Drahtseilakt


Cédric Bosshard & Nico Lenggenhager | Studenten | NTB | 23.01.2019

Alle Menschen und alle Geräte benötigt in der heutigen Zeit elektrische Energie. Damit wir diese bequem aus der Steckdose zuhause beziehen können, benötigt es im Hintergrund eine gigantische Infrastruktur welche gepflegt und unterhalten sein muss. Das schweizerische Übertragungsnetz, welches die elektrische Energie über grosse Distanzen Transportiert und von SwissGrid betrieben wird, ist ungefähr 6’700 km lang und umfasst zusätzlich ca. 12’000 Hochspannungsmasten. Das gesamte Stromnetz der Schweiz (inklusive allen Leitungen aller Spannungsstufen bis zur Hausinstallation) misst über 250’000 km. Damit könnte man die Erde am Äquator gut und gerne sechs Mal umrunden!

Gemäss der Verordnung über Leitungsbau Art.135 Absatz 3, unter welche die Freileitungen fallen, müssen diese Hochspannungsleitungen in der Schweiz mindestens alle zwei Jahre kontrolliert werden. Damit soll gewährleistet werden, dass die Infrastruktur des schweizerischen Stromnetzes jederzeit in einem einwandfreien Zustand ist und somit einen allfälligen Blackout vorbeugen kann. Nun stellt sich die Frage: „Wie überprüft man diese endlos erscheinenden Leitungen?“ Dies war der Auftakt für unsere Bachlorarbeit.

 

An der NTB werden die Bachelorarbeiten in der Regel in einem Zweierteam ausgeführt damit auch grössere und interessantere Aufgabenstellungen von Seiten der Industrie bearbeitet werden können. Es war nicht nur wichtig das passende Thema zu finden sondern auch den richten Partner für die Arbeit. Schliesslich sollte man fast ein Jahr zusammen am gleichen Projekt arbeiten und einander ergänzen und nicht gegenseitig auf den Füssen stehen. Bei uns stellte dies kein Problem dar, da wir uns schon längere Zeit kennen und wussten was wir voneinander erwarten können. Klar gab es Momente, bei welchen wir uns nicht gleicher Meinung waren, aber wie es sich für angehende Ingenieure gehört, wurde jeweils versucht mit sachlichen Argumenten eine Lösung zu finden anstatt in einem Streit zu Enden.

 

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde für die Adlos AG aus dem Fürstentum Lichtenstein ein Konzept entwickelt, das die Inspektion von Hochspannungsleitungen automatisieren und damit wirtschaftlicher gestalten soll. Am Anfang der Arbeit stand die Recherche wie das Problem der Inspektion aktuell gelöst/behandelt wird in der Wirtschaft. Rasch stellten wir fest, dass weltweit nach Lösungen zu Inspektion geforscht wird und es auch schon etliche Patente und Lösungen dazu gibt.

 

Zurzeit wird das Verteilnetz mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Oftmals werden Helikopter für die Inspektion der Leitungen und Masten eingesetzt. Diese Methode ist sehr effizient und schnell. Die Leitungen und Masten können individuell angeflogen und so spezifisch untersucht werden. Trotzdem ist diese Methode sehr kostenintensiv und witterungsabhängig. Immer häufiger werden Roboter eingesetzt, die sich direkt auf den Leitungen fortbewegen. So kann der Bediener bequem in einem Auto sitzen, und vom Boden aus die gesammelten Messdaten auswerten. Leider sind diese Roboter oft sehr unhandlich und nicht besonders flexibel was zu einer gewissen Arbeitseinschränkung führt. Ein ähnliches Prinzip wie bei den Robotern wird auch mit Drohnen durchgeführt. Diese sind viel flexibler einsetzbar und können allfällige Störungen gezielter als die Roboter untersuchen. Leider fliegen Drohnen mit einer Akkuladung meistens nur zwischen 20 und 40 Minuten. Um den Akku tauschen zu können, muss der Bediener immer in Reichweite der Drohne bleiben. Das schränkt den Einsatzbereich der Drohne zusätzlich ein, da der Mastverlauf vielmals auch durch unwegsames Gelände oder über Bergkämme führt.

 

Somit mussten wir in einer zweiten Phase Lösungen für die einzelnen Teilprobleme finden und aufzeichnen, so dass wir kein Patent verletzten aber dennoch die Aufgabe erfüllen könnten. Das ganze wurde in einem morphologischen Kasten festgehalten und übersichtlich dargestellt. An einer Sitzung wurden die Vor- und Nachteile der einzelnen Lösungssysteme unseren Referenten und dem Industriepartner präsentiert. Dabei wurde kein Detail dem Zufall überlassen und jede mögliche Lösungsvariante genauestens begutachtet und durchleuchtet.

Zusätzlich wurden Use-Cases als Benchmarks definiert, welche wir mit unserem Lösungssystem erfüllen sollten am Ende der Arbeit.

 

Das von uns geplante und realisierte Konzept beinhaltet zwei Seilbahnen und eine Drohne. Das Hirn, und damit das steuernde Element des Konzeptes, ist der Companion Computer auf der Drohne. Dies ist ein leistungsfähiger Kleincomputer (Odroid XU4), der es ermöglicht, die gesamte Bildverarbeitung und somit Leitungserkennung direkt auszuwerten. Dieser Computer trifft alle Entscheidungen und gibt Anweisungen an die beiden Seilbahnen. Die Seilbahnen sind die Partner, oder auch Clients genannt, des Companion Computer. Sie dienen dazu, die schwere Kamerasysteme zu transportieren. Ihre primäre Aufgabe ist die Inspektion der Hochspannungsleitungen und Masten. Da es zwei Seilbahnen sind teilt sich die gesamte Nutzlast auf zwei Partner auf. Der Vorteil liegt darin, dass die Drohne viel kleiner ausgeführt werden kann, da sie weniger Nutzlast tragen muss. So können viele verschiedene Aufnahmen in unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommen werden.

 

Die wichtigste Aufnahme bei der Inspektion wird im Korona-Bereich (UV-Bereich, 240-280 nm) getätigt. Mit Hilfe dieser Aufnahme werden übermässige Korona-Entladungen entdeckt und lokalisiert. Dadurch können Schäden an den Leitungen, Isolatoren und Masten detektiert werden. Mit blossem Auge sind diese Entladungen nicht sichtbar, jedoch können sie als leises Knistern, wie es unter einer Hochspannungsleitung typisch ist, wahrgenommen werden. Überschreitet die Korona-Entladung jedoch einen bestimmten Grenzwert, sind die entstehenden Verluste zu gross und die betroffene Stelle sollte möglichst bald ersetzt oder repariert werden. Typische Mängel, welche durch Korona-Analysen entdeckt werden können, sind defekte Isolatoren, Schäden an Leiterseilen, Korrosion oder übermässige Verschmutzungen.

Weitere Aufnahmen werden im Infrarot-Bereich (IR-Bereich, 800-1600 nm) gemacht. So können Störungen und Engpässe erkannt werden, bevor sie weitere Schäden anrichten. Da sich zum Beispiel Leiterseile mit erhöhtem innerem Widerstand stärker erwärmen als die anderen, können Schwachpunkte im System frühzeitig erkennt werden. Mängel, die so erkannt werden können folgende sein: Schäden an Leiterseilen, Verbindungsprobleme sowie defekte Isolatoren.

 

Um kleinste Haarrisse an Masten, Fundament und Leiter zu erkenne, werden zusätzlich zu Aufnahmen im UV und IR Bereich auch Aufnahmen im sichtbaren Licht (VIS-Bereich vom englischen visible) gemacht. Diese müssen dann durch geschultes Personal analysiert werden. Diese Prüfung lässt sich nicht umgehen und ist mit viel Knowhow der Mitarbeiter verbunden.

 

Im Vorfeld wurden diverse Versuche durchgeführt, die den Verlauf des Konzeptes massgeblich beeinflusst haben. So wurden mögliche Sicherungsseile auf zwei Merkmale getestet. Ein wesentliches Merkmal ist die Zugfestigkeit. Ein weiteres, nicht augenscheinliches Phänomen sind Gleitentladungen, die bei Höchstspannungen auftreten können. Dabei wurde festgestellt das bereits kleine Mengen eines polaren Stoffes reichten um eine Gleitentladung über die Oberfläche des Sicherungsseils herzustellen, was wiederum in einem Lichtbogen endete. Durch die Versuche mussten auch die beschlossenen Use Cases angepasst werden.

 

Anfangs wurde mit einer kleineren Testdrohne die Möglichkeiten der autonomen Flugsteuerung ausgetestet, bevor die eigentliche Einsatzdrohne zusammengestellt wurde. Dabei wurde eine Pixhawk 3 Pro eingesetzt. Die ersten Testflüge der autonomen Flugsteuerung waren recht unkontrolliert. Es sollte sich nach einer Woche intensiven Nachforschen und Testen herausstellen das ein interner Kompass falsche Signale erzeugte und so die Lage- und Flugregelung recht durcheinander brachte. Nachdem dies behoben wurde, zeigte die Pixhawk ihre ganze stärke und flog selbständig vorgegeben Routen auf einen halben Meter genau ab.

Auch bei der Einsatzdrohne lief nicht alles wie gewünscht. Bei einem Schubtest wurde ein elektronisches Bauteil dermassen durch den Motorenstrom überlastet das es nach kurzer Zeit den Geist aufgab. Dieses Problem konnte rasch behoben werden, jedoch flogen wir ab da nie mehr ganz am Limit.

 

Die Seilbahn selbst ist so konzipiert, dass sie sich auf dem Erdleitungsseil fortbewegen kann. Das Erdleitungsseil wurde ausgewählt, da es die einzige Konstante im Übertragungsnetz ist. Sie befindet sich, an der exponiertesten Stelle, zuoberst auf den Masten. Durch die Fortbewegung auf dem Erdleiterseil sollen komplexe Übergänge und Abläufe, welche auf den spannungsführenden Leitungsseilen anfallen würden, eliminiert und der Prozess vereinheitlicht, respektive vereinfacht werden.

Die Seilbahnen, respektive die Beagle Bone Blues, welche die Seilbahn als Kleincomputer dabei haben, und der Companion Computer kommunizieren über eine Funkverbindung miteinander und tauschen untereinander selbständig aktuelle Daten aus. Durch geeignete konstruktive und softwaretechnische Massnahmen soll bei einer Störung die Sicherheit des Gesamtsystems jederzeit gewährleistet sein.

 

Das erbaute System zeichnet sich zum einen durch einen hohen Grad an Leichtbauweise bei der Seilbahn und zum anderen durch eine leistungsstarke Drohne aus. Dank eines 3D Druckers konnten wir Rapid Prototyping in der Praxis gleich umsetzen und einige Bauteile für unsere Seilbahn mit dem Drucker erstellen. Die Seilbahn erhält durch einen Karbonrahmen ihre Steifigkeit und Leichtigkeit.

Grundfähigkeiten wie zum Beispiel die Fortbewegung auf dem Erdleiterseil oder die Kommunikation zwischen den verschiedenen Systemteilnehmern konnte erfolgreich erbracht werden. Getestet wurde dies alles auf einem Teststand, welcher aus einem gespannten 10 mm Drahtseil bestand.

Nach dem erfolgreichen Abschluss durften wir unsere Arbeit der SwissGrid, der Firma IED und der Alpiq vorstellen. Es machte uns jeweils Freude und vor allem Stolz einem Fachpublikum unsere geleistete Arbeit zu Präsentieren. Die genannten Firmen waren sehr angetan von unserem Lösungskonzept, leider fehlte bisher der letzte Wille einer Firma zu sagen, dass sie das Projekt weiter verfolgen. So bleibt die Zukunft einer sprichwörtlich ausgezeichneten Idee ungewiss…

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