10kV GIS盤内避雷器のリアルタイム監視：鉄道電力システムの安全性向上
1 研究背景
金属氧化物避雷器被密封在柜子中，持续承受系统电压，存在老化故障的风险，甚至可能导致爆炸和电气火灾。因此，需要定期检查和维护。传统的3-5年周期检测（停电、拆卸避雷器进行测试；如果更换则重新安装）存在安全风险，并且面临空间和环境标准掌握的困难。
2 10kV GISキャビネット避雷器の監視原理
高速鉄道の安全性を確保し、10kV GISキャビネット避雷器の状態をリアルタイムで監視し、寿命を判断し、期限切れのものを適時に交換するためには、監視システムの開発が不可欠です。
通常のGISキャビネット運転時、避雷器は高インピーダンスを示します。接地障害時にはエネルギーを放出し、その後すぐに高インピーダンスに復元して地電流を遮断します。通常、リーク電流（数十mA、約10mAの抵抗成分）は非常に小さいです。経年劣化や湿気による損傷により抵抗性リーク電流が増加しますが、小さな問題では顕著な増加が見られず、タイムリーな危険検出が困難になり、鉄道の安全性を脅かします。そのため、抵抗性電流の分析と方法（補償、全リーク電流、第3高調波）が必要となります。
安全性を高めるために、リーク電流監視の包括的なユニット（図1参照）を設計しました。このユニットはオンラインで複数の避雷器を監視し、リーク電流などのパラメータを追跡します。電源投入後、初期化を行い、センサーのチェックを繰り返し、エラーを即座に対処し、データを5G経由でサーバーにアップロードしてリモート監視を行います。
3 10kV変電所GISキャビネット内避雷器の監視システムの実装
監視原理に基づいて、システムは設計および実装されました。各オンライン避雷器監視サブシステムはデータを内部の変電所システムに送信します。これは、避雷器の動作回数、リーク電流、動作時間（秒単位）、動作中のピーク放電電流などのパラメータを収集できます。
避雷器はトランスコアゼロフリックスリーク電流センサーを使用して全電流信号を取得します。これらの信号は高速フーリエ変換（FFT）アルゴリズムを用いて解析されます。FFTは計算複雑性を低減しながらフーリエ変換とその逆変換を迅速に計算できる効率的なアルゴリズムであり、電力システムにおいて不可欠な数学的ツールです。FFTは電流信号を分解し、高調波成分を識別し、周波数ベースの高調波を分析します。
10kV変電所のGISは深刻な第3高調波汚染にさらされており、これがシステム損失を増大させ、負荷を高め、避雷器の監視を妨げます。これにより鉄道電力システムの安全性と安定性が脅威にさらされます。そこで、システムは第3高調波法を採用しています：FFTによって分解された「第3高調波」データ（50Hz基本周波数の3倍）を解析します。統合監視ユニットはRS485インターフェースを介して最大32つのスイッチギア避雷器からデータを収集します。
3.1 データ伝送とスマート分析
統合監視ユニットは5G通信モジュールを使用して、検出データをクラウドプラットフォームに迅速に送信します。プラットフォームは避雷器の動作状況を分析し、異常を検知するとアラームをトリガーし、定期的にデータをアップロードします。自動データ分析により、例えば適時の避雷器交換やライフサイクル予測などの推奨事項が生成されます。収集システムはスケジュールされたデータアップロードと異常時のアクティブアップロード（図2参照）をサポートします。
3.2 システムの運用と管理
導入後、ユニットは全電流、第3高調波、動作データを処理し、全電流、抵抗性電流、動作情報を計算し、5G経由でクラウドに送信します。クラウドプラットフォームは避雷器のライフサイクル曲線と動作アラームを表示し、リアルタイムのライフサイクルと動作監視を可能にします。変電所のバックエンドソフトウェアはすべての検出データを保存し、毎日のアップロード頻度とタイミングを設定できます。リーク電流が基準値の10％を超える場合、システムはアラームをトリガーします。
主要な技術パラメータは表1に設定されています。監視システムは設置され運用されており、設備メンテナンススケジュールに合わせてデバッグが行われています。これにより、避雷器のライフサイクル管理、リアルタイム監視、メンテナンス効率の向上が実現され、電力システムの管理基準が向上します。
4 結論
10kV変電所GISキャビネット内の避雷器の動作状況をリアルタイムで監視するシステムは、5G無線伝送を介して収集したデータをバックエンド監視システムに送信します。同時に、バックエンド監視システムでは、避雷器の寿命変化曲線と動作アラーム通知を生成し、避雷器の寿命状況と動作状況をリアルタイムで把握することができます。
このシステムの設計と実装により、10kV変電所GISキャビネット内の避雷器の動作監視精度が向上し、メンテナンスコストが削減され、重大な事故を防ぐことができます。また、高速鉄道の運行における電力セキュリティも向上します。
