DE102012009205A1

DE102012009205A1 - Blitzstromüberwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012009205A1
Application number: DE102012009205A
Authority: DE
Inventors: Martin Wetter
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN204439726U; WO2013167221A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung (1) für eine zu überwachende Anlage, insbesondere für Windkraftanlagen. Die Blitzstromüberwachungsvorrichtung (1) weist eine kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung (KES) auf, welche so ausgelegt ist, dass sie aus einer auf die zu überwachende Anlage einwirkende Blitzentladung Energie für eine Wandlereinrichtung (LED) bezieht, wobei die bezogene Energie mit der Blitzentladung korreliert ist. Weiterhin weist die Blitzstromüberwachungsvorrichtung (1) eine Wandlereinrichtung (LED) auf, welche aus der bezogenen Energie der kombinierten Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung (KES) ein optisches Signal erzeugt, wobei das optische Signal mit der bezogenen Energie korreliert ist. Darüber hinaus verfügt die Blitzstromüberwachungsvorrichtung (1) über eine Übertragungsstrecke (LWL), welche eine Weitergabe des Signals und eine galvanische Trennung zur Verfügung stellt, und eine elektrische Auswerteeinrichtung (PC), welche an Hand des weitergegebenen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage eingewirkt hat, erkennt und bewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung.
Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer großen Höhe besonders stark von Blitzeinwirkungen betroffen. Blitzschutzsysteme für Windenergieanlagen und Maßnahmen zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit solcher Anlagen sind hinreichend bekannt. Trotz der umfangreichen Blitzschutzmaßnahmen werden die Anlagen durch die vergleichsweise häufigen Blitzeinschläge stark belastet. Daher müssen bei Wartungsarbeiten die durch Blitzeinschläge besonders belasteten Elemente der Anlage kontrolliert und ggf. ausgetauscht werden.
Wartungsarbeiten sind hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit ein wesentlicher Kostenfaktor im laufenden Betrieb einer Windenergieanlage.
So steigt alleine bei zunehmender Höhe der Anlagen der Wartungsaufwand deutlich an, da weitere Wege bis zu den zu überprüfenden Elementen zurück zulegen sind.
Zwar könnte hier eine Zeitersparnis durch Helikopterunterstützung erreicht werden, jedoch ist dies nicht ohne Weiteres möglich, da dies nur in Zeiten relativer Windstille möglich ist und zudem Flugzeit relativ teuer ist. Weiterhin ist eine Wartungsperiode in aller Regel auch mit einem wirtschaftlich unerwünschten Anlagenstillstand verbunden.
Insbesondere bei der zahlenmäßig stark zunehmenden Offshore-Technik ist das Thema Wartung mit besonderem Aufwand verbunden, da die Anlagen nicht ohne Weiteres erreicht werden können.
Für Betreiber von Windenergieanlagen ist es daher vorteilhaft, die Blitzbelastung der Anlagen zu erfassen, um die Wartungszyklen der realen Blitzbelastung anpassen zu können.
Zwar sind Systeme dieser Art bekannt, jedoch sind diese nachteilig.
So wird in der DE 44 01 069 C1 ein relativ kompliziertes System beschrieben, das nur eine nachträgliche Auswertung mit einem externen Gerät zulässt. Weiterhin kann mit dem System nur eine maximale Amplitude erfasst werden. Eine Aussage zur Häufigkeit von Blitzereignissen und deren jeweiliger Intensität ist somit nicht möglich. Insofern muss in bestimmten Zeiträumen das System ausgewertet werden und erlaubt nur eine äußerst grobe Abschätzung.
Eine wesentliche Herausforderung bei der Messung eines Blitzstroms in einem Blitzableiter ist die Potenzialtrennung zwischen dem möglichen Hochspannungspotenzial des Blitzableiters und dem Messsystem.
Dies wird auch in Normen erfasst. So müssen alle elektrischen und elektronischen Systeme einen sogenannten „Trennungsabstand” von blitzstromtragenden Teilen haben (DIN EN 62305). Dieser Abstand liegt typischerweise in einer Größenordnung von bis zu einem Meter und mehr.
Bringt man nun einen induktiven Stromsensor an einen Blitzableiter (z. B. einen Stromwandler, eine Rogowski-Spule etc.), muss dieser galvanisch und hochspannungsfest von einer Auswerteeinheit getrennt werden.
Dieses kann vorzugsweise durch eine Lichtwellenleiter-Verbindung oder durch eine Funkstrecke realisiert werden. Für beide Techniken benötigt man zur Übertragung der Messdaten Energie. Batterien, Solarzellen etc. sind oft ungeeignet, da sie die dauerhafte Betriebssicherheit nicht gewährleisten können.
Zwar könnte man eine Energiezufuhr über Licht in einem Lichtwellenleiter – in umgekehrter Messdatenrichtung – realisieren, jedoch ist dies zum Einen sehr aufwendig, zum Anderen stellen die notwendigen Lichtleistungen für das bedienende Personal eine nicht unerhebliche Gefahr dar, z. B. durch Blendung durch Laserlicht.
Andere Systeme erlauben zwar eine Speisung aus der Blitzenergie, erfordern jedoch eine kompliziert abgestimmte Anordnung, so dass ein kompletter Messkreis mit Energie versorgt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache Blitzstromüberwachungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
4 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in größerem Detail.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 gemäß der Erfindung.
Diese Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 wird nachfolgend in Bezug auf für eine zu überwachende Anlage BA, beispielsweise ein Blitzableiter einer Windkraftanlage beschrieben.
Die Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 weist eine kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung KES auf, welche so ausgelegt ist, dass sie aus einer auf die zu überwachende Anlage einwirkende Blitzentladung Energie für eine Wandlereinrichtung LED bezieht, wobei die bezogene Energie mit der Blitzentladung korreliert ist.
Beispielsweise kann die kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung wie in 4 gezeigt einen Kondensator C aufweisen. Dieser Kondensator speichert Ladung. Durch eine adäquate Ankopplung wird es beispielsweise ermöglicht, dass die Ladung auf dem Kondensator C aus einem einwirkenden Blitz entnommen wird, der auf die zu überwachende Anlage BA einwirkt.
Beispielsweise kann hierzu eine induktive Kopplung, wie in 1 durch eine Leiterschleife angedeutet, eine kapazitive Kopplung, wie in 2 durch einen Kondensator angedeutet, oder eine galvanische Kopplung, wie in 3 durch zwei Leiter angedeutet, verwendet werden.
Weiterhin weist die Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 eine Wandlereinrichtung LED auf, welche aus der bezogenen Energie der kombinierten Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung KES ein optisches Signal erzeugt, wobei das optische Signal mit der bezogenen Energie korreliert ist.
Beispielhafte Wandlereinrichtungen sind Halbleiterbauelemente, wie z. B. Leuchtdioden, oder Glimmlampen.
Darüber hinaus verfügt die Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 über eine optische Übertragungsstrecke LWL, welche eine Weitergabe des Signals und eine galvanische Trennung zur Verfügung stellt.
Beispielsweise kann die Übertragungsstrecke LWL als Freiraumstrecke oder aber als Lichtwellenleiter realisiert sein. Da das zu übertragende Signal keine besonderen Anforderungen an die Übertragungsstrecke stellt können Kunststoff-Multimodenfasern verwendet werden.
Alternativ kann die Übertragungsstrecke LWL auch als Funkübertragungsstrecke ausgeführt sein. Beispielhafte Technologien, welche nur geringe Leistungsanforderungen haben, und somit auch einfach aus der bezogenen Energie versorgt werden können, sind z. B. ZigBee, WLAN, Bluetooth, als auch andere Kurzstreckenfunksysteme.
Weiterhin weist die Blitzstromüberwachungsvorrichtung 1 eine elektrische Auswerteeinrichtung PC auf, welche an Hand des optischen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage eingewirkt hat, erkennt und bewertet. Hierzu kann die elektrische Auswerteeinrichtung PC über eine weitere Wandlervorrichtung verfügen, die nun wiederum aus dem erhaltenen optischen Signal ein elektrisches Signal erzeugt. Beispielhafte Wandlereinrichtungen sind Halbleiterbauelemente, wie z. B. Fotozellen, Fotodioden, Fototransistoren, oder Fotowiderstände. Weiterhin kann die elektrische Auswerteeinrichtung PC geeignete Microcontroller als auch Microprozessoren aufweisen, die über weitere Fernmeldeeinrichtungen verfügen, um z. B. über einen drahtlosen oder drahtgebunden Datenkanal Statussignale an entfernte Kontrollstationen weiterzuleiten.
Beispielsweise kann die elektrische Auswerteeinrichtung PC an Hand der Intensität und/oder Dauer des optischen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage BA eingewirkt hat, erkennen und bewerten.
In den Ausführungsformen der Erfindung wird die für die Übertragung notwendige Energie aus dem Blitzstrom selbst, z. B. induktiv, kapazitiv oder galvanisch entnommen. Mit Hilfe dieser Energie kann der gemessene Strom dann an die Auswerteeinheit weiter gegeben werden. Die Auswerteeinheit selbst wird jedoch nicht durch die entnommene Energie gespeist.
Somit wird auf einfache kostengünstige Art ermöglicht die Anzahl und Stärke einzelner Blitze, die auf eine zu überwachende Anlage, beispielsweise einen Blitzableiter BA, einwirken, zu erfassen und in entsprechendem räumlichen Abstand zu bewerten. Beispielsweise kann eine entsprechende Auswerteeinheit am Mastfuß oder in der Nähe der Generatornabe einer Windkraftanlage angebracht sein. Hierdurch kann der Aufbau des Systems einfach und damit extrem kostengünstig gehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Blitzstromüberwachungsvorrichtung
KES: kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung
LED: Wandlereinrichtung
LWL: Übertragungsstrecke, optische~, Funk-~
PC: elektrische Auswerteeinrichtung
BA: Blitzableiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4401069 C1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 62305 [0011]

Claims

Blitzstromüberwachungsvorrichtung (1) für eine zu überwachende Anlage (BA), insbesondere für Windkraftanlagen, aufweisend • eine kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung (KES), welche so ausgelegt ist, dass sie aus einer auf die zu überwachende Anlage einwirkende Blitzentladung Energie für eine Wandlereinrichtung (LED) bezieht, wobei die bezogene Energie mit der Blitzentladung korreliert ist, • eine Wandlereinrichtung (LED), welche aus der bezogenen Energie der kombinierten Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung (KES) ein optisches Signal erzeugt, wobei das optische Signal mit der bezogenen Energie korreliert ist, • eine Übertragungsstrecke (LWL), welche eine Weitergabe des Signals und eine galvanische Trennung zur Verfügung stellt, und • eine elektrische Auswerteeinrichtung (PC), welche an Hand des weitergegebenen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage eingewirkt hat, erkennt und bewertet.
Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wandlereinrichtung (LED) ein Halbleiterbauelement aufweist.
Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung einen Kondensator (C) aufweist, der vermittels einer galvanischen, kapazitiven oder induktiven Kopplung an die zu überwachende Anlage Energie bezieht.
Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsstrecke (LWL) einen Lichtwellenleiter oder eine Funkstrecke aufweist.
Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Auswerteeinrichtung (PC), an Hand der Intensität und/oder Dauer des optischen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage eingewirkt hat, erkennt und bewertet.
Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu überwachende Anlage ein Blitzableiter (BA), insbesondere ein Blitzableiter einer Windkraftanlage, ist.