Système de mesure du courant de foudre dans des éoliennes sur un champ avec des éclairs en arrière-plan

Système de mesure du courant de foudre Acquérir et évaluer des courants de foudre

Conservez toujours un œil sur votre installation et réagissez de façon anticipée aux contraintes.

La foudre provoque des dommages considérables sur les bâtiments et les installations. Une surveillance continue par des personnes étant quasiment impossible pour les installations exposées ou de grande superficie, les perturbations risquent d'être décelées trop tard. Le système de mesure du courant de foudre LM-S de Phoenix Contact permet de détecter et d'évaluer précocement les coups de foudre.

Vous y découvrirez le fonctionnement du système de mesure du courant de foudre et ses domaines d'application possibles.

Système de mesure du courant de foudre

Système de mesure du courant de foudre

Le système de mesure du courant de foudre LM-S détecte et analyse tous les paramètres importants des courants de foudre. Jusqu'à trois capteurs peuvent être raccordés à une unité d'évaluation. Les capteurs sont montés sur des dérivations d'un système de protection contre la foudre. La mesure dans les capteurs est basée sur un effet magnéto-optique appelé effet Faraday. Pour éviter toute interférence avec la mesure, la transmission des signaux du capteur à l'unité d'évaluation est réalisée par des câbles à fibres optiques.

Pour plus d'informations sur les capteurs et autres composants, consultez la page détaillée du produit.

Tutoriel sur le système de mesure du courant de foudre LM-S
Tutoriel sur le système de mesure du courant de foudre LM-S YouTube
Système de mesure du courant de foudre

Livre blanc sur le système de mesure du courant de foudre

Livre blanc sur le système de mesure du courant de foudre

Consultez notre livre blanc « Détecter et mesurer des courants de foudre » pour vous informer sur le principe de fonctionnement de l'effet magnéto-optique.

Obtenez une vue d'ensemble de cet effet et vérifiez si le système convient à une maintenance optimisée en fonction de l'état.

Prix « Hermes Award » 2012 pour le système de mesure du courant de foudre LM-S

Système de mesure du courant de foudre LM-S

Prix Hermes Award 2012 pour le système de mesure du courant de foudre

En 2012, le système de mesure du courant de foudre a reçu le très convoité prix international de technologie Hermes Award.

Le prix Hermes est décerné chaque année depuis 2004 par la Deutsche Messe AG pour récompenser des produits exceptionnels et innovants.

Installations industrielles frappées par la foudre

Dommages indirects et perturbations liés à des coups de foudre

Indépendamment de l'énergie transportée, les coups de foudre provoquent des dégâts massifs sur les bâtiments et les installations, pouvant conduire à d'autres dommages indirects.

Dans le domaine des immeubles d'habitation ou commerciaux régulièrement fréquentés par des personnes, ce type de dommages attire immédiatement l'attention. Dans la plupart des cas, il est possible de mettre en place rapidement des mesures visant à limiter les dommages. Après un tel incident, l'ensemble des dommages peut de cette façon être concrètement et rapidement évalué. Une réparation immédiate et une remise en service des fonctions importantes de l'installation peuvent éviter des dommages indirects.

En cas d'installations très exposées ou de grande taille, il est impossible que le personnel puisse les surveiller en permanence. On remarque souvent les perturbations et les dommages sur l'installation uniquement en raison des dommages indirects. C'est pourquoi les systèmes de surveillance intelligents sont de plus en plus utilisés. Ils surveillent en permanence les différentes fonctions et leur état dans une installation et transmettent les résultats directement à une unité de commande centrale. Cela permet aussi une réaction immédiate face aux dommages et donc d'éviter des dommages indirects et de longues périodes d'inactivité.

Il n'existait jusqu'à présent aucun système de mesure pouvant détecter et évaluer de façon fiable les coups de foudre dans une installation. De la même manière, il n'existait aucune signalisation des dommages ou des perturbations quant à ce type d'incidents.

Parmi les installations particulièrement exposées et soumises à un risque de foudre, on compte par exemple les installations d'énergie éolienne, les installations de production d'énergie, les industries de grande taille et les infrastructures ferroviaires. Dans ce type d'installations, il est en général très difficile, voire parfois impossible, de mettre en place une mesure de protection efficace contre la foudre.

Le système de mesure du courant de foudre LM-S de Phoenix Contact

Système de mesure du courant de foudre

Système de mesure du courant de foudre LM-S

Le système de mesure du courant de foudre LM-S de Phoenix Contact permet de mesurer et d'évaluer les coups de foudre. Il se compose pour l'essentiel d'une unité d'évaluation et d'un capteur monté sur la dérivation d'un système de protection contre la foudre.

Ce système de mesure utilise l'effet Faraday ou l'effet magnéto-optique pour analyser l'intensité et la direction du flux des courants de choc de foudre survenant dans les paratonnerres. Une onde lumineuse est ainsi influencée magnétiquement et les grandeurs d'influence sont évaluées comme résultat de mesure. La transmission des signaux s'effectue également par fibre optique.

Ceci présente des avantages importants par rapport à une transmission de signaux par fils en cuivre. Les courants de foudre apparaissant dans l'environnement du système de mesure ne peuvent plus influencer le signal lumineux ou alors se manifestent dans les trajets de transmission. Il existe ainsi un signal fiable et sans risques en matière de CEM au niveau des composants électroniques de l'unité d'évaluation.

Principe de fonctionnement

Comment peut-on mesurer un courant de foudre ? D'où proviennent les surtensions ? Comment arrivent-elles dans vos appareils et installations ? Vous vous êtes probablement déjà posé ces questions. Vous découvrirez ci-après des informations détaillées concernant la détection du courant de foudre.

Montage de la section de mesure

La section de mesure se compose d'un matériau transparent (diélectrique), dont les deux faces comportent des polarisateurs ou des filtres polarisants. La section de mesure est conçue de telle manière qu'elle adopte un angle de 90° par rapport au sens du courant dans la dérivation. La direction de la propagation d'une onde lumineuse dans la section de mesure est donc parallèle au champ magnétique du courant de choc dans la dérivation.

Polarisateur linéaire

Polarisateur linéaire

Polarisateurs

Les polarisateurs, ou filtres polarisants, sont des composants optiques qui provoquent une polarisation. Les ondes électromagnétiques sont alors séparées, par absorption ou par séparation des rayons, en une lumière polarisée de manière linéaire, elliptique ou circulaire. Afin d'utiliser l'effet Faraday, la lumière doit dans ce cas être polarisée linéairement. Cela signifie que seule de la lumière polarisée de manière linéaire peut circuler à travers le filtre polarisant.

Influence magnétique sur le plan de polarisation

Influence magnétique sur le plan de polarisation

Influence magnétique sur le plan de polarisation

L'onde lumineuse transforme les électrons en oscillations dans le diélectrique. Le champ magnétique modifie le mouvement des électrons au sein du diélectrique. Cela influence alors le plan de polarisation de la lumière. Le plan de polarisation peut en principe être orienté dans toutes les directions.

Effet magnéto-optique dans le LM-S

Effet magnéto-optique dans le LM-S

Effet magnéto-optique dans le LM-S

Le modèle graphique indique tous les éléments essentiels ainsi que les dimensions de l'effet magnéto-optique dans un système de mesure de la foudre. Une onde lumineuse Φ comportant une intensité lumineuse définie est insérée au niveau de la section de mesure à l'aide d'une fibre optique.

Le filtre polarisateur P1, situé à l'entrée de la section de mesure, polarise de façon linéaire la lumière ayant été intégrée. L'onde lumineuse ainsi polarisée transporte les électrons dans le milieu en oscillant et se déplace dans le plan de polarisation grâce au milieu de la section de mesure. Le plan de polarisation peut être influencé magnétiquement.

Le champ magnétique d'un courant de choc fait tourner le plan de polarisation de l'onde lumineuse au sein du milieu autour de l'axe longitudinal. Le sens de rotation dépend du sens des lignes de champ magnétiques et donc du sens du courant. Les courants de choc provenant de foudres négatives et positives produisent par exemple des lignes de champ magnétiques dont le sens est différent.

Plus le courant I est élevé, plus le champ magnétique B est puissant, et donc plus l'angle de rotation β est également important. Le champ magnétique B1 entraîne une rotation à droite et le champ magnétique B2 une rotation à gauche de l'onde lumineuse.

Au niveau de la sortie de la section de mesure, le deuxième filtre polarisateur linéaire P2 est positionné à un angle de 45° par rapport au filtre polarisateur d'entrée. Seulement 50 % de la quantité de lumière d'une onde lumineuse n'étant pas influencée traverse le filtre polarisateur de sortie. En fonction de la rotation de l'onde lumineuse, le filtre polarisateur de sortie laisse passer plus ou moins de lumière. Cela aboutit à la formation d'un signal lumineux pouvant être mesuré et évalué.

Diagramme schématique : modification de la quantité de lumière derrière le filtre polarisant de sortie

Diagramme schématique : modification de la quantité de lumière derrière le filtre polarisant de sortie

Résultat de mesure et évaluation

Une foudre positive peut causer une rotation à droite du signal lumineux polarisé. La quantité de lumière derrière le deuxième filtre polarisateur augmente et est comprise entre 50 et 100 %. Lorsque l'angle de rotation du signal lumineux atteint 45°, cela correspond à 100 % de la valeur mesurée d'une foudre positive.

Une foudre négative peut à l'inverse causer une rotation à gauche du signal lumineux polarisé. La quantité de lumière présente derrière le deuxième filtre polarisateur diminue et est comprise entre 50 et 0 %. Lorsque l'angle de rotation du signal lumineux atteint -45°, cela correspond à 100 % de la valeur mesurée d'une foudre négative.

On mesure la quantité de lumière qu'il y a derrière le filtre polarisateur de sortie. À partir du parcours chronologique de la quantité de lumière, on en déduit les paramètres typiques s'appliquant au courant de choc de foudre ayant été capturé. Ce sont les intensités de courant maximales, la transconductance du courant de foudre ainsi que la charge et l'énergie spécifique.

Facteurs d'influence

Les facteurs d'influence importants sont le matériau du milieu, la longueur d'ondes de la lumière, la longueur du trajet de la lumière à travers le milieu ainsi que l'intensité du champ magnétique. De plus, d'autres bases et facteurs d'influence théoriques sont précisés par la suite.

Vecteur de champ électrique E
Le vecteur de champ électrique E indique le déroulement et la position de l'onde lumineuse étant influencée. Il est représenté par une flèche (voir modèle graphique).

Diélectrique
Toutes les substances non métalliques, non conductrices ou faiblement conductrices d'électricité sont considérées comme un diélectrique, dont les porteurs de charge ne peuvent en général pas se mouvoir librement. Il peut ici s'agir d'un gaz, d'un liquide ou d'un élément solide. Ces substances sont généralement démagnétisées et sont activées par des champs électriques ou électromagnétiques.

Constante de Verdet V
La constante de Verdet V correspond à la capacité de rotation par unité des densités de flux magnétiques. Elle représente l'intensité de l'effet Faraday pour le diélectrique à évaluer. Sa valeur dépend de la longueur d'ondes des ondes électromagnétiques présentes dans le milieu.

Calcul de l'angle de rotation β
L'angle de rotation β autour duquel tourne le plan de polarisation est calculé selon :

β = V x d x B

d étant la longueur du trajet de la lumière à travers le milieu, B l'induction magnétique et V la constante de Verdet.

Champ magnétique circulaire autour d'un capteur

Champ magnétique circulaire autour du capteur

Installation

Dans un champ magnétique circulaire, l'intensité de champ effective dépend de la profondeur à laquelle est placé le capteur dans le champ magnétique de la dérivation conductrice de courant.

La profondeur à laquelle est placé le capteur est définie dans le calcul au moyen du rayon. Cela signifie que plus le rayon est petit, plus l'intensité de champ est grande. Afin que l'intensité effective du champ soit aussi élevée que possible, il est donc avantageux d'installer le capteur le plus près possible de la dérivation.

Légende :
H = intensité de champ [A/m]
r = rayon [cm]
I = courant [A]

Boîtier du capteur du LM-S

La section de mesure se trouve dans la partie avant du boîtier du capteur.

Importance du rayon pour le calibrage du système

Le rayon correspond à la profondeur à laquelle doit être placé le capteur dans le champ magnétique ainsi qu'à la mesure d'acquisition de l'intensité effective du champ magnétique H. La valeur équivaut à la distance depuis la ligne centrale du conducteur jusqu'au bord extérieur du boîtier du capteur.

Le rayon est déterminé lors de l'installation. Cela est important pour le calibrage du système, car il garantit des conditions de mesure identiques en cas de situations différentes.

Surveillance et transmission de signaux

Comment le signal relevé est-il transmis du capteur à l'unité d'évaluation ? Comment les résultats de mesure y sont-ils évalués ? Comment le système peut-il réduire les tâches de maintenance ? Vous trouverez la réponse ci-dessous.

Interface Ethernet RJ45

Interface Ethernet RJ45

Interface système et transmission de signaux

L'interface Ethernet RJ45 permet de raccorder facilement l'unité d'évaluation aux réseaux standard. L'accès aux données collectées et à la configuration du système s'effectue via un serveur web interne. L'interface web est appelée via le navigateur Internet d'un PC connecté par l'adressage IP.

Affichage des valeurs de charge sur un téléphone portable

Affichage des valeurs de charge sur un téléphone portable

Surveillance à distance et maintenance préventive

Il est impossible, ou très difficile, de détecter des coups de foudre survenant dans des installations difficiles d'accès ou éloignées, comme des parcs éoliens offshore. Le système de mesure du courant de foudre LM-S met à disposition toutes les données de mesure via l'interface web intégrée. Il permet de consulter, à distance et à tout moment, la situation relative aux charges de l'installation, par exemple avec un smartphone.

Les données évaluées permettent d'estimer très précisément la charge effective d'une installation. Les résultats de mesure sont actualisés en permanence, ce qui permet une maintenance préventive. Si un dommage est pressenti sur l'installation, des mesures peuvent être prises rapidement pour éviter des dommages indirects. Cela réduit ou empêche complètement les périodes d'inactivité. Cependant, si on déduit des résultats de mesure que la charge est non critique et minimale pour l'installation, des opérations inutiles de maintenance et d'entretien peuvent être évitées.

Affectation du contact à distance

Affectation du contact à distance

Contact à distance

L'unité d'évaluation dispose aussi d'un relais tout ou rien comportant un contact à distance. Ce contact NF délivre une courte impulsion à chaque événement, laquelle peut ensuite être évaluée par un compteur. Il est donc également possible d'effectuer une seule évaluation ou plusieurs du nombre de coups de foudre survenus dans l'installation. Le contact de relais ne reprend sa position de repos qu'une fois le système démarré. Par ailleurs, le relais n'est plus nécessaire en cas de perturbations du système. L'état et les capacités du système sont donc également consultés via le contact à distance.

Exemples d'utilisation

Voici quelques exemples d'applications qui peuvent être réalisées avec le système de mesure du courant de foudre.

Installation d'énergie éolienne

On estime que les installations d'énergie éolienne très exposées, comme les parcs éoliens offshore, présentent un risque particulièrement élevé de coup de foudre. Dans ce type d'installations, il est en général très difficile, voire impossible, de mettre en place une mesure de protection efficace contre la foudre. De telles situations impliquent l'installation d'un système de mesure du courant de foudre.

L'illustration représente l'agencement des différents composants système sur une installation d'énergie éolienne. Chaque dérivation de courant de foudre d'une pale d'éolienne dispose d'un capteur. L'unité d'évaluation se trouve dans une armoire électrique dans le moyeu. La connexion du signal entre les capteurs et l'unité d'évaluation s'effectue à l'aide de fibres optiques. La connexion Ethernet avec la commande centrale est raccordée entre la nacelle et la cabine par des bagues collectrices. L'unité d'évaluation fonctionne avec une tension continue de 24 V.

Si nécessaire, un contact à distance est monté sur l'automate. Celui-ci permet en outre de signaler chaque coup de foudre ou d'évaluer le nombre d'événements.

Schéma de principe d'une application LM-S en prenant l'exemple d'une installation d'énergie éolienne

Schéma de principe d'une application LM-S en prenant l'exemple d'une installation d'énergie éolienne

Schéma montrant l'utilisation du système de détection de la foudre sur monument d'Hermann à Detmold

Le système LM-S placé sur le monument d'Hermann près de Detmold

Monument culturel

Cet exemple d'application montre l'utilisation du système de mesure du courant de foudre sur le monument d'Hermann à Detmold, en Allemagne. La statue de cuivre est posée sur une base en pierres silico-calcaire. Trois conducteurs de terre sont raccordés au socle de la statue. Ils permettent d'amener les courants de la foudre tombée sur ce monument de plus de 53 mètres de haut jusqu'à la terre. Les capteurs sont placés sur ces dérivations. L'unité d'évaluation est installée dans une armoire électrique à l'intérieur de la base du monument.

Poste de transformation

Des coups de foudre survenant dans des lignes à haute tension peuvent aboutir à une surcharge des transformateurs du poste de transformation. Des équipements de protection antisurtension sont souvent installés en amont des transformateurs, permettant de dériver vers la terre les courants de choc provenant de surtensions couplées. Auparavant, on utilisait généralement des éclateurs comme équipement de protection. Depuis quelques années, cependant, on privilégie l'utilisation de varistances.

Le LM-S offre la possibilité de mesurer et d'évaluer la charge effective des équipements de protection. Les limites de charge sont détectées de façon anticipée et les équipements de protection concernés remplacés.

Les capteurs sont installés sur les dérivations entre les équipements de protection et la terre. Des fibres optiques transmettent les signaux mesurés à l'unité d'évaluation installée dans une armoire électrique séparée.

Schéma de principe d'une application LM-S en prenant l'exemple d'un poste de transformation

Schéma de principe d'une application LM-S en prenant l'exemple d'un poste de transformation