System monitorowania prądu piorunowego w łopatach wiatraka na polu z uderzeniami pioruna w tle

System monitorowania prądu piorunowego Rejestracja i ocena prądów piorunowych

Obserwuj stale swoje systemy i reaguj wcześnie na obciążenia.

Uderzenia piorunów powodują ogromne uszkodzenia budynków i instalacji. W przypadku bezobsługowych, daleko wysuniętych lub rozległych instalacji ciągła obserwacja przez ludzi jest prawie niemożliwa, przez co uszkodzenia zostają zbyt późno zauważone. System do pomiaru prądów piorunowych LM-S firmy Phoenix Contact umożliwia wczesne zmierzenie i przeanalizowanie wyładowań atmosferycznych.

Tutaj dowiesz się, w jaki sposób działa system monitowania prądu piorunowego i jakie są możliwe obszary zastosowania.

System monitorowania prądu piorunowego

System monitorowania prądu piorunowego

System monitorowania prądu piorunowego LM-S wykrywa i analizuje wszystkie ważniejsze parametry prądów piorunowych. Do jednostki centralnej podłącza się do trzech czujników. Czujniki montuje się na przewodach odprowadzających systemu ochrony odgromowej. Pomiar w czujnikach opiera się na zjawisku magnetooptycznym, tzw. zjawisku Faradaya. Aby uniknąć wpływów pomiaru, transmisja sygnałów z czujnika do jednostki centralnej odbywa się za pomocą światłowodu.

Więcej informacji na temat czujników i dalszych komponentów znajduje się na stronie szczegółowej produktu.

Tutorial systemu monitorowania prądu piorunowego LM-S
Tutorial systemu monitorowania prądu piorunowego LM-S YouTube
Hermes Award 2012 dla systemu monitorowania prądu piorunowego LM-S

System monitorowania prądu piorunowego LM-S

Hermes Award 2012 dla systemu monitorowania prądu piorunowego

W 2012 roku system monitorowania prądu piorunowego został wyróżniony renomowaną międzynarodową nagrodą technologiczną Hermes Award.

Nagroda Hermes Award jest przyznawana przez Deutsche Messe AG corocznie od 2004 roku innowacyjnym produktom.

Zakłady przemysłowe z piorunami

Szkody i zniszczenia spowodowane przez uderzenia piorunów

W przypadku uderzeń piorunów, zależnie od niesionej przez nie energii, dochodzi do znacznych uszkodzeń budynków i instalacji, które mogą spowodować dalsze szkody następcze.

W obrębie budynków mieszkalnych lub odwiedzanych regularnie obiektów komercyjnych tego rodzaju uszkodzenia są zauważane od razu. W większości przypadków w krótkim czasie można podjąć odpowiednie działania w celu ograniczenia szkód. Po tego rodzaju zdarzeniu zakres szkód można ocenić odpowiednio szybko i konkretnie. Natychmiastowa naprawa i ponowne uruchomienie ważnych funkcji instalacji może zapobiec szkodom następczym.

W przypadku eksponowanych lub rozległych systemów zazwyczaj nie ma możliwości ich ciągłej obserwacji. Zniszczenia lub uszkodzenia systemu zostają zauważone często dopiero na podstawie szkód następczych. Z tego powodu coraz częściej stosowane są inteligentne systemy monitorowania. Monitorują one w sposób ciągły różne funkcje i ich status w systemie oraz zgłaszają zdarzenia bezpośrednio do centralnej jednostki sterującej. Umożliwia to również natychmiastową reakcję na zakłócenia oraz uniknięcie szkód następczych, jak również długich czasów przestoju.

Dotąd nie istniał system pomiarowy, za pomocą którego można było niezawodnie rozpoznawać i oceniać uderzenia piorunów w instalację. W związku z tym nie było też komunikatów o uszkodzeniach lub zakłóceniach wywołanych tego rodzaju zdarzeniami.

Do obiektów szczególnie zagrożonych uderzeniami piorunów i eksponowanych należą na przykład turbiny wiatrowe, systemy wytwarzania energii, duże zakłady przemysłowe i urządzenia kolejowe. Wprowadzenie kompletnej ochrony odgromowej przy tego rodzaju obiektach jest bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe.

System monitorowania prądu piorunowego LM-S firmy Phoenix Contact

System monitorowania prądu piorunowego

System monitorowania prądu piorunowego LM-S

System monitorowania prądu piorunowego LM-S firmy Phoenix Contact umożliwia pomiar i ocenę uderzeń piorunów. Składa się on z jednostki centralnej i czujnika, który jest zamontowany na przewodzie odprowadzającym systemu ochrony odgromowej.

System wykorzystuje zjawisko Faradaya/efekt magnetooptyczny, aby przeanalizować wysokość i kierunek przepływu udarowych prądów piorunowych występujących w przewodach odprowadzających. Następuje tutaj magnetyczne oddziaływanie na falę świetlną, a wielkość tego oddziaływania zostaje przetworzona jako rezultat pomiaru. Transmisja sygnałów następuje również za pośrednictwem światłowodu.

W porównaniu z transmisją sygnałów za pośrednictwem przewodu miedzianego ten system ma wiele zalet. Prądy piorunowe, które występują w otoczeniu systemu pomiarowego, nie mogą już wpływać na sygnał optyczny lub sprzęgać się z łączem transmisyjnym. Dzięki temu układy elektroniki jednostki analitycznej otrzymują sygnał niebudzący zastrzeżeń z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej.

Zasada działania

W jaki sposób można zmierzyć prąd piorunowy? W jaki sposób powstają przepięcia? Jak przepięcia docierają do urządzeń i systemów? To pytania, które być może już sobie nieraz zadawałeś. Poniżej znajdziesz szczegółowe informacje na temat monitorowania prądów piorunowych.

Budowa odcinka pomiarowego

Odcinek pomiarowy składa się z transparentnego medium (dielektryk), z polaryzatorami lub filtrami polaryzacyjnymi umieszczonymi po obu stronach. Odcinek pomiarowy jest umieszczony w taki sposób, że przyjmuje położenie pod kątem 90° względem kierunku przepływu prądu w przewodzie odprowadzającym. Dzięki temu kierunek rozchodzenia się fali świetlnej w odcinku pomiarowym leży równolegle do pola magnetycznego prądu udarowego w przewodzie odprowadzającym.

Polaryzator liniowy

Polaryzator liniowy

Polaryzatory

Polaryzatory lub filtry polaryzacyjne stanowią elementy optyczne, które powodują polaryzację światła. Fale elektromagnetyczne zostają przetransformowane poprzez absorpcję lub rozszczepienie światła na światło spolaryzowane liniowo, eliptycznie lub kołowo. W celu wykorzystania efektu Faradaya w tym przypadku światło polaryzuje się liniowo. Oznacza to, że tylko światło spolaryzowane liniowo przechodzi przez filtr polaryzacyjny.

Oddziaływanie magnetyczne na płaszczyznę polaryzacji

Oddziaływanie magnetyczne na płaszczyznę polaryzacji

Oddziaływanie magnetyczne na płaszczyznę polaryzacji

Fala świetlna wprawia w drgania elektrony w dielektryku. Pole magnetyczne zmienia ruch elektronów w obrębie dielektryku. W ten sposób następuje oddziaływanie na płaszczyznę polaryzacji światła. Zasadniczo płaszczyzna polaryzacji daje się obracać w dowolnym kierunku.

Zjawisko magnetooptyczne w LM-S

Zjawisko magnetooptyczne w LM-S

Zjawisko magnetooptyczne w LM-S

Model graficzny pokazuje wszystkie istotne elementy i wielkości zjawiska magnetooptycznego w systemie pomiaru prądu piorunowego. Fala świetlna Φ o zdefiniowanym natężeniu światła jest doprowadzana przez światłowód do odcinka pomiarowego.

Filtr polaryzacyjny P1 na wejściu odcinka pomiarowego polaryzuje liniowo doprowadzone światło. Spolaryzowana fala świetlna wprawia w drgania elektrony w medium i przemieszcza się w płaszczyźnie polaryzacji poprzez medium odcinka pomiarowego. Na płaszczyznę polaryzacji można oddziaływać magnetycznie.

Pole magnetyczne prądu udarowego obraca płaszczyznę polaryzacji fali świetlnej w obrębie medium wokół osi wzdłużnej. Kierunek obrotu jest zależny od kierunku linii pola magnetycznego, a więc od kierunku przepływu prądu. Na przykład prądy udarowe pochodzące z piorunów ujemnych i dodatnich tworzą odmiennie skierowane linie pola magnetycznego.

Im większy jest prąd I, tym silniejsze jest pole magnetyczne B i tym większy jest również kąt skręcenia β. Pole magnetyczne B1 powoduje skręcenie fali świetlnej w prawo, a pole magnetyczne B2 w lewo.

Na wyjściu odcinka pomiarowego znajduje się drugi liniowy filtr polaryzacyjny P2, umieszczony pod kątem 45° względem wejściowego filtra polaryzacyjnego. W wyniku tego, w przypadku fali świetlnej pozbawionej oddziaływań, przez filtr wyjściowy przechodzi tylko 50% całej ilości światła. Zależnie od skręcenia fali świetlnej wyjściowy filtr polaryzacyjny przepuszcza więcej lub mniej światła. W taki sposób powstaje mierzalny i możliwy do przetworzenia sygnał świetlny.

Zobrazowanie zasad: zmiana ilości światła za wyjściowym filtrem polaryzacyjnym

Zobrazowanie zasad: zmiana ilości światła za wyjściowym filtrem polaryzacyjnym

Rezultat pomiaru i ocena

Piorun dodatni wywołuje skręcenie spolaryzowanego sygnału świetlnego w prawo. Ilość światła za drugim filtrem polaryzacyjnym wzrasta i wynosi pomiędzy 50 i 100%. Gdy kąt skręcenia sygnału świetlnego osiąga 45°, to odpowiada to 100% wartości pomiarowej pioruna dodatniego.

Piorun ujemny wywołuje skręcenie spolaryzowanego sygnału świetlnego w lewo. Ilość światła za drugim filtrem polaryzacyjnym spada i wynosi pomiędzy 50 i 0%. Gdy kąt skręcenia sygnału świetlnego osiąga -45°, to odpowiada 100% wartości pomiarowej pioruna ujemnego.

Pomiarowi podlega ilość światła za wyjściowym filtrem polaryzacyjnym. Na podstawie czasowego przebiegu ilości światła wyprowadzane są typowe parametry zarejestrowanego udarowego prądu piorunowego. Są to maksymalne natężenia prądu, nachylenie charakterystyki prądu piorunowego oraz ładunek i energia właściwa.

Parametry

Najważniejszymi czynnikami są materiał medium, długość fali światła, długość drogi światła przez medium oraz natężenie pola magnetycznego. Dodatkowo objaśniono dalsze podstawy teoretyczne i parametry.

Elektryczny wektor pola E
Elektryczny wektor pola E opisuje przebieg i pozycję fali świetlnej poddanej oddziaływaniu. Jest on przedstawiany w postaci strzałki (patrz model graficzny).

Dielektryk
Mianem dielektryka określa się każdą niemetaliczną substancję słabo przewodzącą lub nieprzewodzącą, której nośnik ładunku na ogół nie przemieszcza się swobodnie. Może przy tym chodzić o gaz, ciecz lub ciało stałe. Te substancje są zazwyczaj niemagnetyczne i są wystawiane na oddziaływanie pól elektrycznych lub elektromagnetycznych.

Stała Verdeta V
Stała Verdeta V odpowiada wielkości skręcenia na jednostkę indukcji magnetycznej. Opisuje ona natężenie zjawiska Faradaya dla ocenianego dielektryka. Jej wartość jest zależna od długości fali elektromagnetycznej w medium.

Wyliczenie kąta skręcenia β
Kąt skręcenia β, o który skręca się płaszczyzna polaryzacji, wylicza się według wzoru:

β = V x d x B

d jest długością drogi światła poprzez medium, B to indukcja magnetyczna, a V stanowi stałą Verdeta.

Kołowe pole magnetyczne wokół czujnika

Kołowe pole magnetyczne wokół czujnika

Instalacja

W kołowym polu magnetycznym efektywne natężenie pola jest zależne od głębokości zanurzenia czujnika w polu magnetycznym przewodu odprowadzającego wiodącego prąd.

Głębokość zanurzenia jest definiowana w obliczeniach poprzez promień. Oznacza to, że czym mniejszy promień, tym większe natężenie pola. Zatem korzystny montaż czujnika jak najbliżej przewodu odprowadzającego, dzięki czemu efektywne natężenie pola będzie możliwie największe.

Legenda:
H = natężenie pola [A/m]
r = promień [cm]
I = prąd [A]

Obudowa czujnika systemu LM-S

Odcinek pomiarowy znajduje się w przedniej części obudowy czujnika.

Znaczenie promienia dla kalibracji systemu

Promień stanowi miarę dla głębokości zanurzenia czujnika w polu magnetycznym i dla rejestracji występującego tam natężenia pola magnetycznego H. Wartość ta odpowiada odległości od osi przewodu do zewnętrznej krawędzi obudowy czujnika.

Promień jest ustalany podczas instalacji. Jest to ważne dla kalibracji systemu, gdyż zapewnia to takie same warunki pomiaru przy zróżnicowanych warunkach instalacji.

Transmisja sygnałów i monitorowanie

W jaki sposób zarejestrowany sygnał dociera z czujnika do jednostki centralnej? W jaki sposób są tam przetwarzane wyniki pomiarów? Jak system może zminimalizować wizyty serwisowe? Odpowiedzi na te pytania znajdziesz poniżej.

Interfejs Ethernet RJ45

Interfejs Ethernet RJ45

Interfejs systemowy i transmisja sygnałów

Poprzez interfejs Ethernet RJ45 jednostkę centralną można włączyć do sieci standardowych. Dostęp do zebranych danych i konfiguracja systemu realizowane są za pomocą wewnętrznego serwera WWW. Interfejs webowy otwiera się za pomocą przeglądarki podłączonego komputera po wprowadzeniu adresu IP.

Wyświetlanie wartości obciążeń na telefonie komórkowym

Wyświetlanie wartości obciążeń na telefonie komórkowym

Zdalne monitorowanie i konserwacja predykcyjna

Wykrywanie uderzeń piorunów w trudnodostępne lub oddalone systemy, np. morskie farmy wiatrowe, jest niemożliwe lub wiąże się z bardzo wysokimi kosztami. System monitorowania prądu piorunowego LM-S dostarcza wszystkie dane pomiarowe za pośrednictwem zintegrowanego interfejsu webowego. Dzięki temu w każdej chwili można zdalnie sprawdzić sytuację obciążeń systemu, np. za pomocą telefonu komórkowego.

Na podstawie danych można bardzo dokładnie oszacować rzeczywiste obciążenie systemu. Rezultaty pomiarów są zawsze aktualne i umożliwiają prewencyjną konserwację. Jeśli mamy do czynienia z uszkodzeniem systemu, można podjąć szybkie środki mające na celu uniknięcie szkód następczych. Pozwala to obniżyć czasy przestojów lub nawet ich uniknąć. Jeśli na podstawie wyników pomiarów można stwierdzić, że obciążenie systemu jest minimalne i niekrytyczne, nie trzeba wykonywać żadnych czynności serwisowych.

Podłączenie zestyku zdalnego

Podłączenie zestyku zdalnego

Zestyk zdalny

Jednostka centralna jest wyposażona również w przekaźnik z wyprowadzonym zestykiem zdalnym. Jest to zestyk rozwierny, który przy każdym zdarzeniu podaje krótki impuls, który może zostać przetworzony przez licznik. Dzięki temu system umożliwia normalną lub dodatkową ocenę liczby uderzeń piorunów w chroniony obiekt. Zestyk przekaźnika powraca do pozycji spoczynkowej dopiero po uruchomieniu systemu. Natomiast przy zakłóceniach działania systemu następuje dezaktywacja przekaźnika. Dzięki temu za pośrednictwem zestyku zdalnego można również sprawdzić gotowość systemu do pracy.

Przykłady zastosowań

Poniżej przedstawiono kilka przykładów zastosowania, jakie można zrealizować przy użyciu systemu monitorowania prądu piorunowego.

Turbina wiatrowa

Daleko wysunięte turbiny wiatrowe, jak na przykład morskie farmy wiatrowe, uważa się za szczególnie narażone na uderzenia piorunów. Wprowadzenie ochrony odgromowej pozbawionej luk przy tego rodzaju instalacjach zasadniczo jest bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe. W takich przypadkach zastosowanie znajduje system do pomiaru prądu piorunowego.

Ilustracja przedstawia rozmieszczenie poszczególnych komponentów systemowych na turbinie wiatrowej. Na przewodach odprowadzających instalacji odgromowej każdej z łopat wirnika jest zamontowany czujnik. Jednostka oceniająca znajduje się w szafie sterowniczej w piaście. Połączenie sygnałowe pomiędzy czujnikami i jednostką oceniającą jest realizowane przy pomocy światłowodów. Połączenie Ethernet z centralnym sterownikiem jest wykonane w postaci pierścieni ślizgowych pomiędzy gondolą i wieżą. Jednostka centralna jest zasilana napięciem stałym 24 V.

W razie potrzeby nawiązywane jest zdalne połączenie ze sterownikiem. Ponadto można dodatkowo sygnalizować każde uderzenie pioruna lub oceniać liczbę zdarzeń.

Przedstawienie zasady aplikacji systemu LM-S na przykładzie turbiny wiatrowej

Przedstawienie zasady aplikacji systemu LM-S na przykładzie turbiny wiatrowej

Schemat zastosowania systemu monitorowania uderzeń piorunów na pomniku Arminiusza Hermana w Detmold

System LM-S na pomniku Arminiusza Hermana koło Detmold

Pomnik

Ten przykład aplikacji pokazuje zastosowanie systemu monitorowania uderzeń piorunów na pomniku Arminiusza Hermana w Detmold, Niemcy. Na cokole z piaskowca stoi miedziana statua. Na cokole są podłączone trzy przewody uziemiające. Gdy w mierzącą ponad 53 m wysokości budowlę uderzy piorun, udarowe prądy piorunowe są odprowadzane przez te przewody do ziemi. Na przewodach odprowadzających zamontowane są czujniki. Jednostka centralna zainstalowana jest w szafie sterowniczej wewnątrz cokołu.

Stacja transformatorowa

Uderzenia piorunów w przewody wysokiego napięcia prowadzą do obciążenia transformatorów w stacjach transformatorowych. Często przed transformatorami są przyłączone elementy ochrony przeciwprzepięciowej, za pomocą których odprowadza się do ziemi prądy udarowe pochodzące od sprzęganych przepięć. Dawniej jako elementy ochronne stosowano przeważnie iskierniki. Od kilku lat stosuje się przede wszystkim warystory.

System LM-S umożliwia pomiar i ocenę rzeczywistego obciążenia elementów ochronnych. Dzięki temu możliwe jest wczesne rozpoznawanie granic obciążeń oraz wymiana elementów ochronnych na nowe.

Instalacja czujników następuje na przewodach odprowadzających pomiędzy elementami ochronnymi a ziemią. Światłowody transmitują sygnały pomiarowe do jednostki oceniającej, która jest zainstalowana w wydzielonej szafie sterowniczej.

Przedstawienie zasady aplikacji systemu LM-S na przykładzie stacji transformatorowej

Przedstawienie zasady aplikacji systemu LM-S na przykładzie stacji transformatorowej