雷電監測系統 <h3>監測和評估雷電衝擊電流</h3> 雷擊會對建築物和系統造成毀滅性的破壞。菲尼克斯電氣的雷電監測系統 LM-S 可對外露或分散式系統中的雷擊進行監測和評估。
在這裡瞭解雷電監測系統的工作原理及其應用領域。
雷電監測系統
雷電監測系統 LM-S 發現和分析所有重要的雷電衝擊電流參數。評估單元上最多可連接三個感測器。這些感測器安裝在避雷系統的引下線上。感測器中的量測基於磁光效應，即所謂的法拉第效應。為避免量測受到影響，從感測器至評估單元的讯號傳輸透過光纖實現。
更多有關感測器和其他元件的資訊請參見產品詳情頁。
雷電監測系統 LM-S
雷電監測系統榮獲 2012 年赫耳墨斯技術革新獎
2012 年，雷電監測系統獲得了夢寐以求的國際技術大獎 - 赫耳墨斯技術革新獎。
自 2004 年以來，德国汉諾威展覽公司 (Deutsche Messe AG) 每年都會頒發赫耳墨斯技術革新獎，以表彰傑出的創新產品。
雷擊造成的後繼損壞和破壞
雷擊產生的能量會對建築或系統造成巨大的破壞，甚至還會導致後繼損壞。
住宅樓或商業建築由於經常有人出入，一旦發生此類破壞，就能馬上發現。在大多數情況下，可以立即採取補救措施來降低損失。發生這種事件後，必須能夠迅速準確地評估破壞範圍。立即修復重要的系統功能並重新投入使用就能避免後繼損壞。
通常，人們無法連續監控暴露在外或大面積的系統。一般都是在出現後繼損壞後，才能判斷系統的破壞或損壞程度。因此，智慧監測系統的應用越來越普遍。這些系統能長期監控系統中的各種功能及其狀態，並將結果直接傳送給中央控制單元。因此，一旦發生故障，系統便能立刻因應，從而防止後繼損壞和長時間停機。
迄今為止，還沒有哪個監測系統可以可靠發現並評估系統遭受的雷擊， 也不能對此類事件進行損壞或故障報告。
諸如風力發電機組、發電設備、大型工廠和鐵路系統之類的系統，由於長期暴露在外，因此特別容易被雷擊。原則上，很難對這類系統進行全面的雷電保護，有些甚至完全不能提供保護。
雷電監測系統
雷電監測系統 LM-S
菲尼克斯電氣的雷電監測系統 LM-S 能對雷擊進行監測和評估。該系統主要包含一個評估單元和一個感測器，後者安裝在避雷系統的引下線上。
该監測系統依據法拉第效應或磁光效應來評估避雷引下線中雷電衝擊電流的強度和方向。這時候，光波會受到磁力的影響，對這些影響變數進行評估，並列示在量測結果中。訊號傳輸也透過光纖進行。
相對於透過銅導線的訊號傳輸方式，這種方式具有決定性的優勢。監測系統附近發生的雷電流不會影響光訊號，也不會耦合到傳輸路徑中。這樣，評估單元的電子設備可以接收到可靠且不受 EMC 影響的訊號。
運作原理
如何量測雷電流？突波如何產生？突波如何傳遞到您的設備和系統？這些問題對您來說可能一點都不陌生。接下來我們將向您全面介紹雷電監測領域。
量測路徑的結構
量測路徑由透明介質（電介質）組成，兩端都裝有偏振片或偏振濾波器。在佈置量測路徑的時候，應確保其與避雷引下線內的電流方向呈 90°。這樣，量測路徑中光波的傳播方向與避雷引下線內的電湧電流磁場平行。
線性偏振片
偏振片
偏振片和偏振濾波器是使光發生偏振的光學元件。電磁波透過吸收或光束分離被分成線性、橢圓或圓偏振光。這種情況下，為了利用法拉第效應，光以線性方式發生偏振。這意味著只有線性偏振光能通過偏振濾波器。
偏振面的磁效應
偏振面的磁效應
光波導致電介質中的電子振動。磁場改變了電介質中電子的運動軌跡。這進而影響了光的偏振面。原則上，偏振面可以往任意方向旋轉。
LM-S 雷電監測系統中的磁光效應
LM-S 雷電監測系統中的磁光效應
這個圖形模型顯示了雷電監測系統中磁光效應的所有重要元素和變數。具有定義光強度的光波 Φ 透過光纖傳播到量測路徑中。
量測路徑輸入端的偏振濾波器 P1 對輸送進來的光線進行線性偏振處理。經過此類偏振處理的光波能使介質中的電子振動，並穿過量測路徑的介質自行在偏振面上移動。這能對偏振面產生磁性影響。
電湧電流的磁場促使光波的偏振面在介質內部繞著縱軸開始旋轉。旋轉方向取決於磁場線的方向以及電流方向。比如，負閃的電湧電流和正閃的電湧電流就會建立不同方向的磁場線。
電流 I 越強，磁場 B 就越強，旋轉角 β 也越大。光波在磁場 B1 中順時針旋轉，在磁場 B2 中逆時針旋轉。
二次線性偏振濾波器 P2 位於量測路徑的輸出端，與輸入偏振濾波器呈 45°。如此一來，未受影響的光波中，只有 50 % 的光會通過輸出偏振濾波器。具體有多少光可以透過輸出偏振濾波器，取決於光波的旋轉。以這種方式產生可量測且可評估的光訊號。
原理示意圖：通過輸出偏振濾波器後的光量變化
量測結果和評估
正閃導致偏振光訊號順時針旋轉。通過二次偏振濾波器後，光量增加至 50 - 100 %。當光訊號旋轉的角度達到 45° 時，相對於正閃的量測值達到 100 %。
負閃會導致偏振光訊號逆時針旋轉。通過二次偏振濾波器後，光量降低為 50 - 0 %。當光訊號旋轉的角度達到 -45° 時，相當於負閃的量測值達到 100 %。
量測通過輸出偏振濾波器後的光量。從光量的時間分佈圖中推導出監測到的雷電衝擊電流的典型參數：最大電流和陡度、電荷和比能量。
影響變數
最重要的影響變數就是介質材料、光的波長、光穿過該介質的光程以及磁場的場強。其他影響變數的理論基礎知識將在下文中詳細介紹。
電場矢量 E
電場矢量 E 描述了受影響光波的路徑和位置。在圖形模型中用箭頭表示。
電介質
電介質指的是內部沒有自由電荷且導電性較弱或不導電的位置和非金屬物質。電介質可以是氣態、液態和固體物質。這些物質通常沒有磁性，並能與外加電場或電磁場發生相互作用。
維爾德常數 V
維爾德常數 V 相當於磁通密度的單位旋轉量。它描述的是待評估的電介質的法拉第效應的強度。其數值取決於介質中電磁波的波長。
旋轉角 β 的計算
繞著偏振面旋轉的旋轉角 β 透過以下公式計算：
β = V x d x B
d 為光穿過該介質的光程，B 為磁通密度，V 為維爾德常數。
感測器周圍的環形磁場
安裝
在環形磁場中，有效場強取決於感測器在載流避雷引下線磁場中的浸入深度。
為便於計算，浸入深度透過半徑確定。也就是說，半徑越小，場強越大。最好在盡可能靠近避雷引下線的位置安裝感測器，從而使有效場強接近最大值。
圖例：
H = 場強 [A/m]
r = 半徑 [cm]
I = 電流 [A]
量測路徑位於感測器外殼的前部區域內。
半徑對系統校準的重要性
半徑用於量測磁場中感測器的浸入深度，並記錄那里產生的有效磁場強度 H。這個數值相當於從導線中心線到感測器外殼外邊緣的距離。
在安裝的過程中測定半徑。半徑可確保不同系統有相同的量測環境，因此對系統校準至關重要。
訊號傳輸和監控
監測訊號是如何從感測器傳遞給評估單元的？評估單元是如何對量測結果進行評估的？怎樣能減少系統維護？接下來就會為您逐一解答。
RJ45 乙太網介面
系統介面和訊號傳輸
透過 RJ45 乙太網介面就能將評估單元整合到標準網路中。內部網路伺服器用於獲取監測資料並對系統進行組態。在所連電腦的網頁瀏覽器上輸入 IP 位址，即可開啟網路介面。
在智慧手機上顯示負載值
遠端監控和預防性維護
對於像近海風力發電廠這類很難存取或距離較遠的系統，人們很難發現或只能花費巨大的人力和財力才能發現雷電危險。雷電監測系統 LM-S 透過整合式網路介面提供所有量測資料。這意味著您可以透過遠端存取的方式隨時檢視系統的負載情況，如使用智慧手機。
依據分析得出的資料就能非常精確地預估出系統的實際負載。量測結果即時更新，從而實現預防性維護。一旦推斷出系統有一處損壞，就立即採取措施，以免後繼損壞。如此一來就能減少甚至完全避免系統停機。如果從量測值中推導出來系統負載處於最小值，即表明系統處於安全的狀態，就能省去不必要的維護或保養工作。
遙信接點的佈局
遙信接點
評估單元還有一個帶遙信接點的開關繼電器。每發生一次事件，這個常閉接點就會產生能被計數器評估的短脈衝。透過這種方式還能對系統遭受的雷擊次數進行簡單或額外的評估。系統啟動時，繼電器接點位於自身的初始位置。一旦系統發生故障，繼電器就會合閘。因此也可以透過這個遙信接點查詢系統是否準備就緒。
應用範例
接下來將列舉幾個透過雷電監測系統實現的應用範例。
風力發電機組
近海風力發電廠等暴露在外的風力發電機組更容易遭受雷電危險。原則上，很難對這類系統進行全面的雷電保護，有些甚至完全不能提供保護。雷電監測系統就是這類情況的最佳選擇。
圖例展示了風力發電機組中各個系統元件的佈局。在葉片的避雷引下線上各自安裝了一個感測器。評估單元在輪轂的控制櫃中。感測器和評估單元之間透過光纖傳輸訊號。乙太網透過機艙和觀測台間的滑環與中央控制器連接。評估單元的工作電壓為 24 V DC。
如有必要，可在控制器上連接遙信接點。因此，每次發生雷擊，都可以透過遙信方式給出訊號，或是評估雷擊事件的次數。
原理示意圖：LM-S 雷電監測系統在風力發電機組上的應用範例
德國代特莫爾德的赫爾曼紀念碑上的雷電監測系統 LM-S
文物古跡
本應用範例展示了雷電監測系統在德國代特莫爾德的赫爾曼紀念碑上的應用。這座銅像矗立在石灰砂磚砌成的下部結構上。銅像底座連接了三條接地電纜。因此，一旦這個總高為 53 m 的建築物遭到雷擊，產生的雷電衝擊電流就將經過這三條接地電纜流向大地。感測器就安裝在這些避雷引下線上。評估單元安裝在下部結構內的控制櫃中。
變電站
高壓線遭遇雷擊會增加變電站的變壓器負載。通常情況下，突波保護元件連接在變壓器的上游，耦合過電壓中產生的突波電流將經過這些保護元件流向大地。過去通常將火花間隙用作保護元件。但是近年來，人們優先選擇壓敏電阻。
透過 LM-S 雷電監測系統，您可以記錄並評估保護元件的實際負載。這樣便可提前發現負載達到極限，同時決定是否需要更換保護元件。
感測器安裝在保護元件和地面間的避雷引下線上。量測訊號透過光纖傳輸給安裝在遠端控制櫃內的評估單元。
原理示意圖：LM-S 雷電監測系統在變電站上的應用範例