Lynstrøms-målesystem i vindmøller på en mark med lyn i baggrunden

Lynstrøms-målesystem Registrering og analyse af lynstrøm

Bevar overblikket over dine anlæg hele tiden, og reagér rettidigt på belastninger.

Lynnedslag forårsager alvorlige skader på bygninger og anlæg. En kontinuerlig personlig overvågning af ubeskyttede eller store anlæg er nærmest umulig, hvorfor skader opdages for sent. For i tide at kunne registrere og analysere lynnedslag tilbyder vi lynstrøms-målesystemet LM-S fra PHOENIX CONTACT.

Her får du at vide, hvordan lynstrøms-målesystemet fungerer, og hvilke anvendelsesområder der er mulige.

Lynstrøms-målesystem

Lynstrøms-målesystem

Unikt: Lynstrømsmålesystemet LM-S registrerer og analyserer alle vigtige parametre fra lynstrømme. Der tilsluttes op til tre sensorer til en analyseenhed. Sensorerne monteres på et lynbeskyttelsesanlægs afledninger. Målingen i sensorerne er baseret på en optomagnetisk effekt, den såkaldte Faraday-effekt. For at undgå påvirkninger fra målingen udføres signaloverførslen fra sensor til analyseenhed over lysledere.

Du kan finde flere informationer om sensorer og flere komponenter på produktdetaljesiden.

Lynstrøms-målesystem LM-S tutorial
Lynstrøms-målesystem LM-S tutorial YouTube
Lynstrøms-målesystem

Whitepaper om lynstrøms-målesystem

Whitepaper om lynstrøms-målesystem

Læs mere om funktionsprincippet i den optomagnetiske effekt i vores whitepaper "Registrering og måling af lynstrømme".

Skab dig et overblik over denne effekt, og afprøv om systemet er egnet til den tilstandsoptimerede vedligeholdelse.

Hermes Award 2012 til lynstrøms-målesystemet LM-S

Lynstrøms-målesystem LM-S

Hermes Award 2012 til lynstrøms-målesystemet

I år 2012 blev lynstrøms-målesystemet tildelt den eftertragtede, internationale teknologipris Hermes Award.

Siden 2004 er Hermes Award hvert år blevet uddelt til enestående, innovative produkter af Deutsche Messe AG.

Industrianlæg med lynnedslag

Følgeskader og ødelæggelser på grund af lynnedslag

Afhængigt af den medførte energi kan lynnedslag forårsage massive ødelæggelser på bygninger og anlæg, som igen kan være årsag til yderligere følgeskader.

I beboelsesområder eller områder med virksomheder, hvor personer regelmæssigt færdes, bliver sådanne skader umiddelbart synlige. Foranstaltninger til begrænsning af skader kan i de fleste tilfælde indledes med kort frist. Efter en sådan hændelse kan skadesomfanget tilsvarende vurderes hurtigt og konkret. En øjeblikkelig reparation og hurtig ibrugtagning af vigtige anlægsfunktioner kan forhindre følgeskader.

Ved udsatte anlæg eller anlæg med store flader er en kontinuerlig overvågning ved hjælp af personer normalt ikke mulig. Ødelæggelse eller beskadigelse af anlægget bemærkes ofte først på grund af følgeskader. Det er årsagen til, at intelligente overvågningssystemer oftere og oftere finder anvendelse. De overvåger permanent de forskellige funktioner og deres status i et anlæg og melder umiddelbart efter resultaterne til en central styringsenhed. Det giver også mulighed for at reagere med det samme på fejl, hvorved følgeskader og lange udfaldstider undgås.

Hidtil fandtes der ikke noget målesystem, hvormed lynnedslag i et anlæg kunne registreres og vurderes pålideligt. Tilsvarende fandtes der heller ikke nogen skades- eller fejlmeddelelse over sådanne hændelser.

Anlæg, som er særdeles udsatte for lynnedslag, er f. eks. vindenergianlæg, anlæg til fremstilling af energi, industrivirksomheder med store flader og baneanlæg. Ved sådanne anlæg er fejlfrie lynbeskyttelsesforanstaltninger altid vanskelige eller sommetider umulige at realisere.

Lightning Monitoring System LM-S fra Phoenix Contact

Lynstrøms-målesystem

Lynstrøms-målesystem LM-S

Fra Phoenix Contact leveres Lightning Monitoring System LM-S, som bruges til registrering og analyse af lynnedslag. Det består hovedsageligt af en analyseenhed og en sensor, som er monteret på et lynbeskyttelsesanlægs afledning.

Til at analysere højden og strømningsretningen for de lynprøvestrømme, der optræder i lynafledninger, bruger dette målesystem Faraday-effekten eller den magnetoptiske effekt. Derved påvirkes en lysleder magnetisk, og påvirkningsstørrelsen analyseres som måleresultat. Signaloverførslen sker også via lysleder.

Sammenlignet med en signaloverførsel via kobberledning giver dette nogle afgørende fordele. Lynstrømme, som optræder i målesystemets omgivelser, kan ikke længere påvirke lyssignaler eller blive indkoblet i overførselsstrækningen. Dermed står et pålideligt og EMC-mæssigt problemfrit signal til rådighed for vurderingsenhedens elektronik.

Funktionsprincip

Hvordan kan lynstrøm måles? Hvordan opstår overspændinger? Hvordan kommer overspændinger ind i dine apparater og anlæg? Disse spørgsmål har du sikkert tit stillet dig selv. I det følgende får du en detaljeret beskrivelse af lynstrømsregistrering.

Målestrækningens opbygning

Målestrækningen består af et transparent medium (dielektrikum), med polarisatorer eller polfiltre placeret på begge sider. Målestrækningen er placeret, så den i afledningen har en vinkel på 90° i forhold til strømningsretningen. En lysbølges udbredelsesretning i målestrækningen ligger parallelt med stødstrømmens magnetfelt i afledningen.

Lineært virkende polarisator

Lineært virkende polarisator

Polarisatorer

Polarisatorer eller polfiltre er optiske elementer, som bevirker en polarisation. Derved separeres elektromagnetiske bølger på grund af absorption eller stråledeling i lineær, elliptisk eller cirkulært polariseret lys. Til udnyttelse af Faraday-effekten polariseres lyset i dette tilfælde linært. Det betyder, at kun lineært polariseret lys kommer igennem polfiltret.

Magnetisk påvirkning af polarisationsniveauet

Magnetisk påvirkning af polarisationsniveauet

Magnetisk påvirkning af polarisationsniveauet

Lysbølgen sætter elektronerne i dielektrikummet i svingninger. Magnetfeltet ændrer elektronbevægelsen i dielektrikummet. Derved påvirkes lysets polarisationsniveau. Polarisationsniveauet kan drejes principielt i enhver vilkårlig retning.

Magnetooptisk effekt i LM-S

Magnetooptisk effekt i LM-S

Magnetooptisk effekt i LM-S

Den grafiske model viser alle væsentlige elementer og størrelser for den magnetooptiske effekt i lynmålesystemet. En lysbølge Φ med defineret lysstyrke føres gennem en lysleder til målestrækningen.

Polfiltret P1 på målestrækningens indgang polariserer det tilførte lys lineært. Lysbølgen, som polariseres på denne måde, sætter elektroner i mediet i svingning og bevæger sig gennem målestrækningens medium på polarisationsniveau. Polarisationsniveauet kan påvirkes magnetisk.

En stødstrøms magnetfelt drejer lysbølgens polarisationsniveau i mediet omkring længdeaksen. Drejeretningen afhænger af magnetiske feltlinjers retning og dermed af strømningsretningen. F. eks. danner stødstrømme forskelligt orienterede magnetiske feltlinjer ud fra negative og positive lyn.

Jo større strømmen I er, jo stærkere er magnetfeltet B og jo større er også drejevinklen β. Magnetfeltet B1 forårsager en højredrejning og magnetfeltet B2 en venstredrejning af lysbølgen.

Ved målestrækningens udgang er det andet lineære polfilter P2 placeret i en vinkel på 45° i forhold til indgangspolfiltret. Fra en upåvirket lysleder trænger dermed kun 50 % af lysmængden gennem udgangspolfiltret. Afhængigt af lysbølgens drejning lader udgangspolfiltret mere eller mindre lys trænge igennem. På den måde opstår et lyssignal, der kan måles og analyseres.

Skematisk fremstilling: Ændring af lysmængden bag udgangspolfiltret

Skematisk fremstilling: Ændring af lysmængden bag udgangspolfiltret

Måleresultat og registrering

Et positivt lyn medfører en højredrejning af det polariserede lyssignal. Lysmængden bag det andet polfilter tiltager og er mellem 50 og 100 %. Når et lyssignals drejevinkel når 45°, svarer det til et positivt lyns måleværdi på 100 %.

Et negativt lyn medfører en venstredrejning af det polariserede lyssignal. Lysmængden bag det andet polfilter aftager og er mellem 50 og 0 %. Når et lyssignals drejevinkel når -45°, svarer det til et negativt lyns måleværdi på 100 %.

Lysmængden måles bag udgangspolfiltret. Ud fra lysmængdens tidsmæssige forløb afledes den registrerede lynprøvestrøms typiske parametre. Det er den maksimale strømstyrke, lynstrømsstejlhed samt ladning og specifikke energi.

Påvirkningsstørrelser

De vigtige påvirkningsstørrelser er mediets materiale, lysets bølgelængde, lysets længde gennem mediet samt den magnetiske feltstyrke. Derudover er flere teoretiske grundlag og påvirkningsstørrelser forklaret nedenfor.

Elektrisk fieldvektor E
Den elektriske fieldvektor E beskriver den påvirkede lysbølges forløb og position. Den angives med en pil (se grafisk model).

Dielektrikum
Som dielektrikum betegnes alle elektrisk svagt- eller ikke-ledende, ikke-metalliske substanser, hvis ladningsbærer generelt ikke er frit bevægelig. Der kan være tale om en gas, en væske eller et fast materiale. Disse substanser er normalt ikke magnetiske og bestråles med elektriske eller elektromagnetiske felter.

Verdet-konstanten V
Verdet-konstanten V svarer til drejeevnen pr. enhed for den magnetiske strømningstæthed. Den beskriver Faraday-effektens styrke for det dielektrikum, der skal vurderes. Dens værdi afhænger af elektromagnetiske bølgers bølgelængde i mediet.

Beregning af drejevinklen β
Drejevinklen β, som polarisationsniveauet drejer sig omkring, beregnes ud fra:

β = V x d x B

d er lysvejens længde gennem mediet, B den magnetiske strømningstæthed og V Verdet-konstanten.

Cirkelformet magnetfelt omkring en sensor

Cirkelformet magnetfelt omkring sensoren

Installation

I det cirkelformede magnetfelt afhænger den effektive feltstyrke af sensorens indføringsdybde i den gennemstrømmede aflednings magnetfelt.

Indføringsdybden defineres i beregningen ved hjælp af radiussen. Det vil sige, at jo mindre radius er, desto større er feltstyrken. For at den effektive feltstyrke er så stor som muligt er det en fordel at montere sensoren så tæt på afledningen som muligt.

Forklaring:
H = Feltstyrke [A/m]
r = Radius [cm]
I = Strøm [A]

Sensorhus til LM-S

Målestrækningen befinder sig i sensorhusets forreste område.

Radiussens betydning for systemets kalibrering

Radiussen er målet for sensorens indføringsdybde i magnetfeltet og til registrering af magnetfeltstyrken H, som er effektiv der. Værdien svarer til afstanden fra lederens midterlinje til sensorhusets ydre kant.

Radiussen beregnes ved installationen. Det er vigtigt for kalibreringen af systemet, da den sikrer ens målebetingelser ved forskellige anlægsforhold.

Signaloverførsel og overvågning

Hvordan kommer det registrerede signal fra sensoren til analyseenheden? Hvordan analyseres måleresultaterne der? Hvordan kan systemet minimere vedligeholdelsesarbejdet? I det følgende kan du se svaret.

RJ45 Ethernet-grænseflade

RJ45 Ethernet-grænseflade

Systemgrænseflade og signaloverførsel

Analyseenheden kan integreres i standardnetværk over RJ45 Ethernet-grænsefladen. Både adgangen til registrerede data og konfigurationen af systemet sker over en intern webserver. Ved hjælp af IP-adressering hentes webgrænsefladen over en tilsluttet PC's internetbrowser.

Visning af belastningsværdier på en mobiltelefon

Visning af belastningsværdier på en mobiltelefon

Fjernovervågning og præventiv vedligeholdelse

Lynnedslag i svært tilgængelige eller fjerntliggende anlæg, som f. eks. offshore-vindmølleparker kan ikke registreres eller kun med store udgifter til følge. Lynregistreringssystemet LM-S gør alle måledata tilgængelige over den integrerede webgrænseflade. Således kan der med fjernadgang, f. eks. med en smartphone, når som helst hentes information om anlæggets belastningssituation.

Med de registrerede data kan et anlægs egentlige belastning vurderes meget nøjagtigt. Måleresultaterne er altid aktuelle og muliggør en præventiv vedligeholdelse. For at undgå følgeskader kan der hurtigt træffes foranstaltninger, når en beskadigelse af anlægget kan være på tale. Udfaldstider kan dermed reduceres eller helt undgås. Men hvis der ud fra måleresultaterne kan afledes en minimal ukritisk belastning af anlægget, spares dermed unødig vedligeholdelses- eller servicearbejde.

Remote-kontaktens konfiguration

Remote-kontaktens konfiguration

Remote-kontakt

Analyseenheden har også et koblingsrelæ med remote-kontakt. Ved hver hændelse afgiver denne brydekontakt en kort impuls, som kan fortolkes af en tæller. Det er dermed også muligt at registrere antallet af lynnedslag i anlægget, som har fundet sted. Relækontakten indtager først sin hvileposition efter systemets start. Og ved systemfejl frafalder relæet. Over remote-kontakten forespørges således også om systemets parathed.

Applikationseksempler

Et par eksempler på anvendelser, der kan implementeres med lynstrøms-målesystemet, er nævnt nedenfor.

Vindenergianlæg

Udsatte vindenergianlæg såsom offshore-vindmølleparker regnes for at udgøre en særlig risiko for lynnedslag. Ved sådanne anlæg er lynbeskyttelsesforanstaltninger altid vanskelige eller sågar umulige at realisere. I sådanne tilfælde anvendes lynstrøms-målesystemet.

Figuren viser de enkelte systemkomponenters placering i et vindenergianlæg. På lynstrømsafledningernes vinger er der monteret en sensor. Analyseenheden befinder sig i en styretavle i navet. Signalforbindelsen mellem sensorerne og analyseenheden sker med lysledere. Ethernet-forbindelsen til den centrale styring etableres over slæberinge mellem nacellen og udstyrsetagen. Analyseenheden arbejder med 24 volt-jævnspænding.

Ved behov sluttes remote-kontakten til styringen. Derudover kan hvert lynnedslag signaleres eller antallet af hændelser registreres.

Skematisk fremstilling af en LM-S-applikation med et vindenergianlæg som eksempel

Skematisk fremstilling af en LM-S-applikation med et vindenergianlæg som eksempel

Diagram over anvendelsen af et lynregistreringssystem ved Hermann-mindesmærket i Detmold

LM-S ved Hermanns-mindesmærket i Detmold

Kulturmindesmærke

Dette applikationseksempel viser anvendelsen af et lynregistreringssystem ved Hermann-mindesmærket i Detmold, Tyskland. Kobberstatuen står på et fundament af kalksandsten. Tre jordledninger er tilsluttet på statuens sokkel. Ved lynnedslag afledes lynprøvestrømmene til jord i det i alt 53 m høje bygningsværk. På disse afledninger er sensorerne monteret. Analyseenheden er installeret i en styretavle indvendigt i fundamentet.

Transformerstation

Lynnedslag i højspændingsledninger fører til en belastning af transformatorerne i transformatorstationer. Der er ofte koblet overspændingsbeskyttelseselementer foran transformatorerne, hvormed stødstrømme fra indkoblede overspændinger afledes til jord. Tidligere blev fortrinsvis gnistgab benyttet som beskyttelseselementer. I de senere år foretrækkes anvendelse af varistorer.

LM-S gør det muligt at registrere og analysere beskyttelseselementernes egentlige belastning. Belastningsgrænser registreres dermed i god tid, så de berørte beskyttelseselementer kan skiftes ud.

Sensorernes installation sker på afledningerne mellem beskyttelseselementerne og jord. Lysledere overfører målesignalerne til analyseenheden, som er installeret i en separat styretavle.

Skematisk fremstilling af en LM-S-applikation med en understation som eksempel

Skematisk fremstilling af en LM-S-applikation med en understation som eksempel