Sistema de medição de descargas atmosféricas em aerogeradores em um campo com relâmpagos ao fundo

Sistema de medição de descargas atmosféricas Registrar e avaliar descargas atmosféricas

Mantenha suas instalações sempre sob controle e reaja atempadamente a cargas.

As quedas de raios causam danos devastadores em edifícios e instalações. Em instalações expostas ou com grandes áreas é quase impossível realizar uma observação contínua por pessoas, de modo que as destruições são detectadas tarde demais. O sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S da Phoenix Contact está disponível para um registro e avaliação atempados de quedas de raios.

Aqui você fica sabendo como funciona o sistema de medição de descargas atmosféricas e quais são as possíveis áreas de aplicação.

Sistema de medição de descargas atmosféricas

Sistema de medição de descargas atmosféricas

Único: nosso sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S reconhece e analisa todos os parâmetros importantes de descargas atmosféricas. Em uma unidade de avaliação são conectados até três sensores. Os sensores são montados em dispositivos de proteção de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas. A medição nos sensores se baseia em um efeito magneto-óptico, o chamado efeito Faraday. De modo a evitar interferências na medição, a transmissão de sinais entre o sensor e a unidade de avaliação é efetuada através de condutores de fibra óptica.

Você encontra mais informações sobre os sensores e outros componentes na página de detalhes do produto.

Tutorial do sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S
Tutorial do sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S YouTube
Sistema de medição de descargas atmosféricas

Whitepaper Sistema de medição de descargas atmosféricas

Whitepaper do sistema de medição de descargas atmosféricas

Informe-se no nosso Whitepaper "Registrar e medir descargas atmosféricas" sobre o princípio de funcionamento do efeito magneto-óptico.

Obtenha um resumo desse efeito e verifique se o sistema é adequado para a manutenção com otimização do estado.

Hermes Award 2012 para o sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S

Sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S

Hermes Award 2012 para o sistema de medição de descargas atmosféricas

O sistema de medição de descargas atmosféricas foi distinguido em 2012 com o cobiçado prêmio tecnológico internacional Hermes Award.

O Hermes Award é atribuído desde 2004 pela Deutsche Messe AG a produtos excepcionais e inovadores.

Instalações industriais com descargas atmosféricas

Danos subsequentes e destruições resultantes de quedas de raios

Dependendo da energia transportada, nas quedas de raios ocorrem destruições maciças em edifícios e instalações, podendo causar outros danos subsequentes.

Na área de edifícios residenciais ou de explorações industriais, frequentados regularmente por pessoas, estes danos dão nas vistas. Na maioria dos casos, podem ser tomadas medidas auxiliares no curto prazo para limitar os danos. Após este tipo de evento, o âmbito do dano pode ser avaliado respectivamente de forma rápida e concreta. Um reparo imediato e a recolocação em funcionamento de importantes funções da instalação podem impedir danos subsequentes.

Em instalações expostas ou com grandes áreas não costuma ser possível realizar uma observação contínua por pessoas. As destruições ou os danos da instalação são frequentemente apenas detectados através dos danos subsequentes. Por este motivo, são utilizados cada vez mais sistemas de monitoramento inteligentes. Eles monitoram diferentes funções e os seus estados em uma instalação, comunicando os resultados diretamente a uma unidade de controle central. Isto também permite uma reação imediata a avarias e a prevenção de danos subsequentes, bem como de longos tempos de paralisação.

Até agora, não existia um sistema de medição para detectar e avaliar de forma confiável as quedas de raios em uma instalação. Do mesmo modo, também não existiam mensagens de danos ou falhas sobre estas ocorrências.

Entre as instalações com um elevado risco queda de raios e em localização exposta estão, p. ex., aerogeradores, instalações de produção de energia, instalações industriais com grandes áreas e instalações ferroviárias. Normalmente é muito difícil, e às vezes até mesmo impossível, implementar neste tipo de instalações uma medida completa de proteção contra raios.

Sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S da Phoenix Contact

Sistema de medição de descargas atmosféricas

Sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S

Para o registro e a avaliação de descargas atmosféricas está disponível o sistema de medição de descargas atmosféricas LM-S da Phoenix Contact. Ele é basicamente composto por uma unidade de avaliação e um sensor montado sobre o dispositivo de proteção de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas.

Para analisar o valor e a direção de fluxo de picos de correntes de raios que ocorrem em condutores de descargas atmosféricas, este sistema de medição aproveita o efeito Faraday ou o efeito magneto-óptico. Nesse processo, a onda de luz é influenciada de forma magnética e os fatores de influência são analisados como resultado de medição. A transmissão de sinais também é efetuada através de fibra óptica.

Isto tem vantagens decisivas em comparação com uma transmissão de sinais via cabo de cobre. As descargas atmosféricas ocorridas no ambiente do sistema de medição já não podem influenciar o sinal de luz ou se acoplarem no trajeto de transmissão. Desse modo, na eletrônica da unidade de avaliação está disponível um sinal confiável e seguro sob o ponto de vista de EMC.

Princípio de funcionamento

Como é possível medir descargas atmosféricas? Como ocorrem sobretensões? Como as sobretensões entram em seus dispositivos e instalações? É possível que você também já tenha colocado estas questões. Em seguida, você será informado de forma detalhada sobre o registro de descargas atmosféricas.

Estrutura da seção de medição

A seção de medição é composta por um meio transparente (dielétrico), com polarizadores ou filtros de polarização dispostos dos dois lados. A seção de medição está disposta de modo a formar no dispositivo de proteção um ângulo de 90° em relação à direção de fluxo da corrente. Deste modo, a direção de propagação de uma onda de luz na seção de medição é paralela em relação ao campo magnético doa corrente de surto no dispositivo de proteção.

Polarizador linear

Polarizador linear

Polarizadores

Polarizadores ou filtros de polarização são elementos ópticos que provocam uma polarização. Nesse processo, as ondas eletromagnéticas são separadas através de absorção ou separação de raios em uma luz polarizada de forma linear, elíptica ou circular. Neste caso, a luz é polarizada de forma linear para a utilização do efeito Faraday. Isto significa que somente a luz com uma polarização linear passa através do filtro de polarização.

Influência magnética do nível de polarização

Influência magnética do nível de polarização

Influência magnética do nível de polarização

A onda de luz coloca os elétrons no dielétrico em oscilação. O campo magnético altera o movimento dos elétrons dentro do dielétrico. Com isso, é influenciado o nível de polarização da luz. Por princípio, o nível de polarização pode ser girado para qualquer direção.

Efeito magneto-óptico no LM-S

Efeito magneto-óptico no LM-S

Efeito magneto-óptico no LM-S

O modelo gráfico exibe todos os elementos e fatores importantes do efeito magneto-óptico no sistema de medição de raios. Uma onda de luz Φ com uma intensidade luminosa é aproximada através de uma fibra óptica até à seção de medição.

O filtro de polarização P1 na entrada da seção de medição polariza a luz linear introduzida. A onda de luz polarizada desta forma coloca os elétrons no meio em oscilação e se movimenta no nível de polarização através do meio da seção de medição. O nível de polarização pode ser influenciado de forma magnética.

O campo magnético de um pico de corrente gira o nível de polarização da onda de luz dentro do meio em volta do eixo longitudinal. O sentido de rotação depende da direção das linhas de campo magnéticas e, assim, da direção de fluxo da corrente. P. ex., os picos de corrente criam a partir de raios negativos e positivos linhas de campo magnéticas com diferentes orientações.

Quanto maior a corrente I, mais forte é o campo magnético B e também o ângulo de rotação β. O campo magnético B1 provoca uma rotação para a direita e o campo magnético B2 provoca uma rotação para a esquerda da onda de luz.

Na saída da seção de medição está disposto o segundo filtro de polarização linear P2 em um ângulo de 45° relativo ao filtro de polarização de entrada. Com isso, de uma onda de luz não influenciada, apenas 50 % da quantidade de luz passa através do filtro de polarização de saída. Dependendo da rotação da onda de luz, o filtro de polarização de saída deixa passar mais ou menos luz. Deste modo, é criado um sinal de luz medível e analisável.

Representação de princípio: alteração da quantidade de luz após o filtro de polarização de saída

Representação de princípio: alteração da quantidade de luz após o filtro de polarização de saída

Resultado de medição e avaliação

Um raio positivo provoca uma rotação para a direita do sinal de luz polarizado. É aumentada a quantidade de luz após o segundo filtro de polarização, se situando entre 50 e 100 %. Quando o ângulo de rotação do sinal de luz atinge 45°, isso corresponde a 100 % do valor de medição de um raio positivo.

Um raio negativo provoca uma rotação para a esquerda do sinal de luz polarizado. É reduzida a quantidade de luz após o segundo filtro de polarização, se situando entre 50 e 0 %. Quando o ângulo de rotação do sinal de luz atinge -45°, isso corresponde a 100 % do valor de medição de um raio negativo.

É medida a quantidade de luz após o filtro de polarização de saída. A partir da evolução temporal são derivados os parâmetros típicos do pico de corrente de raio registrado. Se trata da intensidade máx. de corrente, da velocidade de crescimento da descarga atmosférica, bem como da carga e da energia específica.

Fatores de influência

Os fatores de influência importantes são o material do meio, o comprimento de onda da luz, o trajeto óptico através da luz, bem como a intensidade de campo magnético. Além disso, em seguida são explicadas as outras bases teóricas e os fatores de influência.

Vetor de campo elétrico E
O vetor de campo elétrico E descreve a evolução e a posição da onda de luz influenciada. É representado em forma de seta (ver modelo gráfico).

Dielétrico
Dielétrico é a designação para qualquer substância não metaloide com uma capacidade de condução elétrica fraca ou não condutora, e em que os portadores de carga não se costumam mover livremente. Pode se tratar de um gás ou de uma matéria sólida. Tipicamente, estas substâncias não são magnéticas e lhes são aplicados campos elétricos ou eletromagnéticos.

Constante de Verdet V
A constante de Verdet V corresponde à capacidade de rotação por unidade da densidade de fluxo magnético. Ela descreve a intensidade do efeito Faraday para o dielétrico a avaliar. O seu valor depende do comprimento das ondas eletromagnéticas no meio.

Cálculo do ângulo de rotação β
O ângulo de rotação β, em torno do qual gira o nível de polarização, é calculado conforme a fórmula:

β = V x d x B

d é o comprimento do trajeto da luz através do meio; B é a densidade de fluxo magnético e V é a constante Verdet.

Campo magnético circular em torno de um sensor

Campo magnético circular em torno do sensor

Instalação

A intensidade de campo eficaz no campo magnético circular depende da profundidade de imersão do sensor no campo magnético do dispositivo de proteção por que passa a corrente.

A profundidade de imersão é definida no cálculo através do raio. Isto significa que quanto mais inferior for o raio, maior é a intensidade de campo. Para que a intensidade de campo eficaz seja o maior possível, é vantajoso montar o sensor o mais perto possível do dispositivo de proteção.

Legenda:
H = intensidade de campo [A/m]
r = raio [cm]
I = corrente [A]

Caixa do sensor do LM-S

A seção de medição se encontra na área da frente da caixa do sensor.

Significado do raio para a calibragem do sistema

O raio é a medida para a profundidade de imersão do sensor no campo magnético e para o registro da intensidade de campo magnético H eficaz nesse local. O valor corresponde à distância entre a linha central do condutor até a aresta exterior da caixa do sensor.

O raio é determinado durante a instalação. Isto é importante para a calibragem do sistema, uma vez que garante condições de medição iguais com diferentes circunstâncias da instalação.

Transmissão de sinais e monitoramento

Como é que o sinal registrado pelo sensor chega na unidade de avaliação? Como são aí avaliados os resultados de medição? Como pode o sistema minimizar intervenções de manutenção? Em seguida, você encontra a resposta.

Interface Ethernet RJ45

Interface Ethernet RJ45

Interface do sistema e transmissão de sinais

Através da interface Ethernet RJ45 é possível integrar a unidade de avaliação em redes padrão. O acesso aos dados registrados e à configuração do sistema ocorrem através do servidor web interno. A interface web é acessada via endereçamento IP através do navegador de Internet de um PC conectado.

Indicação dos valores de carga em um celular

Indicação dos valores de carga em um celular

Monitoramento remoto e manutenção preventiva

As quedas de raios em instalações de difícil acesso e distantes, como, p. ex., parques eólicos offshore, não podem ser detectadas ou somente são detectadas com um grande esforço. O sistema de detecção de raios LM-S disponibiliza todos os dados através da interface web integrada. Assim, é possível consultar em qualquer momento a situação de carga da instalação via acesso remoto, p. ex., com um celular.

Com dados avaliados é possível avaliar com exatidão a carga real de uma instalação. Os resultados de medição são sempre atuais e permitem uma manutenção preventiva. Para evitar danos subsequentes, você pode tomar rapidamente medidas, se for possível deduzir a existência de um dano da instalação. Deste modo, os tempos de paralisação podem ser reduzidos ou mesmo evitados. Mas se a partir dos resultados de medição for possível deduzir uma carga mínima da instalação, isto evita intervenções desnecessárias de manutenção e serviço.

Atribuição do contato remoto

Atribuição do contato remoto

Contato remoto

A unidade de avaliação também tem um relé de comutação com um contato remoto saliente. Este contato normalmente fechado efetua em cada evento um impulso que pode ser avaliado por um contador. Assim, também existe a possibilidade de uma avaliação simples ou adicional do número de quedas de raios ocorridas na instalação. O contato de relé apenas assume sua posição de repouso após a inicialização do sistema. E em falhas do sistema, o relé se desarma. Deste modo, através do contato remoto também é possível consultar a prontidão do sistema.

Exemplos de aplicação

Em seguida são mencionados alguns exemplos de aplicação que podem ser realizados com o sistema de medição de descargas atmosféricas.

Aerogerador

Os aerogeradores situados em locais expostos como, p. ex., parques eólicos offshore, estão expostos a um elevado risco de queda de raios. Normalmente é muito difícil, ou até mesmo impossível, implementar neste tipo de instalações uma medida completa de proteção contra raios. Nestes casos é utilizado o sistema de medição de descargas atmosféricas.

A figura apresenta a disposição de cada componente do sistema em um aerogerador. Em cada condutor de descargas atmosféricas das pás está montado um sensor. A unidade de avaliação se encontra em um quadro de comando no cubo. A conexão de sinal entre os sensores e a unidade de avaliação é efetuada através de fibra óptica. A conexão Ethernet ao controlador central é estabelecida através de anéis coletores entre a nacelle e a plataforma de observação. A unidade de avaliação funciona com uma tensão contínua de 24 V.

Se necessário, o contato remoto é conectado no controlador. Assim é possível sinalizar adicionalmente cada queda de raio ou avaliar o número de eventos.

Diagrama esquemático de uma aplicação LM-S no exemplo de um aerogerador

Diagrama esquemático de uma aplicação LM-S no exemplo de um aerogerador

Diagrama relativo à utilização do sistema de detecção de raios no Hermannsdenkmal em Detmold

LM-S no Hermannsdenkmal (monumento a Hermann) em Detmold

Monumento cultural

Este exemplo de aplicação mostra a utilização de um sistema de detecção de raios no Hermannsdenkmal (monumento a Hermann) em Detmold, na Alemanha. A estátua de cobre assenta sobre o pedestal de arenito calcário. Na base da estátua estão conectados três cabos de ligação à terra. Além disso, em caso de quedas de raios na obra com 53 m de altura, os picos de corrente de raio são conduzidos para a terra. Os sensores estão montados sobre estes condutores de descarga. Esta unidade de avaliação está instalada em um quadro de comando no interior do pedestal.

Subestação

As descargas atmosféricas em cabos de alta tensão resultam em uma carga de transformadores em subestações. Frequentemente estão conectados elementos de proteção contra sobrecargas a montante dos transformadores, permitindo a derivação de picos de corrente de sobretensões acopladas para a terra. No passado, os elementos de proteção mais comuns eram predominantemente centelhadores. Desde alguns anos são utilizados preferencialmente varistores.

O LM-S oferece a possibilidade de registrar e avaliar a carga real de elementos de proteção. Assim, os limites de carga são detectados atempadamente e renovados os elementos de proteção afetados.

A instalação dos sensores se efetua nos condutores de descarga, entre os elementos de proteção e a terra. Os sinais de medição são transmitidos por fibra óptica para a unidade de avaliação instalada em um quadro de comando externo.

Diagrama esquemático de uma aplicação LM-S no exemplo de uma subestação

Diagrama esquemático de uma aplicação LM-S no exemplo de uma subestação