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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Blitzstrommessung in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper, mit wenigstens zwei Messpunkten und einem Messsystem zur Erfassung des Blitzstroms.
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Vorrichtungen zur Blitzstrommessung spielen in vielen Anwendungsgebieten eine überragende Rolle, wie beispielsweise im Bereich der Windenergieanlagen, die aufgrund ihrer großen Höhe besonders stark von Blitzeinwirkungen, beispielsweise Blitzeinschlägen, betroffen sind. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Blitzschutzsysteme für Windenergieanlagen und Maßnahmen zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit derartiger Blitzschutzsysteme bekannt. Obwohl Windenergieanlagen vielfach umfangreiche Blitzschutzsysteme aufweisen, führt die durch Blitzeinschlag entstehende Belastung einer Windenergieanlage vielfach zu aufwendigen Wartungsarbeiten. Bei Wartungsarbeiten müssen die durch Blitzeinschläge besonders belasteten Elemente der Windenergieanlage kontrolliert und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
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Wartungsarbeiten stellen jedoch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit einen wesentlichen Kostenfaktor im Betrieb einer Windenergieanlage dar, da vielfach die Wartungsarbeiten einen Stillstand der Windenergieanlage bedingen. Insbesondere die Wartung von den zahlenmäßig stark zunehmenden Offshore-Windenergieanlagen ist mit besonderem Aufwand verbunden, da beispielsweise Hubschrauber und/oder Schiffe für die Wartung benötigt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in besonders einfacher und kostengünstiger Weise die Blitzbelastung, also beispielsweise die Anzahl der Blitzeinschläge, einer Anlage, insbesondere einer Windenergieanlage, zu erfassen, um Wartungszyklen der Windenergieanlage an die tatsächliche Blitzbelastung der Windenergieanlage anpassen zu können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Blitzstrommessung in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper, mit wenigstens zwei Messpunkten und einem Messsystem zur Erfassung des Blitzstroms, wobei die Messpunkte in Längserstreckung des Hohlkörpers beabstandet voneinander angeordnet sind, die Messpunkte elektrisch leitend mit der Innenseite des Hohlkörpers verbunden sind, und das Messsystem mit den Messpunkten elektrisch leitend verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird dabei eine Vorrichtung zur Blitzstrommessung in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper, wie beispielsweise in einem Turm einer Windenergieanlage, angegeben, mit dem in besonders einfacher und kostengünstiger Weise der bei einem Blitzeinschlag in den länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper fließende Blitzstrom messbar ist. Überraschenderweise wurde gefunden, dass der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper als Koaxial-Shunt, also als Messwiderstand, zwischen den wenigstens zwei Messpunkten verwendbar ist. Somit lässt sich gemäß der Erfindung mit dem Messsystem, beispielsweise mit einem Transientenrekorder, in besonders einfacher Weise der bei einem Blitzeinschlag in dem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper zwischen den wenigstens zwei Messpunkten fließende Blitzstrom messen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit neben einer Messung der Amplitude des Blitzstroms beispielsweise auch die Messung von Häufigkeiten des Blitzstroms über die Zeit und/oder die Messung des Blitzstroms in „Echtzeit”, als zum Zeitpunkt des Einschlags eines Blitzes in den länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper.
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Grundsätzlich kann das Messsystem an einer beliebigen Stelle an dem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper angeordnet sein. Bevorzugt ist das Messsystem jedoch, ebenfalls wie die Messpunkte, in dem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper angeordnet. Eine derartige Anordnung ist vorteilig, da im Falle von Blitzeinwirkungen das Innere, also der Innenraum, des länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörpers frei von magnetischen Feldern ist, die sich störend auf das Messsystem auswirken können. Ebenfalls sind durch eine Anordnung des Messsystems im Inneren des Hohlkörpers das Messsystem und/oder die Messpunkte vor externen Einwirkungen, wie Wärme, Kälte und/oder Salznebel, geschützt.
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Dadurch, dass der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper nur an der Innenseite des Hohlkörpers mit den Messpunkten verbunden ist, sind keine Durchbrüche oder Bohrungen in dem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper notwendig, so dass die Stabilität des länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörpers durch einen derartigen Durchbruch oder Bohrung nicht negativ beeinflusst ist.
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Das Messsystem kann als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Messsystem ausgeführt sein, beispielsweise in IP20-Bauweise vorgesehen sein und/oder Blitzstrommessungen von +/– 400 kA in einem Frequenzbereich von 0,2 MHz bis 10 MHz bei Temperaturen von –30°C bis +70°C ermöglichen. Ebenfalls können die Messpunkte beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Messpunkte sein, also beispielsweise Elektroden, die an die Innenseite des Hohlkörpers gelötet, geklebt oder geschraubt sind. Ganz besonders bevorzugt weist die Vorrichtung zwei Messpunkte auf. Dadurch, dass die Distanz der Messpunkte in Längserstreckung des Hohlkörpers voneinander variierbar ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung in sehr flexibler Weise an eine Vielzahl länglicher, elektrisch leitfähiger Hohlkörper angepasst werden. Der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper kann beispielsweise als ein Rohr oder ein Turm einer Windenergieanlage ausgeführt sein. Weiterhin ist bevorzugt, dass durch das Messsystem die Amplitude, die Steilheit und/oder die Ladung des Blitzstroms messbar ist.
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Grundsätzlich können die Messpunkte in einem beliebigen Abstand voneinander beabstandet in Längserstreckung des Hohlkörpers angeordnet sein. Der Abstand der Messpunkte sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass der Hohlkörper zwischen den Messpunkten einen Widerstandswert in der Größenordnung 10 bis 100 μΩ besitzt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messpunkte im Bereich von 0,5 bis 5 Meter beabstandet voneinander angeordnet sind.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messsystem einen der Messpunkte umfasst. Mit anderen Worten ist also bevorzugt, dass einer der Messpunkte in dem Messsystem, vorzugsweise innerhalb des Messsystems, angeordnet ist. Dadurch lässt sich das Messsystem, ebenso wie der Messpunkt, an der Innenseite des Hohlkörpers, also innerhalb des Hohlkörpers, anordnen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messsystem kalibrierbar ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung gemäß dieser Ausgestaltung einmalig oder periodisch kalibriert werden. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Messsystem eine Einrichtung zur Vierleitermessung aufweist. Die Vierleitermessung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper einen sehr geringen Widerstandswert, also einen sehr geringen Messwiderstand bzw. Koaxial-Shunt zwischen den Messpunkten aufweist.
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Grundsätzlich kann das Messsystem beliebige Ein- und/oder Ausgabeeinrichtungen zur Steuerung und/oder Visualisierung der Blitzstrommessung aufweisen, wie beispielsweise eine Digitalanzeige oder ein Display. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jedoch bevorzugt, dass das Messsystem eine Schnittstelle zum Datenaustausch aufweist. Somit können Messdaten in einfacher Weise beispielsweise in einer Betriebsleitzentrale eines Windenergieanlagenparks dargestellt und/oder visualisiert werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann das Messsystem beliebig ausgestaltet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist jedoch bevorzugt, dass das Messsystem als Transientenmesssystem ausgeführt ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht die Erkennung von transienten Vorgängen des Blitzstroms, also beispielsweise schneller elektrischer Transienten (bursts) und Impulspakete (impulse packets) des Blitzstroms.
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Ebenfalls kann der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper als ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter Hohlkörper ausgeführt sein, beispielsweise als ein Zylinder aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Hohlkörper als Turm einer Windenergieanlage ausgeführt ist. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine besonders einfache und kostengünstige Messung eines in dem Turm der Windenergieanlage fließenden Blitzstroms, so dass die Wartungszyklen der Windenergieanlage der tatsächlichen Blitzbelastung, also den Blitzeinschlägen, angepasst werden können. Weiterhin ist bevorzugt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung in einer Windenergieanlage zu verwenden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Blitzstrommessung in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper, umfassend den Schritt: Messen des Blitzstroms zwischen wenigstens zwei Messpunkten, wobei die Messpunkte in Längserstreckung des Hohlkörpers beabstandet voneinander angeordnet sind und die Messpunkte elektrisch leitend mit der Innenseite des Hohlkörpers verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit in besonders einfacher Weise die Messung eines Blitzstroms in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper, welcher vorzugsweise als Turm einer Windenergieanlage ausgeführt ist. Dadurch, dass die wenigstens zwei Messpunkte in Längserstreckung des Hohlkörpers beabstandet voneinander angeordnet sind, stellt der längliche, elektrisch leitfähige Hohlkörper einen Messwiderstand, insbesondere einen Koaxial-Shunt, dar, der erfindungsgemäß bei einem Blitzeinschlag in den elektrisch leitfähigen Hohlkörper zur Messung des durch den elektrisch leitfähigen Hohlkörper fließenden Blitzstroms verwendbar ist. Da der Blitzstrom durch den Messpunkt, der an der Innenseite des Hohlkörpers angeordnet ist, gemessen wird, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr flexible Anordnung und Anpassung an eine Vielzahl von länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörpern, wie beispielsweise metallische Rohre.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt: Messen des Widerstands zwischen den Messpunkten umfasst. Ganz besonders ist bevorzugt, dass das Messen des Widerstands mittels Vierleitermessung erfolgt. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Widerstand zwischen den Messpunkten, also der durch den länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper gebildete Koaxial-Shunt, sehr gering ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt: Übertragen des gemessenen Blitzstroms über eine Schnittstelle auf. Somit kann der gemessene Blitzstrom beispielsweise in einer Einsatzzentrale eines Windenergieanlagenparks visualisiert und/oder analysiert werden. Dabei können beispielsweise die Amplitude, die Steilheit und/oder die Ladung des Blitzstroms durch das Bedienpersonal des Windenergieanlagenparks analysiert werden, so dass die aufgrund von Blitzeinschlägen erforderlichen Wartungsarbeiten der Windenergieanlage entsprechend der tatsächlichen Blitzbelastung der Windenergieanlage geplant und kostengünstig umgesetzt werden können.
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Grundsätzlich kann der Hohlkörper ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter Hohlkörper sein. Ganz besonders ist jedoch bevorzugt, dass der Hohlkörper ein Turm einer Windenergieanlage ist. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders einfache Messung des Blitzstroms, damit also von Blitzeinschlägen in die Windenergieanlage.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Blitzstrommessung ergeben sich in Analogie zu den oben beschriebenen Vorrichtungen zur Blitzstrommessung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Windenergieanlage und einen Ausschnitt der Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Blitzstrommessung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
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2 einen Ausschnitt der Windenergieanlage gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und
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3 einen Ausschnitt der Windenergieanlage gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 1 sowie einen Ausschnitt der Windenergieanlage 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Blitzstrommessung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung weist zwei Messpunkte 2 auf, welche vorliegend als Messelektroden ausgeführt sind. Die Messpunkte 2 sind elektrisch leitend mit der Innenseite eines länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörpers 3, welcher vorliegend als Turm der Windenergieanlage 1 ausgeführt ist, verbunden. Der Turm der Windenergieanlage 1 ist vorliegend als Stahlturm ausgeführt, wobei der Stahlturm innen hohl ist, somit den länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper 3 darstellt.
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Wie aus 1 weiterhin ersichtlich, sind die Messpunkte 2 in Längserstreckung des Hohlkörpers 3 beabstandet voneinander angeordnet. Beispielsweise sind die Messpunkte 2 mit der Innenseite des Hohlkörpers 3 elektrisch leitend durch Verlöten, durch Verkleben und/oder durch Verschraubung verbunden.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung ein Messsystem 4 zur Messung des Blitzstroms auf, wobei das Messsystem 4 mit den Messpunkten 2 elektrisch leitend verbunden ist, beispielsweise über Kabel. Dadurch, dass wie aus 1 ersichtlich, das Messsystem 4 in dem Innenraum des Stahlturms angeordnet ist, ist das Messsystem 4 im Fall von Blitzeinwirkung, also beispielsweise im Falle eines Blitzeinschlags in die Windenergieanlage 1, unanfällig gegenüber Beeinflussung durch von dem Blitzeinschlag hervorgerufene magnetische Felder.
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Da die Messpunkte 2 in Längserstreckung des Hohlkörpers 3 beabstandet voneinander angeordnet sind, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5 Meter Abstand, stellt ein Teil des länglichen elektrisch leitfähigen Hohlkörpers 3, vorliegend der Stahlturm der Windenergieanlage 1, einen Messwiderstand, insbesondere eine Koaxial-Shunt, dar.
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Eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Blitzstrommessung ist durch eine Widerstandsmessung zwischen den zwei Messpunkten 2 durchführbar, wobei aufgrund der zu erwartenden geringen Widerstandswerte des Abschnitts des länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörpers 3 eine Vierleitermessung 5, dargestellt in 2, vorteilhaft ist.
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Die vom Messsystem 4 gemessenen Werte, also beispielsweise der Blitzstrom, die Amplitude, Steilheit und/oder Ladung des Blitzstroms, können für eine Visualisierung und/oder Analyse in Echtzeit über eine Schnittstelle, nicht dargestellt, des Messsystems 4 beispielsweise an eine Leitstelle eines Windenergieanlagenparks übertragen werden.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wie aus 3 ersichtlich, vorgesehen, dass das Messsystem 4 einen der Messpunkte 2 umfasst, also einer der Messpunkte 2 in dem Messsystem 4 angeordnet ist. Ebenfalls kann das Messsystem 4 als Transientenmesssystem ausgeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Blitzstrommessung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Blitzstrommessung erlaubt somit in besonders einfacher Weise die Messung eines Blitzstroms in einem länglichen, elektrisch leitfähigen Hohlkörper 3, also beispielsweise in einem Turm einer Windenergieanlage 1, ohne dass aufwändige Elektronik in der Windenergieanlage 1 vorzusehen ist, da gemäß der Erfindung überraschenderweise gefunden wurde, dass ein Abschnitt des Turms der Windenergieanlage 1 als Koaxial-Shunt zur Messung des Blitzstroms, also damit zur Erfassung eines durch den Blitzstrom resultierenden Blitzereignisses, insbesondere eines Blitzeinschlags in die Windenergieanlage 1, verwendbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Messpunkt
- 3
- Hohlkörper
- 4
- Messsystem
- 5
- Einrichtung zur Vierleitermessung
