Sistema di misurazione della corrente di fulmine nelle turbine eoliche su un campo con un fulmine sullo sfondo

Sistema di misurazione della corrente di fulmine Rilevamento e valutazione delle correnti di fulmine

Tieni sempre sotto controllo gli impianti e reagisci tempestivamente ai carichi.

I fulmini causano tremendi danni a edifici e impianti. Una sorveglianza costante condotta da persone fisiche è quasi impossibile negli impianti di grandi dimensioni o situati in ubicazioni esposte, pertanto i danni vengono constatati sempre troppo tardi. Per rilevare e valutare tempestivamente i fulmini è disponibile il sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S di Phoenix Contact.

Scopri il funzionamento e i possibili campi di applicazione del sistema di misurazione della corrente di fulmine.

Sistema di misurazione della corrente di fulmine

Sistema di misurazione della corrente di fulmine

Il sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S rileva e analizza tutti i parametri importanti dei valori di picco della corrente di fulmine. A un'unità di valutazione sono collegati fino a tre sensori. I sensori vengono montati sulle derivazioni di un impianto parafulmine. La misurazione nei sensori si basa su un effetto magneto-ottico chiamato effetto Faraday. Per evitare interferenze con la misurazione, la trasmissione del segnale dal sensore all'unità di valutazione è realizzata tramite cavi in fibra ottica.

Ulteriori informazioni sui sensori e sugli altri componenti si trovano nella pagina dei dettagli del prodotto.

Tutorial sul sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S
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Sistema di misurazione della corrente di fulmine

Whitepaper sul sistema di misurazione della corrente di fulmine

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Hermes Award 2012 per il sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S

Sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S

Hermes Award 2012 per il sistema di misurazione della corrente di fulmine

Nel 2012, il sistema di misurazione della corrente di fulmine ha ricevuto l'ambito premio tecnologico internazionale Hermes Award.

Dal 2004 l'Hermes Award viene assegnato annualmente dalla Deutsche Messe AG a prodotti eccezionali e innovativi.

Impianti industriali con scariche atmosferiche

Danni conseguenti e guasti causati dalle scariche atmosferiche

A seconda dell'energia trasportata, la scarica atmosferica può causare danni ingenti a edifici e impianti che possono comportare ulteriori danni conseguenti.

Tali danni risultano evidenti nel caso di abitazioni o imprese commerciali frequentate regolarmente da persone. Nella maggior parte dei casi, vengono introdotte misure a breve termine per limitare i danni. Dopo un evento di questo genere è possibile stimare in modo rapido e concreto la portata del danno. Un intervento tempestivo di riparazione e ripristino del servizio per le funzioni principali dell'impianto può evitare danni conseguenti.

Negli impianti di grandi dimensioni o situati in ubicazioni esposte, normalmente non è possibile effettuare una sorveglianza costante condotta da persone fisiche. Perdite o danneggiamenti vengono spesso constatati solo attraverso i danni conseguenti. Per questa ragione si utilizzano sempre più spesso sistemi di monitoraggio intelligenti. Monitorano permanentemente le varie funzioni e il loro stato in un impianto e riportano i risultati direttamente a un'unità di controllo centrale. In tal modo è possibile intervenire immediatamente in caso di guasto ed evitare i danni conseguenti, oltre che lunghi tempi di inattività.

Finora non esistevano sistemi di misurazione in grado di riconoscere e valutare in modo affidabile le scariche atmosferiche in un impianto. E di conseguenza non erano disponibili nemmeno segnalazioni di danni o guasti relativamente a tali fenomeni.

Impianti particolarmente esposti e a rischio di fulmini sono, ad esempio, gli impianti eolici, gli impianti per la produzione di energia elettrica, gli impianti industriali di grandi dimensioni e le ferrovie. In questo tipo di impianti è generalmente molto difficile, se non impossibile, realizzare misure complete di protezione dai fulmini.

Sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S di Phoenix Contact

Sistema di misurazione della corrente di fulmine

Sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S

Per rilevare e valutare tempestivamente le scariche atmosferiche è disponibile il sistema di misurazione della corrente di fulmine LM-S di Phoenix Contact. Il sistema consiste essenzialmente in un'unità di valutazione e un sensore, montato sulla linea di ritorno di un impianto parafulmine.

Questo sistema di misurazione utilizza l'effetto Faraday, o effetto magneto-ottico, per analizzare l'altezza e la direzione di flusso delle sovracorrenti da fulmine che arrivano agli impianti parafulmine. In questo modo si esercita un influsso magnetico su un'onda luminosa e la densità del flusso viene valutata come risultato della misurazione. Anche la trasmissione del segnale avviene tramite fibra ottica.

Rispetto a una trasmissione del segnale con conduttore in rame c'è un vantaggio determinante. Le correnti di fulmine che arrivano nell'area del sistema di misurazione possono non influenzare più il segnale luminoso o inserirsi nel circuito di trasmissione. In tal modo, l'elettronica dell'unità di analisi dispone di un segnale affidabile e sicuro dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica.

Funzionamento

In che modo è possibile misurare le correnti di fulmine? Come si formano le sovratensioni? Come raggiungono dispositivi e impianti? Probabilmente ti sarai già posto queste domande. Di seguito troverai maggiori informazioni sul rilevamento della corrente di fulmine.

Costruzione del tratto di misura

Il tratto di misura consiste in un mezzo trasparente (dielettrico), con polarizzatori disposti su entrambi i lati. Il tratto di misura è disposto in modo tale da occupare un angolo di 90° in base alla direzione del flusso di corrente nella scarica di ritorno. In questo modo la direzione di propagazione di un'onda luminosa nel tratto di misurazione si trova in posizione parallela al campo magnetico della sovracorrente nella derivazione.

Polarizzatore lineare

Polarizzatore lineare

Polarizzatori

I polarizzatori sono elementi ottici che determinano una polarizzazione. In questo modo le onde elettromagnetiche vengono separate attraverso assorbimento o divisione di fascio in luce con polarizzazione lineare, ellittica o circolare. Per utilizzare l'effetto Faraday, in questo caso la luce viene polarizzata linearmente. Ciò significa che solo la luce con polarizzazione lineare arriva al polarizzatore.

Influenza magnetica sul livello di polarizzazione

Influenza magnetica sul livello di polarizzazione

Influenza magnetica sul livello di polarizzazione

L'onda luminosa sposta gli elettroni nel dielettrico tramite oscillazioni. Il campo magnetico modifica il movimento degli elettroni all'interno del dielettrico. In questo modo viene influenzato il livello di polarizzazione della luce. Il livello di polarizzazione può essere ruotato in qualsiasi direzione a scelta.

Effetto magneto-ottico nell'LM-S

Effetto magneto-ottico nell'LM-S

Effetto magneto-ottico nell'LM-S

Il modello grafico mostra tutti gli elementi essenziali e l'entità dell'effetto magneto-ottico nel sistema di misurazione della corrente da fulmine. Un'onda luminosa Φ con intensità luminosa definita viene avvicinata attraverso una fibra ottica al tratto di misura.

Il polarizzatore P1 di ingresso del tratto di misura polarizza linearmente la luce fornita. L'onda luminosa polarizzata sposta gli elettroni nel mezzo tramite oscillazioni e si muove sul livello di polarizzazione attraverso il mezzo del tratto di misurazione. In questo modo viene esercitato un influsso magnetico sul livello di polarizzazione.

Il campo magnetico di una sovracorrente ruota il livello di polarizzazione dell'onda luminosa all'interno del mezzo intorno all'asse longitudinale. La direzione di rotazione dipende dalla direzione delle linee di campo magnetico e, quindi, dalla direzione del flusso di corrente. Ad esempio, le sovracorrenti positive e negative dei fulmini generano linee di forza del campo magnetico orientate in modo diverso.

Più forte è la corrente I, più forte è il campo magnetico B e anche l'angolo di rotazione β. Il campo magnetico B1 determina una rotazione verso destra e il campo magnetico B2 una rotazione verso sinistra dell'onda luminosa.

Sull'uscita del tratto di misura è disposto il secondo polarizzatore lineare P2 con un angolo di 45° rispetto al polarizzatore di ingresso. In questo modo da un'onda luminosa non influenzata passa solo il 50 % di quantità di luce attraverso il polarizzatore di uscita. In base alla rotazione dell'onda luminosa, il polarizzatore di uscita fa passare più o meno luce. In questo modo si genera un segnale luminoso misurabile e analizzabile.

Rappresentazione dei principi: modifica della quantità di luce dietro il polarizzatore di uscita

Rappresentazione dei principi: modifica della quantità di luce dietro il polarizzatore di uscita

Risultato della misurazione e valutazione

Una carica positiva determina una rotazione verso destra del segnale luminoso polarizzato. La quantità di luce dietro il secondo polarizzatore aumenta e si attesta tra il 50 e il 100 %. Quando l'angolo di rotazione del segnale luminoso raggiunge i 45°, corrisponde al 100% del valore misurato di una carica positiva.

Una carica negativa determina una rotazione verso sinistra del segnale luminoso polarizzato. La quantità di luce dietro il secondo polarizzatore diminuisce e si attesta tra il 50 e lo 0 %. Quando l'angolo di rotazione del segnale luminoso raggiunge i -45°, ciò corrisponde al 100% del valore misurato di una carica negativa.

Viene misurata la quantità di luce dietro il polarizzatore di uscita. Dallo sviluppo temporale della quantità di luce vengono derivati i parametri tipici della sovracorrente da fulmine rilevata. Tali parametri sono l'intensità di corrente massima, la velocità di salita della corrente di fulmine, oltre che la carica e l'energia specifica.

Fattori

I fattori principali sono il materiale del mezzo, la lunghezza d'onda della luce, la lunghezza del percorso della luce attraverso il mezzo e l'intensità di campo magnetico. Inoltre, di seguito vengono spiegati ulteriori principi e fattori teorici.

Vettore campo elettrico E
Il vettore campo elettrico E descrive lo sviluppo e la posizione dell'onda luminosa influenzata. Viene rappresentato sotto forma di freccia (vedere il modello grafico).

Dielettrico
È definita dielettrica ogni sostanza non metallica elettricamente debole o non conduttiva, i cui portatori di carica in generale non si muovono liberamente. Può trattarsi di un gas, di un liquido o di un solido. Tali sostanze sono tipicamente non magnetiche e vengono sottoposte a campi elettrici o elettromagnetici.

Costante di Verdet V
La costante di Verdet V corrisponde al potere rotatorio per unità di densità del flusso magnetico. Descrive l'intensità dell'effetto Faraday per il dielettrico da valutare. Il relativo valore dipende dalla lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche nel mezzo.

Calcolo dell'angolo di rotazione β
L'angolo di rotazione β, intorno al quale ruota il livello di polarizzazione, viene calcolato in base a:

β = V x d x B

dove d è la lunghezza del percorso della luce attraverso il mezzo, B la densità del flusso magnetico e V la costante di Verdet.

Campo magnetico circolare intorno a un sensore

Campo magnetico circolare intorno al sensore

Installazione

In un campo magnetico di forma circolare l'intensità di campo efficace dipende dalla profondità di immersione del sensore nel campo magnetico della linea di ritorno attraversata dalla corrente.

La profondità di immersione viene definita nel calcolo sul raggio. Ciò significa che minore è il raggio, maggiore è l'intensità di campo. È utile anche montare il sensore più ermeticamente possibile sulla linea di ritorno, affinché l'intensità di campo efficace sia la massima possibile.

Legenda:
H = intensità di campo [A/m]
r = raggio [cm]
I = corrente [A]

Custodia del sensore del sistema LM-S

Il tratto di misura si trova nella parte anteriore della custodia del sensore.

Importanza del raggio per la calibrazione del sistema

Il raggio è la misura della profondità di immersione del sensore nel campo magnetico e del rilevamento dell'intensità di campo efficace correlata H. Il valore corrisponde alla distanza dalla linea mediana del conduttore al bordo esterno della custodia del sensore.

Il raggio viene determinato in fase di installazione. Tale operazione è importante per la calibrazione del sistema, in quanto assicura condizioni di misurazione analoghe in condizioni di impianto differenti.

Trasmissione del segnale e monitoraggio

In che modo il segnale rilevato arriva all'unità di valutazione? Come vengono valutati i risultati della misurazione? In che modo il sistema riduce al minimo gli interventi di manutenzione? Di seguito sono riportate le risposte a queste domande.

Interfaccia Ethernet RJ45

Interfaccia Ethernet RJ45

Interfaccia di sistema e trasmissione del segnale

L'unità di valutazione può essere integrata nelle reti standard tramite l'interfaccia Ethernet RJ45. L'accesso ai dati rilevati e la configurazione del sistema vengono effettuati attraverso il server Web interno. L'interfaccia Web viene richiamata tramite il browser per Internet di un PC collegato utilizzando l'indirizzo IP.

Visualizzazione dei valori di carico su un telefono cellulare

Visualizzazione dei valori di carico su un telefono cellulare

Monitoraggio remoto e manutenzione preventiva

Il riconoscimento dei fulmini in impianti difficilmente accessibili o remoti, come ad esempio impianti eolici offshore, risulta impossibile o molto oneroso. Il sistema di rilevamento dei fulmini LM-S fornisce tutti i dati misurati attraverso l'interfaccia Web integrata. In questo modo è possibile richiedere in qualsiasi momento tramite accesso remoto, ad esempio con un telefono cellulare, la situazione di carico dell'impianto.

Con i dati analizzati è possibile stimare con un livello elevato di precisione il carico effettivo di un impianto. I risultati della misurazione sono sempre attuali e consentono di eseguire una manutenzione preventiva. Se si suppone un danno all'impianto, per evitare danni conseguenti, puoi adottare rapidamente delle misure. In tal caso è possibile ridurre o persino evitare i tempi di inattività. Se invece è possibile derivare un carico minimo non critico dell'impianto dai risultati della misurazione, si risparmia manutenzione non necessaria o interventi di assistenza.

Assegnazione del contatto remoto

Assegnazione del contatto remoto

Contatto remoto

L'unità di valutazione è dotata anche di un relè di commutazione con contatto remoto esterno. Questo contatto normalmente chiuso fornisce per ogni evento un breve impulso, che può essere analizzato da un contatore. Pertanto, è anche possibile eseguire un'analisi semplice o aggiuntiva del numero di fulmini che colpiscono l'impianto. Il contatto relè assume la posizione di riposo non appena il sistema va a regime. In caso di guasto del sistema, il relè viene diseccitato. È così possibile richiedere anche la disponibilità del sistema attraverso il contatto remoto.

Esempi applicativi

Di seguito sono riportati alcuni esempi di applicazione che possono essere realizzati con il sistema di misurazione della corrente di fulmine.

Impianto a energia eolica

Gli impianti a energia eolica situati in posizioni esposte, come ad esempio i parchi eolici offshore, sono soggetti in modo particolare al rischio fulmini. In questo tipo di impianti è generalmente molto difficile, se non impossibile, realizzare misure complete di protezione dai fulmini. In questi casi viene impiegato il sistema di misurazione della corrente di fulmine.

La figura illustra la disposizione dei singoli componenti del sistema in un impianto a energia eolica. Sui parafulmini delle pale è montato un sensore. L'unità di valutazione si trova in un armadio di comando posto all'interno del mozzo. La connessione di segnale tra i sensori e l'unità di valutazione avviene tramite fibre ottiche. La connessione Ethernet al controllore centrale viene stabilita attraverso contatti rotanti tra funivia e cabina. L'unità di analisi lavora con tensione continua a 24 Volt.

In caso di necessità, il contatto remoto viene collegato al controllore. È inoltre possibile segnalare ogni fulmine o analizzare il numero di eventi.

Rappresentazione del principio di un'applicazione LM-S, ad esempio in un impianto a energia eolica

Rappresentazione del principio di un'applicazione LM-S, ad esempio in un impianto a energia eolica

Grafico sull'impiego del sistema di rilevamento dei fulmini in corrispondenza del Hermannsdenkmal (monumento ad Arminio) di Detmold

LM-S nel monumento ad Arminio a Detmold

Monumenti storici

Questo esempio di applicazione mostra l'impiego del sistema di rilevamento dei fulmini in corrispondenza del Hermannsdenkmal (monumento ad Arminio) a Detmold, in Germania. La statua di rame si erge sul basamento in pietra calcarea. Al piedistallo della statua sono collegate tre messe a terra. In tal modo, se la struttura di oltre 53 m viene colpita da un fulmine, la sovracorrente da fulmine viene deviata a terra. Su queste derivazioni sono montati i sensori. L'unità di valutazione è installata in un quadro elettrico all'interno del basamento.

Sottostazione elettrica

I fulmini nelle linee ad alta tensione determinano un carico dei trasformatori nelle sottostazioni elettriche. Spesso, si antepongono ai trasformatori degli elementi di protezione dalle sovratensioni con i quali le correnti impulsive di sovratensioni accoppiate vengono deviate a terra. In passato, come elementi di protezione venivano impiegati prevalentemente circuiti radio. Da alcuni anni si preferisce utilizzare varistori.

Il sistema LM-S offre la possibilità di rilevare e analizzare l'effettivo carico degli elementi di protezione. Ciò consente di riconoscere tempestivamente i limiti di carico e di sostituire gli elementi di protezione correlati.

I sensori vengono installati sulle derivazioni poste tra gli elementi di protezione e il terreno. La fibra ottica trasmette i segnali di misura all'unità di valutazione, installata in un quadro elettrico remoto.

Rappresentazione del principio di un'applicazione LM-S, ad esempio in una sottostazione elettrica

Rappresentazione del principio di un'applicazione LM-S, ad esempio in una sottostazione elettrica