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.