Strukturelle Zustandsüberwachung von Freileitungsmasten mit Dewesoft

Umweltbelastungen und strukturelle Alterung wirken sich ständig auf Freileitungsmasten aus, das Versagen tritt jedoch meist ohne sichtbare Vorwarnung auf. Eine kontinuierliche Überwachung ist die einzige zuverlässige Methode, um frühzeitige Veränderungen zu erkennen und unerwartete Einstürze zu verhindern. Das NEMOSENSE-System von Dewesoft ermöglicht die ferngesteuerte, langfristige Verfolgung von Ausschwingungen und wandelt das Strukturverhalten durch automatisierte Verarbeitung und cloudbasierte Alarmierung in verwertbare Erkenntnisse um.

Freileitungsmasten können aufgrund einer Kombination aus Umwelt- und Strukturfaktoren plötzlich versagen. In technischen Vorfallsberichten werden mehrere wiederkehrende Ursachen genannt, darunter

• Instabilität des Fundaments durch Überschwemmungen, Erdrutsche oder Bodenverflüssigung;

• Korrosion in Küsten- oder Industriegebieten, die die Querschnittsfestigkeit verringert;

• Materialermüdung aufgrund jahrzehntelanger zyklischer Belastung durch windinduzierte Bewegungen;

• absichtliche Entfernung von Bauteilen, z. B. Diebstahl von Querverstrebungen.

Viele Masten stehen in abgelegenen Gebieten, in denen routinemäßige Inspektionen nur schwer zu bewerkstelligen sind, und allein durch visuelle Kontrollen lassen sich subtile interne Schäden, lockere Bolzen oder beginnende Fundamentsetzungen nicht erkennen.

Warum Schwingungsüberwachung funktioniert

Jeder Mast verhält sich wie ein mechanischer Resonator und schwingt mit Eigenfrequenzen, die von seiner Geometrie, Masse und strukturellen Steifigkeit abhängen. Obwohl Wind und andere Umgebungseinflüsse die Struktur kontinuierlich anregen, bleiben die Frequenzen stabil, solange der Mast unbeschädigt ist.

Aber schon kleine strukturelle Veränderungen – etwa Korrosion, sich lockernde Verbindungen oder fehlende Verstrebungen – können messbare Verschiebungen bei folgenden Parametern verursachen:

• Eigenfrequenzen

• Schwingungsamplituden

• Dämpfungseigenschaften

Die kontinuierliche Schwingungsüberwachung liefert daher einen nicht-invasiven, zuverlässigen Indikator für den Zustand der Struktur und kommt ohne physische Inspektionen oder Belastungsprüfungen aus.

Überwachungsherausforderungen im Feld

Die Implementierung einer langfristigen Mastüberwachung erfordert die Bewältigung mehrerer praktischer Herausforderungen:

• Fehlende Stromversorgung – autonome Energiespeicherung und solarbetriebenes Aufladen erforderlich

• Begrenzte Netzabdeckung – Kommunikation nur über Mobilfunk oder Verbindungen mit geringer Bandbreite

• Raue Außenbedingungen – wie z. B. extreme Temperaturen, Feuchtigkeit und UV-Strahlung

• Schnelle Installation ohne hohen Qualifikationsbedarf – wegen eingeschränktem Zugang zu den Masten und begrenzter Einsatzzeit des Personals

Diese Anforderungen schließen die Verwendung herkömmlicher kabelgebundener Datenerfassungssysteme aus und erfordern eine speziell entwickelte, stromsparende Lösung, die für den unbeaufsichtigten Betrieb ausgelegt ist.

NEMOSENSE-Systemübersicht

NEMOSENSE von Dewesoft ist ein integrierter IdD-Schwingungsdatenlogger, der für die permanente Strukturüberwachung entwickelt wurde. Das Gerät kombiniert einen rauscharmen triaxialen MEMS-Beschleunigungsmesser, integrierte Datenverarbeitung und Datenspeicherung in einem für die Installation im Freien geeigneten, abgedichteten  IP67-Gehäuse.

Das Gerät verarbeitet Schwingungsdaten lokal, indem es die Eigenfrequenz, die Spitze-Spitze-Auslenkung und statistische Indikatoren extrahiert, und überträgt die Ergebnisse dann per Ethernet oder LTE an einen zentralen Server.

NEMOSENSE-Geräte können auf drei Arten mit Strom versorgt werden:

• durch passives PoE (Power-over-Ethernet) unter Verwendung eines Dewesoft-Power-Injectors,

• durch aktives PoE unter Verwendung eines Ethernet-Switches mit PoE,

• durch eingebaute Akkus mit der optionalen Akkupack-Option (NEMOSENSE-B).

Mit einem optionalen eingebauten Akku und einem Solarkollektor kann NEMOSENSE über längere Zeiträume autonom betrieben werden. Der eingebaute Akku kann mittels PoE aufgeladen werden.

Mehrere NEMOSENSE-Einheiten können per NTP oder GPS synchronisiert werden, was netzübergreifende Vergleiche zwischen Masten ermöglicht.

Systemarchitektur und Datenfluss

Jede NEMOSENSE-Einheit führt die Signalerfassung und Voranalyse vor Ort durch. Die Daten werden intern gespeichert und bei verfügbarer Verbindung sicher per MQTT-Protokoll an die Dewesoft-Historian-Zeitreihendatenbank übertragen. 

Ingenieure verfügen über zwei Optionen zur Überprüfung von Live- oder historischen Daten:

• Webbasiertes Dashboard für die bestandsweite Zustands- und Trendvisualisierung

• Software DewesoftX für detaillierte Analyse und Berichterstellung

Anhand von GPS-Positionsdaten wird jeder überwachte Mast automatisch auf einer Karte platziert, was das Bestandsmanagement vereinfacht und die manuelle Konfiguration überflüssig macht.

Bereitstellung und Installation

Zur Installation müssen lediglich das Gerät und der Solarkollektor mit Magnet- oder Schellenhalterungen am Mast befestigt und das Gerät eingeschaltet werden. Eine Konfiguration vor Ort ist nicht erforderlich. Nach der Aktivierung führt das System die folgenden Schritte aus:

1. Erfassung von GPS-Position und Uhrzeit

2. Herstellung einer Verbindung zum ausgewählten Mobilfunknetz

3. Übertragung von Schwingungsindikatoren an den zentralen Server

Dank des rauscharmen Beschleunigungssensors braucht die Installation nicht an der Spitze des Mastes zu erfolgen, was die Sicherheit erhöht und die Montagezeit verkürzt.

NEMOSENSE-Geräte verfügen über ein wasserdichtes Aluminiumgehäuse mit einem RJ45-Harting-Push-Pull-Stecker. Das für die Montage im Freien konzipierte Gehäuse ist in Schutzart IP67 ausgeführt und vollständig wasserdicht.

Das freiluftgeeignete Gehäuse entlüftet sich automatisch, um den Innendruck dem Umgebungsluftdruck anzugleichen und gleichzeitig das Eindringen von Wasser zu verhindern. Diese Funktion verlängert die Lebensdauer der Dichtung und des Gehäuses.

Es ist oft hilfreich, erfasste Schwingungen mit Umgebungsbedingungen zu korrelieren. Zu diesem Zweck bietet NEMOSENSE optional einen Umgebungstemperatursensor und ein Anemometer für die Messung von Windrichtung und -geschwindigkeit.

Operationelle Vorteile

Die kontinuierliche Überwachung mit NEMOSENSE ermöglicht:

• die Früherkennung struktureller Schäden anhand von Frequenzdrift (z. B. Erkennung von lockeren Bolzen, Korrosion und Fundamentsetzungen);

• die Verringerung des Bedarfs an manuellen Inspektionen und Notfallreparaturen an abgelegenen Standorten;

• automatische Alarme bei abnormalem Verhalten;

• eine historische Trendanalyse für die datengestützte prädiktive Instandhaltung anstelle regelmäßiger Kontrollen;

• den Vergleich von Masten mit ähnlicher Geometrie oder Belastung.

Durch KI-basierte serverseitige Analysen lässt sich die Erkennung von Anomalien in großen Infrastrukturnetzwerken weiter verbessern.

Fazit

Freileitungsmasten unterliegen allmählichen strukturellen Veränderungen, die oft erst bei einem Versagen bemerkt werden. Die kontinuierliche Schwingungsüberwachung bietet eine zuverlässige Methode zur Erkennung von Verschleißerscheinungen im Frühstadium ohne die Erfordernis invasiver Inspektionen.

NEMOSENSE bietet eine kompakte, autonome und praxiserprobte Lösung für die langfristige Echtzeitüberwachung von Masten. Sie kombiniert rauscharme Schwingungsmessung, integrierte Datenverarbeitung und sichere Datenübertragung in einem robusten, einfach zu installierenden System. Das Ergebnis ist ein moderner, skalierbarer Ansatz für das Infrastruktur-Zustandsmanagement, der einen sichereren Betrieb, geringere Wartungskosten und datengestützte Entscheidungen ermöglicht.