Система контроля тока молнии в ветровых колесах на поле с молниями на фоне

Система контроля тока молнии Регистрация и анализ токов молнии

Постоянно следите за работой установки и заблаговременно реагируйте на нагрузки.

Удары молний наносят серьезные повреждения зданиям и оборудованию. Человек не может обеспечить постоянное наблюдение за сооружениями, расположенными в открытой местности, или системами, занимающими большую площадь, вследствие чего повреждения выявляются с большим опозданием. Для заблаговременной регистрации и анализа ударов молний Phoenix Contact предлагает систему контроля тока молнии LM-S.

Здесь вы узнаете, как функционирует система контроля тока молнии и какие возможны области применения.

Система контроля тока молнии

Система контроля тока молнии

Система контроля тока молнии LM-S обнаруживает и анализирует все важные параметры тока молнии. К анализатору подключается до трех датчиков. Датчики устанавливаются на отводах системы молниезащиты. Измерение в датчиках базируется на магнитооптическом эффекте, так называемом эффекте Фарадея. Чтобы избежать влияния измерений, передача сигналов от датчика на анализатор выполняется при помощи оптоволоконного кабеля.

Дополнительная информация о датчиках и других компонентах содержится на странице описания продукта.

Учебное пособие Система контроля тока молнии LM-S
Учебное пособие Система контроля тока молнии LM-S YouTube
Hermes Award 2012 за систему контроля тока молнии LM-S

Система контроля тока молнии LM-S

Hermes Award 2012 за систему контроля тока молнии

В 2012 году система контроля тока молнии была отмечена важной международной премией в области технологий Hermes Award.

Премия Hermes Award присваивается организацией Deutsche Messe AG ежегодно, начиная с 2004 года, за выдающиеся, инновационные продукты.

Промышленные установки при ударе молнии

Косвенный ущерб и разрушения вследствие попадания молнии

В зависимости от количества высвобождающейся энергии удары молнии могут нанести массивные разрушения зданиям и установкам, которые в свою очередь могут причинить косвенный ущерб.

В жилых зданиях или регулярно посещаемых персоналом промышленных установках такой ущерб заметен сразу. Вспомогательные мероприятия для ограничения ущерба в большинстве случаев проводятся в короткий срок. После такого события объем ущерба можно оценить быстро и точно. Быстрый ремонт и повторный ввод в эксплуатацию важных функций установки помогают избежать косвенного ущерба.

При далеко расположенных или больших по площади установках обычно нет возможности постоянного наблюдения персоналом. Разрушения или повреждения установки часто выявляются вследствие косвенного ущерба. По этой причине все чаще используются умные системы мониторинга. Они контролируют различные функции и их статус в установке в постоянном режиме и сообщают результаты непосредственно центральному блоку управления. Это позволяет быстро отреагировать на неполадки и предотвратить косвенный ущерб, а также длительные периоды простоя.

Раньше не было такой системы измерения, при помощи которой можно было бы надежно распознавать и оценивать попадание молнии в установку. Соответственно не было и сообщения о неполадке или аварии, вызванной такими событиями.

К подвергающимся особо частым попаданиям молнии и находящимся на удалении установкам относятся, например, ветросиловые установки, системы энергоснабжения, промышленные предприятия большой площади, а также сооружения и оборудование железных дорог. На таких установках, как правило, очень сложно или невозможно реализовать непрерывные меры защиты от тока молнии.

Система контроля тока молнии LM-S Phoenix Contact

Система контроля тока молнии

Система контроля тока молнии LM-S

Для сбора и анализа данных об ударах молний Phoenix Contact предлагает систему контроля тока молнии LM-S. Она состоит из анализатора и датчика, монтируемого на отвод системы молниезащиты.

Данная система контроля использует эффект Фарадея или магнитооптический эффект для анализа силы и направления импульсных токов молнии, возникающих в молниеотводе. При этом световая волна подвергается магнитному влиянию, а размеры данного влияния обрабатываются в качестве результатов измерения. Передача сигналов также производится по оптоволоконному кабелю.

По сравнению с передачей сигналов по медному проводу это имеет решающие преимущества. Токи молний, возникающие в окружении системы контроля, не оказывают влияния на световой сигнал и не могут попасть в его маршрут. Поэтому электроника анализатора получает достоверный и не вызывающий сомнения в отношении ЭМВ сигнал.

Принцип действия

Как можно измерить ток молнии? Каким образом они возникают? Каким образом перенапряжения попадают в устройства и установки? Наверное, Вы уже спрашивали себя об этом. Далее будет представлена подробная информация о контроле тока молнии.

Построение измерительного участка

Измерительный участок состоит из прозрачного носителя (диэлектрика), по обеим сторонам располагаются поляризаторы или поляризационные светофильтры. Измерительный участок располагается таким образом, чтобы он находился под углом 90° к направлению тока в выводе. Таким образом, направление распространения световой волны на измерительном участке параллельно магнитному полю импульсного тока в отводе.

Линейный поляризатор

Линейный поляризатор

Поляризаторы

Поляризаторы или поляризационные фильтры - это оптические элементы, создающие поляризацию. При этом электромагнитные волны разделяются на линейно, эллиптически или кругообразно поляризованный свет в следствие поглощения или разделения излучения. Для использования эффекта Фарадея в данном случае свет поляризуется линейно. Это означает, что только линейно поляризованный свет проходит через поляризационный фильтр.

Магнитное влияние на плоскость поляризации

Магнитное влияние на плоскость поляризации

Магнитное влияние на плоскость поляризации

Световая волна заставляет колебаться электроны в диэлектрике. Магнитное поле изменяет движение электронов внутри диэлектрика. Это влияет на плоскость поляризации света. Плоскость поляризации света, в принципе, может вращаться в любом направлении.

Магнитооптический эффект в системе LM-S

Магнитооптический эффект в системе LM-S

Магнитооптический эффект в системе LM-S

Графическая модель показывает все существенные элементы и величины магнитооптического эффекта системы контроля тока молнии. Световая волна Φ с определенной силой света подводится к измерительному участку при помощи оптоволоконного кабеля.

Поляризационный фильтр P1 на входе измерительного участка поляризирует подаваемый свет линейно. Поляризованная таким образом световая волна заставляет колебаться электроны в среде и передвигается в плоскости поляризации через среду измерительного участка. Плоскость поляризации подвергается магнитному воздействию.

Магнитное поле импульсного тока вращает плоскость поляризации световой волны внутри среды по продольной оси. Направление вращения зависит от направления линий магнитного поля и, соответственно, от направления тока. К примеру, импульсные токи отрицательных и положительных молний создают линии магнитного поля с различной направленностью.

Чем больше ток I, тем сильнее магнитное поле B и тем больше угол вращения β. Магнитное поле B1 вызывает вращение световой волны вправо, а магнитное поле B2 - влево.

На выходе измерительного участка располагается второй поляризационный фильтр P2 под углом 45° к входному поляризационному светофильтру. Поэтому при отсутствии воздействия через выходной поляризационный светофильтр проходит только 50 % от количества света. В зависимости от вращения световой волны выходной поляризационный светофильтр пропускает больше или меньше света. Так производится световой сигнал, который можно измерить и обработать.

Принципиальное изображение: изменение количества света за выходным поляризационный светофильтром

Принципиальное изображение: изменение количества света за выходным поляризационный светофильтром

Результаты измерений и обработка

Положительный заряд тока молнии вызывает вращение поляризованного светового сигнала вправо. Количество света за вторым поляризационным фильтром увеличивается и составляет от 50 до 100 %. Если угол вращения светового сигнала достигает 45°, это соответствует 100% измеренного значения положительной молнии.

Отрицательный заряд тока молнии вызывает вращение поляризованного светового сигнала влево. Количество света за вторым поляризационным фильтром уменьшается и составляет от 50 до 0 %. Если угол вращения светового сигнала достигает -45°, это соответствует 100% измеренного значения отрицательной молнии.

Измеряется количество света за выходным поляризационным светофильтром. Из временных характеристик количества света выводятся типичные параметры зарегистрированного импульсного тока молнии. Это максимальная сила тока, крутизна тока молнии, а также заряд и удельная энергия.

Влияющие величины

В основном влияние оказывают материал среды, длина волны света в среде, а также напряженность поля. Кроме этого, ниже описаны другие теоретические основы и оказывающие влияние величины.

Электрический вектор поля E
Электрический вектор поля E описывает протекание и положение измененной световой волны. Он изображается в виде стрелки (см. графическую модель).

Диэлектрик
Диэлектриком называется любая не поводящая электрический ток или слабопроводящая неметаллическая субстанция, носители заряда которой в состоянии покоя обычно не совершают свободных передвижений. При этом речь может идти о газе, жидкости или твердом теле. Данные субстанции обычно немагнитны и пропускают электрические или электромагнитные поля.

Постоянная Верде V
Постоянная Верде V соответствует возможности вращения на единицу плотности магнитного потока. Она описывает силу эффекта Фарадея для используемого диэлектрика. Ее значение зависит от длины волны электромагнитных волн в носителе.

Расчет угла вращения β
Угол вращения β плоскости поляризации рассчитывается следующим образом:

β = V x d x B

d - длина светового пути через среду, B - плотность магнитного потока, а V - постоянная Верде.

Круговое магнитное поле вокруг датчика

Круговое магнитное поле вокруг датчика

Установка

В круговом магнитном поле эффективная напряженность поля зависит от глубины погружения датчика в магнитное поле вывода с током.

Глубина погружения в расчетах определяется радиусом. Это означает, чем меньше радиус, тем больше напряженность поля. Поэтому целесообразно монтировать датчик как можно ближе к выводу, чтобы эффективная напряженность поля была как можно больше.

Обозначения:
H = напряженность поля [А/м]
r = радиус [см]
I = ток [A]

Корпус датчика LM-S

Измерительный участок находится в передней части корпуса датчика.

Значение радиуса для калибровки системы

Радиус является мерой для определения глубины погружения датчика в магнитное поле и для регистрации действующей в нем напряженности магнитного поля H. Это значение соответствует расстоянию от средней линии проводника до внешнего края корпуса датчика.

Радиус определяется при установке. Это очень важно для калибровки системы, поскольку он обеспечивает одинаковые условия измерений при различных данных установок.

Передача сигналов и контроль

Как собранные сигналы попадают из датчика в блок оценки результатов? Каким образом результаты измерений обрабатываются в нем? Как система может свести к минимуму затраты на техобслуживание? Далее предлагается ответ.

Интерфейс Ethernet RJ45

Интерфейс Ethernet RJ45

Системный интерфейс и передача сигналов

Посредством интерфейса RJ45 Ethernet анализатор можно легко интегрировать в стандартные сети. При этом доступ к собранным данным и настройка конфигурации системы осуществляются на базе внутреннего веб-сервера. Веб-интерфейс использует IP-адресацию, чтобы обратиться к подключенному компьютеру через интернет-браузер.

Отображение данных о нагрузке на мобильном телефоне

Отображение данных о нагрузке на мобильном телефоне

Дистанционный контроль и превентивное обслуживание

Попадание молнии в труднодоступные или удаленные установки, например, ветропарк в прибрежных зонах, очень сложно или невозможно обнаружить. Система контроля тока молнии LM-S предоставляет все данные через встроенный веб-интерфейс. Так при помощи удаленного доступа, к примеру, с мобильного телефона, можно в любое время запросить данные о нагрузке на установку.

При помощи обработанных данных можно очень точно оценить действительную нагрузку установки. Результаты измерений всегда актуальны и позволяют запланировать профилактическое обслуживание. Если исходить из того, что установка повреждена, то можно принять срочные меры, чтобы избежать косвенного ущерба. Таким образом, сокращается или отсутствует время простоя. А если результаты измерений показывают, что установка подверглась минимальным или незначительным нагрузкам, то можно сэкономить время на проведение техобслуживания и ремонта.

Назначение контакта удаленной связи

Назначение контакта удаленной связи

Контакт удаленного оповещения

Блок обработки результатов оснащен коммутационным реле с выведенным контактом для удаленного оповещения. Данный НЗ контакт при каждом событии передает короткий импульс, который может обрабатываться счетчиком. Таким образом осуществляется дополнительная возможность простого определения количества ударов молнии, которым подверглась установка. Контакт реле принимает положение покоя только после запуска системы. А при неполадках в системе реле размыкается. Так при помощи контакта для удаленного оповещения также запрашивается информация о готовности системы.

Примеры применения

Далее представлены несколько примеров применения, которые можно реализовать при помощи системы контроля тока молнии.

Ветросиловая установка

Расположенные на удалении ветросиловые установки, например, в прибрежных областях, считаются особо подверженными ударам молнии. На таких установках, как правило, очень сложно или невозможно реализовать непрерывные меры защиты от тока молнии. В таких случаях используется система контроля тока молнии.

На рисунке показано расположение отдельных компонентов системы на ветросиловой установке. На токоотводах лопастей ротора смонтировано по одному датчику. Блок обработки результатов находится в шкафу управления во втулке. Сигнальное соединение между датчиками и блоком обработки результатов производится при помощи световодов. Соединение Ethernet с центральным контроллером осуществляется при помощи контактных колец между гондолой и носовой частью. Анализатор работает при 24 В постоянного напряжения.

При необходимости контакт удаленного оповещения подсоединяется к контроллеру. Это позволяет осуществлять передачу дополнительной информации о каждом попадании молнии или обрабатывать информацию о количестве событий.

Принципиальное изображение приложения LM-S на примере ветросиловой установки

Принципиальное изображение приложения LM-S на примере ветросиловой установки

Схема использования системы контроля тока молнии на памятнике Арминию в Детмольде, Германия

Система LM-S на памятнике Арминию вблизи Детмольда

Памятник культуры

Данный пример применения показывает использование системы контроля тока молнии на памятнике Арминию в Детмольде, Германия. На основании из известкового песчаника стоит медная статуя. К цоколю статуи подсоединены три заземляющих провода. Через них при попадании молнии в строение высотой более 53 метров импульсные токи молнии отводятся на землю. На этих отводах смонтированы датчики. Анализатор установлен в шкафу управления, находящемся внутри постамента.

Электрическая подстанция

Удары молнии в высоковольтные линии ведут к нагрузке трансформаторов на подстанциях. Часто перед трансформаторами устанавливаются элементы защиты от импульсных перенапряжений, при помощи которых импульсные токи передаются в землю. В качестве защитных элементов в прошлом в основном использовались искровые разрядники. В последние годы предпочтение отдается варисторам.

Система LM-S предоставляет возможность измерения и оценки фактической нагрузки на защитные элементы. Это позволяет заблаговременно распознать граничные нагрузки и заменить подверженные им защитные элементы.

Монтаж датчиков производится на выводах между защитными элементами и землей. Оптоволоконные кабели передают измерительные сигналы анализатору, установленному в отдельном шкафу управления.

Принципиальное изображение приложения LM-S на примере электрической подстанции

Принципиальное изображение приложения LM-S на примере электрической подстанции