Wykorzystanie dronów do oblotu sieci

Wykorzystanie dronów do oblotu sieci elektroenergetycznych
Autor: Józef Sobolewski
("Energia Elektryczna" - marzec 2015)
Gwałtowny rozwój bezzałogowych pojazdów latających sprawił, że bardzo szybko z
narzędzia wojskowego stały się gadżetem dla wszystkich fanów współczesnej elektroniki.
Między oboma zastosowaniami - militarnym i hobbystycznym - znajduje się też, rosnący
z dnia na dzień, obszar realizacji profesjonalnych o charakterze cywilnym i o tych
możliwościach w odniesieniu do elektroenergetyki jest ten artykuł.
Zastosowanie dronów (bezzałogowych pojazdów latających) w elektroenergetyce rozpoczęto
się zaledwie nieco ponad 10 lat temu, jednakże szybki rozwój tej techniki sprawił, że dziś są
stosowane coraz powszechniej. W zależności od zastosowań używa się dwóch platform
lotniczych: dronów skrzydlatych lub dronów wirnikowych (wiropłaty). Zasadnicza różnica
między oboma typami z punktu widzenia zastosowań to zasięg i nośność.
W znanych w elektroenergetyce zastosowaniach używa się dronów skrzydlatych o wadze
kilkunastu kilogramów nie-wymagających pasa startowego (start z ręki lub z katapulty) i
lądujących na spadochronie. Przy ładowności do ok. 5 kg pojazd ma zasięg do 200 km (czas
trwania lotu 2-3 godziny) przy zastosowaniu napędu elektrycznego. Nieco cięższe drony o
napędzie spalinowym (lub hybrydowym) mają zasięg 2-, 3-krotnie większy, tak jak i czas
lotu. Należy pamiętać, że tylko część lotu może być kontrolowana (monitorowana)
bezpośrednio ze stacji naziemnej (wideo online), zwykle do ok. 50 km, dalej lotem steruje
system pokładowy (lot autonomiczny). Wysokość przelotowa to zwykle od 200 m do 4 km.
Wiropłaty, dające możliwość pionowego startu i lądowania, mają ładowność zwykle poniżej
kilograma przy wadze własnej od 3 do 7 kg. Przy napędzie elektrycznym utrzymują się w powietrzu najwyżej kilkadziesiąt minut, operując na wysokości od 5 do 200 m. Zasięg
operacyjny (kontrolowany) to na ogół do ok. 1 km. Tego typu drony na ogół nie mają
możliwości lotu autonomicznego, tak jak w przypadku drona skrzydlatego. Istnieją także
wiropłaty spalinowe o znacznie wyższych osiągach.
Najważniejszym użytkowym elementem drona jest stabilizowana we wszystkich wymiarach
głowica z zainstalowanymi różnymi typami kamer. Obecnie najpopularniejsze jest instalowanie kamer wizyjnych (do rozdzielczości 4K), dających możliwość obserwacji online. W
bardziej zaawansowanych zestawach używa się także zoomu optycznego oraz kamer mogących wykonać fotografie wysokiej rozdzielczości. W dronach, zwłaszcza wojskowych,
używa się kamer na podczerwień (IR) zarówno dających możliwość pracy online, jak i
dostarczających fotografii o wyższej rozdzielczości. Nowością jest pojawienie się na rynku
kamer dostarczających obrazu online w ultrafiolecie (UV), działających w świetle dziennym i
w wersjach dających się zainstalować na dronach. W wersjach skrzydlatych obrazy i dane
mogą być przekazywane online do stanowiska naziemnego i tam zapisywane lub zapisywane
w pokładowych nośnikach pamięci w sytuacji lotu samodzielnego. W wiropłatach zapis jest
na ogół tylko online w stacji naziemnej.
Zgodnie z polskimi przepisami drony, które poruszają się poza zasięgiem wzroku operatora
muszą zostać zgłoszone do nadzoru ruch lotniczego i uzyskać formalną zgodę na taki lot w
ściśle określonym obszarze powietrznym.
Zastosowania w elektroenergetyce
Drony skrzydlate, ze względu na ich zasięg i nośność, używa się do oblotu większych
obszarów, takich jak np. długie odcinki sieci. Wymagają one jednakże precyzyjnego zaprogramowania trasy lotu w oparciu o dane GPS. Ze względu na większe wymagania formalne
związane z obszarem lotu, koszty sprzętu i kwalifikacje obsługi używa się najczęściej firm
zewnętrznych wykonujących określone prace w formie usługi. Najwięcej zastosowań dla
dronów skrzydlatych spotyka się w krajach dysponujących rozległą siecią przesyłową (jak np.
Stany Zjednoczone czy Australia), gdzie od bardzo dawna do oblotu sieci używano
samolotów lub śmigłowców.
Drony wirnikowe ze względu na ich niewielki zasięg używane są głównie do oblotu
pojedynczych obiektów, takich jak np. pojedynczy słup, przęsło sieci, podstacja, plac budowy
itp. Zaletą tego typu dronów jest także ich stosunkowo niski koszt, łatwość obsługi i brak
wymagań formalnych, o ile pojazd nie wykonuje lotów autonomicznych. Te elementy powodują, że wiropłaty mogą być obsługiwane (po odpowiednim przeszkoleniu) przez
pracowników elektroenergetyki. To oznacza, że ekipa pracowników porusza się samochodem
od słupa do słupa i bada każdy słup osobno. Oczywiście taki oblot nie różni się tak wiele od
klasycznego obchodu, ma swoje zalety, ale i zasadniczą wadę - wymaga dużo czasu.
Oprócz zastosowania w eksploatacji sieci drony mogą być użyte w całym procesie
inwestycyjnym, od planowania inwestycji (tworzenie fotomap) do jej realizacji (nadzór nad
postępem prac budowlanych).
Zalety użycia dronów w stosunku do samolotów czy śmigłowców to:



Bardzo niskie koszty, zarówno sprzętu, jak i jego eksploatacji, pozwalają na znaczne
zwiększenie częstotliwości oblotów sieci. Ponadto, ze względu na niewielkie koszty,
możliwy jest oblot wybranych obszarów sieci dystrybucyjnej. W USA używa się już
dronów do oblotu sieci dystrybucyjnej aż do ostatniego transformatora na słupie (sieć
nn).
Zastosowanie wiropłatów umożliwia obloty realizowane przez ekipy własne
elektroenergetyki, a więc dostęp do takiej usługi według dowolnych potrzeb
elektroenergetyki.
Istotną zaletą dronów jest możliwość ich nieplanowanego użycia i np. skontrolowanie
sieci elektroenergetycznej po nietypowych zjawiskach pogodowych stwarzających zagrożenie dla funkcjonowania sieci. Możliwość oglądu sieci online przez operatora


sieci (wizualna i w podczerwieni) daje możliwość wczesnej reakcji na ewentualne
zagrożenia. Oczywiście, wymaga to istnienia także odpowiednio zorganizowanych
dostawców tego typu usług na rynku.
Ze względu na niewielki wpływ użycia dronów na otoczenie (hałas) i niewielkie
ryzyko szkód w przypadku awarii pojazdu, możliwy jest oblot sieci na obszarach
zurbanizowanych.
Należy także podkreślić znacznie mniejsze ryzyko szkód będących skutkiem awarii
drona. Sprzęt jest bezzałogowy, o stosunkowo niewielkiej masie, nie zawiera żadnych
niebezpiecznych (wybuchowych) materiałów. Konstrukcje dronów (poszycie) na ogół
wykonywane są z materiałów kompozytowych (izolator). Awaria sprzętu i upadek na
ziemię, o ile nie dojdzie do kolizji z człowiekiem, to wyłącznie strata sprzętu.
Informacje dostarczane przez drony
Podstawową informacją dostarczaną przez drony jest obraz sieci (lub innych obiektów) w
świetle widzialnym wraz z danymi GPS. Obrazy uzyskiwane są przy pomocy kamer
cyfrowych od średniej rozdzielczości (na ogół wideo onli-ne) do wysokiej rozdzielczości
(fotografie), dając klasyczny ogląd stanu sieci i jej otoczenia. W przypadku sieci NN daje to
możliwość:








Sprawdzenia stanu fundamentów słupa, jak np. spękania fundamentów, szkody
górnicze. Szkody muszą być jednak na tyle duże, aby zostały uchwycone na fotografii
wysokiej rozdzielczości oraz fundamenty muszą być widoczne (brak zakrzaczenia czy
zadrzewienia). Może to być trudne przy przebiegu linii przez tereny leśne, ale na
obszarach użytkowanych rolniczo możliwe (przynajmniej częściowo).
Zbadania stanu konstrukcji słupa. Fotografia wysokiej rozdzielczości pozwala na
wykrycie korozji słupa w widocznych z zewnątrz miejscach. Można zweryfikować
liczbę kątowników i określić ich braki. O ile braki nie są wynikiem kradzieży,
kątowniki mogą być widoczne u podstawy słupa. Podobnie jest z połączeniami
śrubowymi. O ile są one dobrze widoczne, można określić poziom ich rozkręcenia.
Określenia stanu stopni włazowych i zabezpieczenia przed wejściem osób trzecich na
konstrukcję. Sprawdzenie oświetlenia przeszkodowego oraz oznaczenia linii i faz na
wysokości poprzeczników, jak też oznaczeń kodowych i ostrzegawczych u podstawy
słupa (o ile są niezadrzewione).
Wykrycia obiektów nienależących do konstrukcji sieci, takich jak np. ptasie gniazda
na słupach czy obiekty zawieszone na kablach. Sprawdzenie stanu separatorów w
przewodach wielowiązkowych oraz tłumików drgań na przewodach.
Określenia stanu elementów mocujących przewód na słupie. Fotografia wysokiej
rozdzielczości pozwoli ocenić stan uchwytów przewodów czy połączeń
zaprasowanych. Stan izolatora może być oceniony zarówno pod kątem zewnętrznych
uszkodzeń, jak i zabrudzenia, powodującego utratę właściwości izolacyjnych.
Sprawdzenia stanu przewodów roboczych i odgromowych w obszarze mocowania do
słupa, jak i pomiędzy słupami. Prowadzi się obecnie prace nad oprogramowaniem
umożliwiającym identyfikację pojedynczych zerwanych drutów oplotu w przewodzie
roboczym.
Określenia wielkości zwisu w przęsłach, szczególnie w okresach, w których następuje
naturalne zwiększenie zwisu związane ze wzrostem temperatury czy dodatkowego
obciążenia przewodu (oblodzenie).
Sprawdzenia stanu korytarza przesyłowego, w tym stanu bliższego i dalszego
otoczenia linii, skrzyżowania linii z innymi obiektami. Istnieje oprogramowanie
pozwalające w pewnym zakresie rejestrować zmiany wywołane w korytarzu przesyłowym związane ze zmianami wegetacyjnymi, jak też działalnością człowieka.
Oczywiście konieczne jest regularne oblatywanie linii, aby zebrać materiał
porównawczy do takich analiz.
Znaczącym rozszerzeniem obserwacji w zakresie światła widzialnego jest możliwość oglądu
sieci w różnych obszarach podczerwieni (IR) oraz w ultrafiolecie (UV). Stosowane obecnie
systemy wykazują się małą lub średnią rozdzielczością, ale oprócz fotografii dają też
możliwość obserwacji wideo online. Ogląd sieci w podczerwieni umożliwia wykrycie miejsc
o podwyższonej temperaturze w stosunku do otoczenia. Oczywiście, takie miejsca mogą
powstać np. w wyniku działania słońca (nagrzanie zależne od koloru powierzchni i związanej
z tym absorbcji ciepła), ale mogą być także wynikiem nieznacznego przepływu prądu. Tak
zwane hotspots oznaczają znaczny już stopień degradacji izolacji i wymagają szybkiej
interwencji.
Ogląd sieci w ultrafiolecie pozwala na wykrycie tzw. wyładowania koronowego, któremu
towarzyszy wzbudzenie molekuł azotu, prowadzące do emisji promieniowania w obszarze
UV. Wyładowanie koronowe jest o tyle niebezpieczne, że powoduje jonizację gazów i - w
reakcji z wodą - tworzenie żrących kwasów lub zasad niszczących elementy struktury sieci.
Ponadto wyładowania te powodują silne zakłócenia elektromagnetyczne (zakłócenia
telekomunikacyjne). Wykrycie takich miejsc w sieci jest rodzajem wczesnego ostrzegania
przed ryzykiem uszkodzenia struktury sieci.
Od ok. 10 lat na rynku są dostępne specjalne kamery, umożliwiające rejestrację
promieniowania UV w świetle dziennym. Zawierają one specjalny zestaw filtrów blokujących
promieniowanie słoneczne, co pozwala nałożyć na siebie obrazy rejestrowane w świetle
widzialnym z obrazami w obszarze UV (Bi-spectral Imaging). Od kilku lat dostępne są także
kamery mogące być przenoszone przez większe drony (waga kamery ok. 1,5 kg).
Podsumowanie
Zastosowanie dronów w zarządzaniu sieciami elektroenergetycznymi jest ciągle we wstępnej
fazie rozwoju nie tylko w Polsce.
Regularne loty autonomiczne dronów mogą dostarczyć w krótkim czasie szczegółowych
danych dotyczących długich odcinków sieci. Możliwość zwiększenia częstości tych oblotów
powoduje, że obraz sieci ze statycznego zmienia się w dynamiczny, co znacząco może
wpłynąć na jakość usługi, jaką jest przesyłanie energii elektrycznej.
Użycie wiropłatów niekoniecznie wpłynie na przyśpieszenie oglądu sieci, ale zastosowanie
tego typu sprzętu zwłaszcza na niewielkich dystansach oraz możliwość jego użycia
bezpośrednio przez ekipy energetyków znacząco wpłynie na jakość uzyskiwanych informacji
o stanie sieci.
Potencjał istnieje, ale w jaki sposób zastosowanie dronów w elektroenergetyce rozwinie się w
Polsce w największym stopniu zależeć będzie od wymagań stawianych przez samą
elektroenergetykę.