DE102007033669A1

DE102007033669A1 - System und Verfahren zur Blitzdetektion

Info

Publication number: DE102007033669A1
Application number: DE102007033669A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kraemer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2027-07-18
Also published as: US20080017788A1; DK200700929A; US7468505B2; CN101109778B; DK176843B1; CN101109778A; DE102007033669B4

Abstract

Es wird ein System (10) zur Blitzdetektion bereitgestellt. Das Blitzdetektionssystem (10) enthält einen Leiter (18). der zum Aufnehmen eines Blitzschlages (12) und zum Ableiten eines blitzreduzierten Stroms (16) angepasst ist. Das System (10) enthält auch einen faseroptischen Stromsensor (22), der dafür angepasst ist, mehrere Blitzparameter aus dem blitzreduzierten Strom (16) zu detektieren und ein Strahlungsbündel (24) in Reaktion darauf zu modulieren. Das System (10) enthält ferner ein elektrooptisches Modul (28), das dafür angepasst ist, das Strahlungsbündel (24) aus dem faseroptischen Stromsensor (22) zu empfangen und zu einem elektrischen Signal (32) umzuwandeln.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Blitzdetektionssysteme und insbesondere Blitzdetektionssysteme für Windkraftanlagen.
Blitze sind ein Zufallsphänomen in der Natur. Blitzparameter variieren abhängig von geographischen Bedingungen und der Art des Blitzes im Hinblick auf ihre Intensität und Einwirkung auf ein Objekt. Unterschiedliche Blitzdetektionstechniken existieren abhängig von der Anwendung. Windkraftanlagen sind insbesondere einem hohen Risiko von Blitzschlägen unterworfen, da sie bevorzugt an hohen und windigen Stellen aufgestellt werden, um eine hohe Produktivität zu erzielen.
Im Wesentlichen gibt es zwei allgemein eingesetzte Blitzdetektionssysteme, welche für Windkraftanlagen im Handel erhältlich sind. Eines der Detektionssysteme basiert auf dem Prinzip der Magnetisierung. Das Detektionssystem enthält Magnetkarten, die in verschiedenen Teilen eines Windkraftanlagenflügels positioniert sind, um einen durchfließenden Blitzstrom zu detektieren. Nach einem Blitzschlag werden die Magnetkarten manuell mittels einer Kartenleseeinheit ausgelesen, um einen Spitzenwert des Stroms zu messen. Das System nicht jedoch nicht in der Lage, die Anzahl von Blitzfolgen zu detektieren, die eine Windkraftanlage zwischen den Perioden von zwei Magnetkartenauslesungen treffen.
Ein weiteres Detektionssystem enthält kleine Antennen, die an einem Körper eines Windkraftanlagenturms in einer Windkraftanlagenanwendung befestigt sind. Die Antennen werden zum Detektieren des Blitzstroms und Feldes verwendet, welche durch den Windkraftanlagenturm fließen. Signale aus den Antennen werden aus einem elektrischen Signal in ein optisches Signal umgewandelt und über eine optische Faser zu einem Steuerkasten geleitet. Das Ausgangssignal des Steuerkastens zeigt einen Blitzeinschlag an. Jedoch muss in den meisten Fällen das System durch ein Bestätigungssignal zurückgesetzt werden und ein beeinträchtigter Flügel kann nicht automatisch identifiziert werden.
Die vorstehend erwähnten Blitzdetektionssysteme registrieren nur das Auftreten von Blitzereignissen ohne Registrierung von Blitzereignisparametern oder dem Ort des Einschlags. Daher besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Blitzdetektionssystem, das eines oder mehrere der vorstehend beschriebenen Probleme lösen kann.
KURZBESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Blitzdetektionssystem geschaffen. Das Blitzdetektionssystem enthält einen Leiter, der zum Aufnehmen eines Blitzschlages und zum Ableiten eines blitzinduzierten Stroms eingerichtet ist. Das System enthält auch einen faseroptischen Stromsensor, der dafür eingerichtet ist, aus dem blitzinduzierten Strom mehrere Blitzparameter zu detektieren und in Reaktion darauf ein Strahlungsbündel zu modulieren. Das System enthält ferner ein elektro-optisches Modul, das dafür eingerichtet ist, das Strahlungsbündel aus dem faseroptischen Stromsen sor zu empfangen und das Strahlungsbündel zu einem elektrischen Signal umzuwandeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Blitzdetektion geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Aufnehmen eines Blitzes über einen Leiter, der auf einer Oberfläche eines Objektes angeordnet ist. Das Verfahren beinhaltet auch das Detektieren eines Blitzes über einen faseroptischen Stromsensor. Das Verfahren beinhaltet auch die Umwandlung eines aus dem faseroptischen Sensor empfangenen Strahlungsbündels in ein elektrisches Signal mittels eines elektro-optischen Moduls. Das Verfahren beinhaltet ferner das Messen mehrerer Blitzparameter mittels einer Datenverarbeitungseinheit.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen repräsentieren, wobei:
1 eine Blockdiagrammdarstellung eines exemplarischen Blitzdetektionssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
2 eine Blockdiagrammdarstellung einer Konfiguration eines exemplarischen Blitzdetektionssytems mit einem faseroptischen Sensornetzwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
3 eine schematische Darstellung eines Windkraftanlagen-Flügelsystems mit einem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingebauten Blitzdetektionssystems von 1 ist.
4 ein Flussdiagramm ist, das beteiligte Schritte in einem exemplarischen Verfahren zum Detektieren von Blitzparametern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie es nachstehend im Detail beschrieben wird, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein System zur Blitzdetektion und ein Verfahren zum Detektieren desselben bereit. Blitzen wird durch Messen einer Anzahl von Blitzparametern detektiert. Einige von nicht-einschränkenden Beispielen der hierin verwendeten Blitzparameter beinhalten den Blitzstrom, ein durch den Blitzstrom induziertes Magnetfeld und die Lokalisierung eines Auftreffpunktes des Blitzes in ein Objekt. Das System enthält einen Sensor, der die Blitzparameter beispielsweise auf der Faraday-Drehung eines auf den Sensor einfallenden Strahlungsbündels misst. Der hierin verwendete Begriff "Faraday-Drehung" basiert auf einem als Faraday-Effekt bekannten Prinzip, wobei eine Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das sich in einem Material ausbreitet, das einen magnetooptischen Effekt zeigt, eine Winkeldrehung unter einem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes erfährt. Der Drehwinkel ist zu einer Komponente des Magnetfeldes parallel zur Richtung der Ausbreitung des Strahlungsbündels proportional.
In einer veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung gemäß Darstellung in 1 ist eine Blockdiagrammrepräsentation eines Blitzdetektionssystems 10 dargestellt. Ein Blitzschlag 12 trifft ein Objekt 14. Ein Blitzstrom 16 durch das Objekt 14 wird über einen Leiter 18 in dem Objekt 14 geleitet. Ein faseroptischer Sensor 22 ist angrenzend an den Leiter 18 angeordnet, um den Blitzstrom 16 zu detektieren. Der faseroptische Sensor 22 ist dafür angepasst, ein Strahlungsbündel 24 aus einem elektro-optischen Modul 28 aufzunehmen. In einem nicht-einschränkenden Beispiel kann das Strahlungsbündel 24 Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich enthalten. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das elektro-optische Modul 28 eine Lichtwelle enthalten, um das Strahlungsbündel 24 zu dem faseroptischen Sensor 22 zu leiten. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann das elektro-optische Modul 28 einen oder mehrere Polarisatoren und Analysatoren enthalten, um die Detektion der Faraday-Drehung in dem Strahlungsbündel 24 zu verbessern. Sobald ein durch den Leiter 18 geleiteter Blitzstrom 20 den faseroptischen Sensor 22 passiert, macht das Strahlungsbündel 24 eine Faraday-Drehung aufgrund des induzierten Blitzstroms 20 durch. Das sich ergebende Strahlungsbündel 22 aus dem faseroptischen Sensor 26 wird über ein elektro-optisches Modul 28 in ein elektrisches Signal 30 umgewandelt. Das elektrische Signal 30 wird weiter in eine Datenverarbeitungseinheit 32 eingegeben, welche Blitzparameter ausgibt. In einem nicht-einschränkenden Beispiel kann die Datenverarbeitungseinheit 32 eine Abtastrate von wenigstens etwa 2 MHz aufweisen.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung kann der faseroptische Sensor 22 ein faseroptischer Kris tall oder eine faseroptische Spule sein. In der Konfiguration eines faseroptischen Kristalls misst das System ein blitzinduziertes Magnetfeld, das parallel zu dem den Kristall durchlaufenden Strahlungsbündel 24 ist. Der faseroptische Kristall ist in der Nähe des Leiters 18 in dem Objekt 14 angeordnet. Das blitzinduzierte Magnetfeld kann direkt aus der Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Strahlungsbündels 24, welche auch als Faraday-Drehung bezeichnet wird und durch die Gleichung 1: Θ(λ, T) = V(λ, T)∫Hdl (1)gegeben ist berechnet werden, wobei Θ den Winkel der Faraday-Drehung, λ die Wellenlänge des Lichtes, T die Temperatur, V die Verdet-Konstante des faseroptischen Kristalls und H die Magnetfeldintensität entlang eines Ausbreitungspfades l ist. In einem nicht-einschränkenden Beispiel kann der Kristall aus einem optisch transparenten ferromagnetischen kristallinen Material mit einer hohen Verdet-Konstante wie zum Beispiel Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat bestehen. Der hierin angesprochene Begriff "Verdet-Konstante" eines Materials ist als eine optische Konstante definiert, die ein Maß für die Stärke des Faraday-Effektes für ein entsprechendes Material ist. Die Empfindlichkeit der Messungen nimmt mit der Zunahme in der Verdet-Konstante zu. Der faseroptische Stromsensor 22 kann angepasst sein, dass er magnetische Felder bis zu etwa 150 mT misst und magnetische Felder bis zu etwa 1000 mT ohne Beschädigung aushält.
In einer faseroptischen Spulenkonfiguration misst das System 10 den blitzinduzierten Strom 16. Der Begriff "blitzinduzierter Strom", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Strom der durch den Blitzschlag verursacht wird. In dieser Ausführungsform ist die faseroptische Spule 22 um den Leiter 18 des Objektes 14 gewickelt. Der Winkel, um welchen die Polarisationsebene des Strahlungsbündels 24 sich in der faseroptischen Spule bei Vorhandensein eines durch den Blitzstrom 16 in der Spule 22 induzierten Magnetfeldes dreht ist durch die Gleichung 2 gegeben: Θ = VNI (2)wobei V die Verdet-Konstante, N die Anzahl der Wicklungen der faseroptischen Spule 22 und I der Blitzstrom 16 ist. Um ein erwünschtes Signal/Rausch-Verhältnis in einem Ausgangssignal zu bekommen, wird ein optimaler Wert der Wicklungsanzahlen in der Spule benötigt.
2 veranschaulicht eine Blockdiagrammrepräsentation einer weiteren exemplarischen Konfiguration eines Blitzdetektionssystem 40 dar. Das Blitzdetektionssystem 40 enthält mehrere faseroptische Sensoren 22 wie in 1 angegeben, welche ein faseroptisches Netzwerk 52 ausbilden. Das faseroptische Sensornetzwerk 52 ermöglicht die Detektion der lokalisierten Auftreffpunktes eines Blitzschlages in ein Objekt. Die faseroptischen Sensoren 22 können in einem optimalen Abstand voneinander angeordnet sein. In einer exemplarischen Ausführungsform können die faseroptischen Sensoren etwa 10 Meter voneinander entfernt angeordnet sein. Wenn ein Blitz einen Auftreffpunkt in einem Objekt 14 gemäß Angabe in 1 trifft, kann ein durch das Objekt 14 über einen Leiter 18 abgeleiteter Blitzstrom über die faseroptischen Sensoren 22 detektiert werden. Die Empfindlichkeit der Detektion nimmt zu wenn der Abstand der Sensoren von dem Auftreffpunkt abnimmt. Das Blitzdetektionssystem 40 enthält auch eine Lichtquelle 42, die ein auf jeden faseroptischen Sensor 22 einfallendes Strahlungsbündel 44 emittiert. Die faseroptischen Sensoren 22 detektieren eine Faraday-Drehung in dem einfallenden Strahlungsbündel 44, wenn ein Blitz ein Objekt trifft. Das sich von jedem der faseroptischen Sensoren 22 ergebende Strahlungsbündel 46 fällt auf mehrere elektro-optische Module 48 oder optoelektrische Wandler 48 ein, die das optische Strahlungsbündel 46 in ein elektrische Signal 50 umwandeln. Das elektrische Signal 50 von jedem der elektro-optischen Module 48 wird dann durch eine Datenverarbeitungseinheit 32 gemäß 1 verarbeitet, die die Blitzparameter ausgibt.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Darstellung in 3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Windkraftanlagen-Flügelsystems 60 mit einem eingebauten Blitzdetektionssystem 40 von 1 dargestellt. Es wird allgemein angenommen, dass das Risiko, dass ein Blitz ein Objekt trifft mit dem Quadrat der Höhe des Objektes zunimmt. Im Falle von Windkraftanlagen, in welchen die Höhe typischerweise etwa 110 Meter beträgt, ist ein höheres Risiko von Blitzeinschlägen vorhanden. Das Windkraftanlagen-Flügelsystem 60 gemäß Darstellung in 3 enthält eine Reihe faseroptischer Sensoren 22 gemäß 2, die in jedem Windkraftanlagenflügel 62 angeordnet sind. Die faseroptischen Sensoren 22 sind in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet, um die Auftreffpunkte auf dem Flügel 62 zu messen. Wenn ein Blitz 12 den Flügel 62 trifft, fließt ein blitzinduzierter Strom durch einen Leiter 64 in dem Flügel 62, der den blitzinduzierten Strom ableitet. In einem Beispiel kann der Leiter 64 ein Aluminium draht sein. Ein elektrooptisches Modul 28 gemäß 2, das eine Lichtquelle enthält, ist in einem elektromagnetisch isolierten Kasten 66 am Mittelpunkt des Windkraftanlagen-Flügelsystems 60 angeordnet und erzeugt ein Strahlungsbündel auf den faseroptischen Sensoren 22. Die faseroptischen Sensoren 22 detektieren den Blitzstrom und übertragen einen entsprechendes Strahlungsbündel, das einer Faraday-Drehung unterliegt, an das elektro-optische Modul 28. Das elektro-optische Modul 28 wandelt ein optisches Strahlungsbündel aus jedem faseroptischen Sensor 22 in ein elektrisches Signal um, das durch eine Datenverarbeitungseinheit 32 gemäß 2 weiterverarbeitet wird.
Um Blitzparameter zu gewinnen, kann ein Sensor an der Unterseite des Windkraftanlagenflügels 62 genügen. Jedoch sind für eine erwünschte Zuverlässigkeit der Messungen und zur Lokalisierung der Auftreffpunkte auf dem Flügel 62 mehrere faseroptische Sensoren 22 erforderlich, wie es in 3 dargestellt ist. Die faseroptischen Sensoren 22 sind in einem optimalen Abstand voneinander angeordnet, um eine erwünschte Auflösung für die Ermittlung des Auftreffpunktes auf dem Windkraftanlagenflügel 62 zu erzielen. In einer exemplarischen Ausführungsform können die faseroptischen Sensoren 22 etwa 10 Meter voneinander angeordnet sein.
Um den optimalen Abstand zwischen benachbarten faseroptischen Sensoren 22 zu ermitteln, und um unterschiedliche Parameter zu erhalten, von welchen die Ortsauflösung abhängt, wird ein nachstehendes Szenario des schlechtesten Falles betrachtet. Es werde angenommen, dass der Blitz in der Mitte des Flügels 62 in der Nähe eines faseroptischen Sensors einschlägt. Im schlechtesten Falle wäre ein benachbarter faseroptischer Sensor, der in einer Richtung zu der Kante des Flügels 92 positioniert ist, in der Lage, ein minimales blitzinduziertes magnetisches Feld zu messen. Ein maximaler Abstand zwischen den faseroptischen Sensoren 22 kann durch die Gleichung 3 gegeben sein:
wobei μ die Permeabilität des faseroptischen Sensors angibt, I_min einen durch einen benachbarten Sensor zur Lokalisation zu detektierenden minimalen Blitzstrom angibt und B_min ein von dem benachbarten Sensor gemessenes minimales blitzinduziertes Magnetfeld ist. Somit ist im Falle einer als B_min bezeichneten geringen Blitzintensität der Abstand zwischen benachbarten faseroptischen Sensoren größer und führt somit zu einem größeren Sensornetzwerk.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte repräsentiert, die in einem exemplarischen Verfahren 70 zum Detektieren von Blitzparametern enthalten sind. Das Verfahren 70 beinhaltet die Aufnahme eines Blitzes über einen Leiter, der einen Blitzstrom von einer Oberfläche eines Objektes in einem Schritt 72 abführt. Der durch den Leiter fließende Blitz induziert einen Blitzstrom, der über faseroptische Sensoren im Schritt 74 detektiert wird. Die faseroptischen Sensoren modulieren ein Strahlungsbündel entsprechend einem blitzinduzierten Strom, auf der Basis der Faraday-Drehung des Strahlungsbündels. Der Strahlungsbündel wird über ein elektro-optisches Modul in Schritt 76 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Verfahren 70 beinhaltet auch die Messung mehrerer Blitzparameter über eine Datenverarbei tungseinheit im Schritt 78. In einem Beispiel kann der Schritt 78 die Messung eines blitzinduzierten Stromes und magnetischen Feldes enthalten. In einer speziellen Ausführungsform kann der Schritt 78 die Messung des Blitzauftreffortes über mehrere faseroptische Sensoren beinhalten. In einer weiteren Ausführungsform kann die Messung im Schritt 78 eine Abtastdatenrate von wenigstens etwa 2 MHz beinhalten.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, sind Modifikationen und Änderungen für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartige Modifikationen und Änderungen mit abdecken sollen, soweit sie unter den tatsächlichen Erfindungsgedanken fallen.

10: Blitzdetektionssystem
12: Blitzschlag
14: Objekt
16: Blitzstrom
18: Leiter
22: faseroptischer Sensor
24: Strahlungsbündel
26: Faraday-gedrehter Strahl
28: elektrooptisches Modul
30: elektrisches Signal
32: Datenverarbeitungseinheit
40: exemplarisches Blitzdetektionssystem
42: Lichtquelle
44: einfallender Strahlungsbündel
46: resultierender Strahl
48: elektro-optische Module
50: elektrisches Signal
52: faseroptisches Sensornetzwerk
60: Windkraftanlagen-Flügelsystem
62: Windkraftanlagenflügel
64: Leiter
66: elektromagnetisch isolierter Kasten
68: Mittelpunkt des Windkraftanlagen-Flügelsystems
70: Verfahren zur Blitzdetektion
72: Blitzaufnahme
74: Blitzdetektion
76: Umwandeln des Strahlungsbündels in ein elektrisches Signal
78: Messen von Blitzparametern

Claims

Blitzdetektionssystem (10), aufweisend: einen Leiter (18), der dafür eingerichtet ist, einen Blitzschlag (12) aufzunehmen und einen blitzinduzierten Strom (16) abzuleiten; einen faseroptischen Stromsensor (22), der dafür eingerichtet ist, aus dem blitzinduzierten Strom (16) mehrere Blitzparameter zu detektieren und in Reaktion darauf ein Strahlungsbündel (24) zu modulieren; und ein elektrooptisches Modul (28), das dafür eingerichtet ist, das Strahlungsbündel (24) aus dem faseroptischen Stromsensor (22) aufzunehmen und in ein elektrisches Signal (30) umzuwandeln.
Blitzdetektionssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Blitzparameter wenigstens einen von Strom und induziertem Magnetfeld umfassen.
Blitzdetektionssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der faseroptische Stromsensor (22) zum Messen magnetischer Felder bis zu etwa 150 mT angepasst ist.
Blitzdetektionssystem (10) nach Anspruch 1, welches ferner eine Datenverarbeitungseinheit (32) aufweist, die dafür angepasst ist, ein einen Blitzparameter repräsentierendes Signal auszugeben.
Blitzdetektionssystem (10) nach Anspruch 1, welches ferner mehrere faseroptische Sensoren (22) aufweist, die dafür angepasst sind, einen Auftreffort eines Blitzeinschlags zu messen.
Verfahren (70) zur Blitzdetektion, mit den Schritten: Aufnehmen eines Blitzes (72) über einen Leiter, der den Blitzstrom von einer Oberfläche eines Objektes ableitet; Detektieren des Blitzes (74) mittels eines faseroptischen Stromsensors; Umwandeln eines aus dem faseroptischen Stromsensor empfangenen Strahlungsbündels (76) in ein elektrisches Signal mittels eines elektro-optischen Moduls; und Messen mehrerer Blitzparameter (78) mittels einer Datenverarbeitungseinheit.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Detektion (74) die Messung der Faraday-Drehung einer Polarisationsebene eines einfallenden Lichtes von einer Lichtquelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messung (78) die Messung eines blitzinduzierten Magnetfeldes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messung (78) die Messung eines blitzinduzierten Stromes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messung (78) eine Messung des Auftreffortes eines Blitzes mittels mehrerer faseroptischer Stromsensoren (22) umfasst.