AT504529A4

AT504529A4 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung von freileitungen

Info

Publication number: AT504529A4
Application number: AT0171606A
Authority: AT
Inventors: Hubert Dr Zangl; Thomas Dipl Ing Bretterklieber; Georg Dr Brasseur
Original assignee: Univ Graz Tech; Forschungsholding Tu Graz Gmbh
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-06-15
Also published as: AT504529B1

Description

ÜBERWACHUNG VON FREILEITUNGEN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Vorrichtung zur automatischen Überwachung von Freileitungen.
Freileitungen werden zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt. Dabei fliesst elektrischer Strom durch die Leitungen. Dieser Strom führt unweigerlich zu einer Erwärmung des Leiters durch oh sche Verluste.
Um die Verluste gering zu halten, werden häufig Hochspannungsleitungen eingesetzt, da bei diesen die gleiche Energie pro Zeiteinheit (Leistung) bei geringeren Strömen übertragen werden kann.
Die verlustbedingte Erwärmung führt bei unzureichender Kühlung zu einer Ausdehnung des Leitermaterials. Unzureichende Kühlung wird dabei einerseits durch hohe Umgebungstemperaturen, andererseits durch geringe Luftbewegung begünstigt.
Eine Verlängerung des Leiters führt dazu, dass der Durchhang des Leiterseils zunimmt.

Dadurch sinkt der Abstand zwischen dem Leiter und dem Boden sowie gegebenenfalls vorhandenen anderen Objekten. Aufgrund der hohen elektrischen Spannungen ist ein bestimmter Mindestabstand zwischen den Leitern und anderen Objekten sowie dem Boden erforderlich. Neben der Erwärmung und der damit verbundenen Ausdehnung können auch andere Umgebungsbedingungen wie beispielsweise starke Winde dazu führen, dass der Abstand zwischen den Leitern und anderen Objekten zu kleine Werte amurnmt.
Zur Vermeidung eines kritischen Durchhanges kann der Strom im Leiter reduziert werden. Dadurch wird jedoch eine Umverteilung der Energieflüsse im Stromnetz erforderlich, was zu erhöhten Betriebskosten führt. Derartige Umverteilungen sollen daher nur erfolgen, wenn sie zur Vermeidung kritischer Betriebszustände unbedingt erforderlich sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, kritische Betriebszustände zu erkennen und an eine Steuerzentrale weiterzuleiten, um Kosten zu vermeiden.
Bei bestimmten Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei tiefer Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit, kann es zur Vereisung von Leiterseilen kommen. Durch das zusätzliche Gewicht kommt es einerseits wieder zu einem stärkeren Durchhang, andererseits wird das Leiterseil einer stärkeren Zugbelastung ausgesetzt. Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, Vereisungen auf Leiterseilen zu erkennen. Wird ein vereistes Leiterseil aufgrund geänderter Energieflüsse im Netz mit einem grösseren Strom beaufschlagt, so kommt es zu einer Erwärmung des Leiterseils, wodurch auch das Eis am Leiterseil erwärmt wird.

Bei ausreichender Erwärmung kann die innere Schicht der Vereisung schmelzen und das Eis kann sich im Weiteren vom Leiter lösen. Die herabfallenden Eisbrocken können Personen oder Objekte, die sich unterhalb der Leiter befinden, treffen und verletzten beziehungsweise beschädigen. Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, kritische Vereisungen von Leiterseilen zu vermeiden.
Zur Lösung der angeführten Aufgaben werden erfindungsgemäss Sensoren eingesetzt. Diese Sensoren messen beispielsweise den Abstand zu anderen Objekte, die Temperatur des Leiterseils oder den Vereisungsgrad. Es existieren im Stand der Technik verschiedene Verfahren, wie diese Grössen bestimmt werden können.

Zur Messung des Abstandes gegenüber anderen Objekten sind im Stand der Technik beispielsweise Verfahren mit Mikrowellen, Laserstrahlen und Ultraschall bekannt.
Im Weiteren ist es erforderlich, die gemessenen Daten an eine Steuerzentrale weiterzuleiten. Auch hier wurden drahtlose Übertragungsverfahren vorgeschlagen, bei denen die Daten von der Überwachungseinrichtung an eine Veni ittlungseinrichtung übertragen werden.
Allen bekannten Verfahren ist gemein, dass sowohl die Sensoren als auch die Datenübertragung mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Eine Möglichkeit ist die Versorgung mittels Batterien. Diese Variante erfordert jedoch, dass in regelmässigen Abständen Batterien getauscht werden müssen.

Für einen Wartungsfreien Betrieb sind Batterien daher unerwünscht.
Ein anderes Verfahren verwendet ein transformatorisches Prinzip, um aus dem Leiterstrom Energie für die Versorgung der Komponenten abzuzweigen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass bei kleinen Leiterströmen kaum Leistung zur Versorgung der Überwachungseinrichtung zur Verfügung steht.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Art der Energieversorgung zur Verfügung zu stellen, die einerseits wartungsfrei und andererseits unabhängig von den Leiterströmen ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der unvermeidlich Verschiebungsstrom zwischen dem Leiter und der Umgebung zur Versorgung der Überwachungseinrichtung herangezogen wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die elektrischen Feldstärken in jenen Bereichen, in denen sich die elektrischen und elektronischen Komponenten der Überwachungseinrichtung befinden, auf einem für diese Komponenten unkritischen Mass zu halten.
Die Erfindung löst das Problem der Energieversorgung dadurch, dass in einem Abstand zum Leiter wenigstens eine Elektrode angebracht wird. Durch das elektrische Feld, dass sich zwischen dem Leiter und der Umgebung aufbaut, liegen der Leiter und die Elektroden nicht auf dem selben elektrischen Potential. Durch die Potentialdifferenz kann über eine elektrische Verbindung ein elektrischer Strom getrieben werden und somit elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden. Erfindungsgemäss wird mit dieser Energie wenigstens ein Teil der Überwa[Lambda]ungseinrichtung versorgt.

Dazu kann es notwendig sein, dass die Energie in einem Zwischenspeicher angesammelt werden muss, um dann für einen bestimmte Zeitraum genügend elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, dass der Betrieb der Überwachungseinrichtung ermöglicht wird (diskontinuierlicher Betrieb). Weiters kann eine Anpassung von Spannung und Strom (beispielsweise mittels Transformatoren) erforderlich sein.
Das Problem der hohen elektrischen Feldstärken wird dadurch gelöst, dass die oben angeführten Elektroden auch dazu verwendet werden, das elektrische Feld zu formen. Da über die elektrische Belastung zwischen den Elektroden die Potentialdifferenz beeinflusst wird, ist es möglich, die Feldstärken zwischen Elektroden zu reduzieren.

Dabei kann immer auch der Leiter selbst als eine Elektrode verwendet werden.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur drahtlosen Datenübermittlung ergibt sich dadurch, dass die Elektroden selbst als Sendeantennen verwendet werden können. Dazu wird ein Signal, das gegenüber der Netzfrequenz eine hohe Frequenz aufweist, zwischen zwei Elektroden angelegt. Beispielsweise kann das Leiterseil als eine dieser Elektroden verwendet werden.

Dadurch können sämtliche Teile, die für die Erzeugung des Sendesignals erforderlich sind, in einem Bereich mit reduzierter elektrischer Feldstärke betrieben werden.
Die Funktionsweise sowie beispielhafte Ausführungsformen werden in den folgenden Abbildungen näher beschrieben.
Abb. 1 illustriert das elektrische Feld um einen Leiter ohne die Anwesenheit einer Überwachungseinrichtung.
Abb. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplungskapazitäten und der elektrischen Ströme ohne die Anwesenheit einer Überwachungseinrichtung.

Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplungskapazitäten und der elektrischen Ströme bei Anwesenheit der Überwachungseinrichtung.
Abb. 4 zeigt Äquipotentiallinien um einen Leiter ohne die Anwesenheit einer Überwachungseinrichtung.
Abb. 5 zeigt Äquipotentiallinien um einen Leiter bei Anwesenheit einer Überwachungseinrichtung.
Abb. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung der Elektroden als Sendeantennen.
In Abbildung 1 sind Äquipotentiallinien 2 (geschlossene Linienzüge) und die orthogonal dazu stehenden elektrische Feldlinien 3 um einen Leiter 1 dargestellt. In einem elektrischen Wechselfeld muss ein dielektrischer Verschiebungsstrom fliessen, der jeweils dem elektrischen Feld, das sich wiederum als Gradient des elektrischen Potentials darstellt, proportional ist.

Ein hoher Gradient des elektrischen Potentials ist dabei an Stellen gegeben, an denen die Äquipotentiallinien 2 eine grosse Dichte aufweisen, also insbesondere in der Nähe des Leiters 1. Zur Vereinfachung kann die Anordnung als verteilter Kondensator angesehenen werden. In Abbildung 2 ist die gleiche Anordnung wie in Abbildung 1 in einem elektrischen Ersatzschaltbild dargestellt, wobei beispielhaft zwei Teilkapazitäten 4 dargestellt sind.

Durch diese Kapazitäten fliesst ein Verschiebestrom 5, der der Frequenz, der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen und dem Kapazitätswert proportional ist.
In Abbildung 3 ist beispielhaft dargestellt, wie mit Hilfe einer zusätzlichen Elektrode 6 eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Über einen optionalen Transformator 7 wird die Spannung auf eine für den Betrieb elektrischer oder elektronischer Komponenten 8 geeignete Grösse gewandelt und der weiteren Schaltung als Quelle zur Verfügung gestellt. Die Kopplungskapazitäten 4a und der Verschiebstrom 5a werden gegenüber den Kopplungskapazitäten 4 und den Verschiebströmen 5 aus Abbildung 2 durch die zusätzliche Elektrode modifiziert.
Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen die Wirkung der Formgebung für das elektrische Feld, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.

Während in Abbildung 4 in der Nähe des Leiters 1 grosse Feldstärken (grosse Dichte der Äquipotentiallinien) vorhanden sind, kann innerhalb der zylindrisch um den Leiter angeordneten Elektrode 6 in Abbildung 5 die Feldstärke stark reduziert werden. Die Ursache liegt darin begründet, dass zwischen den Elektroden nicht nur ein Verschiebestrom sondern auch ein Konduktionsstrom fliesst und daher die effektive Impedanz reduziert wird. Wird in einer Serienschaltung eine Impedanz verkleinert so reduziert sich in der Folge auch der Spannungsabfall an dieser Impedanz. Daher reduziert sich die Spannungsdifferenz zwischen Leiter und Elektrode mit zunehmender Belastung. Die Lastimpedanz ist wiederum durch die Überwachungseinrichtung bestimmbar und somit auch die Potentialdifferenz.

Im Bereich innerhalb der Elektrode ist die elektrische Feldstärke daher stark reduziert und der Betrieb von elektrischen und /oder elektronischen Einrichtungen wird ermöglicht.
In Abbildung 6 ist beispielhaft dargestellt, wie eine Elektrode als Sendeantenne für die drahtlose Datenübermittlung verwendet werden kann. Über die Leitungen 9 wird ein von einem Teil der Einheit 8a generierte-Signal zwischen Leiterseil 1 und Elektrode 6 angelegt. Die Elektrode 6 bildet gemeinsam mit dem Leiterseil eine Antenne, die das Signal in Form von elektromagnetischen Wellen abstrahlt.

In einer Abwandlung dieser Anordnung kann das Signal auch in Form von mechanischen Wellen (Ultraschall) an die Elektrode 6 übertragen werden und dann in Form von Schallwellen abgestrahlt werden.
Verschiedenste Sensoren können im Weiteren innerhalb oder - sofern sie für die Feldstärken geeignet sind - auch ausserhalb des feldreduzierten Raumes angebracht werden. Elektronische Weiterverarbeitung und Aufbereitung für drahtlose oder drahtgebundene Übermittlung kann jedoch im feldreduzierten Raum erfolgen. Dabei sind insbesondere Sensoren zur Überwachung des Vereisungsgrades, wobei hier beispielsweise kapazitive oder Mikrowellensensoren eingesetzt werden können, und Sensoren zur Überwachung des Abstandes zu anderen Objekten, beispielsweise mittels Mikrowellen-, Laserstrahl- oder UltraschallAbstandsmessung, vorzusehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 Verfahren zur Überwachung von Freileitungen mit Hilfe einer überwachungsvomcl tung mit einem oder mehreren Sensoren, dadurch gekennze<i>chnet, dass zwischen wenigstens zwei Elektroden im elekuischen Feld um die Freileitung eme Spannung abgegriffen wird und damit elektrische Energie für die Versorgung von Komponenten der Überwachungsvorrichtung zur Verfügung gestellt wird.

1. Verfahren zur Überwachung von Freileitungen mit Hilfe einer Überwachungsvorrichtung mit einem oder mehreren Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Elektroden im elektrischen Feld um die Freileitung eine Spannung abgegriffen wird und damit elektrische Energie für die Versorgung von Komponenten der Überwachungsvorrichtung zur Verfügung gestellt wird.

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2 Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie akkumuliert wird und wenigstens eine Komponente der Überwachungsvomchtung diskontinuierlich mit Energie versorgt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie akkumuliert wird und wenigstens eine Komponente der Überwachungsvorrichtung diskontinuierlich mit Energie versorgt wird.

3 Verfahren nach einem der Ansprüche 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass wemgstens ein Leiter ab eine der Elektroden, an denen die Spannung abgegriffen wn-d, verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterseil als eine der Elektroden, an denen die Spannung abgegriffen wird, verwendet wird.

4 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 3. dadurch gekennzeichnet,<">dass die Temperatur wenigstens eines Leiters und/oder der umgebenden Luft [pi]ut emer

Sensore-Jirichtiing gemessen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 3. dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur mit einer Serisoreinridhtung gemessen wird.

5 erfahren nac einem ode, mehreren der Ansprüche 1. bis 4. dadurch gekennzeic net, dass die Feuchtigkeit der die Freileitung umgebenden Luft mit einer S-naorem[pi]chtung gemessen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeuchtigkeit mit einer Sensoreinrichtung gemessen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 5. dadurch gekennzeichnet dass der Abstand zwischen wenigstens einem Leiter zu Objekten in der Umgebung mtf einer Sensoremrichtung zur Erkennung kritischer Betriebszustände, insbesondere zur Überwachung gesetzlich vorgeschriebener Mindestabstände des Leiters zu [omega]esen Objekten, gemessen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zu Objekten in der Umgebung gemessen wird.

7 Verfahren nach einem "der mehreren der Ansprüche 1. bis 6. dadurch gekennzeichne,<'>dass der Grad der Vereisung wenigstens eines Leiters oder anderer Zusattbeladungen dieses Leiters mit einer Ser[infinity]reinrichtung gemessen wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Vereisung oder anderer Zusatzbeladung gemessen wird.

8 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet,<'>dass die von den Sensoreinrichtungen ermittelten Messdaten drah<[beta]>os zu emer

Steuerzentrale übermittelt werden.

NACHGEREICHT 8/12 2007 14:13 FAX 00433168735432 TU GRAZ TECHNOLOGIEVERW. 11012/013<->11-

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 7., dadurch gekennzeichnet dass die Messdaten drahtlos zu einer Vermittlungsstation übermittelt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 8. dadurch gekennzeichnet, dass die von den Sensoreinrichtungen ermittelten Messdaten mittels wenigstens eines Leiters zu einer Steuerzentrale übermittelt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 7., dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten über das Leiterseil zu einer Vermittlungsstation übermittelt werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Elektrode ein Sendesignal zur Übermittelung der von den Sensoreinrichtungen ermittelten Messdaten zugeführt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Elektrode ein Sendesignal zugeführt wird.

11. Vorrichtung zur Überwachung von Freüeitungen mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren (8a, 8b, 8c und 8d), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Elektroden (6), die sich im elektrischen Feld der Freileitung befinden, und der Überwachungsvorrichtung eine elektrische Verbindung besteht.

11. Vorrichtung zur Überwachung von Freileitungen mit Hilfe eines oder mehrere Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektroden im elektrischen Feld um die Freileitung vorhanden sind, zwischen denen eine Spannungsabgriff vorhanden ist und mit dem die Versorgungsleitungen von Komponenten der Überwachungseinrichtung verbunden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (8a) zur Messung der die Freüeitung umgebenden Lufttemperatur und/ oder zur Messung der Temperatur wenigstens eines Leiters (1) mit der Überwa< .ungsvorrichtang elektrisch verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zur Messung der Temperatur vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ll. und 12. dadurch gekennzeichnet, dass eine SEURarisoreinrichtung (8b) zur Messung der Feuchtigkeit der die Freüeitung umgebenden Luft mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11. und 12. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zur Messung der Luftfeuchtigkeit vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 13. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (8c) zur Messung des Abstandes wenigstens eines Leiters (1) zu Objekten in der Umgebung zur Erkennung kritischer Betriebszustände, insbesondere zur Überwachung gesetzlich vorgeschriebener Mindestabstände zu diesen Objekten, mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden ist

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 13. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zur Messung des Abstandes zu Objekten in der Umgebung vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 14. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (8d) zur Messung der Vereisung wenigstens eines Leiters (1) oder anderer Zusatzbeladungen dieses Leiters (1) mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 14. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zur Messung der Vereisung oder anderer Zusatzbeladung des Leiterseils vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 15., dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose DatenüberrnitÜtJXigseinrichtung (9) zur Übertragung der von den Sensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ^[tau]¯,iltrtlrr <**[deg.]'**<i>'**><->"-<>(TM)(TM)Steuerzentrale mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch! ^[phi]C QtHQEREICHT 8/12 2007 14:13 FAX 00433168735432 TU GRAZ TECHNOLOGIEVERW. Hl013/013

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 15., dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Datenüberrrdttlungseinrichtung vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 16. dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenübermittelungseinrichtung (10) zur Übertragung der von^ensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ermittelten Messdaten zu einer Steuerzentrale durch mindestens eine Leitung (11) mit wenigstens einem Leiter (1) elektrisch verbunden ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 16. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zur Nachrichtenübertragung über das Leiterseil vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 17. dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Leiter (1) und einer Elektrode (6) eine Impedanz, insbesondere die eines Transformators (7), geschaltet wird und die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode (6) und dem Leiter (1) gegenüber dem unbeschalteten Zustand reduziert wird.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 17. dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode derart gestaltet ist, dass in einem Bereich um das Leiterseil die elektrische Feldstärke auf ein für den Betrieb sensorischer, elektronischer oder elektrischer Komponenten geeignetes Mass reduziert wird.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 18. dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Elektrode mit einer Sendeeinrichtung verbunden ist. /12 2007 14:1

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 18. dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (6) durch Leitungen (13) elektrisch mit einer Datenüberrr[alpha]ttelungseinrichtung (12) zur Übertragung der von den Sensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ermittelten Messdaten zu einer Steuerzentrale verbunden ist.

NACHGEREICHT