Realtime monitoring van overbrengers in 10kV GIS kasten: Versterking van de veiligheid van spoorwegenergiesystemen

1 Onderzoeksachtergrond

Metaal-oxide overvoltagebeveiligingen, die in kasten zijn verpakt, staan continu onder systeemspanning, waardoor er leeftijdsgerelateerde fouten kunnen optreden, zelfs storingen/explosies die elektrische branden veroorzaken. Daarom is regelmatige inspectie/onderhoud nodig. Traditionele detectie op een cyclus van 3-5 jaar (stroomonderbreking, verwijdering van de beveiliging voor tests; herinstallatie indien vervangen) brengt veiligheidsrisico's met zich mee en stuit op moeilijkheden bij het voldoen aan ruimtelijke en omgevingsgebonden normen.

2 Bewakingsprincipe van 10kV GIS-kastovervoltagebeveiliging

Om de veiligheid van hogesnelheidstreinen te waarborgen, real-time bewaking van de status van 10kV GIS-kastovervoltagebeveiligingen mogelijk te maken, de levensduur te beoordelen en vervallen exemplaren tijdig te vervangen, is het ontwikkelen van een bewakingssysteem noodzakelijk.

Bij normaal functioneren van een GIS-kast tonen overvoltagebeveiligingen een hoge impedantie; bij aardingfouten geven ze energie af en herstellen ze snel hun hoge impedantie om grondstroom te blokkeren. Normaal gesproken is de lekstroom (enkele tientallen mA, ~10mA resistieve component) miniem. Veroudering of vochtbeschadiging verhoogt de resistieve lekstroom, maar kleine problemen veroorzaken onopvallende stijgingen, waardoor tijdige risicodetectie bemoeilijkt wordt en de veiligheid van spoorwegen bedreigd wordt. Daarom zijn analyse van de resistieve stroom en methoden (compensatie, totale lekstroom, derde harmonische) nodig.

Om de veiligheid te verhogen, is een algeheel lekstroombewakingseenheid ontworpen (principe in Figuur 1). Het monitort meerdere overvoltagebeveiligingen online, volgt parameters zoals lekstroom. Bij inschakeling initialiseert het de sensoren, voert cyclische sensorcontroles uit, handelt fouten onmiddellijk af en uploadt gegevens naar servers via 5G voor externe bewaking.

3 Implementatie van het bewakingssysteem voor overvoltagebeveiligingen in GIS-kasten van 10kV-transformerstations

Op basis van het bewakingsprincipe is het systeem ontworpen en geïmplementeerd. Elk sub-systeem voor online overvoltagebeveiligingstuurbewaking verzendt gegevens naar het interne stationaire systeem. Het kan parameters verzamelen, waaronder het aantal operaties van de beveiliging, lekstroom, tijdstempels van operaties (nauwkeurig tot op de seconde), en piekafgiftekromme tijdens operaties.

Overvoltagebeveiligingen gebruiken door-kern nul-flux lekstromensensoren om totaalsignalen te verkrijgen. Deze signalen ondergaan vervolgens Fast Fourier Transform (FFT) - een efficiënt algoritme dat de rekencomplexiteit reduceert en snelle berekening van Fouriertransformaties en hun inverses mogelijk maakt, wat het een onmisbaar wiskundig instrument in energie-installaties maakt. FFT deelt stroomsignalen op om harmonische componenten te identificeren en frequentie-gebaseerde harmonischen te analyseren.

De GIS in 10kV-transformerstations lijdt ernstig aan derde-harmonische vervuiling, wat de systeemverliezen verhoogt, de belastingen verhoogt en de bewaking van overvoltagebeveiligingen verstoort - waarmee de veiligheid en stabiliteit van het spoornetbedrijf wordt bedreigd. Daarom gebruikt het systeem de methode van de derde harmonische: analyse van "derde harmonische" gegevens (drie keer de basisfrequentie van 50Hz) die via FFT worden gedecomposeerd. De geïntegreerde bewakingseenheid is verbonden met de beveiligingssensoren via RS485-interfaces, waardoor gegevens kunnen worden verzameld van maximaal 32 schakelaarkastovervoltagebeveiligingen.

3.1 Gegevensoverdracht en slimme analyse

De geïntegreerde bewakingseenheid gebruikt een 5G-communicatiemodule om detectiegegevens snel naar het cloudplatform te verzenden. Het platform analyseert de werkingstatus van de beveiligingen, activeert alarmen bij anomalieën, en uploadt periodiek gegevens. Automatische gegevensanalyse genereert aanbevelingen - bijvoorbeeld, tijdige vervanging van beveiligingen of levenscyclusvoorspellingen. Het acquisitiesysteem ondersteunt geplande gegevensuploads en actieve uploads tijdens anomalieën (zie Figuur 2).

3.2 Systeembewerking en -beheer

Na implementatie verwerkt de eenheid totaalstroom, derde harmonische, en operatiegegevens om totaalstroom, resistieve stroom, en operatie-informatie te berekenen - die via 5G naar de cloud worden verzonden. Het cloudplatform toont levenscycluscurves en actiealarmen, waardoor real-time levenscyclus- en operatiebewaking mogelijk is. Achtergrondsoftware in het transformatorstation slaat alle detectiegegevens op, met configurabele dagelijkse uploadfrequenties/tijdstippen. Als de lekstroom 10% van de basistoon overschrijdt, activeert het systeem alarmen.

Belangrijke technische parameters zijn ingesteld zoals in Tabel 1. Het bewakingssysteem is geïnstalleerd en operationeel, met debugging afgestemd op de onderhoudsschema's van de apparatuur. Het bereikt levenscyclusbeheer van overvoltagebeveiligingen, real-time bewaking, en verbeterde onderhoudsefficiëntie - waardoor de normen voor beheer van energie-installaties worden verhoogd.

4 Conclusie

Het real-time bewakingssysteem voor de werkingstatus van overvoltagebeveiligingen in GIS-kasten van 10kV-transformerstations verzendt verzamelde gegevens via 5G-wireloze transmissie naar het achtergrond-bewakingssysteem. Tegelijkertijd genereert het in het achtergrond-bewakingssysteem curves van levenscyclusveranderingen van de beveiligingen en alarmmeldingen voor beveiligingsoperaties, waardoor de levenscycluscondities en operatiestatussen van de beveiligingen in real-time kunnen worden gevolgd.

Het ontwerp en de implementatie van dit systeem verbeteren de nauwkeurigheid van de operatiebewaking van overvoltagebeveiligingen in GIS-kasten van 10kV-transformerstations, verminderen onderhoudskosten en voorkomen grote ongelukken. Bovendien verbetert het de energiebeveiliging voor de exploitatie van hogesnelheidstreinen.