NO344206B1 - Sensorsystem for overvåkning av temperaturbelastninger på elektriske forsyningsanlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et system og fremgangsmåte for overvåkning av vindbelastninger og temperaturer i elektriske forsyningsanlegg ved bruk av RFID-teknologi.

Forskrift om elektriske forsyningsanlegg ble fastsatt av Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap (DSB) 20. desember 2005 og trådte i kraft 1. januar 2006 med hjemmel i lov 24. mai 1929 nr. 4 om tilsyn med elektriske anlegg og elektrisk utstyr. Forskriften erstatter forskrifter av 18. august 1994 for elektriske anlegg og forsyningsanlegg.

Formålet med forskriften er at elektriske forsyningsanlegg skal prosjekteres, utføres, driftes og vedlikeholdes slik at de ikke frembyr fare for liv, helse og materielle verdier og samtidig ivaretar den funksjonen de er tiltenkt. Denne veiledningen retter seg mot eiere og drivere av elektriske forsyningsanlegg. Den som forestår prosjektering, utførelse, endring, drift eller vedlikehold av anlegg, er ansvarlig for at anlegg som omfattes av aktiviteten er i samsvar med kravene som stilles i forskriften. Enhver som er ansvarlig for prosjektering, utførelse eller endring av anlegg skal utstede erklæring om at anlegget er utført i samsvar med kravene i forskriften.

For høyspenningsluftledninger gjelder spesielt:

Luftlinjer skal befares i nødvendig utstrekning for å kontrollere at de er i forskriftsmessig stand.

Utførelse av linjebefaring:

Linjebefaring må gjennomføres når linjer har vært utsatt for unormale påkjenninger og minst en gang i året. Linjebefaring skal dokumenteres med linjebefaringsrapporter.

I en linjebefaring inngår kontroll både av mekaniske komponenter (fundament, stolpe) og selve det elektriske anlegget (isolatorer, ledninger og brytere osv.). Linjebefaring av det elektriske anlegget utføres i dag ofte ved hjelp av termofotografering fra helikopter og manuell befaring i marken. Et IR-kamera avdekker unormal varmeutvikling, som følge av blant annet løse tilkoblinger og defekte/slitte komponenter. En slik unormal varmeutvikling indikerer en feil, og feilen kan rettes opp før varmeutviklingen fører til et havari i det elektriske forsyningsanlegget.

Det er naturlig at linjen svaier i vinden, men man ønsker å begrense bevegelsene, slik at de mekaniske kreftene som tas opp i opplagringspunktene ikke blir for store. Det er flere måter å begrense bevegelsene på, f.eks. ved å henge lodd på linjen.

Brudd på strømkabler kan få store konsekvenser og gjøre mange strømløse og erstatningsbeløpene kan bli store ved alvorlige hendelser.

Alle nettselskap er pålagt et økonomisk ansvar ved langvarige avbrudd i

strømforsyningen.

Dersom skaden skjer på kabler/linjer for de høyeste spenninger, som også er de som overfører mest energi, kan skadebeløpet bli svært høyt. For å illustrere dette: Dersom Drammen ligger mørklagt i en time, tilsvarer dette en avbruddskostnad på ca. 5 millioner kroner.

Det er her referert til den norske El-tilsynsloven, men andre land har tilsvarende lovverk.

Eksempler på tidligere kjent teknikk kan finnes i US2029101, US5140257, US 72951333, EP0218225 og EP2270452.

På bakgrunn av blant annet det ovenstående er det ønskelig med flere forbedringer. Ved hjelp av oppfinnelsen i henhold til patentkravene oppnås flere fordeler:

-Tilnærmet kontinuerlig overvåkning av det elektriske forsyningsanlegget gjør det mulig å varsle om økt temperatur i det elektriske forsyningsanlegget på et tidlig stadium slik at feil kan rettes i tide.

-Vindbelastningen kan måles nøyaktig og forteller eier/bruker av anlegget om det er behov for å gjennomføre tiltak for å begrense de fysiske bevegelsene i linjen.

-Kostnadene vil over tid bli lavere enn ved bruk av helikopter og manuell linjebefaring.

Disse forbedringene vil føre til:

-Økt trygghet for brukerne.

-Økt leveringssikkerhet.

-Lavere driftskostnader.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et system og fremgangsmåte for å måle vindbelastninger, hindre varmgang og forebygge brann i elektriske forsyningsanlegg. Dette oppnås ved hjelp av et system for måling av vindstyrker og brannforebygging i elektriske forsyningsanlegg som i patentkravene.

Hensikten med oppfinnelsen oppnås ved hjelp av trekkene i patentkravene.

I en utførelse omfatter et sensorsystem for overvåkning av temperaturer og andre påvirkninger i elektriske forsyningsanlegg:

- minst to sensorinnretninger anordnet i serie ved posisjoner i det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes,

- en eller flere signalsendere forbundet med hver av sensorinnretningene,

- en eller flere signalmottakere innrettet for å kommunisere med og motta signaler fra signalsenderne, og

- en prosesseringsenhet forbundet med minst en av signalmottakerne for å behandle signalene og tilveiebringe et indikasjonssignal.

Posisjoner i det elektriske forsyningsanlegget kan eksempelvis være ett eller flere steder langs/ved kraftledninger, samleskinner, effektbrytere (kontakter/SF6/olje), GIS (kontakter/SF6/samleskinner/avganger), skillekniver (kontakter), strømtransformatorer, spenningstransformatorer, krafttransformatorer, krafttransformatorer (viklinger), etc.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter sensorinnretningene vindstyrkesensor, temperatursensor, strekksensor høydesensor eller en kombinasjon av disse.

Sensorinnretningene har i en utførelse fysisk kontakt med det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes. I en utførelse kan også koronautladninger detekteres av systemet.

I et aspekt av oppfinnelsen er signalsenderne og signalmottakerne elektromagnetiske signalsendere og –lesere.

En eller flere av sensorinnretningene kan være forbundet med en signalmottaker slik at de omfatter både signalsender og –mottaker. I disse tilfellene kan sensorinnretningene ha mulighet for å motta signal fra en annen sensorinnretning, for eksempel en nabosensorinnretning og videresende denne.

I en utførelse er sensorinnretningene elektrisk forbundet med det elektriske forsyningsanlegget og det elektriske forsyningsanlegget er energikilde for sensorinnretningene. Sensorinnretningen kan også omfatte en transformator for omforming av spenning fra høyspenning til bruksspenning. Systemet kan også omfattende midler for å måle den elektriske belastningen ved sensorinnretningen(e).

I et aspekt av oppfinnelsen er prosesseringsenheten forbundet med midler for å kommunisere trådløst med en ekstern enhet for overføring av indikasjonssignalet eller annen informasjon relatert til indikasjonssignalet. Den eksterne enheten kan eksempelvis være en alarmsentral, mobiltelefon, datamaskin el.

Hensikten med oppfinnelsen oppnås også ved hjelp av en fremgangsmåte for måling av vindstyrker og brannforebygging i elektriske forsyningsanlegg som omfatter

- plassering av minst to sensorinnretninger ved posisjoner i det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes,

- oversendelse av sensorsignal fra sensorinnretningen ved hjelp av en eller flere signalsendere forbundet med sensorinnretningene,

- mottak av signal fra signalsenderne ved hjelp av en eller flere signalmottakere, og - behandling av signalene og tilveiebringe et indikasjonssignal.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i mer detalj og med henvisning til de vedlagte figurene.

Figur 1 illustrerer prinsippene for systemet i henhold til oppfinnelsen

Figur 2 viser monteringen av en utførelse av en sensorinnretning i henhold til oppfinnelsen.

Figur 3 viser en utførelse av en sensorinnretning i henhold til oppfinnelsen før montering.

Figur 4 viser en utførelse av en sensorinnretning i henhold til oppfinnelsen etter sammenstilling.

Figur 5 viser et snitt gjennom en sensorinnretning som vist i figur 3 og 4.

Figur 1a og 1b illustrerer to utførelser av et sensorsystem for overvåkning av et elektrisk forsyningsanlegg 10 omfattende flere høyspentmaster 11 som utspenner høyspentlinjer 13. Sensorinnretninger 12 er anordnet ved en rekke posisjoner i det elektriske forsyningsanlegget, her langs høyspentlinjene 13. Sensorinnretningene 12 omfatter en eller flere sensorer for måling av egenskaper som ønskes overvåket av systemet.

Eksempelvis kan sensorene være temperatursensor, vindstyrkesensor, strekksensor, høydesensor, elektrisk feltsensor, etc. Forbundet med sensorinnretningene er en signalsender som kan sende måledata fra sensorene. En slik sender kan for eksempel være en RFID-brikke (radiofrekvensidentifikasjonsbrikke). En RFID-brikke inneholder antenner som gjør dem i stand til å motta og svare på radiofrekvenssignaler fra en RFID-transceiver. Brikken svarer minst med sin unike identifikator, et ID-nummer. Det finnes flere typer RFID-brikker. Passive brikker svarer med et svakt radiosignal og trenger ingen strømkilde, mens aktive brikker sender et kraftigere svarsignal over litt større avstand og behøver en strømkilde. Et tredje alternativ er semi-passive brikker som må ha en ekstern kilde for å initiere sending/svare, men som har høyere sendestyrke og dermed større rekkevidde.

Eksempler på alternative signalsendere er optiske sendere og SAW-baserte sendere, eksempelvis SAW-baserte RFID-brikker.

Systemet omfatter også en eller flere signalmottakere for å kommunisere med og motta signaler fra signalsenderne. Signalmottakerne kan være anordnet i noen av eller alle sensorinnretningene 12, på en eller flere av høyspentmastene 11 eller annet egnet sted. I figur 1a er sensorinnretningene 12 anordnet på høyspentlinjene 13 ved hver av høyspentmastene 11, mens i figur 1b er sensorinnretninger 12 anordnet ved flere posisjoner langs høyspentlinjene. I disse tilfellene kan sensorinnretningene ha mulighet for å motta signal fra en annen sensorinnretning, for eksempel en nabosensorinnretning og videresende denne. Sensorinnretningene med signalsendere og signalmottakere utgjør i dette tilfellet en node i et sensornettverk.

Systemet gir mulighet for kontinuerlig overvåkning og alarmering av eksempelvis temperaturendringer og måling av vindkast i elektriske forsyningsanlegg. Systemet kan ha en transponder som kommuniserer trådløst med RFID-brikker. I tillegg kan RFID brikkene kommunisere trådløst med hverandre. Transponderen videresender informasjonen til en leseenhet. Leseenheten kommuniserer med en overvåknings- og alarmsentral, mobiltelefon eller liknende. Dette gjør det mulig for operatøren å gripe inn før temperaturen i det elektriske forsyningsanlegget oppnår skadelig temperaturnivå. Det er også mulig å avdekke hvor mye en linje svaier i vinden ved hjelp av de ovennevnte sensorene. Dataene som hentes ut av RFID-systemet gir operatøren nødvendig informasjon til å vurdere om det er grunnlag for å inspisere det elektriske forsyningsanlegget nærmere. Kort sagt så vil systemet gjøre det mulig å overlate deler av linjebefaringen til det elektroniske systemet.

I en utførelse kan også koronautladninger detekteres av systemet. Koronautladninger er partielle utladninger rundt ledere pga. høyt elektrisk felt. Frie elektroner i luften rundt lederen ved feltstyrker over 30kV/cm får nok energi til å ionisere oksygenmolekylene. Ionene bombarderer isolasjonsmaterialet og kan danne ledende kanaler gjennom isolasjonen, som igjen kan føre til gjennomslag og lysbue mellom ledere eller mellom ledere og jord. Luftgap, åpne skinner og skarpe kanter er vanlige årsaker til koronautladninger.

Utladningene rundt høyspenningslinjer ødelegger isolasjonen og skaper radiostøy. Dette skyldes at oksygenmolekylene blir ionisert og former ozon som bryter ned isolasjonsmaterialet. Positive og negative ioner produserer rød-grønt lys og radiobølger som forstyrrer radiosignaler.

I et sensornettverk/system som beskrevet over basert på RFID-teknologi, blir det mottatt og sendt elektronisk informasjon i radiofrekvensområdet. Radiodelen i nodene vil kunne detektere korona (forstyrrelser i radiobølgeområdet), og videreformidle dette videre i nettverket. Ved å sammenholde noden sin unike ID og intensiteten på radiostøyen, så kan mottakeren identifisere stedet der koronautladningen foregår.

Et elektrisk forsyningsanlegg kan være mange mil lang. Avstanden mellom to master kan være flere hundre meter. For å oppnå tilfredsstillende rekkevidde i disse tilfellene må derfor RFID-brikken være aktiv - altså ha egen strømforsyning. Samtidig bør strømtilførselen ikke være basert på batteridrift som typisk må skiftes hvert år.

Figur 2 viser et eksempel på hvordan en sensorinnretning 20 i henhold til oppfinnelsen kan være montert på en høyspentlinje 22.

Figur 3 viser en utførelse av en sensorinnretning 20 i henhold til oppfinnelsen før montering. Sensorinnretningen 20 har form av en smultring og omfatter to deler 31 og 32 som ved montering klemmes sammen over kabelen som utgjør en høyspentlinje. Sensorinnretningens to deler har et ytre hus 34 og en indre kjerne 35. Det ytre huset 34 er fremstilt av et isolerende og vanntett materiale. Den indre kjernen 35 er for eksempel en jernkjerne eller en kjerne i annet elektrisk ledende materiale. Mellom de to delene 31 og 32 er det anordnet en pakning 36 for å gi en vanntett sammenføyning av de to delene. Integrert i sensorinnretningen er en sensor 33 som er anordnet på langs smultringens indre ring slik at den vil komme i kontakt med kabelen når sensorinnretningen er montert. Sensorinnretningen 20 omfatter også en signalsender forbundet med sensorinnretningen, for eksempel i form av en RFID-brikke. Sensorinnretningen 20 omfatter også en transformator som mottar strøm fra høyspentlinjen og omformer den til ønsket spenningsnivå for signalsenderen/RFID-brikken. Transformatoren kan også måle belastningen på linjen, dvs. den elektriske energien. Denne informasjonen er nyttig for netteier (eier/bruker av forsyningsanlegget), fordi man kan overvåke og utnytte de innebygde sikkerhetsmarginene i ledningsnettet.

Figur 4 viser en utførelse av en sensorinnretning i henhold til oppfinnelsen etter sammenstilling hvor de to delene er presset sammen slik at sensorinnretningen danner en lukket, vanntett enhet.

I figur 5 ses sensorinnretningen i figur 3 og 4 i snitt. Sensorinnretningen 50 er her anordnet på en kabel 56 og består av to deler som er presset sammen. Sensorinnretningen er smultringformet og har en ytterside 53 av isolerende plastmateriale og en indre jernkjerne 54, 55. En sensor 53 er anordnet på siden av sensorinnretningen som er i kontakt med kabelen 56. Sensoren 53 og signalsender og eventuelt en signalleser forbundet med sensoren benytter strømmen i kabelen som energikilde via en spole 51 viklet om jernkjernen og forbundet med en elektronisk krets som omformer spenningen i kabelen til riktig spenningsnivå.

RFID-brikken kobles til transformatorens sekundærside. Den viste løsningen tillater sensorinnretningen å monteres på linjen uten at linjen kobles fra isolatoren.

Claims (13)

PATENTKRAV

1. Sensorsystem for overvåkning av temperaturbelastninger, vindstyrke, strekk og/eller høyde på elektriske forsyningsanlegg omfattende høyspentlinjer, der systemet omfatter: - minst to sensorinnretninger som kan anordnes i serie i det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes, der hver sensorinnretning omfatter en signalsender som er i stand til å motta og svare på radiofrekvenssignaler, og som videre omfatter en signalmottaker der sensorinnretningene er innrettet for å kommunisere med og motta sensorsignaler fra signalsenderne på en annen sensorinnretning og videresende de mottatte signalene, og - en leseenhet forbundet med minst en av signalmottakerne for å behandle de mottatte signalene og tilveiebringe et indikasjonssignal, der leseenheten kommuniserer med en alarmsentral, mobiltelefon eller datamaskin.

2. System i henhold til krav 1 hvor sensorinnretningene omfatter vindstyrkesensor, temperatursensor strekksensor og/eller høydesensor.

3. System i henhold til krav 1, omfattende midler for å måle den elektriske belastningen ved sensorinnretningen(e).

4. System i henhold til krav 1, hvor signalsenderne og signalmottakerne er elektromagnetiske signalsendere og –lesere.

5. System i henhold til krav 1, hvor sensorinnretningene er elektrisk forbundet med det elektriske forsyningsanlegget, idet det elektriske forsyningsanlegget er energikilde for sensorinnretningene.

6. System i henhold til krav 1, hvor sensorinnretningen har fysisk kontakt med det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes.

7. System i henhold til krav 1, hvor prosesseringsenheten er forbundet med midler for å kommunisere trådløst med en ekstern enhet for overføring av indikasjonssignalet eller annen informasjon relatert til indikasjonssignalet.

8. System i henhold til krav 7, hvor den eksterne enheten er en alarmsentral, mobiltelefon, datamaskin el.

9. System i henhold til krav 6 hvor sensorinnretningen omfatter en transformator for omforming av spenning fra høyspenning til bruksspenning.

10. Fremgangsmåte for overvåkning av temperaturbelastninger, vindstyrke, strekk og/eller høyde i elektriske forsyningsanlegg omfattende høyspentlinjer, der systemet omfatter:

- plassering av minst to sensorinnretninger som i et av kravene 1-9 i det elektriske forsyningsanlegget som skal overvåkes, der hver sensorinnretning omfatter en signalsender som er i stand til å motta og svare på radiofrekvenssignaler,

- oversendelse av sensorsignal fra en av sensorinnretningen ved hjelp av signalsenderen -mottak av signal fra signalsenderne ved hjelp den en eller flere signalmottakere og videresende de mottatte signalene og

- behandling av signalene og tilveiebringe et indikasjonssignal som kommuniseres til en alarmsentral, mobiltelefon eller datamaskin.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 14 hvor sensorinnretningene måler vindstyrke,temperatur strekk og/eller høyde over bakken.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, hvor signalsenderne og signalmottakerne er elektromagnetiske signalsendere og –lesere.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 10 hvor en eller flere av sensorinnretningene er mottar signaler fra andre sensorinnretninger ved hjelp av en signalmottaker.