Sistema de medición de corrientes de rayo en aerogeneradores en un campo con rayos de fondo

Sistema de medición de corrientes de rayo Registrar y evaluar corrientes de rayo

Controle en todo momento sus instalaciones y reaccione con antelación frente a cargas.

Los rayos provocan daños catastróficos en edificios e instalaciones. La observación continua por parte de personas es casi imposible en el caso de instalaciones expuestas o con una gran superficie, de manera que los destrozos se perciben demasiado tarde. Para registrar y evaluar las descargas de rayo con antelación tiene a su disposición el sistema de medición de corrientes de rayo LM-S de Phoenix Contact.

Aquí descubrirá cómo funciona el sistema de medición de corrientes de rayo y qué ámbitos de aplicación son posibles.

Sistema de medición de corrientes de rayo

Sistema de medición de corrientes de rayo

El sistema de medición de corrientes de rayo LM-S reconoce y analiza todos los parámetros importantes de las corrientes de rayo. En una unidad de evaluación se conectan hasta tres sensores. Los sensores se montan en las distintas derivaciones de un sistema de protección contra rayos. La medición en los sensores se basa en un efecto magneto-óptico llamado efecto Faraday. Para evitar interferencias en la medición, la transmisión de señales del sensor a la unidad de evaluación se realiza mediante cables de fibra óptica.

Para más información sobre los sensores y otros componentes, consulte la página de detalles del producto.

Tutorial del sistema de medición de corrientes de rayo LM-S
Tutorial del sistema de medición de corrientes de rayo LM-S YouTube
Sistema de medición de corrientes de rayo

Whitepaper del sistema de medición de corrientes de rayo

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Infórmese en nuestro Whitepaper "Registro y medición de corrientes de rayo" sobre el principio de funcionamiento del efecto magneto-óptico.

Obtenga una visión general de este efecto y compruebe si el sistema es adecuado para el mantenimiento de estado optimizado.

Hermes Award 2012 para el sistema de medición de corrientes de rayo LM-S

Sistema de medición de corrientes de rayo LM-S

Hermes Award 2012 para el sistema de medición de corrientes de rayo

En el año 2012, el sistema de medición de corrientes de rayo recibió el codiciado premio tecnológico internacional Hermes Award.

Desde 2004, cada año la Deutsche Messe AG otorga el premio Hermes Award a productos destacados e innovadores.

Instalaciones industriales con descargas de rayos

Daños indirectos y destrozos a causa de descargas de rayo

En función de la energía transportada, las descargas de rayo provocan destrozos masivos en edificios e instalaciones que pueden comportar otros daños resultantes.

En el ámbito de los edificios de viviendas o empresas comerciales, frecuentados regularmente por personas, este tipo de daños se percibe inmediatamente. Las medidas de ayuda para limitar los daños pueden tomarse a corto plazo en la mayoría de los casos. Después de un evento de ese estilo, el alcance de los daños puede evaluarse con rapidez y precisión. Una reparación inmediata y una nueva puesta en marcha de las funciones importantes puede prevenir daños indirectos.

En caso de instalaciones expuestas o de gran superficie, por lo general no existe la posibilidad de que se efectúe una monitorización continua por parte de personas. A menudo, los destrozos o los daños en la instalación solo se perciben por medio de los daños indirectos. Por este motivo, los sistemas de monitorización inteligentes se utilizan cada vez con más frecuencia. Estos monitorizan permanentemente las distintas funciones y su estado en una instalación e informan de los resultados directamente a una unidad de control central. Esto también permite una reacción inmediata a los fallos, así como evitar daños indirectos y largos periodos de inactividad.

Hasta ahora no había un sistema de medición con el que reconocer de forma fiable y evaluar las descargas de rayo en una instalación. Por consiguiente, tampoco se notificaban los daños o averías sobre este tipo de incidentes.

Las instalaciones expuestas con especial riesgo de rayos son, por ejemplo, los aerogeneradores, los sistemas de generación de energía, las explotaciones industriales de gran superficie y las instalaciones ferroviarias. En estas instalaciones en principio resulta muy difícil o casi imposible implementar medidas completas de protección contra rayos.

Sistema de medición de corrientes de rayo LM-S de Phoenix Contact

Sistema de medición de corrientes de rayo

Sistema de medición de corrientes de rayo LM-S

Para registrar y evaluar las descargas de rayo se suministra el sistema de medición de corrientes de rayo LM-S de Phoenix Contact. Básicamente, consiste en una unidad de evaluación y un sensor montado en la derivación de un sistema de protección contra rayos.

Para analizar la altura y el sentido del flujo de las corrientes transitorias de rayo que se producen en pararrayos, este sistema de medición utiliza el efecto Faraday o el efecto magneto-óptico. Para ello, una onda de luz se ve influida magnéticamente y se evalúa la magnitud de influencia como resultado de la medición. La transmisión de señales también se lleva a cabo a través de cables de fibra óptica.

En comparación con la transmisión de señales a través de un conductor de cobre, esto presenta ventajas decisivas. Las corrientes de rayo que aparecen en el entorno del sistema de medición ya no pueden influir en la señal de luz o acoplarse en el trayecto de transmisión. Para ello, la electrónica de la unidad de evaluación dispone de una señal fiable e inocua en términos de compatibilidad electromagnética (CEM).

Principio de funcionamiento

¿Cómo se puede medir la corriente de rayo? ¿Cómo se producen las sobretensiones? ¿Cómo llegan las sobretensiones a sus equipos e instalaciones? Quizá usted también se ha hecho estas preguntas alguna vez. A continuación, podrá informarse ampliamente sobre el tema del registro de las corrientes de rayo.

Configuración del tramo de medición

El tramo de medición se compone de un medio transparente (dieléctrico) con polarizadores dispuestos a ambos lados o filtros polarizados. El tramo de medición está dispuesto de tal modo que la dirección del flujo de corriente en la derivación adopta un ángulo de 90°. De esta manera, la dirección de propagación de una onda de luz se encuentra en el tramo de medición paralelamente al campo magnético de la corriente transitoria en la derivación.

Polarizador de acción lineal

Polarizador de acción lineal

Polarizadores

Los polarizadores o filtros polarizados son elementos ópticos que producen una polarización. Para ello, las ondas electromagnéticas se separan a través de la absorción o la división de haz en luz polarizada lineal, elíptica o circular. Para la utilización del efecto Faraday, en este caso la luz se polariza linealmente. Esto significa que a través del filtro polarizado solo llega la luz polarizada linealmente.

Influencia magnética en el plano de polarización

Influencia magnética en el plano de polarización

Influencia magnética en el plano de polarización

La onda de luz alterna los electrones en el dieléctrico con oscilaciones. El campo magnético modifica el movimiento de los electrones en el interior del dieléctrico. De este modo, se ve influido el plano de polarización de la luz. El plano de polarización, en principio, puede girar en cualquier dirección.

Efecto magneto-óptico en el LM-S

Efecto magneto-óptico en el LM-S

Efecto magneto-óptico en el LM-S

El modelo gráfico muestra todos los elementos y tamaños esenciales del efecto magneto-óptico en el sistema de medición de rayos. Una onda de luz Φ con intensidad de luz definida se conduce por el tramo de medición mediante un cable de fibra óptica.

El filtro polarizado P1 en la entrada del tramo de medición polariza la luz introducida de manera lineal. La onda de luz polarizada de este modo alterna los electrones en el medio en oscilación y se mueve sobre el plano de polarización a través del medio del tramo de medición. El plano de polarización puede verse influido magnéticamente.

El campo magnético de una corriente transitoria gira el plano de polarización de la onda de luz en el interior del medio alrededor del eje longitudinal. El sentido de giro depende de la dirección de las líneas de campo magnéticas y, con ello, de la dirección del flujo de corriente. P. ej., las corrientes transitorias de rayos negativos y positivos producen líneas de campo magnéticas de diferente orientación.

Cuanto mayor sea la corriente I, más fuerte será el campo magnético B y mayor será también el ángulo de giro β. El campo magnético B1 provoca un giro a la derecha y el campo magnético B2 un giro a la izquierda de la onda de luz.

En la salida del tramo de medición está dispuesto el segundo filtro polarizado lineal P2 en un ángulo de 45° con respecto al filtro polarizado de entrada. De esta manera, de una onda de luz no influida solo entra el 50 % de la cantidad de luz a través del filtro polarizado de salida. En función del giro de la onda de luz, el filtro polarizado de salida permite que entre más o menos luz. Así se produce una señal de luz medible y evaluable.

Esquema: Cambio en la cantidad de luz detrás del filtro polarizador de salida

Esquema: Cambio en la cantidad de luz detrás del filtro polarizador de salida

Resultado de la medición y evaluación

Un rayo positivo provoca un giro hacia la derecha de la señal de luz polarizada. La cantidad de luz detrás del segundo filtro polarizado aumenta y alcanza entre el 50 y el 100 %. Cuando el ángulo de giro de la señal de luz llega a 45°, esto se corresponde con el valor comprobado al 100 % de un rayo positivo.

Un rayo negativo provoca un giro hacia la izquierda de la señal de luz polarizada. La cantidad de luz detrás del segundo filtro polarizado se reduce y alcanza entre el 50 y el 0 %. Cuando el ángulo de giro de la señal de luz llega a -45°, esto se corresponde con el valor comprobado al 100 % de un rayo negativo.

La cantidad de luz se mide detrás del filtro polarizado de salida. Los parámetros típicos de la corriente transitoria de rayo registrada se derivan del flujo temporal de la cantidad de luz. Estos son la intensidad de corriente máxima y la pendiente de la corriente de rayo así como la carga y la energía específica.

Magnitudes de influencia

Las magnitudes de influencia importantes son el material del medio, la longitud de onda de la luz y la longitud del recorrido de la luz a través del medio, así como la intensidad de campo magnética. Asimismo, a continuación se explican otras nociones teóricas y magnitudes de influencia.

Vector de campo eléctrico E
El vector de campo eléctrico E describe el curso y la posición de las ondas de luz influidas. Se representa como flecha (véase el modelo gráfico).

Dieléctrico
Como dieléctrico se denomina toda sustancia no metálica con poca o nula conductividad eléctrica, cuyos portadores de carga en general no se pueden mover libremente. En este caso, puede tratarse de un gas, un líquido o un sólido. Estas sustancias suelen ser no magnéticas y se aplican con campos eléctricos o electromagnéticos.

Constante Verdet V
La constante Verdet V corresponde al poder rotatorio por unidad de la densidad de flujo magnética. Describe la intensidad del efecto Faraday para el dieléctrico que debe evaluarse. Su valor depende de la longitud de onda de las ondas electromagnéticas en el medio.

Cálculo del ángulo de giro β
El ángulo de giro β alrededor del cual gira el plano de polarización se calcula según:

β = V x d x B

d es la longitud del recorrido de la luz a través del medio, B es la densidad de flujo magnético y V es la constante de Verdet.

Campo magnético circular alrededor de un sensor

Campo magnético circular alrededor del sensor

Instalación

En el campo magnético circular, la intensidad de campo eficaz depende de la profundidad de inmersión del sensor en el campo magnético de la derivación conductora de corriente.

La profundidad de inmersión se define en el cálculo a través del radio. Es decir, cuanto menor sea el radio, mayor será la intensidad de campo. Para que la intensidad de campo efectiva sea lo más grande posible, es ventajoso montar el sensor lo más cerca posible de la derivación.

Leyenda:
H = intensidad de campo [A/m]
r = radio [cm]
I = corriente [A]

Carcasa de sensor del LM-S

El tramo de medición se encuentra en el área delantera de la carcasa del sensor.

Significado del radio para el calibrado del sistema

El radio es la medida para la profundidad de inmersión del sensor en el campo magnético y para el registro de la intensidad del campo magnético H eficaz en este punto. El valor corresponde a la distancia desde la línea central del conductor hasta el borde exterior de la carcasa del sensor.

El radio se determina durante la instalación. Esto es importante para el calibrado del sistema, ya que garantiza las mismas condiciones de medición para diferentes circunstancias de la instalación.

Transmisión de señales y monitorización

¿Cómo llega la señal registrada del sensor a la unidad de evaluación? ¿Cómo se evalúan allí los resultados de la medición? ¿Cómo puede el sistema minimizar los trabajos de mantenimiento? A continuación ,encontrará la respuesta.

Interfaz Ethernet RJ45

Interfaz Ethernet RJ45

Interfaz del sistema y transmisión de señales

Mediante la interfaz Ethernet RJ45 se puede integrar la unidad de evaluación en redes estándar. El acceso a los datos registrados y la configuración del sistema se realiza mediante el servidor web interno. La interfaz web se llama a través del navegador de Internet de un PC conectado mediante el direccionamiento IP.

Visualización de los valores de carga en un teléfono móvil

Visualización de los valores de carga en un teléfono móvil

Monitorización remota y mantenimiento preventivo

La descargas de rayo en instalaciones difícilmente accesibles o remotas, tales como parques eólicos en ultramar, apenas pueden reconocerse. El sistema de registro de rayos LM-S facilita todos los datos de medición por medio de la interfaz web integrada. De este modo, puede consultarse en cualquier momento mediante acceso remoto, p. ej. con un teléfono móvil, la situación de carga de la instalación.

Con los datos evaluados puede estimarse con gran precisión la carga real de una instalación. Los resultados de medición siempre son actuales y permiten un mantenimiento preventivo. Para evitar daños indirectos, puede tomar medidas rápidamente si debe partirse de daños en la instalación. Esto hace que se reduzcan los tiempos de inactividad o que puedan incluso evitarse. Sin embargo, si a partir de los resultados de medición puede derivarse una carga mínima no crítica de la instalación, esto ahorrará trabajos de mantenimiento y servicio innecesarios.

Asignación del contacto remoto

Asignación del contacto remoto

Contacto remoto

La unidad de evaluación también está provista de un relé de conmutación con contacto remoto saliente. Con cada evento, este contacto NC produce un breve impulso que puede ser evaluado por un contador. De este modo, también existe la posibilidad de realizar una evaluación sencilla o adicional del número de descargas de rayo que se han producido en la instalación. El contacto de relé adopta su posición de reposo solo después del arranque del sistema. Y en caso de averías del sistema, el relé se desactiva. De este modo, también se puede consultar por medio del contacto remoto la disponibilidad del sistema.

Ejemplos de aplicación

A continuación, se presentan algunos ejemplos de aplicaciones que pueden realizarse con el sistema de medición de corrientes de rayo.

Aerogenerador

Los aerogeneradores expuestos, como los parques eólicos en ultramar, presentan especialmente un elevado riesgo de rayos. En estas instalaciones en principio resulta muy difícil o casi imposible implementar medidas completas de protección contra rayos. En tales casos se emplea el sistema de medición de corrientes de rayo.

La figura representa la disposición de cada uno de los componentes del sistema en un aerogenerador. Sobre cada una de las derivaciones de las corrientes de rayo de las hélices hay montado un sensor. La unidad de evaluación se encuentra en un armario de control en el cubo. La conexión de señales entre los sensores y la unidad de evaluación se lleva a cabo con cables de fibra óptica. La conexión Ethernet al sistema de control central se produce por medio de anillos colectores entre la góndola y la cabina. La unidad de evaluación funciona con 24 V de tensión continua.

Si es necesario, el contacto remoto se conecta al sistema de control. Esto permite señalizar adicionalmente cada descarga de rayo o evaluar el número de eventos.

Esquema de una aplicación LM-S mediante el ejemplo de un aerogenerador

Esquema de una aplicación LM-S mediante el ejemplo de un aerogenerador

Diagrama que muestra el uso del sistema de registro de rayos en el Hermannsdenkmal (monumento a Arminio) en Detmold

LM-S en el Hermannsdenkmal (monumento a Arminio) en Detmold

Monumento cultural

Este ejemplo de aplicación muestra el empleo del sistema de registro de rayos en el Hermannsdenkmal (monumento a Arminio) en Detmold, Alemania. La estatua de cobre se alza sobre una base de piedra caliza. En la base de la estatua se encuentran conectados tres conductores de puesta a tierra. En caso de descargas de rayo en la construcción de 53 m de altura, las corrientes transitorias de rayo se derivan hacia la tierra. Los sensores están montados sobre estas derivaciones. La unidad de evaluación se encuentra instalada en un armario de control en el espacio interior de la base.

Subestación

Las descargas de rayo en líneas de alta tensión conllevan una carga de los transformadores en las subestaciones. A menudo, los elementos de protección contra sobretensiones de los transformadores están conectados en serie, con lo que las corrientes transitorias de sobretensiones acopladas se derivan hacia la tierra. En el pasado, los descargadores de arco se utilizaban principalmente como elementos de protección. Desde hace algunos años, se prefiere el uso de varistores.

El LM-S ofrece la posibilidad de registrar y evaluar la carga real de los elementos de protección. De este modo, los límites de carga se detectan de forma anticipada y los elementos de protección afectados pueden sustituirse.

La instalación de los sensores se lleva a cabo en las derivaciones entre los elementos de protección y la tierra. Los cables de fibra óptica transmiten las señales de medición a la unidad de evaluación, que se encuentra instalada en un armario de control remoto.

Esquema de una aplicación LM-S mediante el ejemplo de una subestación

Esquema de una aplicación LM-S mediante el ejemplo de una subestación