번개가 치는 들판에 있는 풍력 터빈의 낙뢰 모니터링 시스템

낙뢰 모니터링 시스템 낙뢰 전류 수집 및 평가

시스템을 계속 추적하여 부하에 신속하게 대응하십시오.

낙뢰는 빌딩과 시스템에 치명적인 손상을 일으킵니다. 특히 노출된 시스템이나 대규모 시스템을 직원들이 지속적으로 모니터링할 수 없으므로 손상을 너무 늦게 발견하게 됩니다. 낙뢰의 조기 탐지 및 평가를 위해 피닉스컨택트는 LM-S 낙뢰 모니터링 시스템을 제공합니다.

여기에서 조명 모니터링 시스템의 작동 방식과 가능한 적용 분야에 대해 알아보십시오.

낙뢰 모니터링 시스템

낙뢰 모니터링 시스템

LM-S 낙뢰 모니터링 시스템은 낙뢰 서지 전류의 모든 주요 파라미터를 탐지 및 분석합니다. 최대 3개의 센서가 하나의 평가 장치에 연결됩니다. 센서는 낙뢰 보호 시스템의 아래쪽 전선에 마운트됩니다. 센서에서 측정은 Faraday 효과로 알려진 자기 광학 효과를 기반으로 합니다. 측정에 끼치는 영향을 방지하기 위해 광섬유가 센서에서 평가 장치로 신호를 전송하는 데 사용됩니다.

센서 및 기타 컴포넌트에 대한 추가 정보는 세부 제품 페이지에서 확인할 수 있습니다.

LM-S 낙뢰 모니터링 시스템 자습서
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낙뢰 모니터링 시스템

낙뢰 모니터링 시스템 백서

낙뢰 모니터링 시스템 백서

“낙뢰 전류 탐지 및 측정” 백서에서 자기 광학 효과의 기능적 원리에 대해 자세히 알아보십시오.

이 효과를 대략적으로 파악하고 시스템이 조건에 맞게 최적화된 유지 관리에 적합한지 여부를 확인할 수 있습니다.

2012년 Hermes Award를 수상한 LM-S 낙뢰 모니터링 시스템

LM-S 낙뢰 모니터링 시스템

2012년 Hermes Award를 수상한 낙뢰 모니터링 시스템

2012년에 낙뢰 모니터링 시스템은 많은 사람들이 탐내는 국제 기술상인 Hermes Award를 수상했습니다.

2004년부터 Deutsche Messe AG는 탁월하고 혁신적인 제품에 대해 매년 Hermes Award를 수여하고 있습니다.

낙뢰가 치는 산업용 플랜트

낙뢰로 인한 2차 손상 및 파괴

에너지에 따라 낙뢰가 빌딩 및 시스템에 광범위한 파괴를 야기할 수 있고 이는 추가적으로 2차 손상을 야기할 수 있습니다.

사람들이 자주 드나드는 주거용 빌딩이나 상업용 빌딩의 경우 이러한 손상이 즉시 감지됩니다. 일반적으로 이러한 손상을 제한하는 구제 조치를 신속하게 시작할 수 있습니다. 낙뢰가 발생한 후 손상 정도를 신속하고 정밀하게 평가할 수 있습니다. 중요한 시스템 기능의 즉각적인 수리 및 재커미셔닝을 통해 파생적인 손상을 예방할 수 있습니다.

일반적으로 노출된 시스템이나 대규모 시스템을 직원들이 지속적으로 모니터링하는 것은 불가능합니다. 손상 또는 파손은 2차 손상이 발생한 경우에만 탐지됩니다. 결과적으로 스마트 모니터링 시스템이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 장치는 시스템의 다양한 기능과 상태를 지속적으로 모니터링하고 결과를 중앙 제어 장치로 직접 보냅니다. 이를 통해 오작동 시 즉각 대응할 수 있고 2차 손상 및 긴 다운타임을 방지합니다.

현재까지 시스템에 발생한 낙뢰를 안정적으로 탐지하고 측정하기 위해 사용할 수 있는 측정 시스템이 없었습니다. 따라서 낙뢰에 대한 손상이나 결함 보고도 없었습니다.

특히 낙뢰의 위험이 있는 시스템은 풍력 터빈 발전기, 전원 생산 시스템, 대규모 산업용 플랜트, 철도 시스템 등과 같이 노출된 장소에 있는 시스템입니다. 이러한 시스템에서 낙뢰를 완벽하게 보호하는 것은 일반적으로 어렵고, 심지어 불가능할 수 있습니다.

피닉스컨택트의 LM-S 낙뢰 모니터링 시스템

낙뢰 모니터링 시스템

LM-S 낙뢰 모니터링 시스템

낙뢰의 탐지 및 평가를 위해 피닉스컨택트의 LM-S 낙뢰 모니터링 시스템을 사용할 수 있습니다. 이는 전류 보호 시스템의 아래쪽 전선에 장착되는 평가 장치와 센서로 구성됩니다.

이 모니터링 시스템은 Faraday 효과 또는 자기 광학 효과를 활용하여 아래쪽 전선에서 발생하는 낙뢰 서지 전류의 레벨 및 흐름 방향을 분석합니다. 이 프로세스에서 광파가 자기적으로 영향을 받고 영향력 지수가 측정 결과로 평가됩니다. 또한 광섬유를 통해 신호 전송이 발생합니다.

이는 구리 케이블을 통한 신호 전송과 비교해 명확한 이점을 제공합니다. 측정 시스템 가까이에서 발생한 낙뢰 전류는 낙뢰 신호에 영향을 줄 수 없고 전송 경로에 연결할 수 없습니다. 즉, 전자 평가 장치는 안정적이고 EMC 관점에서 무해한 신호를 수신합니다.

기능적 원리

낙뢰 전류는 어떻게 측정할 수 있습니까? 서지 전압은 어떻게 발생합니까? 서지 전압이 장치와 시스템에 어떻게 들어옵니까? 이러한 질문에 대한 대답이 궁금할 것입니다. 아래에서는 낙뢰 전류 탐지에 대한 포괄적인 정보가 제공됩니다.

측정 경로의 구조

측정 경로는 편광자가 있는 투명한 매체(유전체) 또는 양쪽 끝에 장착된 편광 필터로 구성됩니다. 측정 경로는 아래쪽 전선에서 전류 흐름 방향과의 각도가 90°가 되는 곳에 위치합니다. 이러한 방식을 통해 측정 경로에서 낙뢰 파장의 전파 방향이 아래쪽 전선에서 서지 전류의 자기장과 평행이 됩니다.

선형 편광자

선형 편광자

편광자

편광자 또는 편광 필터는 극성을 생성하는 광학 부품입니다. 전자기 파장이 흡수 또는 빔 분할을 통해 선형, 타원형 또는 원형의 양극화된 낙뢰로 분리됩니다. 이 경우 Faraday 효과를 사용하기 위해 낙뢰가 선형으로 양극화됩니다. 즉, 선형으로 양극화된 낙뢰만 편광 필터를 통과합니다.

자기장이 편광면에 미치는 영향

자기장이 편광면에 미치는 영향

자기장이 편광면에 미치는 영향

낙뢰 파장은 유전체 전자의 진동을 야기합니다. 자기장은 유전체 내 전자의 이동을 변경합니다. 이는 또한 낙뢰의 편광면에도 영향을 줍니다. 원칙적으로 편광면은 모든 방향으로 회전할 수 있습니다.

LM-S의 자기 광학 효과

LM-S의 자기 광학 효과

LM-S의 자기 광학 효과

그래픽 모델은 낙뢰 모니터링 시스템에서 자기 광학 효과의 모든 중요한 요소와 변수를 보여줍니다. 낙뢰 밀도가 정의된 낙뢰 파장(Φ)은 광섬유를 통해 측정 경로로 유도됩니다.

측정 경로의 입력 부분에서 편광 필터 P1이 직사광을 선형으로 양극화합니다. 이런 식으로 양극화된 낙뢰 파장은 매체 전자의 진동을 야기하고 편광면에서 측정 경로 매체를 통해 이동합니다. 편광면은 자기적으로 영향을 받을 수 있습니다.

서지 전류의 자기장이 매체 내에서 세로축을 기준으로 낙뢰 파장의 편광면을 회전합니다. 회전 방향은 자기장 라인의 방향과 전류 흐름의 방향에 따라 달라집니다. 예를 들어, 음극 및 양극 낙뢰의 서지 전류는 다른 방향의 자기장 라인을 생성합니다.

전류 I가 높을수록 자기장 B와 회전 각도 β가 커집니다. 자기장 B1은 낙뢰 파장의 시계 방향 회전을 일으키고 자기장 B2는 시계 반대 방향 회전을 일으킵니다.

두 번째 선형 편광 필터 P2는 입력 편광 필터와의 각도가 45°가 되는 지점에서 측정 경로의 출력에 위치합니다. 영향을 받지 않는 낙뢰 파장에서 낙뢰의 50%만이 출력 편광 필터를 통과합니다. 출력 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양은 낙뢰 파장 파장의 회전에 따라 달라집니다. 이는 평가할 수 있는 측정 가능한 낙뢰 신호입니다.

구성도: 출력 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양 변화

구성도: 출력 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양 변화

측정 결과 및 평가

양극 낙뢰는 양극화된 낙뢰 신호의 시계 방향 회전을 일으킵니다. 두 번째 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양이 증가하여 50-100%가 됩니다. 낙뢰 신호의 회전 각도가 45°에 도달한 것은 양극 낙뢰에 대한 100% 측정 값에 해당합니다.

음극 낙뢰는 양극화된 낙뢰 신호의 시계 반대 방향 회전을 일으킵니다. 두 번째 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양이 감소하여 50-0%가 됩니다. 낙뢰 신호의 회전 각도가 -45°에 도달한 것은 음극 낙뢰에 대한 100% 측정 값에 해당합니다.

출력 편광 필터를 통과하는 낙뢰의 양이 측정됩니다. 모니터링된 낙뢰 서지 전류의 일반적인 파라미터는 시간 경과에 따라 진행되는 낙뢰의 양에서 파생됩니다. 이는 최대 전류 강도, 증가하는 낙뢰 전류 비율, 충전 및 특정 에너지입니다.

영향을 주는 변수

영향을 주는 가장 중요한 변수는 매체 물질, 낙뢰의 파장, 매체를 통한 낙뢰 경로의 길이 및 자기장의 강도입니다. 추가 이론적인 원리와 영향을 주는 변수는 아래에서 설명합니다.

전장 벡터 E
전장 벡터 E는 영향을 받은 낙뢰 파장의 위치와 진행을 나타냅니다. 이는 화살표로 표시됩니다(그래픽 모델 참조).

유전체
충전 캐리어가 일반적으로 자유롭게 이동할 수 없는 약하거나 비전도성, 비금속 물질을 유전체라고 합니다. 여기에는 가스, 액체 또는 고체가 있습니다. 이러한 물질은 일반적으로 비자기성으로 전기 또는 전자기 필드에 의해 작동하지 않습니다.

광학 상수 V
광학 상수 V는 자속 밀도 장치당 회전에 해당합니다. 이는 평가할 유전체에 대한 Faraday 효과의 강도를 설명합니다. 이 값은 매체에서 전자파의 파장에 따라 달라집니다.

회전 각도 β 계산
편광판이 회전하는 회전 β의 각도는 다음과 같이 계산합니다.

β = V x d x B

d는 매체를 통한 낙뢰 경로의 길이이고 B는 자속 밀도이고 V는 광학 상수입니다.

센서 주위의 원형 자기장

센서 주위의 원형 자기장

설치

원형 자기장에서 유효 필드 강도는 아래쪽 전류 전송 전선의 자기장에서 센서의 침투 깊이에 따라 달라집니다.

계산을 위해 침투 깊이는 반경을 통해 정의됩니다. 즉, 반경이 작을수록 필드 강도는 더 커집니다. 유효 자기장이 최대한 커지도록 센서를 아래쪽 전선에 가능한 가깝게 마운트하는 것이 좋습니다.

핵심 사항:
H = 필드 강도[A/m]
r = 반경[cm]
I = 전류[A]

LM-S 센서 하우징

측정 경로는 센서 하우징의 전면부에 있습니다.

시스템 보정을 위해 반경의 중요성

반경은 자기장에서 센서의 침투 깊이를 측정하여 유효 자기장 강도 H를 기록하는 것입니다. 이 값은 전선의 중앙선에서 센서 하우징의 외부 모서리까지의 거리에 해당합니다.

반경은 설치하는 동안 결정됩니다. 이는 시스템 조건마다 동일한 측정 조건을 보장하므로 시스템 보정을 위해 중요합니다.

신호 전송 및 모니터링

탐지된 신호가 센서에서 평가 장치로 어떻게 이동합니까? 측정 결과를 어떻게 평가합니까? 어떻게 하면 시스템 유지 관리를 최소화할 수 있습니까? 아래에서 답변을 확인할 수 있습니다.

RJ45 Ethernet 인터페이스

RJ45 Ethernet 인터페이스

시스템 인터페이스 및 신호 전송

RJ45 Ethernet 인터페이스를 통해 평가 장치를 표준 네트워크에 통합할 수 있습니다. 기록된 데이터에 액세스하고 시스템을 구성하기 위해 내부 웹 서버가 사용됩니다. IP 어드레싱을 사용하는 시스템에 연결된 PC의 인터넷 브라우저를 통해 웹 인터페이스를 엽니다.

휴대폰에 부하 값 표시

휴대폰에 부하 값 표시

원격 모니터링 및 사전 예방적 유지 관리

해상 풍력 발전 시설과 같이 접근하기 어렵거나 멀리 있는 시스템에 발생한 낙뢰는 탐지가 불가능하거나 매우 어렵습니다. LM-S 낙뢰 모니터링 시스템은 통합 웹 인터페이스를 통해 모든 측정 데이터를 제공합니다. 즉, 언제든지 휴대폰 등에서 원격 액세스를 통해 시스템의 부하 상황을 확인할 수 있습니다.

평가된 데이터를 통해 실제 시스템 부하를 정밀하게 예측할 수 있습니다. 측정 결과는 항상 최신의 것으로 이를 통해 사전 예방적 유지 관리를 수행할 수 있습니다. 시스템 손상이 나타나는 경우 신속한 조치를 시작하여 2차 손상을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 다운타임을 줄이거나 완전히 막을 수 있습니다. 측정 결과가 중요하지 않은 최소한의 시스템 부하를 나타내는 경우에도 불필요한 유지 관리 작업 또는 수리를 줄일 수 있습니다.

원격 접점 할당

원격 접점 할당

원격 접점

평가 장치에는 액세스 가능한 원격 접점이 있는 스위칭 릴레이가 있습니다. 문제가 발생할 때마다 이 N/C 접점은 카운터로 평가할 수 있는 짧은 펄스를 생성합니다. 이 방법으로 시스템에 발생한 낙뢰 횟수에 대한 간단한 추가 평가를 수행할 수도 있습니다. 시스템이 시작되면 릴레이 접점은 정상 위치만 추정합니다. 시스템 오작동 발생 시 릴레이가 드롭다운됩니다. 따라서 원격 접점을 통해 시스템 가용성을 쿼리할 수 있습니다.

적용 예제

낙뢰 모니터링 시스템으로 구현할 수 있는 몇 가지 애플리케이션의 예가 아래에 나와 있습니다.

풍력 터빈 발전기

해상 풍력 발전 시설과 같은 노출된 풍력 터빈 발전기는 특히 낙뢰의 위험이 있습니다. 이러한 시스템에서 낙뢰를 완벽하게 보호하는 기능을 구현하는 것은 일반적으로 어렵고, 심지어 불가능합니다. 낙뢰 모니터링 시스템은 이러한 경우에 이상적입니다.

그림은 풍력 발전소의 개별 시스템 컴포넌트 배열을 보여줍니다. 센서는 로터 블레이드의 각 낙뢰 어레스터에 마운트됩니다. 평가 장치는 허브의 컨트롤 캐비닛에 위치합니다. 신호는 광섬유를 통해 센서와 평가 장치 간에 전송됩니다. 중앙 컨트롤러에 대한 Ethernet 연결은 나셀과 전망대 사이의 슬립 링을 통해 설정됩니다. 평가 장치는 24 V DC 전압으로 작동합니다.

필요한 경우 원격 접점을 컨트롤러에 연결할 수 있습니다. 이렇게 하면 모든 낙뢰를 신호로 알리거나 발생 횟수를 평가할 수 있습니다.

풍력 터빈 발전기에 LM-S를 적용한 구성도

풍력 터빈 발전기에 LM-S를 적용한 구성도

독일 Detmold의 헤르만 기념비에서 낙뢰 모니터링 시스템이 어떻게 사용되는지를 보여주는 다이어그램

독일 Detmold의 헤르만 기념비에 사용된 LM-S

문화 기념비

이 적용 예제는 독일 Detmold의 헤르만 기념비에서 낙뢰 모니터링 시스템이 어떻게 사용되는지를 보여줍니다. 구리 조각상이 규회 벽돌 위에 서 있습니다. 3개의 접지 케이블이 조각상의 받침대에 연결됩니다. 즉, 전체 높이가 53 m 이상인 구조물에 낙뢰가 발생할 경우 낙뢰 서지 전류가 접지로 방전됩니다. 센서는 아래쪽 전선에 마운팅됩니다. 평가 장치는 맨 아래 부분의 컨트롤 캐비닛에 설치됩니다.

변전소

고전압 케이블에 낙뢰가 발생하면 변압기가 전원 변환 하위 스테이션에 로드됩니다. 서지 보호 부품이 종종 변압기의 업스트림에 연결됩니다. 이로 인해 서지 전류가 커플링된 과전압에서 접지로 이동합니다. 과거에는 스파크 갭이 보호 부품으로 사용되었습니다. 그러나 최근에는 배리스터가 선호하는 솔루션이 되었습니다.

LM-S를 사용하면 보호 부품의 실제 부하를 탐지 및 평가할 수 있습니다. 이렇게 하면 부하 제한의 조기 모니터링 및 해당 보호 부품의 교체가 가능합니다.

센서는 보호 부품과 접지 사이에 있는 아래쪽 전선에 설치됩니다. 광섬유는 측정 신호를 원격 컨트롤 캐비닛에 설치되어 있는 평가 장치에 전송합니다.

변전소에 LM-S를 적용한 구성도

변전소에 LM-S를 적용한 구성도