Realtimeövervakning av överhöjningsbegränsare i 10kV GIS-kabiner: Förbättrar säkerheten i järnvägsnätets elkraftsystem

1 Forskningsbakgrund

Metall-oxidnivåersättare, som är inneslutna i kabinetter, utsätts ständigt för systemspänning, vilket riskerar åldrande fel, till och med kortslingor/explosioner som orsakar eldsvådor. Därför behövs regelbunden inspektion/underhåll. Traditionell detektion med ett cykelintervall på 3–5 år (avstängning, avlägsnande av nivåersättaren för tester; ominstallation om den byts ut) innebär säkerhetsrisker och stöter på svårigheter att uppfylla standarder baserade på utrymme/miljö.

2 Övervakningsprincip för 10kV GIS-kabinetts nivåersättare

För att säkerställa säkerheten för höghastighetståg, möjliggöra realtidsövervakning av 10kV GIS-kabinetts nivåersättarens status, bedöma livslängd och ersätta utgångna enheter i tid, är det nödvändigt att utveckla ett övervakningssystem.

Under normal drift visar nivåersättare hög impedans; vid jordfel släpper de energi och återställer snabbt sin höga impedans för att blockera jordström. Normalt sett är läckageströmmen (tiotal mA, ~10mA resistiv komponent) liten. Åldrande eller fuktskador ökar resistiv läckageström, men mindre problem orsakar inte märkbara ökningar, vilket hindrar tidig upptäckt av faror och hotar tågsäkerheten. Därför behövs analys av resistiv ström och metoder (komplettering, total läckageström, tredje harmonisk).

För att öka säkerheten har en omfattande övervakningsenhet för läckageström utformats (principen visas i figur 1). Den övervakar flera nivåersättare online, spårar parametrar som läckageström. När den startas initieras den, genomför sensorkontroller i cyklar, hanterar fel snabbt och laddar upp data till servrar via 5G för fjärrövervakning.

3 Implementering av övervakningssystemet för nivåersättare i GIS-kabinter av 10kV stationer

Utifrån övervakningsprincipen är systemet utformat och implementerat. Varje subsystem för onlineövervakning av nivåersättare skickar data till det interna stationssystemet. Det kan samla in parametrar som antalet nivåersättaroperationer, läckageström, operativ tidsstämpel (med sekundprecision) och topputsläppningsström under operationer.

Nivåersättare använder genomkärn nollflödesläckageströmsensorer för att fånga totala strömsignaler. Dessa signaller undergår sedan snabb fouriertransform (FFT) – ett effektivt algoritm som minskar beräkningskomplexiteten samtidigt som det möjliggör snabb beräkning av fouriertransformer och deras inverser, vilket gör det till ett oumbärligt matematiskt verktyg i elkraftsystem. FFT bryter ner strömsignaler för att identifiera harmoniska komponenter och analysera frekvensbaserade harmoniska.

GIS i 10kV-stationer lider av allvarlig tredje-harmonisk förorening, vilket ökar systemförluster, höjer belastningar och skadar nivåersättarövervakningen – hot mot säkerheten och stabiliteten i tågets elkraftsystem. Därför antar systemet tredje-harmonisk metod: analys av "tredje-harmonisk" data (tre gånger den 50Hz grundfrekvensen) dekomponerad via FFT. Den integrerade övervakningsenheten ansluter till nivåersättarsensorer via RS485-gränssnitt, vilket möjliggör datainsamling från upp till 32 schaktens nivåersättare.

3.1 Dataöverföring och smart analys

Den integrerade övervakningsenheten använder en 5G-kommunikationsmodul för att snabbt skicka detekteringsdata till molnplattformen. Plattformen analyserar nivåersättarstatus, utlöser larm för avvikelser och laddar upp data periodiskt. Automatiserad dataanalys genererar rekommendationer – t.ex. tidig ersättning av nivåersättare eller livscyklusprognoser. Insamlingssystemet stöder schemalagda dataladdningar och aktiv laddning vid avvikelser (som visas i figur 2).

3.2 Systemdrift och -hantering

Efter implementering bearbetar enheten total ström, tredje harmonisk och driftsdata för att beräkna total ström, resistiv ström och driftsinformation – som skickas till molnet via 5G. Molnplattformen visar nivåersättarlivscykluskurvor och larmsignal för åtgärder, vilket möjliggör realtidsövervakning av livscyklus och drift. Stationens backend-programvara lagrar alla detekteringsdata, med konfigurerbara dagliga laddningsfrekvenser/tider. Om läckageströmmen överskrider 10% av baslinjen utlöser systemet larm.

Nyckeltekniska parametrar är inställda enligt tabell 1. Övervakningssystemet är installerat och fungerar, med justeringar anpassade till utrustningens underhållsplan. Det uppnår livscyklushantering av nivåersättare, realtidsövervakning och förbättrad underhållseffektivitet – vilket höjer standarderna för elkraftsystemshantering.

4 Slutsats

Det realtidsövervakningssystemet för driftstatus hos nivåersättare i GIS-kabinter av 10kV-stationer skickar samlade data till bakgrundsövervakningssystemet via 5G-trådlös överföring. Samtidigt genererar bakgrundsövervakningssystemet kurvor för nivåersättarlivslängdsförändringar och larmsignal för nivåersättaråtgärder, vilket möjliggör realtidsuppfattning av nivåersättarlivslängdsförhållanden och driftstatus.

Design och implementering av detta system ökar noggrannheten i driftövervakning av nivåersättare i GIS-kabinter av 10kV-stationer, minskar underhållskostnader och förhindrar stora olyckor. Dessutom förbättrar det elkraftsäkerheten för drift av höghastighetståg.