourier veloce (FFT), un algoritmo efficiente che riduce la complessità computazionale consentendo un rapido calcolo delle trasformate di Fourier e delle loro inverse, rendendolo uno strumento matematico indispensabile nei sistemi di potenza. La FFT decomponendo i segnali di corrente identifica i componenti armonici e analizza le armoniche basate sulla frequenza.

Il GIS nelle sottostazioni a 10kV soffre di una grave inquinamento armonico terzo, che aumenta le perdite del sistema, eleva i carichi e compromette il monitoraggio del parafulmine, minacciando la sicurezza e la stabilità del sistema di potenza ferroviario. Pertanto, il sistema adotta il metodo dell'armonica terza: analizzando i dati "dell'armonica terza" (tre volte la frequenza fondamentale di 50Hz) decomposti tramite FFT. L'unità di monitoraggio integrata si collega ai sensori del parafulmine tramite interfacce RS485, consentendo la raccolta di dati da fino a 32 parafulmini di commutatori.

3.1 Trasmissione dei Dati e Analisi Intelligente

L'unità di monitoraggio integrata utilizza un modulo di comunicazione 5G per trasmettere rapidamente i dati di rilevamento alla piattaforma cloud. La piattaforma analizza lo stato di funzionamento dei parafulmini, attiva allarmi per anomalie e carica periodicamente i dati. L'analisi automatica dei dati genera raccomandazioni, ad esempio, la sostituzione tempestiva del parafulmine o previsioni sul ciclo di vita. Il sistema di acquisizione supporta il caricamento programmato dei dati e il caricamento attivo durante le anomalie (come mostrato in Figura 2).

3.2 Operatività e Gestione del Sistema

Dopo l'implementazione, l'unità elabora la corrente totale, l'armonica terza e i dati di funzionamento per calcolare la corrente totale, la corrente resistiva e le informazioni operative, trasmesse al cloud via 5G. La piattaforma cloud visualizza curve di durata del ciclo di vita del parafulmine e allarmi di azione, consentendo il monitoraggio in tempo reale del ciclo di vita e delle operazioni. Il software back-end della sottostazione memorizza tutti i dati di rilevamento, con frequenze e orari di caricamento giornaliero configurabili. Se la corrente di fuga supera il 10% del valore di base, il sistema attiva un allarme.

I parametri tecnici chiave sono impostati come in Tabella 1. Il sistema di monitoraggio è installato e operativo, con il debug allineato ai piani di manutenzione degli impianti. Realizza la gestione del ciclo di vita del parafulmine, il monitoraggio in tempo reale e migliora l'efficienza della manutenzione, elevando gli standard di gestione del sistema di potenza.

4 Conclusione

Il sistema di monitoraggio in tempo reale dello stato di funzionamento dei parafulmini negli armadi GIS di sottostazioni a 10kV trasmette i dati raccolti al sistema di monitoraggio back-end tramite trasmissione wireless 5G. Nel frattempo, nel sistema di monitoraggio back-end, genera curve dei cambiamenti del ciclo di vita del parafulmine e notifiche di allarme per le operazioni del parafulmine, consentendo di avere una visione in tempo reale delle condizioni del ciclo di vita e dello stato di funzionamento del parafulmine.

La progettazione e l'implementazione di questo sistema migliorano l'accuratezza del monitoraggio delle operazioni dei parafulmini negli armadi GIS di sottostazioni a 10kV, riducono i costi di manutenzione e prevenzione di incidenti gravi. Inoltre, migliora la sicurezza dell'energia per l'operazione delle ferrovie ad alta velocità.