Monitorowanie w czasie rzeczywistym ograniczników przepięć w szafach GIS 10kV: Wzmacnianie bezpieczeństwa systemu elektrycznego kolei

1 Tło badawcze

Metalowo-tlenkowe zabezpieczenia przed przepięciami, zamontowane w szafach, są ciągle narażone na napięcie systemowe, co zwiększa ryzyko starzenia się i awarii, nawet do stopnia wybuchu powodującego pożar elektryczny. Dlatego konieczne jest regularne przeglądanie i konserwacja. Tradycyjna kontrola co 3-5 lat (przerywanie zasilania, demontaż zabezpieczeń do testów, ponowny montaż po wymianie) niesie za sobą ryzyko bezpieczeństwa oraz trudności w stosowaniu standardów ze względu na ograniczenia przestrzenne i środowiskowe.

2 Zasada monitorowania zabezpieczeń przed przepięciami w szafie GIS 10kV

Aby zapewnić bezpieczeństwo szybkich linii kolejowych, umożliwić monitorowanie w czasie rzeczywistym stanu zabezpieczeń przed przepięciami w szafie GIS 10kV, ocenić ich żywotność i w odpowiednim czasie wymieniać te, które się zużyły, niezbędne jest opracowanie systemu monitorowania.

W normalnym trybie pracy szafy GIS, zabezpieczenia przed przepięciami mają wysoką impedancję; podczas uszkodzeń uziemienia, zrzucają energię, a następnie szybko przywracają wysoką impedancję, blokując prąd uziemienia. W normalnych warunkach prąd wycieku (dziesiątki mA, około 10mA składowa opornicza) jest minimalny. Starzenie się lub uszkodzenie przez wilgoć zwiększa oporniczy prąd wycieku, ale małe problemy nie powodują wyraźnego wzrostu, co utrudnia wczesne wykrycie zagrożeń i zagraża bezpieczeństwu kolei. Dlatego potrzebna jest analiza prądu oporniczego i metody takie jak kompensacja, całkowity prąd wycieku, trzecia harmoniczna.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo, zaprojektowano kompleksową jednostkę monitorowania prądu wycieku (zasada pokazana na Rysunku 1). Monitoruje ona wiele zabezpieczeń online, śledząc parametry takie jak prąd wycieku. Po włączeniu inicjalizuje, cyklicznie sprawdza czujniki, szybko usuwa błędy i przesyła dane do serwerów przez 5G do zdalnego monitorowania.

3 Wdrożenie systemu monitorowania zabezpieczeń przed przepięciami w szafach GIS stacji 10kV

Na podstawie zasady monitorowania, system został zaprojektowany i wdrożony. Każdy podsystem monitorowania zabezpieczeń przed przepięciami przesyła dane do wewnętrznego systemu stacji. Może on zbierać parametry takie jak liczba operacji zabezpieczeń, prąd wycieku, znaczniki czasu operacji (dokładne do sekundy) i maksymalny prąd rozładowania podczas operacji.

Zabezpieczenia przed przepięciami używają sensorów prądu wycieku przez rdzeń bez przepływu, aby uzyskać sygnały całkowitego prądu. Te sygnały są następnie przetwarzane przez Szybką Transformatę Fouriera (FFT) – efektywny algorytm, który zmniejsza złożoność obliczeniową, umożliwiając szybkie obliczanie transformat Fouriera i ich odwrotności, co czyni go niezwykle przydatnym narzędziem matematycznym w systemach energetycznych. FFT dekomponuje sygnały prądowe, identyfikując składowe harmoniczną i analizując harmoniczne częstotliwości.

GIS w stacjach 10kV cierpi na silne zanieczyszczenie trzecią harmoniczną, która zwiększa straty systemowe, obciążenia i utrudnia monitorowanie zabezpieczeń – zagrażając bezpieczeństwu i stabilności systemu zasilania kolei. Dlatego system używa metody trzeciej harmonicznej: analizując dane "trzeciej harmonicznej" (trzy razy częstotliwość podstawowa 50Hz) dekomponowane przez FFT. Kompleksowa jednostka monitorowania łączy się z czujnikami zabezpieczeń poprzez interfejsy RS485, umożliwiając zbieranie danych z do 32 zabezpieczeń w przełącznikach.

3.1 Przesyłanie danych i inteligentna analiza

Kompleksowa jednostka monitorowania używa modułu komunikacyjnego 5G do szybkiego przesyłania danych detekcyjnych na platformę chmurową. Platforma analizuje statusy działania zabezpieczeń, wyzwala alarmy dla anomalii i okresowo przesyła dane. Automatyczna analiza danych generuje rekomendacje – np. wymiana zabezpieczeń w odpowiednim czasie lub prognozy cyklu życia. System akwizycji obsługuje zaplanowane przesyłanie danych i aktywne przesyłanie podczas anomalii (jak pokazano na Rysunku 2).

3.2 Działanie i zarządzanie systemem

Po wdrożeniu, jednostka przetwarza prąd całkowity, trzecią harmoniczną i dane operacyjne, obliczając prąd całkowity, prąd oporniczy i informacje operacyjne – przesyłane do chmury przez 5G. Platforma chmurowa wyświetla krzywe cyklu życia zabezpieczeń i alarmy działania, umożliwiając monitorowanie w czasie rzeczywistym cyklu życia i działania. Oprogramowanie backendu stacji przechowuje wszystkie dane pomiarowe, z konfigurowalną częstotliwością i godzinami codziennych przesyłek. Jeśli prąd wycieku przekracza 10% wartości bazowej, system wyzwala alarmy.

Kluczowe parametry techniczne są ustawione zgodnie z Tablicą 1. System monitorowania jest zainstalowany i działa, z dostosowanymi do harmonogramu konserwacji sprzętu. Umożliwia on zarządzanie cyklem życia zabezpieczeń, monitorowanie w czasie rzeczywistym i zwiększenie efektywności konserwacji – podnosząc standardy zarządzania systemem energetycznym.

4 Podsumowanie

System monitorowania w czasie rzeczywistym stanu działania zabezpieczeń przed przepięciami w szafach GIS stacji 10kV przesyła zebrane dane do systemu monitorowania backendu przez bezprzewodową transmisję 5G. W systemie monitorowania backendu generowane są krzywe zmian długości życia zabezpieczeń i powiadomienia o alarmach dotyczących działania zabezpieczeń, umożliwiając实时翻译似乎被中断了，我将继续完成剩余部分的波兰语翻译：

System monitorowania w czasie rzeczywistym stanu działania zabezpieczeń przed przepięciami w szafach GIS stacji 10kV przesyła zebrane dane do systemu monitorowania backendu przez bezprzewodową transmisję 5G. W systemie monitorowania backendu generowane są krzywe zmian długości życia zabezpieczeń i powiadomienia o alarmach dotyczących działania zabezpieczeń, umożliwiając realne monitorowanie stanu i działania zabezpieczeń.

Projekt i wdrożenie tego systemu zwiększają dokładność monitorowania działania zabezpieczeń przed przepięciami w szafach GIS stacji 10kV, redukują koszty konserwacji i zapobiegają poważnym awariom. Dodatkowo, poprawiają bezpieczeństwo zasilania dla operacji szybkich linii kolejowych.