-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung des Belastungsverhaltens
von Hochspannungsfreileitungen durch faseroptisches Temperaturmonitoring,
wobei in mindestens einem Phasenseil eine Meßfaser befindlich ist, sowie
mit einer Ankoppeleinheit, um die Meßfaser mit einer Datenerfassungseinheit
zu verbinden, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine spezielle Zugkraftmeßdose für eine derartige Anordnung.
-
Faseroptisches
Temperaturmonitoring unter Rückgriff
auf Multi-Mode-Fasern, wobei bezüglich des
Meßprinzips
auf den Raman-Effekt zurückgegriffen
wird, gehört
zum Stand der Technik. Beispielsweise finden faseroptische Temperatursensoren
Anwendung, um die Dichtheit von Dämmen und Deichen oder ähnlichen
Wassersperrbauwerken oder aber auch von Deponieschichten festzustellen,
da Undichtigkeiten im Regelfall auch mit Temperaturanomalien einhergehen.
-
Im
Produktprospekt der Lios Technogoly GmbH, Köln, Deutschland, „Distributed
Temperature Monitoring of Energy Transmission Systems" wird eine Anwendung
des faseroptischen Monitorings zur Überwachung von Hochspannungsfreileitungen
beschrieben.
-
Als
Temperatursensorelement wird eine passive optische Faser in den
Kern der Übertragungsphasenleitung
der Hochspannungs-Übertragungseinrichtung,
d.h. in das Leistungskabel selbst integriert. Über entsprechende Koppelstellen
steht das Faserkabel mit einer Bewertungseinheit in Verbindung,
welche ein verteiltes Temperaturprofil über die Länge der Übertragungsleitung bestimmt
und dieses Profil abspeichert. Über
Standard-Interfaces besteht die Möglich keit, die Temperaturprofile
zur weiteren Auswertung an einen PC zu übertragen. Hotspots im Verlauf
des Freileitungskabels bzw. sonstige Temperaturanomalien können durch
Auswerten der Temperaturprofile ermittelt werden, wobei die Temperaturverteilung
bzw. die Temperaturveränderung über den jeweiligen
Verlauf der Freileitung auch Aussagen über deren elektrische Belastung
aufgrund der Erwärmung
bei Stromdurchgang liefert.
-
Mit
einer derartigen Überwachung
kritischer Phasenseile von Hochspannungsfreileitungen kann mit Einschränkungen
demnach auch der aktuelle Durchhang der Phasenseile unter verschiedenen Lastbedingungen
bestimmt werden.
-
Aus
dem Vorgenannten ist jedoch ersichtlich, daß ein sehr hoher Aufwand getrieben
werden muß, um
die optischen Fasern in das Phasenseil bei dessen Herstellung einzubringen.
Ein solches Phasenseil besteht im Kern aus einem zentralen Element aus
Stahl und einer äußeren Verseilschicht
aus einer elektrisch belastbaren Aluminiumlegierung. In das zentrale
Element oder dessen Nähe
wird der für
die faseroptische Auswertung notwendige Lichtwellenleiter-Sensor
eingebracht.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung
zur Überwachung
des Belastungsverhaltens von Hochspannungsfreileitungen durch faseroptisches
Temperaturmonitoring anzugeben, wobei die Möglichkeit bestehen soll, auch
bereits vorhandene Freileitungen in einfacher Weise nachzurüsten, ohne
daß unvertretbarer
hoher Aufwand oder längere
Versorgungsunterbrechungen anstehen. Weiterhin ist eine für eine derartige
Anwendung vorteilhaft geeignete Zugkraftmeßdose zu schaffen.
-
Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 1 sowie durch eine Zugkraftmeßdose nach Anspruch 10.
-
Erfindungsgemäß wird demnach
entgegen der Lösungen
des Standes der Technik nicht über
die gesamte oder eine sehr große
Länge der
Freileitungen in die dort vorhandenen Phasenseile eine oder mehrere
Meßfasern
eingebracht. Vielmehr wird im Bereich der so genannten Stromschlaufe
und nur dort eine bevorzugt punktförmige faseroptische Sensorik
installiert.
-
Als
Stromschlaufe wird der Abschnitt der Versorgungsleitung bezeichnet,
welcher am Abspannpunkt zwischen zwei Isolatoren die elektrische durchgehende
Verbindung herstellt.
-
Erfindungsgemäß wird davon
ausgegangen, daß die
in der Stromschlaufe des betreffenden Phasenleiters bzw. Phasenseils
herrschende Temperatur, die sich zusammensetzt aus der Umgebungstemperatur
und der durch den Stromfluss erzeugten Temperaturerhöhung für die Temperatur
im gesamten Phasenseil repräsentativ
ist, da sowohl das Phasenseil als auch die Stromschlaufe elektrisch
völlig identisch
sind. Aufgrund dieser Erkenntnis ist es ausreichend, die Temperatur
im Stromschlaufenbereich oder in Abschnitten der Stromschlaufe zu
erfassen.
-
Weiterhin
ist ausgestaltend ein Referenzsensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur
der Phasenseil-Meßstelle
vorgesehen, so daß eine
Berücksichtigung
witterungsbedingt veränderter
Temperaturverhältnisse
möglich
ist.
-
In
ergänzender
Ausgestaltung der Erfindung wird nur in der Stromschlaufe das faseroptische
Temperaturmonitoring vorgenommen, die dem untersten der Phasenseile
zugehörig
ist, da es insbesondere bei diesem Phasenseil auch darum geht, kritische Mindestabstände zum
Erdboden bzw. zu Bewuchs oder Gebäuden nicht zu unterschreiten.
Die jeweils überwachte
Stromschlaufe wird mittels einer Ankoppeleinheit für Lichtwellenleiter-Phasenseile
ausgestattet, wobei der Lichtwellenleiter auf seine Anwendung als
faseroptischer Temperatursensor optimiert ist.
-
Mit
Hilfe der Ankoppeleinheit wird dann der faseroptische Temperatursensor
mittels eines Lichtwellenleiter-Zuleitungskabels an eine Datenerfassungseinheit
angeschlossen. Diese Datenerfassungseinheit kann in unmittelbarer
Nähe des
jeweiligen Hochspannungsmasts befindlich oder aber auch von diesem
abgesetzt angeordnet werden.
-
Die
in den Datenerfassungseinheiten mehrerer Stromschlaufen-Meßstellen
ermittelten Meßwerte werden
dann an eine übergeordnete
Auswerteeinheit übergeben
und dort einer Bearbeitung und Bewertung unterzogen.
-
Die
Auswerteeinheit errechnet die aktuelle Temperatur im Phasenseil
und bestimmt hieraus den tatsächlichen
Durchhang des Leiterseils unter Berücksichtigung der Leiterseil-Daten
und der Spannweite, d.h. dem Abstand zwischen zwei benachbarten
Hochspannungsmasten, und stellt diese Daten zur weiteren Verwendung
zur Verfügung.
-
Zur
Ermittlung der tatsächlichen
Lasten am Seil ist erfindungsgemäß vorgesehen,
mindestens einen Dehnungssensor am jeweiligen Abspannpunkt anzuordnen.
Mit Hilfe dieses Dehnungssensors kann der tatsächliche Seildurchhang erfaßt werden,
welcher durch Zusatzlasten, wie Eis, Rauhreif, Vögel oder dergleichen beeinflußt ist.
Mit dieser zusätzlichen
und bevorzugt gleichzeitig durchgeführten Messung der tatsächlich wirkenden
Zugspannung der Phasenseile an der Anschlagstelle am Mast steht eine
Information zur Verfügung,
die mit der temperaturbedingten Zugspannung bzw. Zugspannungsänderung
verglichen werden kann. Da es bei einem installierten System einen
bestimmbaren Zusammenhang zwischen Leiterseiltemperatur, den Durchhang des
Leiterseils und der am Befestigungspunkt wirkenden Zugspannung gibt,
kann mit der gleichzeitigen Messung der Stromschlaufen-Temperatur und der
tatsächlichen
Zugspannung am Phasenseil aus erkannten Anomalien ein Rückschluß auf Zusatzlasten
gezogen werden.
-
Ein
bevorzugt faseroptischer Dehnungssensor, z.B. als Bragg-Gitter realisiert,
wird in einer Ausführungsform
der Erfindung zwischen der Mastbefestigung des Isolators und dem
Isolator selbst eingefügt,
so daß eine
Online-Messung der tatsächlichen Zugspannung
möglich
wird. Durch die gleichzeitige Messung der größten Temperatur und Zugspannung kann
auf Störungen
bzw. zeitweilige Anomalien und unzulässige Zusatzbelastungen der
Phasenseile geschlossen werden, die gegebenenfalls einen größeren mechanischen
Durchhang zur Folge haben, als daß dies allein durch die temperaturbedingte
Ausdehnung zu erwarten wäre.
Mit dieser Maßnahme gelingt
es, ansonsten nicht erfaßbare
Gefahren, wie z.B. einen drohenden Überschlag vom Phasenseil zum
Erdboden oder Bewuchs rechtzeitig zu erkennen.
-
Erfindungsgemäß befindet
sich der Dehnungssensor in einer speziellen Zugkraftmeßdose in Laschenform.
-
Anhand
der ermittelten Durchhangswerte kann bestimmt werden, ob über die
jeweilige Freileitungsstrecke noch eine höhere Last getrieben werden
kann, oder ob aus Sicherheitsgründen
eine anderweitige Verteilung vorgenommen werden muß.
-
Für das erfindungsgemäße faseroptische Temperaturmonitoring
werden bevorzugt faseroptische punktuell messenden Sensoren (FBG)
eingesetzt. Hierbei handelt es sich um lichtleitende Fasern mit
einer aufgebrachten Gitteranordnung, welche aufgrund von temperaturbedingten
mechanischen Krafteinwirkungen Aussagen über den Belastungszustand der
Stromschlaufe und damit mittelbar des jeweiligen Phasenleiters liefern.
-
Für ein Temperaturmonitoring
ist es grundsätzlich
ausreichend, auf einen einzigen faseroptischen punktförmigen Sensor
für die
jeweilige Stromschlaufe zurückzugreifen.
-
Werden
mehrere faseroptische punktförmige Sensoren
im Bereich der Stromschlaufe angeordnet, dann ist es zweckmäßig, diese über die
Stromschlaufen-Sensorstrecke
zu verteilen. Die angeschlossene Auswerteeinheit kann bevorzugt
wechselseitig die einzelnen Sensoren auslesen und hierbei eine Plausibilitätsprüfung durchführen, um
z.B. den Ausfall eines Sensors zu detektieren.
-
Das
Rechner-Modul der Auswerteeinheit berechnet die Temperatur der Stromschlaufe
unter Berücksichtigung
der Umgebungstemperatur, ermittelt eventuelle zeitliche Temperaturveränderungen
bzw. Temperaturgradienten oder die Überschreitung vorgegebener
Schwellwerte und stellt diese Daten zur Weiterleitung an die zentrale
Leitwarte des Energieversorgungsunternehmens zur Verfügung.
-
Die
Datenübertragung
kann hier online über z.B.
Lichtwellenleiterkabel erfolgen.
-
Alternativ
besteht auch die Möglichkeit
der Signalisierung beim Erreichen bzw. Überschreiten von voreingestellten
Grenzwerten auf drahtlosem Wege, z.B. über ein öffentliches GSM-Netz. Auch
besteht die Möglichkeit
des Absetzens eines Datentelegramms in Form einer SMS (Short Message
Services).
-
Die
Meßfaser
bzw. der faseroptische Punktsensor ist also ausschließlich in
mindestens einem Teilabschnitt einer vorhandenen oder konstruktiv nachgerüsteten Stromschlaufe
im Mastbereich der Spannfelder der Freileitung in das dortige, bevorzugt räumlich unterste
Phasenseil eingebracht.
-
Das
Phasenseil enthält
ein metallisches Röhrchen
zur Aufnahme der Meßfasern
oder des faseroptischen Punktsensors, wobei hier die Möglichkeit
besteht, ohne Wechseln des kompletten Phasenseils einen defekten
Sensor auszutauschen, indem in der relativ kurzen Strecke der Stromschlaufe
ein Herausziehen einer defekten und ein Einbringen einer intakten,
neuen Faser möglich
ist.
-
Die
Datenerfassungseinheit ist bevorzugt vor Fremdeingriffen geschützt am jeweiligen
Freileitungsmast befestigt und es findet über die Datenerfassungseinheit
ein Datenaustausch zu einer übergeordneten
Rechnereinheit bzw. zu einem Rechner-Modul statt.
-
Alternativ
kann die Datenerfassungseinheit räumlich getrennt von der Ankoppeleinheit
in einer Schaltwarte, einem Umspannwerk oder dergleichen Gebäude befindlich
sein.
-
Verfahrensseitig
wird zur Überwachung
des Belastungsverhaltens von Hochspannungsfreileitungen durch faseroptisches
Temperaturmonitoring ausschließlich
die Temperatur im Bereich der Stromschlaufen der Übertragungsstrecke
mittels der faseroptischen Sensorik bestimmt, wobei aus der Temperatur
im Stromschlaufenbereich, den Leiterseil-Daten und dem Abstand zwischen
jeweils zwei benachbarten Masten die Temperatur im freihängenden
Phasenseil und dessen aktueller Durchhang bzw. die Änderung
des Durchhangs ermittelt wird.
-
Erfindungsgemäß besteht
die Möglichkeit, zum
Zweck der Optimierung der Netzauslastung zu ermitteln, inwieweit
eine Durchhangsänderung
eintritt, wenn eine zeitweise höhere
Phasenseilbelastung durch erhöhten
Stromfluß gegeben
ist. Im Vorfeld einer solchen höheren
Strombelastung kann unter Rückgriff
auf die erfindungsgemäße Lehre
bestimmt werden, ob das Phasenseil dann gegebenenfalls zu weit durchhängen würde mit
der Gefahr z.B. elektrischer Überschläge.
-
Die
erfindungsgemäße Zugkraftmeßdose weist
eine Laschenform mit auf der Längsachse
gegenüberliegenden
Anschlußstellen
für krafteinleitende
Elemente, wie beispielsweise ein Phasen- oder Leiterseil bzw. eine
Abspannung auf. Das Phasen- oder Leiterseil bzw. die Abspannung
kann über
eine Bohrung in der Lasche in an sich bekannter Weise fixiert werden.
-
Die
Zugkraftmeßdose
besteht aus einer Unterplatte und einer Oberplatte, bevorzugt aus
einem metallischen, insbesondere Stahlmaterial. Unterplatte und
Oberplatte weisen beim Übereinanderlegen deckungsgleiche
Anschlußstellen
für das
Phasen- oder Leiterseil bzw. die Abspannung auf, wobei die Platten
je eine Ausnehmung besitzen, welche sich parallel zur Längsachse
und zu dieser symmetrisch erstreckt. Diese jeweils vorhandene Ausnehmung
ist bevorzugt quadratisch oder rechteckig gebildet.
-
Im
Bereich der Ausnehmung der Unterplatte, rechtwinklig zur Längsachse
orientiert befinden sich gegenüberliegende
Montagestege für
den Kraftmeßsensor.
Die Montagestege weisen Mittel zum lagerichtigen Fixieren des Kraftmeßsensors
auf. Diese Mittel können
z.B. Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers, eine Kombination
Stift/Bolzen und Paßbohrung
oder Ähnliches
umfassen. Wesentlich ist, daß ein
ausreichender Kraftschluß zwischen
dem Kraftmeßsensor
und den Montagestegen erreichbar ist.
-
Weiterhin
besitzen die Platten auf ihrer Längsachse
liegende Bohrungen zum Verbinden, insbesondere Verschrauben der
Unter- und der Oberplatte im Sinne einer kraftseitigen Parallelschaltung.
-
Die
den Kraftmeßsensor
aufnehmenden Platten sind im montierten Zustand, d.h. die Unterplatte
ist mit der Oberplatte verbunden, mindestens im Bereich der Ausnehmungen
von einer Umhausung umgeben, und zwar zum Schutz des eigentlichen
Sensors.
-
Der
Kraftmeßsensor
wird auf einen Tragkörper
montiert, wobei dieser Tragkörper
im wesentlichen der entsprechenden Ausnehmung der Unter- bzw. Oberplatte
entspricht.
-
Der
Kraftmeßsensor
wird in den Platten derart montiert, daß dessen Längsachse mit der Längsachse
der Meßdose
im wesentlichen zusammenfällt.
-
Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
-
Hierbei
zeigen:
-
1 eine
prinzipielle Ausbildung einer Stromschlaufe an einem Freileitungsmast;
-
2 eine
Detaildarstellung der Stromschlaufe mit Ankoppeleinheit;
-
3 eine Übersichtsdarstellung
der erfindungsgemäßen Anordnung
mit Datenerfassungs- und -auswerteeinheit;
-
4 eine
Draufsicht und Seitenansicht der Unterplatte der Zugkraftmeßdose;
-
5 eine
Darstellung der Oberplatte in Draufsicht und Seitenansicht;
-
6 eine
Darstellung der Unterplatte und Oberplatte im übereinanderliegenden Zustand
in mehreren Ansichten;
-
7 eine
Darstellung des Kraftmeßsensors mit
Tragkörper;
-
8 mehrere
Ansichten der kompletten Zugkraftmeßdose mit integriertem Kraftmeßsensor und
-
9 mehrere
Ansichten der montierten Zugkraftmeßdose mit Umhausung.
-
Gemäß 1 dient
ein Freileitungsmast 1 der Aufnahme und Abstützung einer
Anzahl von Phasenseilen 2 zur Übertragung elektrischer Energie zwischen
Energieerzeuger und Verbraucher.
-
Im
Bereich eines Abspannpunkts 3 ist bei einem unteren Phasenseil 2 eine
Stromschlaufe 4 ausgebildet. Diese Stromschlaufe stellt
eine Verbindung der beiden Enden des Phasenseils 2 am isolierten Abspannpunkt 3 dar.
-
In
einem Abschnitt oder über
die gesamte Stromschlaufe 4 ist im dortigen Leiterseil
ein faseroptischer Sensor eingebracht, welcher in der Lage ist, die
Temperatur innerhalb der Stromschlaufe 4 zu bestimmen.
-
Der
im Stromschlaufenleiter eingebrachte faseroptische Sensor steht über eine
Ankoppeleinheit 5 mit einem Anschlußkabel 6 in Verbindung,
welches zu einem Anschlußkasten 7 führt.
-
Mit
dem Anschlußkasten 7 steht
das optische Temperatur-Meßsystem 8 in
Verbindung.
-
Eine
Detaildarstellung der Stromschlaufen-Ankoppeleinheit ist in der 2 gezeigt.
Auch dort ist die Stromschlaufe 4 erkennbar, wobei die
Ankoppeleinheit 5 noch eine Spleißbox 9 umfaßt.
-
Hinsichtlich
der Ankoppeleinheit 5 und der Spleißbox 9 kann auf bekannte
Technologien beim Anschluß von
Telekommunikations-Lichtwellenleitern zurückgegriffen werden, die in
so genannte Powerlines integriert sind.
-
Gemäß der Darstellung
nach 3 ist nur in einem Abschnitt der Stromschlaufe 4 die
faseroptische Sensorik eingebracht (hervorgehobene dickere Linienführung).
Eine Anordnung der Sensorik in einem Ast der Stromschlaufe hat sich
als ausreichend herausgestellt.
-
Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
beide Äste
mit einer Sensorik auszurüsten,
wobei durch abwechselndes Vermessen des linken und rechten Stromschlaufenasts
eine Funktionskontrolle der Meßtechnik
möglich
ist.
-
Das
symbolisch dargestellte Anschlußkabel 6 gemäß 3 führt auf
eine Datenerfassungseinheit 10, welche wiederum mit einem
Rechner-Modul 11 kommuniziert.
-
Das
Rechner-Modul 11 bestimmt die Temperatur der Stromschlaufe 4 unter
Berücksichtigung
der Umgebungstemperatur, wofür
ein Referenzsensor vorgesehen ist, ermittelt eventuelle zeitliche
Temperaturveränderungen
bzw. die Überschreitung
vorgegebener Schwellwerte und stellt diese Daten zur Weiterleitung
an die zentrale Leitwarte zur Verfügung.
-
Die
in den 4 und 5 gezeigten Platten umfassen
eine Unterplatte 12 und eine Oberplatte 13.
-
Die
Platten 12 und 13 besitzen auf der Längsachse
liegende Anschlußstellen 14 in
Form von Bohrungen.
-
Diese
Anschlußstellen 14 dienen
der Befestigung eines Phasen- oder Leiterseils bzw. einer Abspannung.
-
Weitere
Bohrungen 15 dienen dem Verbinden von Unterplatte und Oberplatte 12; 13.
-
Jede
der Platten 12 und 13 weist eine auf der Längsachse
liegende Ausnehmung 16 auf, die im gezeigten Beispiel eine
rechteckige Form besitzt.
-
Die
Ausnehmungen 16 sowie die Bohrungen 15 und die
Anschlußstellen 14 sind
so ausgeführt, daß Deckungsgleichheit
beim Übereinanderlegen der
Platten besteht.
-
Im
Bereich der Ausnehmung 16 in der Unterplatte 12 sind
rechtwinklig zur Längsachse
orientierte und gegenüberliegende
Montagestege 17 vorhanden. Diese Montagestege dienen dem
Fixieren des Kraftmeßsensors,
wobei hierfür
die Montagestege 17 Mittel zum lagerichtigen Aufnehmen
des Kraftmeßsensors
umfassen. Diese Mittel sind beispielsweise im Durchmesser angepaßte Bohrungen 18.
Die Zusammenstellungszeichnung nach 6 macht
deutlich, wie beim vorerwähnten Übereinanderlegen
von Unterplatte 12 und Oberplatte 13 sich die
gewünschte
Kongruenz der Anschlußstellen 14,
der Bohrungen 15 und der Ausnehmungen 16 ergibt.
-
Der
Kraftmeßsensor 19,
z.B. in Form eines spezifizierten Bragg-Gitters, befindet sich auf
einem Tragkörper 20.
Der Tragkörper 20 weist
wiederum entsprechend angepaßte
durchmesservariierende Bohrungen 21 auf, so daß sich in
Verbindung mit den durchmesserangepaßten Bohrungen 18 eine
lageexakte Montage ergibt.
-
Die
Breite des Tragkörpers 20 ist
geringfügig kleiner
als die Breite der Ausnehmungen in den Platten 12 und 13 (siehe 8,
Draufsicht).
-
Diese
Draufsicht nach 8 läßt weiterhin erkennen, daß durch
die Anordnung des Tragkörpers 20 mit
dem Kraftmeßsensor 19 innerhalb
der Ausnehmungen 16 unter Rückgriff auf die Montagestege 17 eine
definierte Teilkraft über
den Kraftmeßsensor läuft, so
daß dieser
einer für
die Gesamtkräfte
repräsentativen
Belastung unterliegt, ohne jedoch diese Gesamtkräfte führen zu müssen.
-
Zum
Schutz des Kraftmeßsensors 19 ist
dieser von einer Umhausung 22, z.B. bestehend aus einem
Kunst- oder Silikonharz, umgeben. Diesbezüglich sei auf 9 aufmerksam
gemacht.
-
- 1
- Freileitungsmast
- 2
- Phasenseil
- 3
- Abspannpunkt
- 4
- Stromschlaufe
- 5
- Ankoppeleinheit
- 6
- Anschlußkabel
- 7
- Anschlußkasten
- 8
- optisches
Temperatur-Meßsystem
- 9
- Spleißbox
- 10
- Datenerfassungseinheit
- 11
- Rechner-Modul
- 12
- Unterplatte
- 13
- Oberplatte
- 14
- Anschlußstelle
- 15
- Bohrung
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Montagesteg
- 18
- durchmesserangepaßte Bohrung
- 19
- Kraftmeßsensor
- 20
- Tragkörper
- 21
- Bohrung
- 22
- Umhausung