Salamavirran mittausjärjestelmä pellolla olevissa tuulivoimaloissa, taustalla salamoita

Salamavirran mittausjärjestelmä Salamavirtojen mittaus ja analysointi

Valvo järjestelmiäsi kokoaikaisesti ja reagoi kuormitukseen ajoissa.

Salamaniskut aiheuttavat huomattavia vaurioita rakennuksille ja laitteistoille. Alttiilla paikoilla sijaitsevien ja laajojen järjestelmien jatkuva valvonta on lähes mahdotonta ihmisten suorittamana, joten vauriot havaitaan liian myöhään. Phoenix Contactin salamavirran mittausjärjestelmä LM-S mittaa ja analysoi salamaniskut.

Tässä voit tutustua salamavirran mittausjärjestelmän toimintatapaan ja mahdollisiin käyttöalueisiin.

Salamavirran mittausjärjestelmä

Salamavirran mittausjärjestelmä

Salamavirran mittausjärjestelmämme LM-S tunnistaa ja analysoi kaikki salaman syöksyvirtojen tärkeät parametrit. Analysointiyksikköön liitetään jopa kolme anturia. Anturit asennetaan ukkossuojausjärjestelmän ylijännitesuojiin. Antureissa tapahtuva mittaus perustuu magneettisoptiseen ilmiöön, niin kutsuttuun Faraday-ilmiöön. Mittaushäiriöiden välttämiseksi signaali siirretään anturista analysointiyksikköön valokuitukaapelia pitkin.

Lisätietoa antureista ja muista komponenteista on tuotetietosivulla.

Salamavirran mittausjärjestelmän LM-S opetusvideo
Salamavirran mittausjärjestelmän LM-S opetusvideo YouTube
Salamavirran mittausjärjestelmä

Whitepaper-julkaisu Salamavirtojen mittausjärjestelmä

Salamavirtojen mittausjärjestelmää koskeva julkaisu

Tutustu julkaisussamme "Salamavirtojen mittaus ja tiedonkeruu" järjestelmän magneettisoptiseen toimintaperiaatteeseen.

Saat perustietoja vaikutuksesta ja voit varmistaa, soveltuuko järjestelmä huoltotoiminnan optimointiin.

Hermes Award 2012 salamavirran mittausjärjestelmälle LM-S

Salamavirran mittausjärjestelmä LM-S

Hermes Award 2012 salamavirran mittausjärjestelmälle

Vuonna 2012 salamavirran mittausjärjestelmälle myönnettiin arvostettu kansainvälinen Hermes Award -teknologiapalkinto.

Deutsche Messe AG on myöntänyt vuosittaisen Hermes Award -palkinnon vuodesta 2004 alkaen erityisen innovatiivisille tuotteille.

Teollisuuslaitokset ja salamaniskut

Salamaniskujen aiheuttamat välilliset vahingot ja pysyvät vauriot

Salamaniskujen tuomasta energiasta riippuen rakennuksiin ja järjestelmiin voi tulla valtavia vaurioita, jotka voivat aiheuttaa muita välillisiä vahinkoja.

Asuin- ja liikerakennusten alueilla, missä ihmisiä liikkuu säännöllisesti, tällaiset vauriot ilmenevät heti. Vaurioita rajoittaviin aputoimenpiteisiin voidaan yleensä ryhtyä pikaisesti, joten vaurioiden laajuus voidaan arvioida nopeasti ja konkreettisesti. Järjestelmän tärkeiden osien välitön korjaus ja uudelleenkäyttöönotto voi estää välillisiä vahinkoja.

Avoimissa tai laajoissa järjestelmissä ei ole yleensä mahdollisuutta jatkuvaan henkilöiden suorittamaan valvontaan. Järjestelmien pysyvät tai korjattavissa olevat vauriot havaitaan usein vasta välillisten vahinkojen kautta. Siitä syystä yhä useammin käytetään älykkäitä valvontajärjestelmiä. Ne valvovat koko ajan laitteistojen eri toimintoja ja niiden tiloja ja ilmoittavat tulokset välittömästi keskusohjausyksikölle. Se mahdollistaa välittömän reagoinnin vaurioihin ja välillisten vahinkojen sekä pitkien seisokkiaikojen välttämisen.

Tähän mennessä ei ole ollut olemassa mitään mittausjärjestelmää, joka pystyy tunnistamaan ja arvioimaan luotettavasti laitteistoon osuvat salamaniskut. Siksi ei myöskään ole ollut olemassa vaurio- tai häiriöilmoitusta tällaisista tapahtumista.

Erityisen salama-arkoja ja alttiissa paikoissa olevia järjestelmiä ovat esimerkiksi tuulivoimalat, energialaitokset, laaja-alaiset teollisuuslaitokset ja rautatierakenteet. Tällaisissa järjestelmissä on periaatteessa erittäin vaikeaa tai jopa mahdotonta toteuttaa saumattomia salamasuojaustoimenpiteitä.

Phoenix Contactin salamavirran mittausjärjestelmä LM-S

Salamavirran mittausjärjestelmä

Salamavirran mittausjärjestelmä LM-S

Phoenix Contactin salamavirran mittausjärjestelmä LM-S on tarkoitettu salamaniskujen mittaukseen ja analysointiin. Se koostuu monitorointiyksiköstä ja anturista, joka on asennettu salamasuojausjärjestelmän johtimiin.

Tämä mittausjärjestelmä hyödyntää Faraday-ilmiötä tai magneettisoptista ilmiötä maadoitusjohtimissa esiintyvien salamoiden syöksyvirtojen suuruuden ja suunnan analysoinnissa. Silloin anturin valoaalto taipuu magneettikentän vaikutuksesta, ja taipuminen analysoidaan mittaustuloksena. Myös tiedonsiirto tapahtuu valokaapelia pitkin.

Tämä tarjoaa ratkaisevia etuja verrattuna signaalinsiirtoon kuparijohdolla. Mittausjärjestelmän ympärillä esiintyvät salamavirrat eivät voi enää vaikuttaa tiedonsiirtosignaaliin tai kytkeytyä siirtovälille. Näin monitorointiyksikön elektroniikka voi hyödyntää luotettavaa ja EMC-ratkaisujen mukaista vaaratonta signaalia.

Toimintaperiaate

Miten salamavirtaa voi mitata? Miten ylijännitteet syntyvät? Miten ylijännitteet pääsevät koneisiin ja laitteisiin? Olet ehkä jo joskus pohtinut näitä kysymyksiä. Seuraavassa saat kattavaa tietoa salamavirran mittauksesta.

Mittausvälin rakenne

Mittausväli koostuu läpinäkyvästä väliaineesta (eristeestä), jonka molemmille puolille on sijoitettuina polarisaattoreita tai polarisaatiosuodattimia. Mittausväli on sijoitettu niin, että se muodostaa sähkövirran suuntaan 90° kulman johdossa. Näin valoaallon etenemissuunta on mittausvälillä samansuuntainen syöksyvirran magneettikentän kanssa.

Lineaarisesti vaikuttavat polarisaattorit

Lineaarisesti vaikuttavat polarisaattorit

Polarisaattorit

Polarisaattorit tai polarisaatiosuodattimet ovat optisia elementtejä, jotka saavat aikaan polarisaation. Siinä sähkömagneettiset aallot erotetaan absorbtiolla tai säteenosituksella lineaarisesti, elliptisesti tai ympyräpolarisoiduksi valoksi. Faraday-ilmiön hyödyntämiseksi valo polarisoidaan tässä tapauksessa lineaariseksi. Se tarkoittaa, että vain lineaarisesti polarisoitu valo pääsee polarisaatiosuodattimen läpi.

Polarisaatiotasoon vaikuttaminen magneettisesti

Polarisaatiotasoon vaikuttaminen magneettisesti

Polarisaatiotasoon vaikuttaminen magneettisesti

Valoaalto saa eristeen elektronit värähtelemään. Magneettikenttä muuttaa elektronien liikkeen eristeessä. Näin vaikutetaan valon polarisaatiotasoon. Polarisaatiotason voi periaatteessa kääntää mihin tahansa suuntaan.

Magneettisoptinen ilmiö LM-S:ssä

Magneettisoptinen ilmiö LM-S:ssä

Magneettisoptinen ilmiö LM-S:ssä

Graafinen malli näyttää magneettisoptisen ilmiön kaikki olennaiset elementit ja suureet salamavirran mittausjärjestelmässä. Valonvoimakkuudeltaan tietynlainen valoaalto Φ viedään valokaapelia pitkin mittausväliin.

Polarisaatiosuodatin P1 polarisoi syötetyn valon mittausvälin tulossa lineaariseksi. Näin polarisoitu valoaalto saa väliaineessa olevat elektronit värähtelemään ja liikkuu polarisaatiotasolla mittausvälin väliaineen kautta. Magnetismi vaikuttaa polarisaatiotasoon.

Syöksyvirran magneettikenttä kääntää valoaallon polarisaatiotasoa väliaineessa pitkittäisakselin ympäri. Kiertosuunta on riippuvainen magneettisten kenttäviivojen suunnasta ja siten sähkövirran suunnasta. Syöksyvirrat tuottavat esimerkiksi negatiivisista ja positiivisista salamoista eri tavoin suunnattuja magneettisia kenttäviivoja.

Mitä suurempi on sähkövirta I, sitä voimakkaampi on magneettikenttä B ja sitä suurempi on kiertokulma β. Magneettikenttä B1 kääntää valoaallon oikealle ja magneettikenttä B2 vasemmalle.

Mittausvälin lähtöön on sijoitettuna toinen lineaarinen polarisaatiosuodatin P2 45° kulmaan suhteessa tulon polarisaatiosuodattimeen. Näin vaikuttamattomasta valoaallosta vain 50 % menee lähdön polarisaatiosuodattimen läpi. Valoaallon kiertosuunnasta riippuen lähdön polarisaatiosuodatin päästää enemmän tai vähemmän valoa läpi. Näin syntyy mitattava ja analysoitava valosignaali.

Periaatteen kuvaus: Valomäärän muutos lähdön polarisaatiosuodattimen jälkeen

Periaatteen kuvaus: Valomäärän muutos lähdön polarisaatiosuodattimen jälkeen

Mittaustulos ja sen analysointi

Positiivinen salama kääntää polarisoidun valosignaalin oikealle. Valon määrä lisääntyy toisen polarisaatiosuodattimen jälkeen ja on 50 - 100 % välillä. Kun saavutetaan valosignaalin kiertokulma 45°, se vastaa positiivisen salaman 100 % mittausarvoa.

Negatiivinen salama kääntää polarisoidun valosignaalin vasemmalle. Valon määrä vähenee toisen polaarisaatiosuodattimen jälkeen ja on 50 - 0 % välillä. Kun saavutetaan valosignaalin kiertokulma -45°, se vastaa negatiivisen salaman 100 % mittausarvoa.

Valon määrä mitataan lähdön polarisaatiosuodattimen jälkeen. Mitatun ukkossyöksyvirran tyypilliset parametrit johdetaan valomäärän ajallisesta kulusta. Niitä ovat maksimi virranvoimakkuus, salamavirran nousunopeus sekä varaus ja erityisesti energia.

Vaikutussuureet

Tärkeimpiä vaikutussuureita ovat väliainemateriaali, valon aallonpituus, valon kulkupituus väliaineen läpi sekä magneettikentän voimakkuus. Lisäksi seuraavassa on selitys muista teoreettisista perusteista ja vaikutussuureista.

Sähkökenttävektori E
Sähkökenttävektori E kuvaa vaikutetun valoaallon kulkua ja asemaa. Se esitetään nuolena (katso graafinen malli).

Eriste
Eriste tarkoittaa kaikkia heikosti sähköä johtavia tai johtamattomia ei-metallisia aineita, joiden varauksenkantajat eivät yleisesti ole vapaasti liikkuvia. Sellainen voi olla kaasu, neste tai kiintoaine. Nämä aineet eivät yleensä ole magneettisia ja ne kuormitetaan sähköisillä tai sähkömagneettisilla kentillä.

Verdet-vakio V
Verdet-vakio V vastaa kääntyvyyttä magneettisen virtaustiheyden yksikköä kohti. Se kuvaa Faraday-ilmiön voimakkuutta arvioitavalle eristeelle. Sen arvo on riippuvainen väliaineen sähkömagneettisten aaltojen aallonpituudesta.

Kiertokulman β laskenta
Kiertokulma β, jonka ympäri polarisaatiotaso pyörii, lasketaan kaavalla:

β = V x d x B

d on valon matkan pituus väliaineen läpi, B magneettinen virtaustiheys ja V Verdet-vakio.

Ympyränmuotoinen magneettikenttä anturin ympärillä

Ympyränmuotoinen magneettikenttä anturin ympärillä

Asennus

Ympyränmuotoisessa magneettikentässä vaikuttava kentänvoimakkuus on riippuvainen anturin upotussyvyydestä johdon magneettikenttään, jonka läpi sähkövirta kulkee.

Upotussyvyys määritetään laskelmassa säteen kautta. Se tarkoittaa, että mitä pienempi säde on, sitä voimakkaampi on kenttä. Jotta kentän tehokas voimakkuus on mahdollisimman suuri, anturi kannattaa asentaa mahdollisimman lähelle johtoa.

Selitteet:
H = kentän voimakkuus [A/m]
r = säde [cm]
I = virta [A]

Salamavirran mittausjärjestelmän anturikotelo

Mittausväli sijaitsee anturikotelon etuosassa.

Säteen merkitys järjestelmän kalibroinnille

Säde on anturin upotussyvyyden mitta magneettikentässä ja mitta paikan päällä vaikuttavan magneettikentän voimakkuuden H mittaukseen. Arvo vastaa johtimen keskiviivan ja anturikotelon ulkoreunan välistä etäisyyttä.

Säde mitataan asennuksen yhteydessä. Se on tärkeä järjestelmän kalibrointiin, sillä se takaa samat mittausehdot, kun järjestelmien ominaisuudet ovat erilaisia.

Signaalinsiirto ja valvonta

Miten mitattu signaali kulkee anturista analysointiyksikköön? Miten yksikkö analysoi mittaustulokset? Miten järjestelmällä voidaan minimoida huoltokäynnit? Vastaus on seuraavassa.

RJ45-Ethernet-liitäntä

RJ45-Ethernet-liitäntä

Signaaliliitäntä ja signaalinsiirto

Analysointiyksikkö voidaan asentaa perusverkkoihin RJ45-Ethernet-liitännän kautta. Mitattuihin tietoihin ja järjestelmän konfigurointiin pääsee sisäisen verkkopalvelimen kautta. Web-käyttöliittymä avataan liitettynä olevan tietokoneen internetselaimen kautta IP-osoitteen avulla.

Kuormitusarvojen näyttö matkapuhelimessa

Kuormitusarvojen näyttö matkapuhelimessa

Etävalvonta ja ennaltaehkäisevä huolto

Vaikeapääsyisiin tai kaukana oleviin järjestelmiin, esim. merellä sijaitseviin tuulipuistoihin, osuvat salamaniskut on mahdoton tai vaikea havaita. Salamavirran mittausjärjestelmä LM-S tarjoaa kaikki mittaustiedot käyttöön integroidun verkkoliitännän kautta. Näin järjestelmän kuormitustilanteesta voidaan lähettää kysely milloin tahansa etäkäytöllä esim. matkapuhelimen avulla.

Järjestelmän todellinen kuormitus on analysoitujen tietojen avulla erittäin tarkasti arvioitavissa. Mittaustulokset ovat aina ajankohtaisia ja mahdollistavat ennaltaehkäisevän huollon. Kun järjestelmän oletetaan vaurioituneen, toimenpiteisiin voidaan ryhtyä nopeasti välillisten vahinkojen välttämiseksi. Näin seisokkiajat lyhenevät tai ne vältetään täysin. Kun mittaustuloksista voidaan päätellä vähäinen ja harmittomampi järjestelmän ylikuormitus, vältetään turhat huolto- ja kunnossapitokäynnit.

Etäkoskettimen kytkentäjärjestys

Etäkoskettimen kytkentäjärjestys

Etäkosketin

Analysointiyksikössä on myös kytkentärele, jossa on etäkosketin. Tämä avautuva kosketin antaa jokaisesta tapahtumasta lyhyen impulssin, jonka laskuri tunnistaa. Näin on myös mahdollista suorittaa yksinkertainen analysointi järjestelmään osuneista salamaniskuista. Relekosketin sulkeutuu järjestelmän käynnistyksen jälkeen. Järjestelmähäiriöiden yhteydessä rele avautuu. Näin järjestelmän valmiudesta suoritetaan kysely myös etäkoskettimen kautta.

Sovellusesimerkkejä

Seuraavassa on mainittu pari sovellusesimerkkiä, jotka voidaan toteuttaa salamavirran mittausjärjestelmällä.

Tuulivoimala

Avoimissa paikoissa sijaitsevat tuulivoimalat, kuten merellä olevat tuulipuistot, altistuvat erityisen paljon salamaniskuille. Tällaisissa järjestelmissä on periaatteessa erittäin vaikeaa tai jopa mahdotonta toteuttaa saumattomia salamansuojaustoimenpiteitä. Näissä tilanteissa käytetään salamavirran mittausjärjestelmää.

Kuvassa näkyy yksittäisten järjestelmäkomponenttien sijainti tuulivoimalassa. Kunkin siiven salamavirranjohtimeen on asennettu anturi. Analysointiyksikkö sijaitsee navassa olevassa ohjauskaapissa. Antureiden ja analysointiyksikön välinen signaaliyhteys on toteutettu valokaapeleilla. Ethernet-yhteys keskusohjaukseen luodaan konehuoneen ja nokan välisillä liukurenkailla. Analysointiyksikkö toimii 24 voltin tasajännitteellä.

Tarvittaessa etäkosketin liitetään ohjaukseen. Lisäksi jokaisesta salamaniskusta voidaan lähettää signaali tai analysoida salamaniskujen määrä.

Salamavirran mittausjärjestelmän sovellusperiaatteen kuvaus, esimerkkinä tuulivoimala

Salamavirran mittausjärjestelmän sovellusperiaatteen kuvaus, esimerkkinä tuulivoimala

Kaaviokuva salamavirran mittausjärjestelmän käytöstä Armeniuksen muistomerkissä Detmoldissa

Salamavirran mittausjärjestelmä Arminiuksen muistomerkissä Detmoldissa

Kulttuurimuistomerkki

Tämä sovellusesimerkki näyttää, miten salamoiden mittausjärjestelmää käytetään Armeniuksen muistomerkissä Saksan Detmoldissa. Kuparipatsas on kalkkihiekkakivestä olevan alustan päällä. Patsaan jalustaan on liitetty kolme maadoitusjohtoa. Salaman iskiessä tähän yhteensä yli 53 metriä korkeaan rakennelmaan syöksyvirrat johdetaan maahan. Näihin johtoihin on asennettuina antureita. Analysointiyksikkö on asennettuna alarakenteen sisäpuolella olevaan kytkentäkaappiin.

Muuntamo

Suurjännitejohtoihin osuvat salamaniskut kuormittavat muuntajia. Muuntajat ovat usein suojattu ylijännitesuojaelementeillä, joilla kytkeytyvien ylijännitteiden syöksyvirrat johdetaan maahan. Ennen suojaavina elementteinä käytettiin kipinävälejä. Viime vuosina on suosittu varistoreiden käyttöä.

Salamavirran mittausjärjestelmä mahdollistaa suojaelementtien todellisen kuormituksen mittauksen ja analysoinnin. Kuormitusrajat tunnistetaan näin ajoissa, ja kuormitetut suojaelementit voidaan vaihtaa.

Anturit asennetaan johtoihin suojaelementtien ja maan välille. Valokaapelit siirtävät mittaussignaalit monitorointiyksikköön, joka on asennettuna siirrettävään kytkentäkaappiin.

Salamavirran mittausjärjestelmän sovellusperiaatteen kuvaus esimerkkinä muuntamo

Salamavirran mittausjärjestelmän sovellusperiaatteen kuvaus esimerkkinä muuntamo