Система моніторингу розрядів блискавки <h3>Реєстрація та аналіз розрядів блискавки</h3> Удари блискавки завдають серйозних пошкоджень будівель та обладнання. Наша система моніторингу розрядів блискавки LM-S пропонує рішення для реєстрації та аналізу ударів блискавки у відкритих або широко розгалужених установках.
###Дізнайтеся, як працює система моніторингу розрядів блискавки і в яких сферах її можна використовувати.
Система моніторингу розрядів блискавки
Система моніторингу розрядів блискавки виявляє LM-S й аналізує усі важливі параметри струму блискавки. До аналізатора під’єднують до трьох датчиків. Датчики встановлюють на різні розрядники системи блискавкозахисту. В основі вимірювань датчиків лежить магнітооптичний ефект, так званий ефект Фарадея. Для уникнення сторонніх впливів вимірювання для передачі сигналів від датчика на аналізатор використовують оптоволокно.
Більш детальну інформацію про датчики та інші компоненти наведено на сторінці опису продукції.
Система моніторингу розрядів блискавки LM-S
Hermes Award 2012 за систему моніторингу розрядів блискавки
В 2012 році система моніторингу розрядів блискавки отримала престижну міжнародну премію у сфері технологій Hermes Award.
Премія Hermes Award присуджується організацією Deutsche Messe AG щорічно, починаючи з 2004 року, за видатні інноваційні вироби.
Опосередковані збитки та руйнування внаслідок ударів блискавки
Залежно від кількості вивільненої енергії удари блискавки можуть завдати масивних пошкоджень будівлям, що, в свою чергу, може призвести до опосередкованих збитків.
У житлових будівлях або промислових установках, на яких часто присутній персонал, такі збитки помітні відразу. Допоміжні заходи щодо обмеження збитків у більшості випадків проводяться в короткий строк. Після такої події обсяг збитків можна оцінити швидко і точно. Швидкий ремонт та повторне введення в експлуатацію важливих функцій установки допомагає уникнути опосередкованих збитків.
Для далеко розташованих установок або установок, що займають великі площі можливість спостереження персоналом зазвичай відсутня. Руйнування або пошкодження установки часто виявляються лише при появі опосередкованих збитків. Тому інтелектуальні системи моніторингу користуються дедалі більшим попитом. Вони постійно контролюють різні функції установки та їхній стан й передають результати моніторингу безпосередньо на центральний контролер. Це дозволяє швидко відреагувати на неполадки та попередити опосередковані збитки і тривалі періоди простою.
Раніше не було такої системи вимірювання, за допомогою якої можна було б надійно розпізнавати та оцінювати попадання блискавки в установку. Відповідно не було і повідомлення про неполадку або аварію, викликаних такими подіями.
До установок, які особливо страждають від блискавок і мають відкриту структуру, належать, наприклад, вітроенергетичні установки, генератори енергії, промислові підприємства великої площі, а також залізничне обладнання. У таких установках дуже складно або неможливо реалізувати заходи для постійного захисту від ударів блискавки.
Система моніторингу розрядів блискавки
Система моніторингу розрядів блискавки LM-S
Для завчасної реєстрації та аналізу ударів блискавки компанія Phoenix Contact пропонує систему моніторингу розрядів блискавки LM-S. Вона складається з аналізатора та датчика, що монтується на вивід системи блискавкозахисту.
Ця система вимірювання використовує ефект Фарадея або магнітооптичний ефект для аналізу сили та напрямку струмів імпульсу блискавки, що виникають у блискавковідводах. При цьому світлова хвиля піддається магнітному впливу, а розміри цього впливу оброблюються у якості результатів вимірювання. Передача сигналу також здійснюється через світловід.
Це має вирішальні переваги проти передачі сигналів за допомогою мідних провідників. Струми блискавок, що виникають в оточенні вимірювальної системи, не можуть вплинути на світловий сигнал або потрапити в його маршрут. Тому електроніка аналізатора отримує достовірний і безсумнівний з точки зору електромагнітного впливу сигнал.
Принцип функціонування
Як можна виміряти струм блискавки? Як виникає перенапруга? Як вони потрапляють до пристроїв і установок? Напевно, ви вже також запитували себе про це. Нижче наведено детальну інформацію про моніторинг струмів блискавки.
Конструкція вимірювальної ділянки
Вимірювальна ділянка складається з прозорого носія (діелектрика), обабіч якого розташовуються поляризатори або поляризаційні світлофільтри. Вимірювальна ділянка розміщена таким чином, що вона перебуває під кутом 90° відносно напрямку струму в розряднику. Завдяки цьому напрямок розповсюдження світлової хвилі на вимірювальній ділянці проходить паралельно магнітному полю струму розряду в розряднику.
Лінійний поляризатор
Поляризатори
Поляризатори або поляризаційні світлофільтри — це оптичні елементи, що створюють поляризацію. При цьому електромагнітні хвилі розділяються на лінійно, еліптично або колоподібно поляризоване світло в результаті поглинання або розділення випромінювання. Для використання ефекту Фарадея в цьому випадку світло поляризується лінійно. Це означає, що тільки лінійно поляризоване світло проходить через поляризаційний світлофільтр.
Магнітний вплив площини поляризації
Магнітний вплив площини поляризації
Світлова хвиля примушує електрони коливатись в діелектрику. Магнітне поле змінює рух електронів всередині діелектрика. Це впливає на площину поляризації світла. Площина поляризації світла може, в принципі, обертатись в будь-якому напрямку.
Магнітооптичний ефект в LM-S
Магнітооптичний ефект в LM-S
Графічна модель показує всі ключові елементи та значення магнітооптичного ефекту системи вимірювання струму блискавки. Світлова хвиля Φ з певною силою світла підводиться до вимірювальної ділянки за допомогою оптоволокна.
Поляризаційний фільтр P1 на вході вимірювальної ділянки лінійно поляризує світло, що подається. Поляризована таким чином світлова хвиля заставляє коливатись електрони у середовищі і пересуватись в площині поляризації через середовище вимірювальної ділянки. На площину поляризації чиниться магнітний вплив.
Магнітне поле струму розряду обертає площину поляризації світлової хвилі всередині носія за поздовжньою віссю. Напрямок обертання залежить від напрямку ліній магнітного поля, і, відповідно, від напрямку струму. Наприклад, імпульсні струми негативних та позитивних блискавок створюють лінії магнітного поля різного напрямку.
Що вищий струм I, то сильніше магнітне поле B і більший кут обертання β. Магнітне поле B1 викликає обертання світлової хвилі направо, а магнітне поле B2 — наліво.
На виході вимірювальної ділянки розміщується другий поляризаційний фільтр P2 під кутом 45° до вхідного поляризаційного фільтра. Тому за відсутності впливу через вихідний поляризаційний фільтр проходить тільки 50 % від кількості світла. Залежно від обертання світлової хвилі вихідний поляризаційний фільтр пропускає більше чи менше світла. Так створюється світловий сигнал, який можна виміряти та обробити.
Принципове зображення: змінення кількості світла за вихідним поляризаційним світлофільтром
Результат вимірювання та аналіз
Позитивний заряд струму блискавки викликає обертання поляризованого світлового сигналу на право. Кількість світла за другим поляризаційним фільтром збільшується і становить від 50 до 100 %. Якщо кут обертання світлового сигналу досягає 45°, це відповідає 100 % виміряного значення позитивної блискавки.
Негативний заряд струму блискавки викликає обертання поляризованого світлового сигналу на ліво. Кількість світла за другим поляризаційним фільтром зменшується і становить від 50 до 0 %. Якщо кут обертання світлового сигналу досягає -45°, це відповідає 100 % виміряного значення негативної блискавки.
Вимірюється кількість світла за вихідним поляризаційним фільтром. З часових характеристик світла виводять типові параметри зареєстрованого струму імпульсу блискавки. Це максимальна сила струму, крутизна струму блискавки, а також заряд та питома енергія.
Впливові величини
Найважливішими факторами впливу є матеріал носія, довжина хвилі світла, довжина шляху світла через носій, а також сила магнітного поля. Крім цього, нижче описуються інші теоретичні основи та впливові величини.
Електричний вектор поля E
Електричний фактор поля E описує характер та положення світлової хвилі, що перебуває під впливом. Його показано стрілкою (див. графічну модель).
Діелектрик
Діелектриком називається будь-яка неметалічна речовина, що не проводить електричний струм або проводить його слабко, носії заряду якої в стані спокою звичайно не здійснюють вільних переміщень. При цьому мова може йти про газ, рідину або тверде тіло. Ці речовини звичайно немагнітні і пропускають електричні або електромагнітні поля.
Постійна Верде V
Постійна Верде V відповідає можливості обертання на одиницю щільності магнітного поля. Вона описує силу ефекту Фарадея для діелектрика, що потребує аналізу. Її значення залежить від довжини електромагнітної хвилі в носії.
Розрахунок кута обертання β
Кут обертання β площини поляризації розраховують за такою формулою:
β = V x d x B
d — довжина світлового шляху через носій, B — щільність магнітного поля, а V — постійна Верде.
Кругове магнітне поле навколо датчика
Встановлення
У круговому магнітному полі ефективна сила поля залежить від глибини занурення датчика в магнітне поле розрядника, що виводить струм.
Глибина занурення визначається у розрахунку за радіусом. Тобто, що менший радіус, то більша напруженість поля. Для максимального підвищення ефективної напруженості магнітного поля доцільно встановити датчик якнайближче до розрядника.
Умовні позначення:
H = напруженість поля [A/м]
r = радіус [см]
I = струм [A]
Вимірювальна ділянка розташована в передній частині корпусу датчика.
Значення радіусу для калібрування системи
Радіус є мірою для визначення глибини занурення датчика у магнітне поле та для реєстрації ефективної напруженості магнітного поля H. Це значення відповідає відстані від середньої лінії провідника до зовнішнього краю корпусу датчика.
Радіус визначається при встановленні. Це дуже важливо для калібрування системи, оскільки він визначає однакові умови вимірювань при різних даних установок.
Передача сигналів та контроль
Як зібрані сигнали потрапляють з датчика на аналізатор? Як проходить обробка результатів вимірювань у ньому? Як система може звести до мінімуму витрати на технічне обслуговування? Відповідь наведено нижче.
Інтерфейс Ethernet RJ45
Системний інтерфейс та передача сигналів
За допомогою інтерфейсу Ethernet RJ45 аналізатор можна легко інтегрувати у стандартні мережі. При цьому доступ до зібраних даних та налаштування конфігурації системи здійснюється на базі внутрішнього вебсервера. Виклик вебінтерфейсу відбувається через браузер під’єднаного ПК шляхом IP-адресації.
Відображення даних про навантаження на мобільному телефоні
Дистанційний моніторинг й профілактичне технічне обслуговування
Удари блискавки у важкодоступні або віддалені установки, наприклад вітропарки на узбережжі, дуже важко або неможливо розпізнати. Система моніторингу розрядів блискавки LM-S виводить усі дані вимірювань через вбудований вебінтерфейс. Так за допомогою функції віддаленого доступу, наприклад, з мобільного телефона, можна в будь-який час отримати дані про навантаження на установку.
За допомогою оброблених даних можна дуже точно оцінити дійсне навантаження установки. Результати вимірювань завжди актуальні і дозволяють запланувати профілактичне обслуговування. Для уникнення подальших збитків користувач може швидко вжити потрібних заходів з огляду на характер пошкодження установки. Так можна скоротити тривалість простоїв або взагалі уникнути їх. Якщо результати показують, що на установку діяли мінімальні або незначні навантаження, можна заощадити час на проведення технічного обслуговування та ремонту.
Схема дистанційного контакту
Контакт віддаленого сповіщення
Блок обробки результатів оснащений комутаційним реле з виведеним контактом для віддаленого сповіщення. Цей розмикаючий контакт при кожній події подає короткий імпульс, який може опрацьовуватись лічильником. Таким чином здійснюється додаткова можливість простого визначення кількості ударів блискавки, що зазнала установка. Контакт реле приймає положення спокою тільки після запуску системи. А при неполадках в системі реле розмикається. Так за допомогою дистанційного контакту можна робити запити даних про готовність системи.
Приклади застосування
Нижче наведено декілька прикладів застосування, які можна реалізувати за допомогою системи моніторингу розрядів блискавки.
вітроенергетична установка
Для вітроенергетичних установок, розташованих на відкритому просторі, наприклад, на узбережжі, особливо серйозно постає загроза ударів блискавок. На таких установках дуже складно або неможливо реалізувати безперервні заходи захисту від ударів блискавки. У таких випадках використовується система контролю струму блискавки.
На зображенні показано розташування окремих компонентів системи у вітроенергетичній установці. На блискавковідводах кожної лопаті встановлено датчик. Аналізатор розташований у шафі керування в маточині. Для передачі сигналів між датчиками та аналізатором використовують оптоволокно. З’єднання Ethernet з центральним контролером забезпечує контактне кільце між гондолою та вишкою. Аналізатор працює з постійною напругою 24 В.
За потреби до контролера під’єднують дистанційний контакт. Це дозволяє передавати додаткові сповіщення про кожен удар блискавки або аналізувати кількість таких подій.
Принципова схема системи LM-S на прикладі вітроенергетичної установки
Система моніторингу розрядів блискавки на пам’ятнику Армінію біля Детмольда
Пам’ятник культури
Цей приклад застосування показує використання системи контролю струму блискавки на пам’ятнику Армінію в Детмольді, Німеччина. На постаменті з вапнякового піщанику стоїть мідна статуя. До основи статуї приєднані три проводи заземлення. Через них у разі удару блискавки у будівлю заввишки понад 53 метрів імпульсні струми блискавки відводяться у землю. На цих відводах змонтовані датчики. Аналізатор встановлений у розподільній шафі всередині постаменту.
Підстанція
Удари блискавки у високовольтні лінії призводять до навантаження трансформаторів на підстанціях. Часто перед трансформаторами встановлюються елементи захисту від імпульсних перенапруг, за допомогою яких струми розряду відводяться в землю. У якості захисних елементів раніше використовувались іскрові розрядники. Останніми роками перевага надається варисторам.
Система LM-S надає можливість реєстрації та оцінки дійсного навантаження на захисні елементи. Це дозволяє вчасно розпізнавати граничні навантаження для заміни пошкоджених захисних елементів.
Встановлення датчиків виконується на виводах між захисними елементами та землею. Виміряні сигнали передаються на встановлений в розподільній шафі аналізатор через оптоволокно.
Принципова схема системи LM-S на прикладі трансформаторної підстанції