Lynstrømmålesystem i vindhjul på et område med lyn i bakgrunnen

Lynstrømmålesystem Registrering og evaluering av lynstrøm

Sørg for at du alltid har full oversikt over anleggene, og at du kan reagere tidsnok på belastninger.

Lynnedslag kan forårsake enorme skader på bygninger og anlegg. Kontinuerlig overvåking ved hjelp av personer er tilnærmet umulig på utsatte eller store anlegg, og ødeleggelser oppdages derfor ofte altfor sent. Lynstrømmålesystemet LM-S fra Phoenix Contact ble utviklet for at man skal kunne oppdage og evaluere lynnedslag tidsnok.

###Her får du vite hvordan lynstrømmålesystemet fungerer, og hvilke bruksområder som er mulig.

Lynstrømmålesystem

Lynstrømmålesystem

Lynstrømmålesystemet LM-S oppdager og analyserer alle viktige parametere i forbindelse med lynstrøm. Opptil tre sensorer kobles til en evalueringsenhet. Sensorene monteres på avledere i et lynbeskyttelsesanlegg. Målingen i sensorene baserer på en magnetooptisk effekt, den såkalte faradayeffekten. For å unngå påvirkninger fra målingen foretas signaloverføringen fra sensoren til evalueringsenheten via optiske fibre.

Du finner mer informasjon om sensorene og ytterligere komponenter på den detaljerte produktsiden.

Lynstrømmålesystem LM-S veiledning
Lynstrømmålesystem LM-S veiledning YouTube
Lynstrømmålesystem

White paper lynstrømmålesystem

White paper til lynstrømmålesystem

I vår white paper "Registrere og måle lynstrøm" får du kunnskap om prinsippet bak den magnetooptiske effekten.

Skaff deg en oversikt over denne effekten, og finn ut om systemet er egnet for tilstandsoptimalisert vedlikehold.

Hermes Award 2012 for lynstrømmålesystemet LM-S

Lynstrømmålesystem LM-S

Hermes Award 2012 for lynstrømmålesystemet

I 2012 ble lynstrømmålesystemet utmerket med den ettertraktede internasjonale teknologiprisen Hermes Award.

Hermes Award har hvert år siden 2004 blitt tildelt av Deutsche Messe AG for utmerkede, nyskapende produkter.

Industrianlegg med lynnedslag

Følgeskader og ødeleggelser etter lynnedslag

Avhengig av energimengden fører lynnedslag til massive ødeleggelser på anlegg og bygninger, som igjen kan gi følgeskader.

På boligområder eller industrielle områder der det ofte ferdes mennesker, vil slike skader bli oppdaget umiddelbart. Hjelpetiltak for å begrense skaden kan i de fleste tilfeller iverksettes i løpet av kort tid. Etter en slik hendelse kan skadomfanget evalueres tilsvarende raskt og konkret. Umiddelbare reparasjoner og oppstart av viktige anleggsfunksjoner kan forhindre følgeskader.

Utsatte anlegg eller anlegg som strekker seg over større arealer kan vanligvis ikke overvåkes konstant av personer. Større eller mindre skader på anlegget oppdages ofte først fordi følgeskader har oppstått. Av den grunn brukes smarte Monitoring-systemer stadig oftere. De overvåker de forskjellige funksjonene og deres status i anlegget permanent, og signaliserer hendelsene omgående til en sentral styreenhet. Det gjør det også mulig å reagere på feil umiddelbart og unngå følgeskader samt lange stillstandstider.

Så langt har man ikke hatt et målesystem for å oppdage og evaluere lynnedslag i anlegg. Derfor har man heller ikke hatt funksjoner som kunne melde fra om feil eller skader som følge av nedslagene.

Vindanlegg, anlegg for generering av energi, større industribedrifter og jernbaneanlegg er f. eks. særdeles eksponert og spesielt utsatt for lyn. Ved slike anlegg er det meget vanskelig, om ikke helt umulig, å iverksette komplette tiltak som gir beskyttelse mot lyn.

Lightning Monitoring System LM-S fra Phoenix Contact

Lynstrømmålesystem

Lynstrømmålesystem LM-S

For å gjenkjenne og evaluere lynnedslag finnes lynstrømmålesystemet LM-S fra Phoenix Contact. Det består hovedsakelig av en evalueringsenhet og en sensor som er montert på lynbeskyttelsesanleggets avledning.

For å analysere høyde og retning på lynstrømmen som oppstår i lynavledninger tar dette målesystemet utgangspunkt i faradayeffekten eller den magnetooptiske effekten. I den forbindelse påvirkes en lynbølge magnetisk, og effekten evalueres som måleresultat. Signaloverføringen foregår også via optiske fibre.

Sammenlignet med signaloverføring via kobberledning gir dette betydelige fordeler. Lynstrøm som oppstår i målesystemets omgivelser, kan ikke lenger påvirke lyssignalet eller koble seg inn i overføringsstrekningen. Dermed gir evalueringsenhetens elektroniske system et signal som er absolutt pålitelig og helt problemfritt med hensyn til EMC-kompatibilitet.

Funksjonsprinsipp

Hvordan kan lynstrøm måles? Hvordan oppstår overspenning? Hvordan videreføres overspenning til utstyr og anlegg? Du har kanskje også, på et eller annet tidspunkt, stilt deg disse spørsmålene. Nedenfor får du detaljert informasjon om registrering av lynstrøm.

Oppbygging av målestrekningen

Målestrekningen består av et transparent medium (dielektrikum) med polarisatorer eller polfiltre plassert på begge sider. Målestrekningen er plassert slik at den inntar en vinkel på 90° mot strømflytretningen i avlederen. Utbredelsesretningen til en fiberoptisk kabel i en målestrekning ligger dermed parallelt med støtstrømmens magnetfelt i avlederen.

Lineært virkende polarisator

Lineært virkende polarisator

Polarisatorer

Polarisatorer eller polfiltre er optiske elementer som forårsaker en polarisering. Elektromagnetiske bølger blir da, som følge av absorpsjon eller stråledeling, separert i lineært, elliptisk eller sirkulært polarisert lys. For å dra nytte av faradayeffekten blir lyset i denne sammenheng polarisert lineært. Det betyr at kun lineært polarisert lys trenger gjennom polfilteret.

Magnetisk påvirkning av polarisasjonsnivået

Magnetisk påvirkning av polarisasjonsnivået

Magnetisk påvirkning av polarisasjonsnivået

Lysbølgen forårsaker svingninger i elektronene i dielektriket. Magnetfeltet forandrer elektronbevegelsen inne i dielektriket. Det påvirker lysets polarisasjonsnivå. Polarisasjonsnivået kan generelt dreies i alle retninger.

Magnetooptisk effekt i LM-S

Magnetooptisk effekt i LM-S

Magnetooptisk effekt i LM-S

Den grafiske modellen viser alle vesentlige elementer og størrelser i den magnetooptiske effekten i lynmålesystemet. En lysbølge Φ med definert lysstyrke føres til målestrekingen via en optisk fiber.

Polfilter P1 på målestrekningens inngang polariserer det tilførte lyset lineært. Lysbølgen som er polarisert på denne måten, forårsaker svingninger i elektronene i mediet og beveger seg gjennom målestrekningens medium på polarisasjonsnivået. Polarisasjonsnivået kan påvirkes magnetisk.

Magnetfeltet til en støtstrøm dreier lysbølgens polarisasjonsnivå rundt lengdeaksen inne i mediet. Dreieretningen er avhengig av de magnetiske feltlinjenes retning og dermed av strømretningen. Støtstrømmen av negative og positive lyn forårsaker f. eks. ulikt rettede magnetiske feltlinjer.

Jo høyere strøm I, desto sterkere er magnetfelt B og dermed også størrelsen på dreievinkel β. Magnetfelt B1 forårsaker en høyredreining og magnetfelt B2 en venstredreining av lysbølgen.

På målestrekningens utgang er det andre, lineære polfilteret P2 plassert i en vinkel på 45° mot inngangspolfilteret. Med utgangspunkt i en upåvirket lysbølge trenger dermed kun 50 % av lysmengden gjennom utgangspolfilteret. Avhengig av lysbølgens dreining slipper utgangspolfilteret mer eller mindre lys igjennom. Slik får man et lyssignal som kan måles og evalueres.

Prinsipiell fremstilling: Endring av lysmengde bak utgangspolfilteret

Prinsipiell fremstilling: Endring av lysmengde bak utgangspolfilteret

Måleresultat og evaluering

Et positivt lyn forårsaker en høyredreining av det polariserte lyssignalet. Lysmengden bak andre polfilter tiltar, og utgjør mellom 50 og 100 %. Når lyssignalets dreievinkel når 45°, tilsvarer det 100 %-måleverdien av et positivt lyn.

Et negativt lyn forårsaker en venstredreining av det polariserte lyssignalet. Lysmengden bak andre polfilter avtar, og utgjør mellom 50 og 0 %. Når lyssignalets dreievinkel når -45°, tilsvarer det 100 %-måleverdien av et negativt lyn.

Det som måles, er lysmengden bak utgangspolfilteret. Typiske parametere for registrert lynstøtstrøm avledes av lysmengdens typiske forløp. Det er maksimal stømstyrke, lynstrømstigning, ladning og spesifikk energi.

Påvirkende faktorer

De viktige faktorene som forårsaker en påvirkning, er mediets material, lysets bølgelengde, lysets veilengde gjennom mediet samt den magnetiske feltstyrken. Utover dette følger på de neste sidene en nærmere forklaring av teoretisk grunnlag og faktorer som utgjør en påvirkning.

Elektrisk feltvektor E
Den elektriske feltvektoren E beskriver forløpet og posisjonen til lysbølgen som påvirkes. Den vises i form av en pil (se grafisk modell).

Dielektrikum
Dielektrikum er betegnelsen på alle svakt ledende eller ikke-ledende, ikke-metalliske substanser med ladningsbærere som generelt ikke er fritt bevegelige. Det kan være en gass, væske eller fast stoff. Disse substansene er typisk umagnetiske og utsettes for elektriske eller elektromagnetiske felter.

Verdet-konstant V
Verdet-konstant V tilsvarer dreieegenskapene pr. enhet i den magnetiske flusstettheten. Den beskriver faradayeffektens styrke for dielektriket som skal evalueres. Verdien er avhengig av de elektromagnetiske bølgenes bølgelengde i mediet.

Beregning av dreievinkel β
Dreievinkel β, som polarisasjonsnivået dreier seg rundt, beregnes på følgende måte:

β = V x d x B

d = lysveiens lengde gjennom mediet, B = magnetisk induksjon, V = Verdet-konstant.

Sirkelformet magnetfelt rundt en sensor

Sirkelformet magnetfelt rundt sensoren

Installering

I det sirkelformede magnetfeltet er effektiv feltstyrke avhengig av hvor dypt sensoren går inn i magnetfeltet til avledningen som strømmen flyter gjennom.

Dybden fastsettes via radius. Dvs. , jo mindre radien er, desto større er feltstyrken. For å få en størst mulig effektiv feltstyrke bør sensoren derfor monteres så nær avledningen som mulig.

Forklaring:
H = feltstyrke [A/m]
r = radius [cm]
I = strøm [A]

Sensorhuset til LM-S

Målestrekningen befinner seg i sensorhusets fremre område.

Radiens betydning for kalibrering av systemet

Radien er målet for hvor dypt sensoren går inn i magnetfeltet, samt fastsetting av magnetfeltstyrken H som virker her. Verdien tilsvarer avstanden fra lederens midtlinje til sensorhusets ytterkant.

Radien fastsettes ved installeringen. Det er viktig når systemet skal kalibreres, da den sørger for like måleforhold selv om anleggenes forhold er forskjellige.

Signaloverføring og overvåking

Hvordan kommer det registrerte signalet fra sensoren til evalueringsenheten? Hvordan evalueres måleresultatene der? Hvordan kan systemet minimere vedlikeholdsarbeidet? Svaret finner du nedenfor.

RJ45-Ethernet-grensesnitt

RJ45-Ethernet-grensesnitt

Systemgrensesnitt og signaloverføring

Evalueringsenheten implementeres i standardnettverk via RJ45-Ethernet-grensesnittet. Både tilgangen til innsamlede data og konfigureringen av systemet foregår med en intern nettserver. Nettgrensesnittet hentes opp via nettleseren til en tilkoblet PC via IP-adressering.

Visning av belastningsverdier på en mobiltelefon

Visning av belastningsverdier på en mobiltelefon

Fjernovervåking og forebyggende vedlikehold

Lynnedslag i vanskelig tilgjengelige anlegg eller anlegg som ligger langt unna, f. eks. offshore-vindparker, er meget vanskelig å oppdage, det vil si, hvis de overhodet lar seg oppdage. Systemet for registrering av lyn, LM-S, stiller alle måledata til disposisjon via det integrerte nettgrensesnittet. Via fjerntilgang kan man slik hente opp informasjon om anleggets belastningsstilstand til enhver tid, f. eks. ved hjelp av en mobiltelefon.

Ved hjelp av evaluerte data kan den faktiske belastningen av anlegget estimeres med stor grad av sikkerhet. Måleresultatene er alltid oppdatert og muliggjør forebyggende vedlikehold. Hvis det må antas at det har oppstått skader på et anlegg, går det raskt å iverksette tiltak, man kan dermed unngå følgeskader. Driftsstans kan dermed holdes på et minimum eller også unngås helt. Hvis måleresultatene viser en minimal og ukritisk belastning, spares man for unødvendig vedlikeholds- eller servicearbeid.

Tilordning av remotekontakt

Tilordning av remotekontakt

Fjernkontakt

Evalueringsenheten har også et koblingsrelé med fjernkontakt. For hver hendelse sender denne N/C-en ut en kort impuls som kan evalueres av en måler. Dermed kan man også foreta en enkel eller ekstra evaluering av antall lynnedslag i et anlegg. Relekontakten inntar utgangsposisjon først etter at systemet er startet opp. Releet utløser ved systemfeil. Via fjernkontakten hentes det også opp informasjon om systemets tilgjengelighet.

Brukseksempler

Nedenfor følger et par brukseksempler som er mulig med lynstrømmålesystemet.

Vindanlegg

Utsatte vindanlegg, som for eksempel offshore-vindparker, betraktes som spesielt utsatt for lynnedslag. Ved slike anlegg er det meget vanskelig, om ikke helt umulig, å iverksette komplette tiltak som gir beskyttelse mot lyn. I disse tilfellene benyttes lynstrømmålesystemet.

Bildet viser plasseringen av de enkelte systemkomponentene i et vindanlegg. På lynstrømavlederne i skovlene er det montert henholdsvis en sensor. Evalueringsenheten er montert i et styreskap i navet. Signalforbindelsen mellom sensorene og evalueringsenheten etableres ved hjelp av optiske fibre. Ethernet-forbindelsen til den sentrale kontrolleren opprettes via sleperinger mellom gondol og kuppel. Evalueringsenheten fungerer med 24 volt likespenning.

Ved behov kan fjernkontakten kobles til kontrolleren. Utover dette kan hvert lynnedslag signaliseres, og antall hendelser kan evalueres.

Prinsipiell visning av en LM-S-applikasjon med et vindanlegg som eksempel

Prinsipiell visning av en LM-S-applikasjon med et vindanlegg som eksempel

Eksempel på bruk av lynstrømmålesystemet: Hermannsdenkmal i Detmold (Tyskland)

LM-S på Hermannsdenkmal ("Hermannsminnesmerket") ved Detmold

Kulturminnesmerke

Eksempelet viser bruk av lynstrømmålesystemet på Hermannsdenkmal i Detmold, Tyskland. Kobberstatuen er montert på et fundament i kalksandstein. Tre jordledninger er tilkoblet statusens sokkel. Ved lynnedslag i det totalt 53 meter høye byggverket avledes lynstøtstrøm mot jord via disse. Sensorene er montert på disse avlederne. Evalueringsenheten er installert i et automasjonskap inne i fundamentet.

Trafostasjon

Lynnedslag i høyspentledninger fører til belastning av transformatorene i transformatorstasjoner. Ofte er det foran transformatorene koblet elementer som gjør at støtstrøm fra innkoblet overspenning avledes mot jord. Som beskyttende elementer ble det tidligere hovedsakelig benyttet gnistgap. I de siste årene har man i større grad valgt å bruke varistorer.

Ved hjelp av LM-S kan den faktiske belastningen av de beskyttende elementene registreres og evalueres. Slik oppdages belastningsgrenser tidsnok, og berørte beskyttelseselementer kan skiftes ut.

Sensorene installeres på avlederne mellom beskyttelseselementene og jord. Optiske fibre overfører målesignalene til evalueringsenheten, som er montert i et separat automasjonskap.

Prinsipiell visning av en LM-S-applikasjon med en trafostasjon som eksempel

Prinsipiell visning av en LM-S-applikasjon med en trafostasjon som eksempel