DE102016011512A1

DE102016011512A1 - Inspektion von Isolatoren von Freileitungen unter Nutzung von autonom fliegenden Drohnen (Multikoptern, Flächenfliegern oder UAV, UAS)

Info

Publication number: DE102016011512A1
Application number: DE102016011512.2A
Authority: DE
Inventors: Heinz-A. Krebs; Albert Claudi; Tobias Raulf
Original assignee: Green Excellence GmbH
Current assignee: Green Excellence GmbH
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-05-04
Also published as: DE102016011512A9

Abstract

Aufgabe und Zielsetzung Äußere Einflüsse an Isolatoren von Freileitungen sind durch optische Verfahren erkennbar sind, versagen jedoch bei den inneren Einflüssen. Diese sind nur durch Sensoren erkennbar, die z. B. im elektromagnetischen Spektrum arbeiten und zudem in unmittelbare Nähe des Isolators gebracht werden müssen, um eine sichere Identifikation und Analyse zu ermöglichen. Ziel der Erfindung ist es, eine gezielte sensorbasierte Befliegung zur Inspektion der Isolatoren sowie zur zerstörungsfreien Prüfung auszuführen. Lösung Die erfinderische Tätigkeit betrifft ein neues Verfahren zur Inspektion von Isolatoren an Freileitungen der Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsebenen, wobei die Aufnahme von relevanten Messgrössen (siehe Zeichnung 1) durch den Einsatz von akustischen Sensoren, von Sensoren zur Messung elektrischer Felder von optischen Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern, von Sensoren zur Messung elektro-magnetischer Felder, verschiedener Fusionen und durch eine automatisierte Befliegung der Freileitung/Objekte in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern erfolgt. Die Inspektion erfolgt kostengünstiger. Anwendungsgebiete Inspektion von Isolatoren der Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsebenen.

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Inspektion von Isolatoren an Freileitungen betreff vorgegebener/nicht vorgegebener Inspektion zur Identifikation von Schäden durch Umwelteinflüssen, elektrischer oder mechanischer Abnutzung oder Beschädigung. Zum Teil bereits bekannte Verfahren sind dem Dokument „ DE 20 2013 010 593 U1 2015.04.16 [0001] [0002] zu entnehmen.
Isolatoren von Freileitungen haben die Aufgabe, die unter Spannung stehenden Leiterseile vom Mast zu isolieren und die Leiterseile mechanisch zu tragen. Als Materialien kommen die klassischen Isolierwerkstoffe Glas und Keramik zum Einsatz. In den letzten Jahren sind auch Kunststoffisolatoren aus z. B. Silikonelastomeren hinzugekommen. Zum Isolator gehören die Verbindungselemente zum Leiterseil resp. zum Strommast, sowie weiteren metallischen Armaturen in Form von Koronaringen und Funkenstrecken. Die Länge eines Isolators wird durch die Spannungsebene und durch die Umwelteinflüsse vorgegeben. Je höher die Verschmutzung, umso höher die Kriechwege des Isolators. Auch Witterungseinflüsse wie Eis und Schnee sowie die Meereshöhe gehen in diese Betrachtung ein. Im Betrieb ist es wichtig, dass der Isolator seine mechanische und elektrische Aufgabe absolut zuverlässig erfüllt. Ein Versagen hat in der Regel nicht nur einen Ausfall der Leitung zur Folge, sondern auch eine Gefährdung durch das Abstürzen des Leiterseils. Ein elektrisches Versagen wird entweder durch äußere Einflüsse initiiert (Verschmutzung, Eis, Schnee, Fremdkörper, Bewuchs) oder durch mechanische Materialfehler (Risse, Lunker, Fehlstellen) und/oder durch schleichende elektrische Erosionserscheinungen (Teilentladungen, inhomogene Feldverteilung, Korona). Während äußere Einflüsse durch die in [0004] beschriebenen optischen Verfahren erkennbar sind, versagen sie bei den inneren Einflüssen. Diese sind nur durch Sensoren erkennbar, die z. B. im elektromagnetischen Spektrum arbeiten und zudem in unmittelbare Nähe des Isolators gebracht werden müssen, um eine sichere Identifikation und Analyse zu ermöglichen.
Aus dem gegebenen Stand der Technik heraus ist es Vorschrift gemäß für die Betreiber von Freileitungen in bestimmten zyklischen Abständen eine Inspektion der Isolatoren durchzuführen. Diese Inspektion im Rahmen der zustandsorientierten Wartung (Condition Based Maintenance) der Freileitung wird von speziell geschulten, sachkundigen Mitarbeitern teilweise unter Zuhilfenahme von Helikoptern und anderen Geräten oder auch durch Begehung/Besteigung durchgeführt), Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0003]..
Folgende Verfahren sind üblich: Die Inspektion der Isolatoren erfolgt entweder vom Boden, vom Mast oder aus der Luft. Die Inspektion vom Boden findet mit bloßem Auge oder mit Hilfe von Ferngläsern und Teleobjektiven statt. Hierbei ist der Nachteil gegeben, dass durch den großen Abstand keine hohe Auflösung erreichbar ist. Durch die eingeschränkte Perspektive vom Boden aus sind große Flächen des Isolators nicht einsehbar. Zudem sind nur äußere, grobe Schäden erkennbar, wie z. B. zerstörte Kappen oder Fremdkörper (Äste).
Die Inspektion vom Mast erfolgt durch Besteigen der Maste und visuelles Begutachten der Isolatoren aus sicherer Entfernung. Eine Inspektion aus der Luft kann durch Kräne oder Hebebühnen mit Personalkorb erfolgen. Dieser Methode werden vor allem in den Hoch- und Höchstspannungsebenen durch die Höhe der Objekte und durch die erreichbare Höhe der Hebezeuge Grenzen gesetzt. Die Kosten für die Hebezeuge sind erheblich. Der Vorteil dieser Methode ist, dass Sensoren mit langen Isolierstangen in die Nähe der Isolatoren gebracht werden können, um auch innere Schäden zu erkennen. In unwegsamen Geländen (Bergregionen, Sümpfe, Wälder) sind beide Methoden sehr schwierig anwendbar und zeitaufwendig. Dort bietet sich die Untersuchung mittels Helikopter oder Flächenflugzeugen an. Die Kosten für diese bemannten Fluggeräte sind erheblich. In urbanen Räumen kommt die Lärmbelastung hinzu. Für die Befliegung sind zudem Sondergenehmigungen erforderlich und die Piloten müssen eine spezielle Schulung erhalten Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0004], [0005]..
Sämtliche Verfahren zur Inspektion haben den wesentlichen Nachteil dahingehend, dass sie hohe Kosten und Zeitaufwände verursachen Die Nachteile sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0004].
Ziel der Erfindung ist es, eine gezielte sensorbasierte Befliegung zur Datenaufnahme an und Inspektion der Isolatoren sowie zur zerstörungsfreien Prüfung auszuführen (siehe Zeichnung 1). Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0005].
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Inspektion zu beschreiben, welches mit einem geringen Aufwand an Kosten und Zeit ein optimales, sensorgesteuertes Monitoring und eine Inspektion gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hautpanspruch 1 mit seinen Unteransprüchen realisiert wird.
Dabei wird ein neuartiges Verfahren zur Inspektion von Isolatoren in der Zusammenführung der Anwendungen von Flugdrohnen, Steuerungs-, Analysesoftware sowie Sensorik so ausgeführt,

– dass eine Inspektion mit Hilfe einer sensorgestützen Flugdrohne bekannter Bauart ausgeführt wird und dabei in einem geringen Abstand die Objekte optisch erfasst werden und mit einer Datenübertragung zwischen Flugdrohne und einer Basis Station die Auswertung stattfinden kann. Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0001].,,
– dass der Abstand der Flugdrohne zum Objekt zwischen 1–10 Meter ausgeführt wird,
– dass die Flugdrohne mit Video-/Fotokameras und/oder sowie einem oder mehreren Sensoren ausgerüstet wird. Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0042],
– dass die Flugdrohne mit einer Kombination aus satellitengesteuerter und bildgesteuerter Navigation autonom fliegt, mit der Möglichkeit eines manuellen Eingriffs in die Steuerung Die Ausführungen sind bereits zum Teil bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0042], [0046].
– dass Sensoren verwendet werden, die eine invasive, zerstörungsfreie Prüfung des Isolators ermöglicht. Diese Sensoren arbeiten im elektromagnetischen, akustischen und multispektralen optischen Bereich, um die elektrische und mechanische Funktion des Isolators zu gewährleisten und dessen Zustand zu erfassen.

Das Verfahren wird erfindungsgemäß so ausgeführt, dass die Inspektion im Abstand von 1–10 Metern zum Isolator mit Flugdrohnen durchgeführt wird, die mit optischen Erfassungsgeräten und anderen Sensoren ausgerüstet sind Die Ausführung ist bereits bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0042], [0046].
Es ist vorteilhafterweise sinnvoll, eine direkte Bildfernübertragung von der Flugdrohne während des Fluges über einen Bildschirm oder eine Videobrille auszuführen und somit das Objekt vor Ort direkt zu inspizieren Die Ausführung ist bereits bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0042], [0046].
Bei Detektion einer Schadensstelle wird eine detailliertere Analyse eingeleitet. Dabei wird der Abstand zwischen der Flugdrohne und dem Objekt zur besten Aufnahmemöglichkeit in ihrer Entfernung zueinander optimal verändert oder die Fokussierung der optischen Instrumente und anderen Sensoren vergrößert.
Die Flugdrohne ist eine Trägerplattform in der Größe eines Modellfluggerätes bekannter Bauart, mit Flugeigenschaften wie Steig- und Sinkflug, Vorwärts-, Rückwarts- und Seitwärtsflug sowie Schwebeflug und Streckenflug (long distance flights). Die Ausführung ist bereits bekannt, siehe DE 601 24 224 T2 [0042], [0046], 1, 2, 4, 5, 6, 7, DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0001], [0003], 2–5.
Die Vorteile des Verfahrens im Rahmen der gewerblichen Anwendbarkeit liegen darin begründet, dass die Inspektion kostengünstig und mit geringem Zeitaufwand durchführbar ist. Durch die sensorbasierte Inspektion der Objekte ist es möglich, den Zustand des jeweiligen Objektes bezüglich Alterung, Abnutzungsgrad ... etc. zu treffen. Es ist weiterhin möglich, ohne großen finanziellen und zeitlichen Aufwand eine erste Einschätzung zum Zustand des Objektes (Gefährdung) sowie eine erste Klassifizierung zu erstellen und über mögliche Maßnahmen (Reparatur, Austausch) zu entscheiden. Die Ausführung ist bereits bekannt, siehe DE 602 25 614 T2 2009.04.16 [0001]. Weitere Vorteile im Rahmen der gewerblichen Anwendbarkeit sind:

– die höhere Qualität der Inspektion, da Bereiche optisch erfassbar sind, die von der Bodenperspektive verborgen bleiben,
– die höhere optische Auflösung durch den geringeren Abstand zu den Objekten, gegenüber der Boden oder Helikoptersicht,
– die erweiterten Analysemöglichkeiten durch spezielle Sensoren, die erst durch die unmittelbare Nähe zur Schadensstelle wirksam werden.
– die Messdatenaufnahme bei laufendem Betrieb.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Inspektion von Isolatoren an Freileitungen, von denen Verfahrensteile – insbesondere die Aufnahme von Bildern – bereits bekannt sind und auf welche oberhalb verwiesen wurde. Das neuartige Verfahren beschäftigt sich mit der Aufnahme von Messdaten an Isolatoren von Freileitungen in der Neuartigkeit, dass die Datenaufnahmen (siehe Zeichnung 1), welche in der ursprünglichen Anmeldung enthalten sind, wie unterhalb beschrieben erfolgen, insbesondere

– durch den Einsatz von akustischen Sensoren,
– durch den Einsatz von Sensoren zur Messung elektrischer Felder,
– durch den Einsatz von optischen Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern,
– durch den Einsatz von Sensoren zur Messung elektro-magnetischer Felder
– durch den Einsatz verschiedener Fusionen, insbesondere Informations-, Daten- und Sensorfusionen
– durch eine automatisierte Befliegung der Freileitung/Objekte in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern (siehe Zeichnung 1) basierend auf einer Kombination aus satellitengesteuerter und bildgesteuerter Navigation.

Durch die Datenaufnahme unter Einsatz von optischen Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern und deren Auswertung erfolgt die Identifizierung und Ortung von Fehlstellen und Fremdkörpern an der Freileitung. Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Korrelation von verschiedenen Sensoren und der autonomen Erkennung/Lokalisierung von Fehlstellen in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern (siehe Zeichnung 1).
Durch die Datenaufnahme unter Einsatz von akustischen Sensoren und deren Auswertung erfolgt die Identifizierung und Ortung von Fehlstellen insbesondere durch elektrische Teilentladungen. Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Korrelation von verschiedenen Sensoren und der autonomen Erkennung von Fehlstellen in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern (siehe Zeichnung 1).
Durch die Datenaufnahme unter Einsatz von Sensoren zur Aufnahme elektrischer Felder und deren Auswertung erfolgt die Identifizierung und Ortung von Fehlstellen inbesondere durch nichtlineare Spannungsverteilung. Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Korrelation von verschiedenen Sensoren und der autonomen Erkennung von Fehlstellen in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern (siehe Zeichnung 1).
Durch die Datenaufnahme unter Einsatz von Sensoren zur Aufnahme elektro-magnetischer Impuls-Felder erfolgt die Identifizierung und Ortung von äußeren und inneren Fehlstellen des Isolators. Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Korrelation von verschiedenen Sensoren und der autonomen Erkennung von Fehlstellen in hohen elektrischen und elektromagnetischen Feldern (siehe Zeichnung 1).
Die Abfolge der einzelnen Funktionen innerhalb des Geschäftsprozesses ist dem Dokument „Geschäftsprozessbeschreibung” zu entnehmen (siehe Zeichnung 2).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202013010593 U1 [0001]
DE 60225614 T2 [0003, 0005, 0006, 0007, 0014, 0015]
DE 60124224 T2 [0010, 0010, 0010, 0011, 0012, 0014]

Claims

Verfahren zur Aufnahme und Auswertung von Messdaten/-größen zur Inspektion von Isolatoren an Freileitungen der Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsebenen, wobei die Datenaufnahmen durch eine optische und sensorgestützte automatisierte Befliegung erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass eine Flugdrohne in geringem Abstand die Objekte optisch und messtechnisch erfasst und analysiert. Die Auswertung, Speicherung und Dokumentation der Messgrößen kann optional mit einer Datenübertragung zwischen Flugdrohne und Basisstation oder an Bord der Drohne erfolgen.
Verfahren nach den Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flugdrohne mit akustischen und optischen Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern, mit Sensoren zur Aufnahme elektrischer und elektro-magnetischer Felder zum Einsatz in hohen magnetischen und elektrischen Feldern ausgerüstet ist und die Auswertung durch Daten-, Informations- und Sensorfusionen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flugdrohne automatisiert oder manuell in der Art und Weise in hohen magnetischen und elektrischen Feldern gesteuert werden kann, dass Objekte und Schadstellen gezielt detektiert und untersucht werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und den dazugehörigen Unteransprüchen ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät in einer Kombination von optischer, satellitengesteuerter und akustischer Sensorik in hohen magnetischen und elektrischen Feldern automatisiert navigiert.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Messdaten durch akustische und optische Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern, durch Sensoren zur Aufnahme elektrischer und elektromagnetischer Felder und deren Daten-, Informations- und Sensorfusion genommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Befliegung und die Aufnahme der Messdaten in hohen magnetischen und elektrischen Feldern erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 5–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierung und Ortung von Fehlstellen und Fremdkörpern an der Freileitung durch die Korrelation verschiedener akustischer und optischer Sensoren in verschiedenen Frequenzbändern, Sensoren zur Aufnahme elektrischer und elektro-magnetischer Felder und deren Daten-, Informations- und Sensorfusion unter Verarbeitung von nichtlinearen Spannungsverteilungen und Teilentladungen in hohen magnetischen und elektrischen Feldern erfolgt.