WO2013167221A1 - Blitzstromüberwachungsvorrichtung - Google Patents

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WO2013167221A1
WO2013167221A1 PCT/EP2013/001028 EP2013001028W WO2013167221A1 WO 2013167221 A1 WO2013167221 A1 WO 2013167221A1 EP 2013001028 W EP2013001028 W EP 2013001028W WO 2013167221 A1 WO2013167221 A1 WO 2013167221A1
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lightning current
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Martin Wetter
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0807—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by the application
    • G01R29/0814—Field measurements related to measuring influence on or from apparatus, components or humans, e.g. in ESD, EMI, EMC, EMP testing, measuring radiation leakage; detecting presence of micro- or radiowave emitters; dosimetry; testing shielding; measurements related to lightning
    • G01R29/0842—Measurements related to lightning, e.g. measuring electric disturbances, warning systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a
  • Wind turbines are due to their high altitude
  • Helicopter support can be achieved, but this is not easily possible, as this is only in times
  • Lightning arrester eg a current transformer, a Rogowski coil etc.
  • a current transformer e.g. a current transformer, a Rogowski coil etc.
  • Flash energy require a complicated tuned arrangement, so that a complete measuring circuit is powered.
  • the invention is based on the object to provide a simple lightning current monitoring device which avoids one or more disadvantages of the prior art.
  • Fig. 1 is a lightning current monitoring device according to
  • FIG. 2 shows a lightning current monitoring device according to
  • Fig. 3 is a lightning current monitoring device according to yet another preferred embodiment of
  • FIG. 4 shows a lightning current monitoring device according to FIG.
  • FIGS. 1 to 4 each show one
  • Lightning current monitoring device 1 according to the invention. This lightning current monitoring device 1 will be described below with reference to a system BA to be monitored,
  • the lightning current monitoring device 1 has a
  • Combined power supply and sensor device KES which is designed so that it from a force acting on the system to be monitored lightning discharge energy for a transducer means LED refers, wherein the related energy is correlated with the lightning discharge.
  • the combined power supply and sensor device may have a capacitor C as shown in FIG. This capacitor stores charge.
  • This capacitor stores charge.
  • an inductive coupling as indicated in Figure 1 by a conductor loop, a
  • the lightning current monitoring device 1 a converter device LED, which from the energy of the combined Energysettings- and
  • Sensor device KES generates an optical signal, wherein the optical signal is correlated with the related energy.
  • Exemplary converter devices are
  • Transmission path LWL which provides a transfer of the signal and a galvanic isolation.
  • Requirements for the transmission line can be used plastic multimode fibers.
  • the lightning current monitoring device 1 has an electrical evaluation device PC, which recognizes and evaluates the lightning discharge, which has acted on the monitoring system, on the basis of the optical signal.
  • the electrical evaluation device PC have a further converter device, which in turn generates an electrical signal from the optical signal obtained.
  • Exemplary converter devices are
  • Microcontrollers as well as microprocessors having other telecommunication devices e.g. via a wireless or wired data channel
  • the electrical evaluation device PC on the basis of the intensity and / or duration of the optical signal, the lightning discharge, which has acted on the monitoring system BA, recognize and evaluate.
  • the energy required for the transmission is taken from the lightning current itself, eg inductively, capacitively or galvanically. With the help of this energy, the measured current can then be passed on to the evaluation unit.
  • the evaluation unit itself is not powered by the extracted energy.
  • a monitoring system such as a lightning arrester BA, act, detect and evaluate in appropriate spatial distance.
  • the structure of the system can be kept simple and therefore extremely inexpensive.

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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 optische Übertragungsstrecke (LWL), welche eine Weitergabe des Signals und eine galvanische Trennung zur Verfügung stellt, und eine elektrische Auswerteeinrichtung (PC), welche an Hand des optischen Signals die Blitzentladung, die auf die überwachende Anlage eingewirkt hat, erkennt und bewertet.

Description

BlitzstromüberwachungsVorrichtung
Die Erfindung betrifft eine
Blitzstromüberwachungsvorriehtung .
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
BESTÄTIGUNGSKOPIE 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 Cl 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.), rauss 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
Fig. 1 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, und
Fig. 4 eine Blitzstromüberwachungsvorrichtung gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in größerem Detail.
Die Figuren 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 Figur 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 Figur 1 durch eine Leiterschleife angedeutet, eine
kapazitive Kopplung, wie in Figur 2 durch einen Kondensator angedeutet, oder eine galvanische Kopplung, wie in Figur 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
B1itzstromüberwachungsvorrichtung 1 kombinierte Energieversorgungs- und Sensoreinrichtung KES Wandlereinrichtung LED
Übertragungsstrecke, optische ~, Funk-~ LWL elektrische Auswerteeinrichtung PC
Blitzableiter BA

Claims

Patentansprüche
1. 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 Energieversorgungsund 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.
2. Blitzstromüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wandlereinrichtung (LED) ein Halbleiterbauelement aufweist .
3. 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 Übertragungsstreck' (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 g nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu überwachende Anlage ein Blitzableiter (BA) , insbesondere ein
Blitzableiter einer Windkraftanlage, ist.
PCT/EP2013/001028 2012-05-10 2013-04-08 Blitzstromüberwachungsvorrichtung WO2013167221A1 (de)

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