Giám sát thời gian thực các thiết bị chống sét trong tủ GIS 10kV: Tăng cường an toàn hệ thống điện đường sắt

1 Nền tảng Nghiên cứu

Các cầu chì chống sét kim loại-oxit, được niêm phong trong tủ, chịu điện áp hệ thống liên tục, có nguy cơ hỏng do lão hóa, thậm chí có thể bị nổ gây cháy điện. Do đó, cần phải kiểm tra/bảo dưỡng định kỳ. Phương pháp phát hiện theo chu kỳ 3-5 năm (cắt điện, tháo cầu chì để thử nghiệm; tái cài đặt nếu thay thế) gây ra rủi ro an toàn và gặp khó khăn trong việc nắm bắt các tiêu chuẩn dựa trên không gian/môi trường.

2 Nguyên lý Giám sát Cầu chì Chống Sét Tủ GIS 10kV

Để đảm bảo an toàn cho đường sắt tốc độ cao, cho phép giám sát trạng thái của cầu chì chống sét tủ GIS 10kV theo thời gian thực, đánh giá tuổi thọ và thay thế kịp thời khi hết hạn, việc phát triển một hệ thống giám sát là rất cần thiết.

Trong quá trình hoạt động bình thường của tủ GIS, các cầu chì chống sét có trở kháng cao; trong trường hợp ngắn mạch, chúng giải phóng năng lượng sau đó nhanh chóng khôi phục trở kháng cao để chặn dòng điện đất. Bình thường, dòng rò rỉ (từ vài chục mA, ~10mA thành phần điện trở) rất nhỏ. Sự lão hóa hoặc hư hỏng do ẩm làm tăng dòng rò rỉ điện trở, nhưng các vấn đề nhỏ gây ra sự tăng không đáng kể, cản trở việc phát hiện kịp thời mối nguy hiểm và đe dọa an toàn đường sắt. Do đó, cần phân tích dòng điện trở và các phương pháp (bù, tổng dòng rò rỉ, sóng hài thứ ba).

Để tăng cường an toàn, thiết kế một đơn vị giám sát tổng hợp dòng rò rỉ (nguyên lý trong Hình 1). Nó giám sát nhiều cầu chì chống sét trực tuyến, theo dõi các thông số như dòng rò rỉ. Khi cấp điện, nó khởi tạo, thực hiện các kiểm tra cảm biến theo chu kỳ, xử lý lỗi kịp thời và tải dữ liệu lên máy chủ qua 5G để giám sát từ xa.

3 Triển khai Hệ thống Giám sát Cầu chì Chống Sét trong Tủ GIS của Trạm Biến Áp 10kV

Dựa trên nguyên lý giám sát, hệ thống được thiết kế và triển khai. Mỗi hệ thống con giám sát cầu chì chống sét trực tuyến truyền dữ liệu đến hệ thống nội bộ trạm biến áp. Nó có thể thu thập các thông số bao gồm số lần hoạt động của cầu chì, dòng rò rỉ, dấu thời gian hoạt động (chính xác đến giây), và dòng xả đỉnh trong quá trình hoạt động.

Các cầu chì chống sét sử dụng cảm biến dòng rò rỉ xuyên tâm không dòng từ để thu tín hiệu tổng dòng. Các tín hiệu này sau đó được biến đổi Fourier nhanh (FFT) - một thuật toán hiệu quả giảm độ phức tạp tính toán trong khi cho phép tính toán nhanh Fourier và nghịch đảo, làm cho nó trở thành công cụ toán học không thể thiếu trong hệ thống điện. FFT phân giải tín hiệu dòng để xác định các thành phần sóng hài và phân tích sóng hài theo tần số.

Hệ thống GIS trong trạm biến áp 10kV chịu ô nhiễm sóng hài thứ ba nghiêm trọng, làm tăng tổn thất hệ thống, nâng cao tải và làm suy yếu giám sát cầu chì - đe dọa an toàn và ổn định của hệ thống điện đường sắt. Do đó, hệ thống áp dụng phương pháp sóng hài thứ ba: phân tích dữ liệu "sóng hài thứ ba" (ba lần tần số cơ bản 50Hz) phân giải qua FFT. Đơn vị giám sát tích hợp kết nối với các cảm biến cầu chì thông qua giao diện RS485, cho phép thu thập dữ liệu từ tối đa 32 cầu chì chống sét của tủ chuyển mạch.

3.1 Truyền dữ liệu và Phân tích Thông minh

Đơn vị giám sát tích hợp sử dụng mô-đun truyền thông 5G để nhanh chóng truyền dữ liệu phát hiện đến nền tảng đám mây. Nền tảng phân tích trạng thái hoạt động của cầu chì, kích hoạt báo động cho các bất thường, và tải dữ liệu định kỳ. Phân tích dữ liệu tự động tạo ra các khuyến nghị - ví dụ, thay thế cầu chì kịp thời hoặc dự đoán vòng đời. Hệ thống thu thập dữ liệu hỗ trợ tải dữ liệu theo lịch trình và tải dữ liệu chủ động trong trường hợp bất thường (như được hiển thị trong Hình 2).

3.2 Hoạt động và Quản lý Hệ thống

Sau khi triển khai, đơn vị xử lý tổng dòng, sóng hài thứ ba và dữ liệu hoạt động để tính toán tổng dòng, dòng điện trở, và thông tin hoạt động - truyền đến đám mây qua 5G. Nền tảng đám mây hiển thị đường cong vòng đời cầu chì và báo động hành động, cho phép theo dõi vòng đời và hoạt động theo thời gian thực. Phần mềm backend trạm biến áp lưu trữ tất cả dữ liệu phát hiện, với tần suất/timing tải dữ liệu hàng ngày có thể cấu hình. Nếu dòng rò rỉ vượt quá 10% so với mức cơ bản, hệ thống kích hoạt báo động.

Các thông số kỹ thuật chính được thiết lập như trong Bảng 1. Hệ thống giám sát được lắp đặt và vận hành, với việc gỡ lỗi phù hợp với lịch bảo trì thiết bị. Nó đạt được quản lý vòng đời cầu chì, theo dõi theo thời gian thực, và cải thiện hiệu quả bảo trì - nâng cao tiêu chuẩn quản lý hệ thống điện.

4 Kết luận

Hệ thống giám sát theo thời gian thực cho trạng thái hoạt động của cầu chì chống sét trong tủ GIS của trạm biến áp 10kV truyền dữ liệu thu thập đến hệ thống giám sát backend thông qua truyền không dây 5G. Đồng thời, trong hệ thống giám sát backend, nó tạo ra các đường cong thay đổi vòng đời cầu chì và thông báo báo động cho hoạt động cầu chì, cho phép nắm bắt kịp thời tình trạng vòng đời và trạng thái hoạt động của cầu chì.

Thiết kế và triển khai hệ thống này nâng cao độ chính xác của giám sát hoạt động cho cầu chì chống sét trong tủ GIS của trạm biến áp 10kV, giảm chi phí bảo trì, và ngăn ngừa tai nạn lớn. Ngoài ra, nó còn cải thiện an ninh điện cho hoạt động của đường sắt tốc độ cao.