Système de mesure du courant de foudre

Acquérir et évaluer des courants de foudre

La foudre provoque des dommages considérables sur les bâtiments et les installations. Pour l'acquisition et l'évaluation des coups de foudre dans des installations exposées ou très dispersées, notre système de mesure du courant de foudre LM-S vous offre la solution.

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.

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.

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.

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.

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]

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.

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.

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.

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.

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.