Full scale smart monitoring of high voltage transmission lines

High Voltage Transmission Lines represent even more strategical infrastructures for the power delivery in a world projected towards energy transition to renewable sources. Being slender and low-damped structures, cables carrying electrical energy in transmission lines are affected by wind-induced vibrations that can lead to fatigue issues of conductors themselves and other mechanical components present on the line. If the vibration phenomena are not suitably mitigated, breakage of conductors and severe damages to the fittings can be observed. These issues can lead to a temporary line interruption, resulting in a critical loss of revenue for the Transmission System Operator. In this perspective, a real time vibration monitoring represents a key activity to assess the safety level of a line in terms of vibration and to perform a Condition Based Maintenance approach of the different mechanical elements. Methods and devices adopted so far to this purpose did not turn out to be very effective from an engineering point of view. This work proposes an innovative approach to the problem which takes advantage of a deep knowledge of the physical phenomenon and of the latest advances in the electronic field. A wireless monitoring system based on MEMS accelerometer and energy harvesting techniques has been designed and realized to measure in real time the vibration level due to wind induced vibrations on transmission line conductors. A suitable software has been developed to compute the stress level in the section of interest of the span starting from the collected experimental data. The proposed method allows to assess the severity of vibrations affecting the line in real time with the aim of checking the efficiency of the adopted damping system in case of newly built lines and defining the predictive maintenance in case of already existing transmission lines. Through the cumulation of the computed stresses in time, in fact, it is possible to compute the residual fatigue life of conductors and fittings, avoiding sudden breaks of in-service lines. In the framework of this research project the system has been designed, tested in laboratory and adopted in a field test on a Canadian Transmission Line where significant data have been collected for the validation of the method.

Le linee di trasmissione ad alta tensione rappresentano infrastrutture sempre più strategiche per il trasporto di energia elettrica in un mondo coinvolto nel processo di transizione energetica verso le fonti rinnovabili. Essendo strutture snelle e poco smorzate, i cavi che trasportano energia elettrica nelle linee di trasmissione sono interessati dalle vibrazioni indotte dal vento che possono portare a problemi di fatica nei conduttori stessi e negli altri componenti meccanici presenti sulla linea. Se i fenomeni di vibrazione non vengono adeguatamente mitigati si possono osservare rotture dei conduttori e gravi danni ai vari elementi meccanici presenti. Questi problemi possono portare a un'interruzione temporanea della linea, con conseguente grave perdita economica per il gestore del sistema di trasmissione. In questa prospettiva, un monitoraggio delle vibrazioni in tempo reale rappresenta un'attività chiave per valutare il livello di sicurezza di una linea in termini di vibrazioni e per eseguire un approccio di Condition Based Maintenance dei diversi elementi meccanici. I metodi e gli strumenti finora adottati a tale scopo non si sono rivelati molto efficaci dal punto di vista ingegneristico. Questo lavoro propone un approccio innovativo al problema che si avvale di una profonda conoscenza del fenomeno fisico e degli ultimi progressi in campo elettronico. Un sistema di monitoraggio wireless basato su accelerometro MEMS e tecniche di energy harvesting è stato progettato e realizzato per misurare in tempo reale il livello di sollecitazione dovuto alle vibrazioni indotte dal vento sui conduttori della linea di trasmissione. È stato sviluppato un opportuno software per calcolare il livello di stress nella sezione di interesse della campata a partire dai dati sperimentali raccolti. Il metodo proposto consente di valutare in tempo reale la gravità delle vibrazioni che interessano la linea con l'obiettivo di verificare l'efficienza del sistema di smorzamento adottato nel caso caso di linee di nuova realizzazione e di definire la manutenzione predittiva nel caso di linee di trasmissione già esistenti. Attraverso il cumulo nel tempo delle sollecitazioni calcolate, infatti, è possibile ottenere la vita a fatica residua dei conduttori e i componenti meccanici presenti in campata, evitando rotture improvvise delle linee in servizio. Nell'ambito di questo progetto di ricerca il sistema è stato progettato, testato in laboratorio e adottato in un test sul campo su una linea di trasmissione canadese dove sono stati raccolti dati significativi per la validazione del metodo.