Villámáram-mérőrendszer <h3>A villámáramok adatainak rögzítése és kiértékelése</h3> A villámcsapások pusztító károkat okoznak az épületekben és a berendezésekben. LM-S villámáram-mérőrendszerünk megoldást kínál a villámcsapások észlelésére és elemzésére a veszélyeztetett vagy nagy kiterjedésű létesítményekben.
Itt megtudhatja, hogyan működik a villámáram-mérőrendszer, és melyek a lehetséges felhasználási területei.
Villámáram-mérőrendszer
Az LM-S villámáram-mérőrendszer felismeri és elemzi a villámáramok minden fontos paraméterét. Egy kiértékelőegységhez legfeljebb három érzékelőt lehet csatlakoztatni. Az érzékelőket a villámvédelmi berendezés levezetéseire kell felszerelni. Az érzékelőkben a mérés egy magneto-optikai hatáson, az úgynevezett Faraday-hatáson alapul. A mérés befolyásolásának megakadályozása érdekében a jelátvitel az érzékelő és a kiértékelőegység között optikai kábelen történik.
Az érzékelőkről és a további összetevőkről a termék részletes adatait tartalmazó oldalon található bővebb információ.
LM-S villámáram-mérőrendszer
Hermes-díj 2012-ben a villámáram-mérőrendszerért
2012-ben a villámáram-mérőrendszer elnyerte a rangos nemzetközi Hermes Award technológiai díjat.
A Hermes-díjat 2004 óta évente ítéli oda a Deutsche Messe AG a kiemelkedő, innovatív termékeknek.
Villámcsapások által okozott következményes károk és rombolások
A szállított energiától függően a villámcsapások súlyos rombolásokat okozhatnak az épületekben, létesítményekben, és ez további következményes károkhoz vezethet.
A lakóépületekben vagy ipari üzemekben az ilyen károsodások közvetlenül látszanak, mivel ezeket az emberek rendszeresen látogatják. A károkat korlátozó segítő intézkedéseket a legtöbb esetben rövid idő alatt meg lehet tenni. Az ilyen események után a károk mértékét ennek megfelelően gyorsan és konkrét módon meg lehet ítélni. A berendezés fontos funkcióinak azonnali javítása és újra üzembe helyezése megakadályozhatja a következményes károkat.
Az exponált fekvésű vagy nagy kiterjedésű berendezések személyek általi folyamatos megfigyelése csaknem lehetetlen. A berendezésekben bekövetkezett rombolások vagy károsodások gyakran csak a következményes károk révén vehetők észre. Emiatt egyre gyakrabban alkalmaznak intelligens monitoring rendszereket, amelyek folyamatosan felügyelik a berendezés különböző funkciót és azok állapotát, és közvetlenül a központi vezérlőegységhez továbbítják az eredményeket. Ez lehetővé teszi az azonnali reagálást az üzemzavarokra, valamint a következményes károk és a hosszú kiesési idők elkerülését.
Eddig nem létezett olyan mérőrendszer, amellyel megbízhatóan fel lehetett volna ismerni és ki lehetett volna értékelni a villámcsapásokat. Ennek megfelelően nem volt károsodás- vagy zavarjelzés az ilyen eseményekről.
A különösen villámveszélyes és viharoknak kitett létesítmények közé tartoznak pl. a szélerőművek, az energiatermelő rendszerek, a nagy kiterjedésű ipari üzemek és a vasúti létesítmények. Az ilyen berendezéseknél a hiánytalan villámvédelmi intézkedéseket nagyon nehéz, vagy lehetetlen megvalósítani.
Villámáram-mérőrendszer
LM-S villámáram-mérőrendszer
A villámcsapások regisztrálására és kiértékelésére szolgál a Phoenix Contact LM-S villámáram-mérőrendszere (Lightning Monitoring System). Ennek alapvető összetevői a kiértékelőegység és a villámvédelmi berendezés levezetőjére szerelt érzékelő.
Ez a mérőrendszer a Faraday-, illetve magneto-optikai hatást használja fel a villámlevezetőkben fellépő villám-lökőáramok nagyságának és folyási irányának elemzésére. Ennek során mágneses hatás ér egy fényhullámot, és a rendszer a befolyás nagyságát értékeli ki mérési eredményként. A jelátvitel is optikai kábelen keresztül történik.
A rézvezetéken történő jelátvitellel összehasonlítva ez döntő előnyöket tesz lehetővé. A mérőrendszer környékén átfolyó villámáramok a fényjelet nem tudják befolyásolni, illetve nem képesek az átviteli szakaszba becsatolódni. Ezáltal a kiértékelőegység elektronikája számára megbízható és az elektromágneses összeférhetőség szempontjából problémamentes jel áll rendelkezésre.
Működési elv
Hogyan lehet villámáramot mérni? Hogyan jön létre túlfeszültség? Hogyan jut túlfeszültség az Ön készülékeibe és berendezéseibe? Talán már feltette magának ezeket a kérdéseket. A következőkben átfogó tájékoztatást adunk a villámáramok észleléséről.
A mérési szakasz kialakítása
A mérési szakasz átlátszó közegből (dielektrikum) és a két oldalán elhelyezett polarizátorokból vagy polarizáló szűrőkből áll. A mérési szakasz 90°-os szöget zár be a levezetőben folyó áram irányával. Így a mérési szakaszban fellépő fényhullám terjedési iránya párhuzamos a levezetésben folyó lökőáram mágneses mezejével.
Lineáris hatású polarizátor
Polarizátorok
A polarizátorok, ill. polarizáló szűrők olyan optikai elemek, amelyek polarizáló hatást fejtenek ki. Polarizáció során az elektromágneses hullámok abszorpcióval vagy sugárzásmegosztással lineárisan, elliptikusan vagy körkörösen polarizált fényre bonthatók. A Faraday-hatás használatához itt a fényt lineárisan kell polarizálni. Ez azt jelenti, hogy csak lineárisan polarizált fény jut át a polarizáló szűrőn.
A polarizáció síkjának mágneses befolyásolása
A polarizáció síkjának mágneses befolyásolása
A fényhullám rezgésbe hozza a dielektrikum elektronjait. A mágneses mező megváltoztatja az elektronok mozgását a dielektrikumban. Ez befolyásolja a fény polarizációjának síkját. A polarizáció síkját elvileg tetszőleges irányban el lehet fordítani.
Magneto-optikai hatás az LM-S rendszerben
Magneto-optikai hatás az LM-S rendszerben
Az ábrán a villámmérő rendszerben fellépő magneto-optikai hatás minden lényeges eleme és mennyisége látható. A meghatározott fényerejű Φ fényhullámot optikai kábel vezeti a mérési szakaszhoz.
A mérési szakasz bemenetén elhelyezett P1 polarizáló szűrő lineárisan polarizálja a bevezetett fényt. Az így polarizált fényhullám rezgésbe hozza a közegben található elektronokat, és keresztülhalad a polarizáció síkjában a mérési szakasz közegén. A polarizáció síkja mágnesesen befolyásolható.
A lökőáram mágneses mezeje a hosszanti tengely körül elfordítja a fényhullám polarizációjának síkját. Az elfordulás iránya a mágneses tér erővonalainak irányától, vagyis az áram folyásirányától függ. Így pl. a negatív és pozitív villámok lökőárama különböző irányú mágneses erővonalakat generál.
Minél nagyobb az I áram, annál erősebb a B mágneses mező, és annál nagyobb az elfordulás β szöge. A B1 mágneses mező a fényhullám jobbra fordulását okozza, a B2 mágneses mező pedig balra fordulást.
A mérési szakasz kimenetén található a második P2 lineáris polarizáló szűrő, amely 45°-os szöget zár be a bemeneti polarizáló szűrővel. Emiatt befolyásmentes állapotban a fény mennyiségének csak 50%-a halad át a kimeneti polarizáló szűrőn. A fényhullám elfordításától függően a kimeneti polarizáló szűrő több vagy kevesebb fényt bocsát át. Így jön létre a mérhető és kiértékelhető fényjel.
Elvi ábra: A kimeneti polarizáló szűrőn átjutó fénymennyiség változása
Mérési eredmény és kiértékelés
A pozitív villámok a polarizált fényjelet jobbra fordítják el. A második pólusszűrőn átjutó fénymennyiség nő, nagysága 50 és 100% közötti. Ha a fényjel elfordulási szögének mértéke eléri a 45°-ot, az a pozitív villám 100%-os mérési értékének felel meg.
A negatív villámok a polarizált fényjelet balra fordítják el. A második pólusszűrőn átjutó fénymennyiség csökken, nagysága 50 és 0% közötti. Ha a fényjel elfordulási szögének mértéke eléri a -45°-ot, az a negatív villám 100%-os mérési értékének felel meg.
A készülék a kimeneti polarizáló szűrőn átjutó fény mennyiségét méri. A fénymennyiség időbeli lefutásából le lehet vezetni a villám-lökőáram tipikus paramétereit. Ezek a maximális áramerősség, a villámáram meredeksége, valamint a töltés és a specifikus energia.
Befolyásoló mennyiségek
A fontos befolyásoló mennyiségek a közeg anyaga, a fény hullámhossza, a fény útjának hossza a közegben, valamint a mágneses térerősség. A következőkben a további elméleti alapokat és befolyásoló mennyiségeket ismertetjük.
Az elektromos mező vektora (E)
Az elektromos mező E vektora a befolyásolt fényhullám lefutását és helyzetét írja le. Ezt nyílként ábrázoljuk (lásd a grafikus modellt).
Dielektrikum
Dielektrikumoknak az elektromosságot nem vagy alig vezető, nem fémes anyagokat nevezzük, amelyekben a töltéshordozók nem mozognak szabadon. Gáznemű, folyékony vagy szilárd halmazállapotúak. Ezek az anyagok jellemzően nem mágnesezhetők, és elektromos vagy elektromágneses mezőknek teszik ki ezeket.
Verdet-állandó (V)
A Verdet-állandó (V) a mágneses fluxus egységenkénti elfordulási képességének felel meg. Ez leírja a Faraday-hatás erősségét a kiértékelendő dielektrikum esetében. Értéke a közegben haladó elektromágneses hullámok hullámhosszától függ.
Az elfordulás szöge (β)
A polarizációs sík elfordulásának β szögét a következő képlettel lehet kiszámítani:
β = V x d x B
ahol d a fény útjának hossza a közegben, B a mágneses fluxus, és V a Verdet-állandó.
Kör alakú mágneses mező az érzékelő körül
Felszerelés
A kör alakú mágneses mezőben a hatásos térerősség attól függ, hogy milyen mélyen merül bele az érzékelő az áram által átjárt levezető mágneses mezejébe.
A bemerülési mélységet a számításnál a sugárral lehet definiálni. Ez azt jelenti, hogy minél kisebb a sugár, annál nagyobb a térerősség. Előnyös tehát az érzékelőt a lehető legszorosabban a levezetőre szerelni, hogy a hatásos térerősség a lehető legnagyobb legyen.
Jelmagyarázat:
H = térerősség [A/m]
r = sugár [cm]
I = áram [A]
A mérési szakasz az érzékelőház elülső részében található.
A sugár jelentősége a rendszer kalibrálásánál
A sugár határozza meg az érzékelő mágneses mezőbe való belemerülésének a mélységét és az ott ható H mágneses térerősség mérését. Az érték egyenlő a vezető középvonala és az érzékelőház külső széle közötti távolsággal.
A sugarat a felszereléskor kell meghatározni. Ez fontos a rendszer kalibrálásához, mivel egyező mérési feltételeket tesz lehetővé különböző adottságú berendezéseknél.
Jelátvitel és felügyelet
Hogyan jut a mért jel az érzékelőtől a kiértékelőegységbe? Hogyan értékeli az ki a mérési eredményeket? Hogyan képes a rendszer minimalizálni a karbantartási ráfordításokat? A következőkben megadjuk a válaszokat ezekre a kérdésekre.
RJ45 Ethernet interfész
Rendszerinterfész és jelátvitel
A kiértékelőegységet az RJ-45 Ethernet interfészen keresztül lehet a standard hálózatokba bekötni. A belső webkiszolgálón keresztül lehet hozzáférni az összegyűjtött adatokhoz, és ez teszi lehetővé a rendszer konfigurálását is. A webes kezelőfelület a csatlakoztatott PC internetes böngészőjében, IP-címzéssel nyitható meg.
A terhelési értékek megjelenítése mobiltelefonon
Távfelügyelet és megelőző karbantartás
A nehezen hozzáférhető helyeken elhelyezett berendezések, pl. a parti vizekben felépített szélerőműtelepek esetében nem, vagy csak nagy ráfordításokkal lehet a villámcsapásokat felismerni. Az LM-S villámadat-rögzítő rendszer a beépített webes interfészen keresztül az összes mérési adatot rendelkezésre bocsátja. Így távoli elérésen keresztül (pl. mobiltelefonnal) bármikor le lehet kérdezni a létesítmény terhelési helyzetét.
A kiértékelt adatok révén nagyon pontosan meg lehet becsülni a berendezés tényleges terhelését. A mérési eredmények mindig aktuálisak, és lehetővé teszik a megelőző karbantartást. Ha a berendezés károsodása valószínűsíthető, akkor gyors intézkedéseket lehet foganatosítani, és el lehet kerülni a következményes károkat. A leállások ideje csökkenthető, vagy azok akár teljesen kiküszöbölhetők. Ha viszont a mérési eredményekből a berendezés minimális és nem kritikus terhelése vezethető le, akkor meg lehet takarítani a szükségtelen karbantartási és szervizelési ráfordításokat.
A távjelző-érintkező kiosztása
Távjelző-érintkező
A kiértékelőegységben található egy kapcsolórelé, amelynek ki van vezetve a távjelző-érintkezője. Ez a nyitóérintkező minden eseménynél rövid impulzust ad, amelyeket egy számlálóval ki lehet értékelni. Ezáltal fennáll a lehetőség a létesítménybe becsapó villámok számának egyszeres vagy kiegészítő kiértékelésére is. A reléérintkező nyugalmi helyzetét csak a rendszer elindulása után veszi fel. A rendszer üzemzavarainál a relé leesik. Ezáltal a távjelző-érintkezőn keresztül a rendszer készenléti állapotát is le lehet kérdezni.
Alkalmazási példák
A következőkben megnevezünk néhány alkalmazási példát, amelyeket a villámáram-mérőrendszerrel lehet megvalósítani.
Szélerőmű
A viharoknak kitett szélerőműveket ‒ pl. a parti vizekben felépített telepeket ‒ a villámok rendkívüli módon veszélyeztetik. Az ilyen létesítményeknél a hiánytalan villámvédelmi intézkedéseket nagyon nehéz, vagy lehetetlen megvalósítani. Ilyen esetekre a villámáram-mérőrendszer alkalmazható.
Az ábra a rendszer egyes komponenseinek elrendezését mutatja egy szélerőműben. A lapátok villámáram-levezetőin egy-egy érzékelő található. A kiértékelőegységet az agyban található vezérlőszekrényben helyezték el. Az érzékelők és a kiértékelőegység között optikai kábelek biztosítják a jelkapcsolatot. A központi vezérlővel való Ethernet-kapcsolatért pedig a gondola és az irányító fülke közötti csúszógyűrűk felelnek. A kiértékelőegység 24 V-os egyenfeszültséggel működik.
Szükség esetén a távjelző-érintkezőt a vezérlőhöz lehet csatlakoztatni. Ezen keresztül minden egyes villámcsapás észlelhető, illetve az események számszerűsíthetők.
LM-S alkalmazás egy szélerőműben ‒ a működési elv vázlata
LM-S a detmoldi Hermann-emlékművön
Emlékmű
Ez az alkalmazási példa a villámadat-rögzítő rendszer alkalmazását mutatja be a Hermann-emlékművön, amely a németországi Detmold város közelében található. A rézből készült szobor mészhomoktégla-alapzaton áll. A szobor lábazatához három földelővezeték van csatlakoztatva. Ezek vezetik le az összesen 53 méter magas építménybe becsapó villámok lökőáramát a földbe. Ezeken a levezetőkön találhatók az érzékelők. A kiértékelőegység egy az alapzat belsejében elhelyezett vezérlőszekrénybe került.
Alállomás
A nagyfeszültségű távvezetékeket érő villámcsapások nagy terhelést jelentenek a feszültségátalakító alállomások transzformátorai számára. Gyakran kapcsolnak a transzformátorok elé túlfeszültségvédő elemeket, amelyek levezetik a becsatolódott túlfeszültségekből eredő lökőáramokat a föld felé. Védőelemként régebben főként szikraközöket alkalmaztak. Néhány éve előnyben részesítik a varisztorokat.
Az LM-S lehetőséget ad a védőelemek tényleges terhelésének mérésére és kiértékelésére. A terhelési korlátok így idejekorán felismerhetők, és az érintett védőelemek kicserélhetők.
Az érzékelőket a védőelemek és a föld között kell a levezetőkre szerelni. Optikai kábelek viszik át a mért jeleket a kiértékelőegységbe, amely egy külön elhelyezett vezérlőszekrénybe van beszerelve.
Az LM-S alkalmazásának elvi vázlata egy alállomás példáján