AT504529B1

AT504529B1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung von freileitungen

Info

Publication number: AT504529B1
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: AT504529A4

Description

2 AT 504 529 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Überwachung von Freileitungen.

Freileitungen werden zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt. Dabei fließt elektrischer Strom durch mehrere Leiter. Dieser Strom führt unweigerlich zu einer Erwärmung der Leiter durch ohmsche 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 annimmt.

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. 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 Objekten, die Temperatur des Leiterseils, die Feuchtigkeit der das Leiterseil umgebenden Luft 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 Überwachungsvorrichtung an eine Datenvermittlungseinrichtung 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 3 AT 504 529 B1 mittels Batterien. Diese Variante erfordert jedoch, dass in regelmäßigen Abständen Batterien getauscht werden müssen. Für einen wartungsfreien Betrieb sind Batterien daher unerwünscht.

Eine Einrichtung, die mehrere Batterien, verwendet, ist in DE 370 79 01 beschrieben. Diese Einrichtung hat insbesondere die Aufgabe, Masten abgeschalteter Freileitungen hinsichtlich ihrer Stabilität zu überwachen. Es wird angeführt, dass diese Aufgabe bei einer Versorgung über die Freileitung selbst nicht wahrgenommen werden kann. Die aus DE 370 79 01 bekannten Funktionseinschränkungen bei der Versorgung aus dem elektrischen Feld treffen für die gegenständliche Erfindung nicht zu, weil durch Zwischenspeicherung der Energie und durch diskontinuierlichen Betrieb elektrischer und elektronischer Komponenten aus der gespeicherten Energie der Betrieb der Überwachungsvorrichtung bei Netzabschaltung über einen gewissen Zeitraum aufrecht erhalten werden kann. Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung sind jedoch Überwachungsaufgaben während des Betriebs der Freileitung, da die Gefährdung durch unzulässig großen Durchhang während des Betriebs beeinflusst werden kann.

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 Überwachungsvorrichtung 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 Überwachungsvorrichtung herangezogen wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die elektrischen Feldstärken in jenen Bereichen, in denen sich die elektrischen und elektronischen Komponenten der Überwachungsvorrichtung 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, das sich zwischen dem Leiter und der Umgebung aufbaut, liegen der Leiter und die Elektroden nicht auf demselben 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 Überwachungsvorrichtung 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 Überwachungsvorrichtung 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. 4 AT 504 529 B1

Die Funktionsweise sowie beispielhafte Ausführungsformen werden in den folgenden Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 illustriert das elektrische Feld um einen Leiter ohne die Anwesenheit einer Überwachungsvorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplungskapazitäten und der elektrischen Ströme ohne die Anwesenheit einer Überwachungsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplungskapazitäten und der elektrischen Ströme bei Anwesenheit der Überwachungsvorrichtung.

Fig. 4 zeigt Äquipotentiallinien um einen Leiter ohne die Anwesenheit einer Überwachungsvorrichtung.

Fig. 5 zeigt Äquipotentiallinien um einen Leiter bei Anwesenheit einer Überwachungsvorrichtung.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Überwachungsvorrichtung.

In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. Die elektrischen Komponenten 8 umfassen insbesondere Sensoreinrichtungen. Die Sensoreinrichtung 8a misst die Temperatur wenigstens eines Leiters 1 und/oder der umgebenden Luft. Die Sensoreinrichtung 8b misst die Feuchtigkeit der die Freileitung umgebende Luft. Die Sensoreinrichtung 8c misst den Abstand zwischen wenigstens einem Leiter 1 zu Objekten in der Umgebung zur Erkennung kritischer Betriebszustände, insbesondere zur Überwachung gesetzlich vorgeschriebener Mindestabstände des Leiters 1 zu diesen Objekten. Die Sensoreinrichtung 8d misst den Grad der Vereisung wenigstens eines Leiters 1 oder anderer Zusatzbeladungen dieses Leiters 1. Die Kopplungskapazitäten 4a und der Verschiebstrom 5a werden gegenüber den Kopplungskapazitäten 4 und den Verschiebströmen 5 aus Fig. 2 durch die zusätzliche Elektrode 6 modifiziert.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen die Wirkung der Formgebung für das elektrische Feld, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann. Während in Fig. 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 Fig. 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

Claims

5 AT 504 529 B1 Überwachungsvorrichtung bestimmbar und somit auch die Potentialdifferenz. Im Bereich innerhalb der Elektrode 6 ist die elektrische Feldstärke daher stark reduziert und der Betrieb von elektrischen und/oder elektronischen Einrichtungen 8 wird ermöglicht. In Fig. 6 ist beispielhaft dargestellt, wie eine Elektrode 6 als Sendeantenne für die drahtlose Übermittlung der von den Sensoreinrichtungen erfassten Messdaten zu einer Steuerzentrale verwendet werden kann. Über die Leitungen 13 wird ein von der Datenübermittelungseinrichtung 12 generiertes Signal zwischen Leiterseil 1 und Elektrode 6 angelegt. Die Elektrode 6 bildet gemeinsam mit dem Leiterseil 1 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 Ultraschall-Abstandsmessung, vorzusehen. Patentansprüche: 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.
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 wenigstens ein Leiter 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 mit einer Sensoreinrichtung gemessen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit der die Freileitung umgebenden Luft 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 mit einer Sensoreinrichtung zur Erkennung kritischer Betriebszustände, insbesondere zur Überwachung gesetzlich vorgeschriebener Mindestabstände des Leiters zu diesen Objekten, gemessen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Vereisung wenigstens eines Leiters oder anderer Zusatzbeladungen 6 AT 504 529 B1 dieses Leiters mit einer Sensoreinrichtung gemessen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass die von den Sensoreinrichtungen ermittelten Messdaten drahtlos zu einer Steuerzentrale 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.
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.
11. Vorrichtung zur Überwachung von Freileitungen 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.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (8a) zur Messung der die Freileitung umgebenden Lufttemperatur und/oder zur Messung der Temperatur wenigstens eines Leiters (1) mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11. und 12. dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (8b) zur Messung der Feuchtigkeit der die Freileitung umgebenden Luft mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden 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.
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.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 15., dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Datenübermittlungseinrichtung (9) zur Übertragung der von den Sensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ermittelten Messdaten zu einer Steuerzentrale mit der Überwachungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 16. dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenübermittelungseinrichtung (10) zur Übertragung der von den Sensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ermittelten Messdaten zu einer Steuerzentrale durch mindestens eine Leitung (11) mit wenigstens einem Leiter (1) elektrisch verbunden 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.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11. bis 18. dadurch gekennzeich- 7 AT 504 529 B1 net, dass wenigstens eine Elektrode (6) durch Leitungen (13) elektrisch mit einer Daten-Übermittelungseinrichtung (12) zur Übertragung der von den Sensoreinrichtungen (8a, 8b, 8c und 8d) ermittelten Messdaten zu einer Steuerzentrale verbunden ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen