Phoenix Contact: Lightning Monitoring System

Mit der Messung der Anzahl und der Intensität der Blitzeinschläge in den Rotorblättern einer Windkraftanlage kann der Anwender bedarfsgerechte Wartungen durchführen. Die Daten werden bei Blitzeinschlag online übertragen – so lässt sich per Fernwartung feststellen, ob und welche Rotorblätter beschädigt wurden und wann die nächste Wartung sinnvoll ist. Dies ist insbesondere bei der aufwendigen und kostenintensiven Wartung von Offshore-Plattformen ein entscheidender Vorteil, der die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.

Durch Analyse der Blitzströme Windenergie-Anlagen vorausschauend schützen

Windenergie-Anlagen sind oft hohen Belastungen durch Blitzeinschläge ausgesetzt. Dadurch treten direkte Schäden wie auch Folgeschäden auf. Das Lightning Monitoring System LM-S erfasst und analysiert Blitzströme – und dient damit als Basis zur Bewertung der tatsächlichen Belastung

Die Verfügbarkeit industrieller Anlagen gewinnt über alle Branchen hinweg ständig an Bedeutung, denn außerplanmäßige Anlagenstillstände verursachen hohe Kosten. Ein häufiger Grund für Anlagenausfälle sind Blitzeinschläge. Elektrische und elektronische Komponenten sollten durch ein Überspannungsschutzkonzept wirksam abgesichert werden.

Die äußeren Strukturen sowie die Blitzschutzeinrichtungen sind der hohen Energie von Blitzschlägen jedoch weiterhin ausgesetzt. Neben Schäden, die sich direkt auf den Betrieb der Anlage auswirken, gibt es auch solche, die nach einem Blitzeinschlag erst im weiteren Betriebsverlauf entstehen. Derartige Schäden können vermieden werden, wenn deren Ursache rechtzeitig erkannt und beseitigt wird oder den Folgen entgegengewirkt wird. Um den aktuellen Zustand von betriebenen Anlagen zu bewerten, werden daher Informationen über die tatsächliche Belastung durch Blitzeinschläge benötigt. Je detaillierter diese Informationen sind, desto genauer kann der Zustand der Anlage bewertet und die Wartung kostenoptimiert gesteuert werden.

Anzahl der Blitzereignisse ist nicht ausschlaggebend

Zur Bewertung von Blitzeinschlägen sind zwei Methoden verbreitet. Eine ist die quantitative Auswertung mittels Ereigniszählern. Diese Zähleinheiten, die direkt an den Blitzableitern montiert werden, registrieren die Anzahl der Blitze anhand des Magnetfelds der Blitzströme. Die Anzahl der registrierten Blitze kann vor Ort abgelesen werden. Die qualitative Bewertung beschränkt sich bei dieser Geräteklasse in der Regel auf die Aussage über den Ansprechbereich des Zählers. Das zweite gängige Messprinzip ist ein System aus Magnetkarte und separater Ausleseeinheit. Die Magnetkarte wird mittels Halterung am Blitzableiter montiert, die elektromagnetische Wirkung von Blitzströmen beeinflusst den Magnetstreifen der Karte. Die jeweils stärkste Beeinflussung kann über einen Kartenleser ausgewertet werden. Dies geschieht entweder vor Ort, oder die Karten werden gesammelt und im Labor ausgewertet. Eine Aussage über die Anzahl der Blitzereignisse ist mit dieser Messmethode nicht möglich.

Blitzzähler reduzieren die Betrachtung der Blitzereignisse auf die Anzahl. Bei der Auswertung der Amplitude des maximalen Blitzstroms bleiben alle weiteren Blitzereignisse unberücksichtigt. Die tatsächliche Belastung der betrachteten Anlage durch Blitzströme hängt jedoch weder allein von der Anzahl, noch allein von der Amplitude des maximalen Stroms ab. Dauer und Steilheit eines Blitzstroms und die daraus resultierende Ladung und Energie spielen zusätzlich eine wichtige Rolle. Daher lässt sich die Belastung einer Anlage mit den oben beschriebenen Methoden nur bedingt abschätzen.

Blitzströme detailliert auswerten

Das polarimetrische Blitzmesssystem LM-S von Phoenix Contact erfasst jeden durch einen Ableiter fließenden Blitzstrom und wertet diesen anhand von blitzstromtypischen Kennwerten aus. Das Messsystem basiert auf dem Faraday-Effekt. Dabei wird eine linear polarisierte Lichtwelle durch ein Dielektrikum geleitet. Wird das Dielektrikum von einem äußeren Magnetfeld durchsetzt, dreht sich die Polarisationsebene der geführten Lichtwelle in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke.

Die Auswerteeinheit arbeitet mit bis zu drei optischen Sensoren, die direkt auf die Blitzstrom führenden Ableitungen montiert werden. Die Verbindung der Sensoren mit der elektronischen Auswerteeinheit erfolgt über Lichtwellenleiter. Das optische Messprinzip trennt die Elektronik von den zu messenden Blitzströmen. Dies verhindert Störungen und Beschädigungen der Elektronik.

Die elektrooptischen Wandler in der Auswerteeinheit emittieren die für die Messung benötigten Lichtsignale und wandeln diese – nach dem Durchfließen des Sensors – wieder in elektrische Signale um. Ein Zwischenspeicher und ein Prozessor werten die Signale kontinuierlich aus. Bei einem Blitzereignis werden aus diesen Werten die Kennzahlen berechnet, die den Blitzstrom charakterisieren.

Die Blitzstromamplitude, die maximale Stromsteilheit sowie die Ladung und die spezifische Energie des Blitzstroms werden dann mit Datum und Zeit des Blitzereignisses in der Auswerteeinheit gespeichert. Der Zugriff auf die Daten ist über eine Ethernet-Schnittstelle möglich. So kann das LM-S in die vorhandene Infrastruktur eingebunden werden.

Über das integrierte Web-Interface können zum einen die gespeicherten Blitzstromdaten abgerufen werden, zum anderen dient es der Kalibrierung und Anpassung an die Gegebenheiten vor Ort. Die Ausprägung des magnetischen Feldes hängt neben der zu messenden Stromstärke vom Profil des Blitzstromableiters ab. Damit die Kennwerte exakt berechnet werden, ist eine Auswahl des Profils im Web-Interface der Auswerteeinheit implementiert.

Im Speicher der Auswerteeinheit werden bis zu 500 Datensätze gespeichert. Diese Daten lassen sich mit der Exportfunktion an externe Rechner übertragen. Damit stehen sie für statistische Auswertungen und zur Archivierung bereit.

Blitzströme ganzheitlich betrachten

Die Betrachtung der Belastung industrieller Anlagen durch Blitzströme beschränkt sich bisher vorrangig auf die Anzahl der Ströme und eventuell deren maximale Amplitude. Die Dynamik des Stroms wird also nicht berücksichtigt. Die Ladung und die Anstiegszeit des Blitzstroms sind jedoch wesentliche Indikatoren für das Schadenspotenzial. Der zu erwartende Schaden eines lang anhaltenden Blitzes mit geringerer Amplitude (long duration strike) kann genauso groß sein, wie der Schaden eines Blitzes mit einer vielfach höheren Amplitude von wesentlich kürzerer Dauer. Häufige Blitzeinschläge mit kleinerer Amplitude stellen ebenfalls eine hohe Belastung für mechanische Strukturen dar. Um dies zu berücksichtigen, muss man auch die kumulierte Ladung betrachten.

Die Blitzstromanalyse mit dem Blitzmesssystem LM-S ermöglicht eine genauere Beurteilung des Anlagenzustands. Die mit der Dynamik des Stroms verbundenen Kennwerte werden dabei berücksichtigt. Mit diesen Informationen kann viel besser beurteilt werden, ob und wenn ja welche Wartungseinsätze erforderlich sind. Bei gravierenden Schäden kann die Anlage kontrolliert abgeschaltet werden, um Folgeschäden vorzubeugen. Eine visuelle Prüfung der Anlage oder ein Ablesen der Messwerte vor Ort ist dazu nicht nötig. Die Kosten für Anfahrt und Inspektion werden reduziert, Ursachen für Folgeschäden werden frühzeitig erkannt und behoben.