Verfahren zur Überprüfung von elektrischen Freileitungen sowie eine Messvorrichtung und Verwendungen derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von elektrischen Freileitungen sowie eine Messvorrichtung und Verwendungen derselben.
Bei elektrischen Freileitungen, insbesondere bei Hochspannungs-Freileitungen, können schon verhältnismässig kleine Schäden an den Leitungen und Isolatoren zu Energieverlusten führen. Dabei ist zu beachten, dass Schäden im Laufe der Zeit grösser werden und im Extremfall zu Kurzschlüssen führen, die zur Folge haben, dass die Energieübertragung unterbrochen wird bzw. werden muss. Es ist deshalb von grösster Bedeutung, die Freileitungen und die dazugehörenden Komponenten einer periodischen Überprüfung zu unterziehen. Damit können die Energieverluste minimiert und die Betriebssicherheit erhöht werden.
Eine Vorrichtung zur Detektion von sogenannten Koronaentladungen auf Wechselstrom-Freileitungen wurde in der Europäischen Patentschrift EP-0 225 337 beschrieben. Bei dieser bekannten Lehre handelt es sich um eine
Kontrollvorrichtung, die im wesentlichen aus einer Antenne, einer Verstärkungseinheit und einem Oszilloskop besteht, wobei die über die Antenne empfangenen Signale in der Verstärkungseinheit frequenzmässig derart angepasst werden, dass bei Beaufschlagung einer Eingangsschaltung des
Oszilloskopes für Vertikal- und Horizontalablenkung bei ungestörtem sinusförmigem Netz-Wechselspannung ein Kreis auf dem Bildschirm des Oszilloskops (auch etwa als Lissajous-Figur bezeichnet) dargestellt wird. Werden neben der sinusförmigen Netz-Wechselspannung auch Störsignale empfangen, so bewirken diese eine Veränderung des üblichen Erscheinungsbildes auf dem Bildschirm des Oszilloskops. Aufgrund dieser Veränderungen besteht die Möglichkeit, eine Diagnose der Fehlstelle abzugeben.
Es hat sich gezeigt, dass die Diagnosefähigkeit der bekannten Kontrollvorrichtung stark von der gewählten Übertragungsfunktion für die Verstärkungseinheit abhängig ist und dass somit nicht alle möglichen Phänomene detektiert werden können. Darüber hinaus sind
Überlagerungen von verschiedenen Freileitungen nur schwierig auseinander zu halten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das ein eindeutiges
Detektieren von Fehlstellen bzw. von Funkenbildungen und die Bestimmung der Art der Fehler ermöglicht .
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine MessVorrichtung und deren Verwendungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf : Indem gemessene elektromagnetische Signale in mindestens zwei
Frequenzbändern im Zeit- und/oder im Frequenzbereich analysiert werden, kann eine äusserst genaue Diagnose über die Art der Fehlstelle bei der Freileitung vorgenommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Messvorrichtung.
In der Figur ist eine mit einer Antenne A verbundene Messeinheit ME dargestellt, die ihrerseits über drei Schnittstellen SEI bis SE3 mit einer Recheneinheit PC verbunden ist. Die Messeinheit ME besteht aus einem Signalsplitter SP, der das mit Hilfe der Antenne A empfangene elektromagnetische Signal in zwei Kanäle aufteilt.
Der erste Kanal besteht aus einer Serieschaltung von einer ersten Filtereinheit TP, einer Analog/Digital-
Wandlereinheit ADL und der Schnittstelleneinheit SEI. In der dargestellten Ausführungsform weist der erste Kanal darüber hinaus eine akustische Anzeigeeinheit AK auf, auf die ebenfalls das Ausgangssignal der ersten Filtereinheit TP wirkt und die eine akustische Überwachung ermöglicht.
Der zweite Kanal besteht aus einer Serieschaltung von einer Hochpassfiltereinheit HP, zwei Analog/Digital- Wandlereinheiten ADH1 und ADH2 und einer SchnittStelleneinheit SE2 , Damit ist der zweite Kanal
wiederum in zwei Unterkanäle aufgeteilt .
Die Aufteilung in zwei Kanäle mit Hilfe des Signalsplitters SP wurde vorgenommen, um einerseits, im zweiten Kanal, den verschiedenen Erscheinungsformen von Entladungen, die bei Freileitungen vorkommen, Rechnung zu tragen. So ist insbesondere bekannt, dass bei der Korona- und bei der Spitzenentladung im Frequenzbereich Unterschiede in bezug auf Funkenentladungen vorkommen. Korona- und Spitzenentladungen erzeugen Frequenzen bis ca. 10 MHz,
Funkenentladungen solche bis ca. 100 MHz und mehr. Die mit den Frequenzen für Funkenentladung verbundenen elektromagnetischen Signale haben somit eine Dauer von einigen Nanosekunden bis zu ca. 100 Nanosekunden. Anderseits ist es von grösster Bedeutung auch das Grundsignal, das eine wesentlich tiefere Frequenz, beispielsweise 50 oder 60 Hz aufweist, einer gewissen Analyse unterziehen zu können. So hat es sich gezeigt, dass tieffrequente Veränderungen im Grundsignal - beispielsweise durch in der Nähe von Freileitungen vorhandene Bäume, Sträucher oder dgl . - entstehen können. Diese tieffrequenten Veränderungen werden mit Hilfe des ersten Kanals erfasst, womit entsprechende Massnahmen - z. B. Fällen eines zu hoch gewachsenen Baumes - rechtzeitig vor Eintreten eines Fehlverhaltens bei der Energieübertragung ergriffen werden können.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren, bei dem eine Analyse der mit der Antenne A empfangenen elektromagnetischen Signale im Frequenzbereich und/oder im Zeitbereich
vorgenommen wird, und zwar in verschiedenen Frequenzbändern, wird eine äusserst umfassende und genaue Detektion von Fehlstellen an der Freileitung erreicht .
Dabei ist, um auf die in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsform zurückzukommen, in der erfindungsgemässen Vorrichtung der erste zum Aufzeichnen von "langsamen" Signalen und der zweite Kanal zum Aufzeichnen von "schnellen" Signalen vorgesehen.
Der erste bzw. langsame Kanal, der beispielsweise mit einer Abtasträte von 50 kHz abgetastet wird, ermöglicht die Registrierung länger andauernder Veränderungen des Trägersignals, d.h. des Grundsignals für die Energieübertragung über die Freileitung. Solche
Veränderungen können - wie erwähnt - durch einen zu nahen Bewuchs an der Freileitung (Bäume, Sträucher, etc.) hervorgerufen werden. Zusätzlich ist das Signal des ersten Kanals nach der Filterung in der Tiefpassfiltereinheit TP auf eine akustische Anzeigeeinheit (beispielsweise ein Kopfhörer) gegeben, damit ein Operator der erfindungsgemässen Vorrichtung das registrierte Signal audiomässig kontrollieren kann. Ebenso kann der Operator das Signal während der Messung auf einem an die Recheneinheit PC angeschlossenen Bildschirm (in der Figur nicht dargestellt) visuell kontrollieren.
Zwischen dem Signalsplitter SP und der Analog/Digital- Wandlereinheit ADL bzw. der akustischen Anzeigeeinheit AK ist die erste Filtereinheit TP vorgesehen, die ein Aliasing
verhindert, d.h. entsprechend dem Abtasttheorem ausgelegt ist .
Am Eingang des zweiten, sogenannten "schnellen" Kanals wird das Grundsignal mittels der Hochpassfiltereinheit HP stark reduziert. Damit wird ermöglicht, über ein Zeitfenster und über einen je Unterkanal vorhandenen Trigger mit positivem bzw. negativem Schwellwert kurzzeitig Signale jedweder Form - sei dies bipolar, negativ oder positiv - von vorhandenem Untergrund, d.h. von Signalen mit Frequenzen oberhalb der Eckfrequenz des Hochpassfilters, zu diskriminieren und zu registrieren und beispielsweise mit einer Abtastrate von 100 MHz oder höher die Form der "schnellen" Signale zu analysieren, wobei die Analyse wiederum im Zeit- und/oder im Frequenzbereich vorgenommen werden kann. Mit anderen Worten erfolgt in einer vorzugsweisen Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens die Aufzeichnung der gemessenen elektromagnetischen Signale im zweiten Kanal nur dann, wenn einer oder beide der erwähnten Schwellwerte durch das gemessene elektromagnetische Signal überschritten werden.
Für eine einwandfreie Zuordnung des ersten Kanals zum zweiten und umgekehrt, ist in einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ein Triggerkanal vorgesehen, in dem ein Triggersignal aufgezeichnet wird, sobald der zweite, d.h. schnelle Kanal mit der Aufzeichnung beginnt.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung, und zwar insbesondere durch die Aufteilung in zwei Kanäle gemäss den
vorstehenden Ausführungen, wird es möglich, die enormen Datenmengen auf ein notwendiges Mass reduzieren zu können, da lediglich dann eine Datenaufzeichnung mit Hilfe des zweiten, "schnellen" Kanals vorgenommen wird, wenn auch damit gerechnet werden muss, dass Signalanteile im oberen Frequenzband vorhanden sind.
Eine weitere, in der Figur nicht dargestellte
Ausfuhrungsform der Erfindung besteht darin, mit Hilfe eines Kanals mit hoher Abtastrate die Datenaufzeichnung vorzunehmen, wobei die hohe Datenrate dann mit Hilfe eines Dezimationsalgorithmuses zu reduzieren (R. E. Crochiere et. al., "Multirate Digital Signal Processing", Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1983) ist, wenn keine hochfrequenten Signalanteile im gemessenen Signal enthalten sind. Durch die Reduktion der Datenrate wird darüber hinaus automatisch der dynamische Bereich der gemessenen Signale verbessert .
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist mit einer hochpräzisen Uhr U und mit Mitteln GPS zur Bestimmung der Position, beispielsweise mit dem sogenannten Global Positioning System, ausgerüstet, wobei es vorgesehen ist, die entsprechenden Daten synchron mit den gemessenen elektromagnetischen Signalen aufzuzeichnen. Darüber hinaus ist in einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung vorgesehen, über eine Spezialtastatur oder über ein Mikrophon weitere Zusatzinformationen aufzuzeichnen und synchron mit den gemessenen elektromagnetischen Signalen abzuspeichern. Zur Speicherung der erwähnten
Zusatzinformation bzw. Ortsangaben bzw. Zeitangaben kann vorgesehen werden, dass für jede der erwähnten Informationsarten ein eigner Kanal zur Aufzeichnung zur Verfügung gestellt wird.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung bestehen die Mittel GPS zur Bestimmung der aktuellen Position darin, dass, ausgehend von einer bekannten Position eines Freileitungsmastes (Referenzposition) und der bekannten Geschwindigkeit der Messvorrichtung entlang der
Freileitung, durch eine Zeitmessung die aktuelle Position berechnet wird. Damit Fehlberechnungen möglichst vermieden werden, ist dabei vorgesehen, die Referenzposition laufend zu erneuern, indem wiederum auf eine genau bekannte Position im Gelände Bezug genommen wird.
Es hat sich gezeigt, dass sich das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die erfindungsgemässe Vorrichtung besonders vorteilhaft auf bemannten (z. B. Helikopter) oder unbemannten Flugobjekten (z. B. Drohnen) einsetzen lassen.
Insbesondere für eine vollautomatische Signalanalyse ist es vorgesehen, in der Recheneinheit PC ein Expertensystem zu verwenden, dessen Wissen mit den möglichen Fehlstellen und deren Charakteristiken angereichert ist, damit eine selbständige Analyse durch das System vorgenommen werden kann. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist das Expertensystem derart ausgebildet, dass aufgrund der neu detektierten Fehlstellen das interne Wissen angepasst wird, d.h., dass das Expertensystem lernfähig ist.
Eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung besteht darin, dass mehr als eine, vorzugsweise zwei Antennen zum Empfangen von elektromagnetischen Signalen vorgesehen sind. Damit wird ein Richteffekt erreicht, d.h. aufgrund der gemessenen Signale kann gesagt werden, wo sich die Quelle der Funkenbildung befindet. Für jede Antenne kann eine vollständige Messvorrichtung der beschriebenen Art vorgesehen sein. Denkbar und vorzuziehen ist jedoch auch eine Ausführungsvariante, bei der die Messvorrichtung mit der entsprechenden Anzahl Kanälen ausgestattet ist, wobei die Möglichkeit besteht, dass nur für die über die eine Antenne empfangenen Signale ein schneller und ein langsamer Kanal vorgesehen ist und für die über die andere Antenne empfangenen Signale nur ein langsamer Kanal vorgesehen ist.
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung lässt sich nicht nur zur Detektion von Fehlstellen bei Freileitungen einsetzen. Es hat sich gezeigt, dass sich die erfindungsgemässe Vorrichtung auch zur Detektion von elektrischen Funken allgemein vorzüglich eignet. Daraus ergeben sich eine Reihe von Anwendungsgebieten wie beispielsweise die Detektion von Funken bei Elektromotoren, bei Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie oder bei Fahrdrahtleitungen d.h. bei ungenügendem Kontakt der Fahrdrahtleitung durch den Stromabnehmerbügel .
Mit der erfindungsgemässen Messvorrichtung wird des weiteren das Anwendungsgebiet VerkehrsZählung erschlossen, indem vorbeifahrende Fahrzeuge aufgrund der Zündfunken
detektiert werden. Die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur VerkehrsZählung überzeugt besonders wegen dem geringen Installationsaufwand, denn herkömmliche Geräte benötigen durchwegs einen hohen Installationsaufwand. So sind Drähte in die Strassenbelagsoberflache einzulassen oder auf dieser zu montieren. Bei der erfindungsgemässen Messvorrichtung erschöpft sich die Installation im einfachen Plazieren am jeweiligen Strassenrand. Darüber hinaus sind mit der erfindungsgemässen Messvorrichtung auch zusätzliche Angaben über die vorbeifahrenden Fahrzeugen ermittelbar. So kann über das Zündmuster auf den Motorentyp und über diesen auf den Fahrzeugtyp geschlossen werden.
Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung von zwei oder mehr Antennen auch bei den vorstehend genannten Anwendungen äusserst vorteilhaft ist . So können zum Beispiel bei der Überprüfung von Grossmotoren allfällige Fehlstellen direkt lokalisiert werden.