Monitoramento em Tempo Real de Para-raios em Gabinetes GIS de 10kV: Aumentando a Segurança do Sistema de Energia Ferroviária

1 Fundo de Pesquisa

Para-raios metálicos-óxidos, selados em gabinetes, suportam a tensão do sistema continuamente, correndo o risco de falhas por envelhecimento, até mesmo colapsos/explosões que causam incêndios elétricos. Portanto, é necessária uma inspeção/manutenção regular. A detecção tradicional em ciclos de 3-5 anos (corte de energia, remoção do para-raios para testes; reinstalação se substituído) apresenta riscos de segurança e enfrenta dificuldades de compreensão de padrões baseados em espaço/ambiente.

2 Princípio de Monitoramento do Para-raios de Gabinete GIS de 10kV

Para garantir a segurança da ferrovia de alta velocidade, permitir o monitoramento em tempo real do estado do para-raios do gabinete GIS de 10kV, julgar a vida útil e substituir os vencidos de forma oportuna, é imperativo desenvolver um sistema de monitoramento.

Durante a operação normal do gabinete GIS, os para-raios apresentam alta impedância; durante falhas de aterramento, liberam energia e rapidamente restauram a alta impedância para bloquear a corrente de terra. Normalmente, a corrente de fuga (dezenas de mA, ~10mA componente resistivo) é minúscula. O envelhecimento ou danos por umidade aumentam a corrente de fuga resistiva, mas problemas menores causam aumentos pouco perceptíveis, dificultando a detecção oportuna de perigos e ameaçando a segurança da ferrovia. Portanto, são necessárias análise de corrente resistiva e métodos (compensação, corrente total de fuga, terceira harmônica).

Para aumentar a segurança, foi projetada uma unidade de monitoramento de corrente de fuga abrangente (princípio na Figura 1). Ela monitora online múltiplos para-raios, rastreando parâmetros como a corrente de fuga. Ao ser ligada, inicializa, realiza verificações cíclicas de sensores, corrige erros prontamente e envia dados para servidores via 5G para monitoramento remoto.

3 Implementação do Sistema de Monitoramento de Para-raios em Cubículos GIS de Subestações de 10kV

Guiado pelo princípio de monitoramento, o sistema foi projetado e implementado. Cada subsistema de monitoramento de para-raios online transmite dados para o sistema interno da subestação. Ele pode coletar parâmetros incluindo o número de operações do para-raios, corrente de fuga, carimbos de data/hora das operações (precisos ao segundo) e corrente de descarga máxima durante as operações.

Os para-raios usam sensores de corrente de fuga de núcleo passante sem fluxo para adquirir sinais de corrente total. Esses sinais então passam pela Transformada Rápida de Fourier (FFT) – um algoritmo eficiente que reduz a complexidade computacional, permitindo o cálculo rápido de transformadas de Fourier e suas inversas, tornando-se uma ferramenta matemática indispensável em sistemas de energia. A FFT decompõe os sinais de corrente para identificar componentes harmônicos e analisar harmônicas baseadas em frequência.

O GIS em subestações de 10kV sofre com poluição severa de terceira harmônica, que aumenta as perdas do sistema, eleva as cargas e prejudica o monitoramento dos para-raios – ameaçando a segurança e estabilidade do sistema de energia da ferrovia. Portanto, o sistema adota o método da terceira harmônica: analisando dados de "terceira harmônica" (três vezes a frequência fundamental de 50Hz) decompostos via FFT. A unidade de monitoramento integrada se conecta aos sensores dos para-raios através de interfaces RS485, permitindo a coleta de dados de até 32 para-raios de disjuntores.

3.1 Transmissão de Dados e Análise Inteligente

A unidade de monitoramento integrada usa um módulo de comunicação 5G para transmitir rapidamente os dados de detecção para a plataforma em nuvem. A plataforma analisa os estados de operação dos para-raios, aciona alarmes para anomalias e faz upload periódico de dados. A análise automática de dados gera recomendações – por exemplo, substituição oportuna dos para-raios ou previsões de ciclo de vida. O sistema de aquisição suporta uploads programados de dados e uploads ativos durante anomalias (como mostrado na Figura 2).

3.2 Operação e Gerenciamento do Sistema

Após a implementação, a unidade processa a corrente total, a terceira harmônica e os dados de operação para calcular a corrente total, a corrente resistiva e as informações de operação – transmitidas para a nuvem via 5G. A plataforma em nuvem exibe curvas de ciclo de vida dos para-raios e alarmes de ação, permitindo o monitoramento em tempo real do ciclo de vida e das operações. O software de backend da subestação armazena todos os dados de detecção, com frequências/horários de upload diário configuráveis. Se a corrente de fuga exceder 10% do valor de referência, o sistema aciona alarmes.

Parâmetros técnicos-chave são definidos conforme na Tabela 1. O sistema de monitoramento está instalado e operacional, com a depuração alinhada aos cronogramas de manutenção do equipamento. Ele alcança o gerenciamento do ciclo de vida dos para-raios, monitoramento em tempo real e melhoria da eficiência da manutenção – elevando os padrões de gestão do sistema de energia.

4 Conclusão

O sistema de monitoramento em tempo real do estado de operação dos para-raios em cubículos GIS de subestações de 10kV transmite os dados coletados para o sistema de monitoramento backend via transmissão sem fio 5G. Além disso, no sistema de monitoramento backend, gera curvas de alterações de vida útil dos para-raios e notificações de alarme para operações de para-raios, permitindo o acompanhamento em tempo real das condições de vida útil e dos estados de operação dos para-raios.

O design e a implementação deste sistema melhoram a precisão do monitoramento de operação dos para-raios em cubículos GIS de subestações de 10kV, reduzem os custos de manutenção e previnem acidentes graves. Além disso, ele melhora a segurança energética para a operação de ferrovias de alta velocidade.