Bliksemstroommeetsysteem in windturbines in een veld met bliksem op de achtergrond

Bliksemstroommeetsysteem Bliksemstromen registreren en analyseren

Houd uw installaties altijd in het oog en reageer op tijd op belastingen.

Blikseminslagen veroorzaken onherstelbare beschadigingen aan gebouwen en installaties. Het continu observeren door personen is bij niet-beschutte of grootschalige installaties vrijwel onmogelijk, zodat de beschadigingen te laat worden opgemerkt. Voor een vroegtijdige registratie en analyse van blikseminslagen staat het bliksemstroommeetsysteem LM-S van Phoenix Contact ter beschikking.

Hier ervaart u hoe het bliksemstroommeetsysteem werkt en welke toepassingsgebieden mogelijk zijn.

Bliksemstroommeetsysteem

Bliksemstroommeetsysteem

Het bliksemstroommeetsysteem LM-S herkent en analyseert alle belangrijke parameters van bliksemstromen. Er kunnen maximaal drie sensoren op één analyser worden aangesloten. De sensoren worden op afleiders van een bliksembeveiligingsinstallatie gemonteerd. De meting in de sensoren is gebaseerd op een magneto-optisch effect dat het Faraday-effect wordt genoemd. Om interferentie met de meting te voorkomen, wordt de signaaloverdracht van de sensor naar de analyser gerealiseerd via lichtgeleiderkabels.

Voor meer informatie over de sensoren en andere onderdelen, zie de pagina met productdetails.

Bliksemstroommeetsysteem LM-S Tutorial
Bliksemstroommeetsysteem LM-S Tutorial YouTube
Hermes Award 2012 voor het bliksemstroommeetsysteem LM-S

Bliksemstroommeetsysteem LM-S

Hermes Award 2012 voor het bliksemstroommeetsysteem

In 2012 is het bliksemstroommeetsysteem met de begeerde, internationale technologieprijs Hermes Award onderscheiden.

De Hermes Award wordt sinds 2004 jaarlijks door de Deutsche Messe AG uitgeloofd voor buitengewone innovatieve producten.

Industriële installaties met blikseminslag

Gevolgschade en onherstelbare beschadigingen door blikseminslagen

In afhankelijkheid van de meegevoerde energie leiden blikseminslagen tot ernstige beschadigingen aan gebouwen en installaties, die andere gevolgschade kunnen veroorzaken.

Betreft het woningen of bedrijfsgebouwen waar regelmatig mensen komen, dan vallen dergelijke beschadigingen direct op. In de meeste gevallen kunnen dan snel passende maatregelen worden getroffen om de schade te beperken. Na een dergelijke gebeurtenis kan de omvang van de schade even snel als concreet worden bepaald. Een onmiddellijke reparatie en herinbedrijfstelling van belangrijke installatiefuncties kan gevolgschade voorkomen.

Bij niet-beschutte of grootschalige installaties bestaat doorgaans niet de mogelijkheid tot constante observatie door een persoon. Beschadigingen aan de installatie worden vaak pas opgemerkt door de gevolgschade die ontstaat. Daarom wordt steeds vaker gebruikgemaakt van intelligente bewakingssystemen. Zij bewaken permanent de verschillende functies en hun status in een installatie en rapporteren de resultaten rechtstreeks aan een centrale controle-eenheid. Hierdoor wordt het mogelijk om direct te reageren op storingen en kan gevolgschade zoals een lange uitvaltijd worden voorkomen.

Tot nu toe bestond er geen meetsysteem waarmee blikseminslagen in een installatie betrouwbaar konden worden waargenomen en beoordeeld. Daardoor bestonden er ook geen schade- of storingsmeldingen over dergelijke gebeurtenissen.

Windturbines, energieopwekkingsinstallaties, uitgestrekte industriële bedrijven en spoorweginstallaties zijn voorbeelden van onbeschut gelegen installaties met een zeer hoge kans op blikseminslag. Bij dergelijke installaties zijn volledig dekkende bliksembeveiligingsmaatregelen moeilijk te realiseren en soms zelfs onmogelijk.

Lightning Monitoring System LM-S van Phoenix Contact

Bliksemstroommeetsysteem

Bliksemstroommeetsysteem LM-S

Voor de registratie en analyse van blikseminslagen is het Lightning Monitoring System LM-S van Phoenix Contact leverbaar. Het bestaat in principe uit een analyser en een sensor die op de afleiding van een bliksembeveiligingsinstallatie is gemonteerd.

Dit meetsysteem gebruikt het Faraday-effect resp. het magneto-optische effect om de hoogte en de stroomrichting van bliksemstootstromen die in bliksemafleiders optreden te analyseren. Daarbij wordt een lichtgolf magnetisch beïnvloed en de mate van beïnvloeding als meetresultaat geanalyseerd. Ook de signaaloverdracht vindt via lichtgeleiderkabels plaats.

Vergeleken met een signaaloverdracht via koperen aders heeft dit voordelen die van doorslaggevend belang zijn. Bliksemstromen die in de buurt van het meetsysteem optreden, kunnen het lichtsignaal niet meer beïnvloeden of inkoppelen in de overdrachtswegen. Hierdoor kan de elektronica van de analyser wat het EMC-aspect betreft beschikken over een betrouwbaar signaal.

Functieprincipe

Hoe kan bliksemstroom worden gemeten? Hoe ontstaan overspanningen? Hoe komen overspanningen in uw apparaten en installaties? Dat hebt u zich misschien ook al eens afgevraagd. Hierna wordt u uitgebreid geïnformeerd over alles op het gebied van meting van bliksemstroom.

Opbouw van het meetcircuit

Het meetcircuit bestaat uit een transparant medium (di-elektricum) met polarisatoren of poolfilters aan beide zijden. Het meetcircuit is zo aangebracht, dat het ten opzichte van de stroomrichting in de afleiding een hoek van 90° vormt. Zo ligt de verplaatsingsrichting van een lichtgolf in het meetcircuit parallel aan het magnetische veld van de stootstroom in de afleiding.

Lineair werkende polarisator

Lineair werkende polarisator

Polarisatoren

Polarisatoren of poolfilters zijn optische elementen die een polarisatie bewerkstelligen. Daarbij worden elektromagnetische golven door absorptie of straaldeling in lineair, elliptisch of circulair gepolariseerd licht gesepareerd. Om het Faraday-effect te kunnen gebruiken, wordt in dit geval het licht lineair gepolariseerd. Dat betekent dat alleen lineair gepolariseerd licht door het poolfilter kan komen.

Magnetische invloed op het polarisatievlak

Magnetische invloed op het polarisatievlak

Magnetische invloed op het polarisatievlak

De lichtgolf zorgt voor trillingen van de elektronen in het di-elektricum. Het magnetische veld verandert de beweging van de elektronen in het di-elektricum. Daardoor wordt het polarisatieniveau van het licht beïnvloed. Het polarisatieniveau kan in principe in elke willekeurige richting worden gedraaid.

Magneto-optisch effect in het LM-S

Magneto-optisch effect in het LM-S

Magneto-optisch effect in het LM-S

Het grafische model laat alle wezenlijke elementen en grootheden van het magneto-optische effect in het bliksemmeetsysteem zien. Een lichtgolf Φ met gedefinieerde lichtsterkte wordt door een lichtgeleiderkabel naar het meetcircuit geleid.

Het poolfilter P1 bij de ingang van het meetcircuit polariseert het toegevoerde licht lineair. De zo gepolariseerde lichtgolf brengt de elektronen in het medium in trilling en beweegt zich op het polarisatieniveau door het medium naar het meetcircuit. Het polarisatieniveau kan magnetisch worden beïnvloed.

Het magnetische veld van een stootstroom draait het polarisatieniveau van de lichtgolf in het medium om de lengte-as. De draairichting is afhankelijk van de richting van de magnetische veldlijnen en daarmee van de stroomrichting. Zo produceren bijv. de stootstromen van negatieve en positieve bliksem verschillend gerichte magnetische veldlijnen.

Hoe groter de stroom I, hoe sterker het magnetische veld B en hoe groter ook de draaihoek β is. Het magnetische veld B1 veroorzaakt een draaiing naar rechts en het magnetische veld B2 een draaiing naar links van de lichtgolf.

Bij de uitgang van het meetcircuit is het tweede lineaire poolfilter P2 in een hoek van 45° ten opzichte van het ingangspoolfilter aangebracht. Daardoor komt van een onbeïnvloede lichtgolf slechts 50 % van de lichthoeveelheid door het uitgangspoolfilter. Afhankelijk van de draaiing van de lichtgolf laat het uitgangspoolfilter meer of minder licht door. Zo ontstaat een meetbaar en analyseerbaar lichtsignaal.

Schematische weergave: verandering in de hoeveelheid licht achter het uitgangspolarisatiefilter

Schematische weergave: verandering in de hoeveelheid licht achter het uitgangspolarisatiefilter

Meetresultaat en analyse

Positieve bliksem veroorzaakt een draaiing naar rechts van het gepolariseerde lichtsignaal. De lichthoeveelheid achter het tweede poolfilter neemt toe en bedraagt tussen de 50 en 100 %. Als de draaihoek van het lichtsignaal 45° bereikt, komt dat overeen met de 100%-meetwaarde van een positieve bliksem.

Negatieve bliksem veroorzaakt een draaiing naar links van het gepolariseerde lichtsignaal. De lichthoeveelheid achter het tweede poolfilter neemt af en bedraagt tussen de 50 en 0 %. Als de draaihoek van het lichtsignaal -45° bereikt, komt dat overeen met de 100%-meetwaarde van een negatieve bliksem.

Gemeten wordt de lichthoeveelheid achter het uitgangspoolfilter. Aan de hand van het tijdsverloop worden de typische parameters van de geregistreerde bliksemstootstroom afgeleid. Dat zijn de maximale stroomsterkte, de blikstroomsteilheid alsmede lading en specifieke energie.

Beïnvloedingsgrootheden

De belangrijke beïnvloedingsgrootheden zijn het materiaal van het medium, de golflengte van het licht, de lengte van de weg die het licht door het medium aflegt en de magnetische veldsterkte. Bovendien volgt hierna uitleg over nog meer theoretische principes en beïnvloedingsgrootheden.

Elektrische veldvector E
De elektrische veldvector E beschrijft het verloop en de positie van de beïnvloede lichtgolf. Hij wordt weergegeven als pijl (zie grafisch model).

Di-elektricum
Als di-elektricum geldt elke elektrisch zwak- of niet-geleidende, niet-metalen stof, waarvan de ladingdragers over het algemeen niet vrij kunnen bewegen. Het kan zowel een gas, een vloeistof als een vaste stof zijn. Deze stoffen hebben als eigenschap niet magnetisch te zijn en worden met elektrische of elektromagnetische velden belast.

Verdet-constante V
De Verdet-constante V komt overeen met het draaivermogen per eenheid van de magnetische dichtheid. De constante beschrijft de sterkte van het Faraday-effect voor het te bepalen di-elektricum. De waarde is afhankelijk van de golflengte van elektromagnetische golven in het medium.

Berekening van de draaihoek β
De rotatiehoek β waaromheen het polarisatievlak draait, wordt berekend volgens:

β = V x d x B

d is de lengte van de lichtweg door het medium, B is de magnetische fluxdichtheid en V is de constante van Verdet.

Cirkelvormig magnetisch veld om een sensor

Cirkelvormig magnetisch veld om de sensor

Installatie

In het cirkelvormige magnetische veld is de effectieve veldsterkte afhankelijk van de dompeldiepte van de sensor in het magnetische veld van de met stroom doorstroomde afleiding.

De dompeldiepte wordt in de berekening door de radius gedefinieerd. Dat wil zeggen: hoe kleiner de radius, hoe groter de veldsterkte. Het is dus gunstiger om de sensor zo dicht mogelijk op de afleiding te monteren, zodat de effectieve veldsterkte zo groot mogelijk is.

Legenda:
H = veldsterkte [A/m]
r = radius [cm]
I = stroom [A]

Sensorbehuizing van de LM-S

Het meetcircuit bevindt zich in het voorste gedeelte van de sensorbehuizing.

Belang van de radius voor de kalibratie van het systeem

De radius is de maat voor de dompeldiepte van de sensor in het magnetische veld en voor de registratie van de daar effectieve magnetische veldsterkte H. De waarde komt overeen met de afstand van de middellijn van de geleider tot aan de buitenkant van de sensorbehuizing.

De radius wordt bepaald bij de installatie. Dat is belangrijk voor de kalibratie van het systeem, want deze zorgt voor gelijke meetvoorwaarden bij verschillende installatie-omstandigheden.

Signaaloverdracht en bewaking

Hoe komt het geregistreerde signaal van de sensor naar de analyser? Hoe worden de meetresultaten daar geanalyseerd? Hoe kunnen onderhoudswerkzaamheden door het systeem worden geminimaliseerd? Hieronder vindt u het antwoord.

RJ45-Ethernet-interface

RJ45-Ethernet-interface

Systeeminterface en signaaloverdracht

De analyser kan via de RJ45-Ethernet-interface in standaard netwerken worden geïntegreerd. De toegang tot de geregistreerde gegevens en de configuratie van het systeem vinden via de interne webserver plaats. De webinterface wordt opgeroepen via de internetbrowser van een aangesloten PC met gebruikmaking van IP-adressering.

Weergave van de belastingswaarden op een mobiele telefoon

Weergave van de belastingswaarden op een mobiele telefoon

Bewaking op afstand en preventief onderhoud

Blikseminslagen in moeilijk toegankelijke of verafgelegen installaties, bijv. offshore windparken, kunnen niet of alleen met grote moeite worden geconstateerd. Het bliksemstroommeetsysteem LM-S maakt alle meetgegevens via de geïntegreerde webinterface beschikbaar. Zo kan door toegang op afstand, bijv. met een mobiele telefoon, op elk moment de belastingssituatie van de installatie worden opgevraagd.

Met de geanalyseerde gegevens kan de daadwerkelijke belasting van een installatie zeer nauwkeurig worden ingeschat. De meetresultaten zijn altijd actueel en maken preventief onderhoud mogelijk. Om gevolgschade te voorkomen, kunt u snel maatregelen nemen als van een beschadiging van de installatie uitgegaan moet worden. Er kunnen dan uitvaltijden worden verkleind of zelfs vermeden. Als echter uit de meetresultaten een minimale onkritische belasting van de installatie kan worden afgeleid, bespaart dit onnodige onderhouds- of reparatiewerkzaamheden.

Toewijzing van het contact op afstand

Toewijzing van het contact op afstand

Remote contact

De analyser heeft ook een schakelrelais met naar buiten gevoerd remote contact. Dit verbreekcontact geeft bij elke gebeurtenis een korte impuls, die door een counter kan worden geanalyseerd. Zo bestaat ook de mogelijkheid tot een eenvoudige of extra analyse van het aantal blikseminslagen in de installatie. Het relaiscontact neemt zijn rustpositie pas in na inbedrijfstelling van het systeem. En bij systeemstoringen valt het relais af. Zo wordt via het remote contact ook de systeembeschikbaarheid opgevraagd.

Toepassingsvoorbeelden

Hieronder volgen enkele toepassingsvoorbeelden die met het bliksemstroommeetsysteem kunnen worden gerealiseerd.

Windturbine

Windturbines liggen op een niet-beschutte locatie, bijvoorbeeld een offshore windpark, en gelden als zeer bedreigd door bliksem. Bij dergelijke installaties zijn volledig dekkende bliksembeveiligingsmaatregelen moeilijk te realiseren, zo niet onmogelijk. In dergelijke gevallen wordt het bliksemstroommeetsysteem ingezet.

De afbeelding geeft de plaats van de afzonderlijke systeemcomponenten op een windturbine weer. Op de bliksemstroomafleidingen van elk van de windvleugels is een sensor gemonteerd. De analyser bevindt zich in een schakelkast in de naaf. De signaalverbinding tussen de sensoren en de analyser verloopt via lichtgeleiders. De Ethernet-verbinding naar de centrale besturing wordt via sleepringen tussen gondel en kansel tot stand gebracht. De analyser werkt met 24-V-gelijkspanning.

Indien nodig kan het remote contact op de besturing worden aangesloten. Via dit contact kan elke blikseminslag worden doorgegeven of het aantal gebeurtenissen worden bijgehouden.

Principeweergave van een LM-S-applicatie met een windturbine als voorbeeld

Principeweergave van een LM-S-applicatie met een windturbine als voorbeeld

Schema van het gebruik van het flitspaaldetectiesysteem bij het Hermannsmonument in Detmold

LM-S op het Hermannsdenkmal bij Detmold, Duitsland

Cultureel monument

Dit toepassingsvoorbeeld laat zien hoe het bliksemregistratiesysteem wordt ingezet bij het Hermannsdenkmal in Detmold, Duitsland. Op een sokkel van kalkzandsteen staat het koperen standbeeld. Op de sokkel van het standbeeld zijn drie aarddraden aangesloten. Bij blikseminslagen in het bouwwerk met een totale hoogte van meer dan 53 m worden de bliksemstootstromen naar de aarde afgeleid. Op deze afleidingen zijn de sensoren gemonteerd. De analyser is in een schakelkast in de binnenruimte in de sokkel gemonteerd.

Transformatorstation

Blikseminslagen in hoogspanningskabels leiden tot een belasting van de transformatoren in transformatorstations. Vaak zijn aan de transformatoren overspanningsbeveiligingselementen voorgeschakeld, waarmee de stootstromen uit ingekoppelde overspanningen naar de aarde worden afgeleid. Vroeger werden als beveiligingselementen voornamelijk vonkbruggen ingezet. Sinds enkele jaren gaat de voorkeur uit naar de inzet van varistoren.

Het LM-S biedt de mogelijkheid de daadwerkelijke belasting van de beveiligingselementen te registreren en analyseren. Belastingsgrenzen worden daardoor op tijd herkend en de desbetreffende beveiligingselementen kunnen op tijd worden vervangen.

De sensoren worden op de afleidingen geïnstalleerd tussen de beveiligingselementen en aarde. Lichtgeleiderkabels zorgen voor de overdracht van de meetsignalen naar de analyser, die in een afzonderlijke schakelkast is geïnstalleerd.

Principeweergave van een LM-S-applicatie met een transformatorstation als voorbeeld

Principeweergave van een LM-S-applicatie met een transformatorstation als voorbeeld