Bisher gab es kein Messsystem, mit dem Blitzeinschläge in einer Anlage verlässlich erkannt und bewertet werden konnten. Dementsprechend gab es auch keine Schadens- oder Störungsmeldung über derartige Vorkommnisse, wichtig zum Beispiel bei Windenergieanlagen. Das neue Messsystem LM-S (Bild 1) nutzt den Faraday-Effekt beziehungsweise den magneto-optischen Effekt, um die Höhe und die Flussrichtung von Blitzstoßströmen zu analysieren, die in Blitzableitungen auftreten. Die Signalübertragung zwischen Sensor und Auswerteeinheit erfolgt mit einem Lichtwellenleiter. Im Vergleich zu einer Signalübertragung per Kupferleitung hat das entscheidende Vorteile. Blitzströme, die im Umfeld des Messsystems auftreten, können das Lichtsignal nicht mehr beeinflussen oder sich in die Übertragungsstrecke einkoppeln. Damit steht an der Elektronik der Auswerteeinheit ein verlässliches und unter EMV-Gesichtspunkten unbedenkliches Signal zur Verfügung.
Der Faraday-Effekt, der im Lightning-Monitoring-System zur Anwendung kommt, wirkt wie folgt. Ein Lichtstrahl mit definierter Lichtstärke wird durch eine LWL an die Messstrecke, den Sensor, herangeführt. Der Polfilter am Eingang der Messstrecke polarisiert das zugeführte Licht linear (Bild 2). Diese lineare Polarisationsebene lässt sich magnetisch beeinflussen: Das Magnetfeld eines Stoßstromes dreht die Polarisationsebene der Lichtwelle innerhalb des Mediums um die Längsachse. Die Drehrichtung ist abhängig von der Richtung der magnetischen Feldlinien und damit von der Stromflussrichtung des Blitzstroms (es gibt Blitze von Wolke zur Erde und umgekehrt). Je größer der Strom, umso größer ist auch der Drehwinkel der Polarisationsebene. Am Ausgang der Messstrecke ist der zweite lineare Polfilter in einem Winkel von 45° zum Eingangspolfilter angeordnet. Dadurch treten von einer unbeeinflussten Lichtwelle nur 50 Prozent der Lichtmenge durch den Ausgangspolfilter. Abhängig von der Drehung der Lichtwelle lässt der Ausgangspolfilter mehr oder weniger Licht durch. So entsteht ein messbares und auswertbares Lichtsignal welches in der abgesetzten Elektronik ausgewertet wird.
Diese Elektronik ist das Herzstück des Blitzstrom-Messsystems LM-S. Sie besteht aus verschiedenen Funktionsgruppen, die im Blockschaltbild (Bild 3) gezeigt und nachstehend aufgeführt und erklärt sind.
Funktionsgruppen der Elektronik (Bild 4):
- Spannungsversorgung
- Elkos-Spannungsversorgung
- Batterie für die interne Uhr
- Embedded-PC-Board
- D/A-A/D-Sektion
- Optoelektronischer Wandler
- LWL-Anschlüsse für die Sensoren
- Ethernet-Anschluss RJ45
- Fernmeldekontakt
Das Board wird mit 24 V Gleichspannung (1) versorgt. Die Elkos (2) stabilisieren diese Spannung. Für eine verlässliche zeitliche Zuordnung der Blitzereignisse sorgt die Batterie (3), indem sie die Versorgungsspannung der internen Uhr puffert. Mit dem Betriebssystem Linux arbeitet das Embedded-PC-Board (4). Es generiert ein kontinuierliches Ausgangssignal. Die D/A-Sektion (5) wandelt dieses digitale Ausgangssignal in ein analoges Spannungssignal. Dieses wird an den optoelektronischen Wandler (6) übergeben und dort in ein Ausgangs-Lichtsignal gewandelt. Über die LWL-Anschlüsse (7) wird das Lichtsignal zum Sensor (Bild 5) geleitet. Der optoelektronische Wandler konvertiert das zurückgeleitete optische Messsignal (das je nach Blitzstärke oder Richtung anders polarisiert ist) in ein analoges Spannungssignal. Anschließend wandelt die A/D-Sektion bei einer Abtastrate von 10 MHz das analoge in ein digitales Signal und leitet es an das Embedded-PC-Board. Der Mikrocontroller auf dem Board wertet die eingehenden Daten aus, berechnet und speichert die Blitzstromdaten. Über den Ethernet-Anschluss (8) erfolgt der Zugriff auf die ausgewerteten Daten. Zusätzlich signalisiert der potenzialfreie Fernmeldekontakt (9) jedes Blitzereignis über einen Schaltimpuls.
Blitzeinschläge in schwer zugänglichen oder entfernten Anlagen, wie zum Beispiel Offshore-Windparks, lassen sich nicht oder nur mit hohem Aufwand erkennen. Das Blitzerfassungssystem LM-S stellt deshalb alle Messdaten über das integrierte Web-Interface bereit. So kann per Fernzugriff, beispielsweise mit einem Smartphone, zu jeder Zeit die Belastungssituation der Anlage abgefragt werden. Der Listenpreis für ein komplettes System liegt bei etwa 7000 €.
Siegfried W. Best
(ah)
