Sanntidsovervåking av overvoltagebeskyttelse i 10kV GIS kabinetter: Forbedring av sikkerheten i jernbaneelektrisitetssystemer

1 Forskningsbakgrunn

Metall-oksiderende overvoltagebeskyttere, som er innkapslet i kabinetter, er utsatt for systemspenning kontinuerlig, noe som kan føre til aldring, misfunksjoner, og til og med nedbrytninger/eksplosjoner som kan forårsake elektriske branner. Derfor er regelmessig inspeksjon/vedlikehold nødvendig. Tradisjonell deteksjon i et 3–5 år cyklus (avstenging, fjerning av beskytter for tester; gjenoppsett hvis erstattet) innebærer sikkerhetsrisikoer og møter utfordringer knyttet til standarder basert på plassering/omgivelser.

2 Overvåkningsprinsipp for 10kV GIS kabinetts overvoltagebeskyttere

For å sikre høyhastighetsjernbanesikkerhet, gjøre det mulig å overvåke 10kV GIS kabinetts overvoltagebeskytters status i sanntid, vurdere levetid, og ersette utløpte enheter på tide, er det nødvendig å utvikle et overvåkingssystem.

Under normal drift viser overvoltagebeskyttere høy impedans; under jordfeil slipper de energi og gjenoppretter raskt høy impedans for å blokkere strøm til jord. Normalt er lekkasjestrømmen (tiere av mA, ~10mA resistiv komponent) minimal. Aldring eller fuktighetsskade øker den resistive lekkasjestrømmen, men mindre problemer fører ikke til tydelige økninger, noe som hindrer tidlig oppdagelse av faremomenter og truer jernbanesikkerheten. Derfor er analyse av resistiv strøm og metoder (kompensasjon, total lekkasje, tredje harmonisk) nødvendige.

For å øke sikkerheten, er det designet en helhetlig enhet for overvåking av lekkasje-strøm (prinsipp vist i figur 1). Den overvåker flere overvoltagebeskyttere online, sporer parametre som lekkasje-strøm. Når den slås på, initialiserer den, kjører sensor-sjekker i syklus, håndterer feil umiddelbart, og overfører data til servere via 5G for fjernovervåking.

3 Implementering av overvåkingssystemet for overvoltagebeskyttere i GIS kabinetter i 10kV transformasjonsstasjoner

Basert på overvåkningsprinsippet, er systemet designet og implementert. Hver online overvoltagebeskytterovervåkingssubsystem sender data til det interne transformasjonsstasjonssystemet. Det kan samle inn parametre som antall overvoltagebeskytteroperasjoner, lekkasje-strøm, operasjonstidsstempel (nøyaktig til sekund), og topputslippsstrøm under operasjoner.

Overvoltagebeskyttere bruker null-fluksgenererte lekkasje-strømsensorer for å akkumulere totale strømsignaler. Disse signalene blir deretter prosessert ved hjelp av hurtig Fourier-transform (FFT) – en effektiv algoritme som reduserer beregningskompleksiteten mens den muliggjør rask beregning av Fourier-transformer og deres inverser, noe som gjør den til et uunngåelig matematisk verktøy i kraftsystemer. FFT dekomponerer strømsignalene for å identifisere harmoniske komponenter og analysere frekvensbaserte harmoniske.

GIS i 10kV transformasjonsstasjoner lider av alvorlig tredje-harmonisk forurensning, som øker systemtap, hever belastningen, og svekker overvoltagebeskytterovervåking – noe som truer jernbane-kraftsystemets sikkerhet og stabilitet. Derfor bruker systemet tredje-harmonisk-metoden: analyse av “tredje-harmonisk”-data (tre ganger 50Hz grunnfrekvens) dekomponert ved hjelp av FFT. Den integrerte overvåkingsenheten kobler seg til overvoltagebeskyttersensorer gjennom RS485-grensesnitt, noe som muliggjør datainnsamling fra opptil 32 bryterovervoltagebeskyttere.

3.1 Dataoverføring og smart analyse

Den integrerte overvåkingsenheten bruker et 5G-kommunikasjonsmodul for å raskt sende deteksjonsdata til skyplattformen. Plattformen analyserer overvoltagebeskytters operasjonstillstand, utløser alarm for unormalitet, og laster opp data periodisk. Automatisk dataanalyse genererer anbefalinger – for eksempel, tidlig erstatning av overvoltagebeskyttere eller livsløpsprognoser. Innlastingssystemet støtter planlagte datalastinger og aktive lastinger under unormaliteter (som vist i figur 2).

3.2 Systemdrift og -administrasjon

Etter implementering, behandler enheten total strøm, tredje-harmonisk, og driftsdata for å beregne total strøm, resistiv strøm, og driftsinformasjon – sendt til skyen via 5G. Skyplattformen viser overvoltagebeskytters livsløpskurver og advarsler, noe som muliggjør sanntidsovervåking av livsløp og drift. Bakendeprogramvaren i transformasjonsstasjonen lagrer all deteksjonsdata, med konfigurerbare daglige lastefrekvenser/tidspunkter. Hvis lekkasje-strømmen overstiger 10% av referanseverdien, utløser systemet alarm.

Nøkkletekniske parametre er satt som i tabell 1. Overvåkingssystemet er installert og i drift, med justering i tråd med vedlikeholdsplaner for utstyr. Det oppnår livsløpsforvaltning av overvoltagebeskyttere, sanntidsovervåking, og forbedret vedlikeholdseffektivitet – noe som hever standarder for kraftsystemforvaltning.

4 Konklusjon

Det sanntidsbaserte overvåkingssystemet for driftstatusen til overvoltagebeskyttere i GIS kabinetter i 10kV transformasjonsstasjoner sender samlede data til bakendevervsmonitoringssystemet via 5G-trådløs overføring. Samtidig genereres kurver for overvoltagebeskytters levetidsendringer og advarsler for overvoltagebeskytteroperasjoner i bakendevervsmonitoringssystemet, noe som muliggjør sanntidskontroll av overvoltagebeskytternes levetidstillstand og driftsstatus.

Design og implementering av dette systemet forbedrer nøyaktigheten i driftsmonitoring av overvoltagebeskyttere i GIS kabinetter i 10kV transformasjonsstasjoner, reduserer vedlikeholdsomkostninger, og forebygger store ulykker. I tillegg forbedrer det kraftsikkerheten for drift av høyhastighetsjernbaner.