الكشف الكهربائي القائم على مراقبة خطوط الطاقة العلوية

يعد اكتشاف الأعطال في الخطوط الكهربائية العلوية والوقاية منها أمراً بالغ الأهمية لموثوقية وتوافر إمدادات الكهرباء، بحيث تتراوح مساوئ الطرق التقليدية من التركيبات المرهقة إلى الصيانة المكلفة، ومن عدم القدرة على التكيف مع المخاطر التي يتعرض لها المشغلون البشريون.

أهمية الكشف الكهربائي القائم على مراقبة خطوط الطاقة العلوية

تعد خطوط الطاقة الكهربائية مكوناً حيوياً لقطاع الطاقة، ومن الضروري إجراء الصيانة الوقائية لخطوط نقل الجهد العالي بطريقة أكثر أماناً وفعالية لتلبية طلب المستهلكين، كما سيؤدي “انتشار الكهرباء” في قطاعي النقل والتوزيع في السنوات القادمة إلى مضاعفة تكاليف أي فشل في نقل الطاقة، ومع ذلك تواجه خطوط الكهرباء العلوية العديد من المشكلات، بما في ذلك “تراكم الثلوج” على الموصلات الكهربائية المكشوفة والتهديدات المستمرة بالانهيار لبنية النظام بسبب الظروف القاسية.

كذلك يؤدي هذا عادةً إلى فقدان مرحلة واحدة أو أكثر، بحيث تمثل خطوط النقل وحدها ما بين (5%) و (10%) من التكلفة الإجمالية للكهرباء، لذلك قد يحدث تلف كبير لشبكة الجهد العالي الإضافي (EHV) أو الجهد العالي (HV)، على سبيل المثال في فرنسا في ديسمبر (1999)م كان ما يقرب من (8%) في المائة من شبكة النقل (EHV / HV) معطلة واستغرق الأمر (6) أشهر لاستكمال إصلاح الخطوط، كما وقدرت التكلفة الإجمالية بنحو 150 مليون يورو.

ومع ذلك؛ فإن الخسائر الاقتصادية لمثل هذه الإصلاحات المطولة سوف تتضاعف بشكل كبير عندما تتعاقب الاضطرابات إلى المزيد من أنظمة النقل والطاقة الكهربائية في المستقبل، لذلك كان من الممكن حل هذا الأمر بسرعة أكبر عن طريق التحديد الأسرع للعيوب.

وفي السنوات الأخيرة، تم استخدام كل من روبوتات التسلق والمركبات الجوية غير المأهولة كنظم آلية لتحديد الأعطال في خطوط الكهرباء العلوية، وذلك من أجل معالجة قيود الأساليب التقليدية، ومع ذلك هناك تحديات في تطبيق مثل هذه الأساليب الآلية، وذلك بسبب هيكل ومكونات النظام الذي يشمل خطوط الكهرباء والعوازل وأبراج الهياكل المختلفة، بالإضافة إلى ذلك الطائرات بدون طيار مقيدة بتقنيات الاستشعار غير المتصلة التي يمكن استخدامها.

دراسة إمكانية أتمتة طرق فحص خطوط الطاقة الكهربائية العلوية

تم إجراء العديد من الدراسات البحثية لأتمتة طرق فحص أنظمة الطاقة، ومع ذلك هناك ندرة في المراجعات الشاملة المنشورة التي تسلط الضوء على بعض القضايا (مثل الصيانة والتفتيش) لمقاربات مختلفة للمشكلة، كما ويرجع ذلك أساساً إلى أن التكنولوجيا لا تزال تخضع للبحث والتطوير المستمر ولا يوجد إطار موحد للتطبيقات.

كما تتمثل المساهمة الرئيسية لهذه الدراسة في تقديم نظرة عامة شاملة على مختلف الاحتمالات والتحديات والقيود الواضحة والسيناريوهات الواقعية لتحسين الروبوتات المستقلة في أنظمة الطاقة (خاصة الطائرات بدون طيار) لعمليات التفتيش، وعلاوة على ذلك تختلف هذه الدراسة عن باقي الدراسات الموجودة من خلال توسيع النطاق في الجوانب التالية:

• تقنيات التفتيش الرئيسية المختلفة القائمة على الروبوتات المستقلة في أنظمة الطاقة، وهي الطرق التشغيلية والبيئية التقليدية والكهروميكانيكية والطائرات بدون طيار.

• مراجعة مناهج التحكم في التعلم التكراري الحالية في تطبيقات الطائرات بدون طيار وإمكانية الاتجاهات المستقبلية لاستخدامها في مناهج الفحص.

• التأكيد على استراتيجيات إعادة الشحن المستقل (أي الشاحن اللاسلكي من خطوط الطاقة) في تطبيقات الطائرات بدون طيار لتعزيز نهج الفحص القائمة على الروبوتات.

الطرق المستخدمة لفحص الأعطال في نظام الطاقة الكهربائية

في هذا القسم، يتم تقديم مراجعة حول مكونات نظام الطاقة بالإضافة إلى تصنيف الأعطال الذي يغطي مبادئ تقنيات التفتيش، وكذلك الطرق الأكثر شيوعاً لأعطال التفتيش التي حددها مشغلو شبكة التوزيع (DNO) والنقل، أيضاً مشغلي الشبكات (TNOs)، بالإضافة إلى ذلك تقديم نماذج انتشار عمليات التفتيش للطائرات بدون طيار والنهج القائمة على الروبوت.

الأساليب الحالية للكشف عن أخطاء التفتيش بواسطة (DNOs ، TNOs)

تعتبر أكثر مكونات نظام الطاقة عرضة للأخطار الطبيعية هي خطوط النقل والتوزيع، والتي تتمتع بأقصى ظروف العمل وتتعرض لمشاكل عديدة، كما يشكل هذا تحديات كبيرة لـ (DNOs و TNOs)، لذلك من المهم توضيح الفرق الأساسي بينهما، لذلك يكمن الاختلاف في هذه العوامل من حيث نوع الهيكل الهندسي وتدفق الطاقة والمسؤوليات والسلامة والصيانة والتفتيش.

وفي حالة (DNOs)، يتم اعتبار الجهد المنخفض والمسافة الطويلة مع تدفق الطاقة أحادي الاتجاه على نطاق محلي، على النقيض من ذلك، بحيث تركز (TNOs) على الجهد العالي والمسافات الطويلة من خلال تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه للعملاء الصناعيين الرئيسيين.

ومثال على تحديات (TNO)؛ أنه يحدث في التضاريس الوعرة مثل المناطق الجبلية في منطقة (Liangshan) في الصين، وقد يتسبب النظام المثبت في فشل متكرر في خطوط نقل (500) كيلو فولت على مسافة (3) كم، ويرجع ذلك إلى خطأ بسيط في إنشاء سلسلة من حالات الفشل تمتد لمسافات طويلة حتى تجد نقطة الفشل، كذلك قد يضطر طاقم الصيانة إلى السير لمسافة تصل إلى (6) كيلومترات في المناطق الجبلية لتحديد الموقع الدقيق لنقطة الصدع.

غالباًً ما يجعل تعقيد معظم شبكات الطاقة من تحديد الأعطال أمراً صعباً، خاصة وأن هناك العديد من أسباب وأنواع “انقطاع التيار الكهربائي” في خط النقل العلوي، بحيث تشمل الأمثلة العواصف والبرق والأمطار المتجمدة والضباب والتفريغ الجزئي (الهالة) وانهيار العزل والدوائر القصيرة التي تسببها الطيور أو الأجسام الخارجية الأخرى التي تلامس الخط أو فروع الأشجار التي تضرب الخطوط، كما تم تلخيص هذه الأسباب في الشكل التالي.

طرق الكشف عن نظام الطاقة الكهربائية باستخدام (UAV)

إن ظهور تقنية الطائرات بدون طيار لديه القدرة على معالجة القيود المذكورة أعلاه بسبب مزاياها المتأصلة من حيث التكلفة والقدرة على المناورة والسرعة وسهولة الإعداد، كما أنها لا تتطلب اتصالاً ويمكنها تحقيق الارتفاعات والمواقف المطلوبة لأداء مهام التفتيش الرئيسية، بحيث يمكن أيضاً تشغيل الطائرات بدون طيار في ظروف جوية أكثر قسوة ويمكن أن تعمل في أماكن تكون إما خطرة أو لا يمكن الوصول إليها من قبل البشر.

لذلك يستعرض هذا النطاق الأساليب المستخدمة في هذا المجال، والتي يتم تعميمها على المشكلات المحددة لأولئك الذين يركزون على فحص نقاط الصدع، مثل خطوط الكهرباء والأبراج أو العوازل ومجموعات تلك النقاط وتلك التي تركز على جمع البيانات وأخيراً تلك التي تركز على تتبع التحكم الكهربائي في الطائرات بدون طيار.

بالنهاية أظهرت هذه المراجعة الشاملة أن التقنيات الحالية لمراقبة خط الجهد العالي لها قيود كبيرة، كما أن هناك حاجة واضحة لتقليل كل من التكاليف الكبيرة التي تنفقها الشركات على مراقبة خطوط نقل الجهد العالي وكذلك النطاق الزمني المتضمن في تحديد الأعطال بعد تطورها، أيضاً الحاجة الأكثر إلحاحاً هي مراقبة واكتشاف الأعطال في شبكات (11kV) و (33kV) التي تديرها (DNOs).

بالإضافة الى تركيز الأبحاث الحالية على تقنيات تحليل الإشارات ذات الدقة المحدودة، بحيث تم إيلاء القليل من الاهتمام لتسخير التطورات الأخيرة في المركبات غير المأهولة والمراقبة، كما ومن المتصور أن هذا سيكون له مزايا “طائرة هليكوبتر” اعتيادية بدون تكلفة تشغيل كبيرة وتقليل المخاطر المحتملة على المشغلين البشر.