zasilanie sensora prądu odgromowego wewnątrz łopaty wiatraka

Witam.

Mój problem dotyczy zasilania sensora prądu odgromowego znajdującego się wewnątrz łopaty wiatraka. Nie mogę użyć przewodów miedzianych za sprawą bardzo silnych i szybkozmiennych pól elektrycznych i magnetycznych. Mogę wykorzystać źródło zasilania w piaście wirnika.
Istnieje fizyczne połączenie między wnętrzem łopaty a piastą wirnika.

Na stronie 3 dołączonego pliku znajduje się zarys kontrukcji wiatraka.

Witam!
Prąd w uderzeniu pioruna osiąga wartości rzędu 150 000 amper, co chcesz z tym pradem zrobić? Uderzenie pioruna może być wykrywane z dość dużej odległości, nie musi być nic zamontowane w wiatraku tylko po to tylko, żeby wiedzieć, że w niego uderzył piorun.
W niezbyt odległych (kilkadziesiat metrów) przewodach równoległych do toru przepływu pradu wyładowania indukuja się napięcia setek, a nawet tysiecy volt.
Nie wiem, dlaczego nie możesz użyć przewodów miedzianych, czy dlatego że ich nie masz? W instalacjach odgromowych najczęściej się używa przewodów stalowych ocynkowanych, ale to ze względu na koszty, nic innego.
Z czego jest wykonana łopata? Jeżeli z tworzywa sztucznego (nieprzewodzącego), to "połaczenie fizyczne" nie jest równoznaczne z "połączeniem elektrycznym", i z racji nieprzewodzenia łopata nie będzie elementem, w który uderza piorun, będą to raczej wszelkie elementy metalowe, w tym również przewody odprowadzające prąd z generatora.
Sensorem (czujnikiem), który "zaświadcza" uderzenie pioruna może być 'klatka" (patrz załączony rysunek), włączona w przewód odgromowy. Przepływ prądu wyładowania powoduje deformację klatki. Taki sensor nie wymaga żadnego zasilania.

Znając budowę klatki (średnica prętów, geometria klatki, wielkość odkształceń plastycznych materiału), można policzyć, jak wielki prąd przepłynął przez klatkę.

Pierwotnie, chciałem mierzyć parametry tego prądu:
wartość maksymalną, czas narastania i opadania impulsu.
Fakt uderzenia w wiatrak może być wykrywany z dużej odległości, jednak ja chcę wiedzieć w którą łopatę uderzył piorun dlatego chcę zamontować sensor w każdej z nich.
Zarówno łopaty wirnika jak i godnola są wykonane z włókna szklanego. Blisko czubka każdej z łopat zamontowany jest metalowy receptor, który ściąga piorun. Dalej przewód(przewody) odgromowy miedziany jest przymocowany do pewnego elementu nośnego otaczającego wewnętrzną część łopaty.Potem prąd płynie po powierzchni głównego wału.

Przewody odprowadzające prąd z generatora są wewnątrz wieży wiatraka wykonanej ze stali.

Z jakich materiałów mogłaby być wykonana ta klatka? Jak znaleźć zależność między wartością prądu a wygięciem prętów?

Dziś pojawił się pomysł aby zamontować czujniki pola na zewnątrz każdej z łopat. Kierunek pola magnetycznego na uderzonej łopacie będzie inny niż na dwóch pozostałych. Pewnym co do tej metody jeszcze nie jestem.

Dziękuje za porady.

Dodano po 11 [minuty]:

Może nie mam odpowiedniej wiedzy, ale obawiam się indukcji tychże napięć w miedzianych przewodach zasilających w chwili przepływu prądu. Dlatego szukam innego rozwiązania.

Co Pan myśli o dwóch cewkach połączonych na zasadzie sprzężenia trasformatorowego, w których jedna jest zasilaniem a druga mierzy pośrednio prąd odgromowy.Potem jest podpięta do kondesatora, na którym mierzy się napięcie. Czy przy ekranowaniu taka metoda miałaby sens?

Pomiar jednego konkretnego wyładowania nie ma sensu, bo jest rozrzut od kilkudziesiętu tysięcy amper do 200 000, a może i więcej, a dane statystyczne są w literaturze.
Żaden "metalowy receptor" nie "ściąga" pioruna, natomiast ma znaczenie wysokość przedmiotu przewodzącego prąd ponad powierzchnię gruntu. Tym "przedmiotem przewodzącym prąd" często jest MOKRE drzewo, a o tym, gdzie nastapi przebicie (czyli iskra) decyduje miejscowe natężenie pola elektrostatycznego.
Robienie cewek dla pomiaru pioruna jest bez sensu, bo przełożenie 1:1 indukowało by po stronie wtórnej takie same parametry prądu i napięcia, jakie są po stronie pierwotnej: 100 000 amper i MILIARD voltów! A przekładnik prądowy obniża co prawda prąd po stronie wtórnej, ale PODWYŻSZA NAPIĘCIE. Przekładnik napięciowy - odwrotnie, ale "nie widzę" cewki na 1 000 000 000 volt, zwłaszcza, jeśli chodzi o izolację uzwojenia ...
Na temat "walki z elektrycznością atmosferyczną" więcej wiedzą konstruktorzy masztów anten radiowych.
"Klatka" działa na podstawie znanej zasady fizycznej: siła wytworzona przez przepływajacy prąd jest proporcjonalna do tego prądu, natężenia pola magnetycznego i długości przewodu w tym polu. Siłę taką można zmierzyć, dokonując identycznego odkształcenia przy użyciu dynamometru.

W takim razie jakie jest zastosowanie receptora wykonanego np. z aluminium na wierzchołku łopaty? Myślę, że piorun uderzy w tą łopatę,która jest w danym momencie najwyżej ponad ziemią właśnie w ten receptor lub w jego okolice. Nie wiem czy nie jestem w błędzie.

Co Pan myśli na temat urządzenia opisanego na poniższej stronie?
http://www.dacpol.com.pl/ofer/pda/nowosc/cwt.html

Dziękuje za porady.

Był taki facet, nazywał sie Benjamin Franklin, który przed burzą puszczał latawce. Miał dużo szczęścia, że przeżył.
Czy tu czytałeś: http://pl.wikipedia.org/wiki/Piorun ?
Jakim celom ma służyć ten pomiar? Zweryfikowaniu istniejących statystyk? Stworzeniu nowej teorii? Udowodnieniu tendencji zmian klimatu?
Przecież każde z wyładowań jest inne, pewnie z pomiarów można by wyrysować krzywą rozkładu Gaussa, ale to wiadomo już też na podstawie dotychczasowej wiedzy.
Jest taki link: http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/pogoda/burze.html
osobiście sięgnął bym do ich zasobów archiwalnych, zamiast tworzyć "konkurencyjne".

Coraz bardziej zadziwia mnie ta dyskusja a dokładniej: jej przedmiot.
Jakoś nie mogę sobie wyobrazić jakiejkolwiek elektroniki w małej odległości od wyładowania. Owszem. Można próbować mierzyć prąd takiego wyładowania cewką Rogowskiego ale jak zabezpieczyć cewkę przed przeskokiem wyładowania? Sama jej indukcyjność wystarczy, żeby przy takich prędkościach narastania prądu i napięcia, jakie występują przy wyładowaniu wytworzyć wystarczającą różnicę potencjałów, żeby przebić jakąkolwiek izolację.
Nawet zakładając, że izolacja nie ulegnie przebiciu - jak zabezpieczyć przed zafałszowaniem wyniku poprzez pojemności?
Kolejnym problemem jest sam pomiar. Nawet zakładając przekładnię 1:1000 ciężko będzie obciążyć cewkę Rogowskiego rezystorem, który po prostu nie odparuje podczas wyładowania. Nadal operujemy w zakresie wysokich prądów i napięć.

Witam,
autorowi tematu proponuję zapoznanie się z pracami prekursora badania zjawisk związanych z piorunami w Polsce, Prof. Stanisława Szpora
ZOBACZ
Natomiast o zastosowaniu elektroniki do rejestracji prądu wyładowania atmosferycznego (pioruna) lepiej zapomnieć, ponieważ przeważnie nie przeżyje ona już pierwszego wyładowania.

Niech za przykład posłużą znane mi skutki wyładowania poprzez zwód (odgromnik) w przewodzie antenowym od konwertera anteny satelitarnej do jego tunera, który to przewód był prowadzony do przewodu odgromowego równolegle na długości zaledwie 6m i w odległości od przewodu odgromowego ok. 5m.
Po wyładowaniu konwerter i tuner był uszkodzony, a nie należy zapominać, iż szkodliwe napięcie pojawiło się w obu przewodach fidera jednocześnie (współbieżnie) i to za sprawą indukcyjności wzajemnej pomiędzy przewodami; ogromowym i antenowym.
Szacowana wartość indukcyjności wzajemnej M dla takiego układu to zaledwie ułamki mikrohenra, a więc jak duża musiała być szybkość narastania prądu di/dt by zaindukować niszcząca wartość napięcia w przewodzie antenowym:
u = M•di/dt
Zobacz również TAM

Pozdrawiam

[quote="Jerzy Węglorz"]
Jakim celom ma służyć ten pomiar? Zweryfikowaniu istniejących statystyk? Stworzeniu nowej teorii? Udowodnieniu tendencji zmian klimatu?
Problem jest w ramach praktyk studenckich. Moim zadaniem było do tej pory weryfikowanie wszystkich możliwych metod pomiarowych w tej sytuacji,zestawienie zalet i wad. Jednym z celów jest znalezienie zależności między parametrami impulsu a problemami z łożyskiem. To nie będzie już mój problem.

Przekonałem się, że użycie cewki Rogowskiego " nie wchodzi w grę".

Amplituda pierwszego udaru wg.norm to 200 kA przy czasie czoła 10 us. Amplituda kolejnych udarów to 50 kA przy czasach czoła 0.25 us. Przeciętna błyskawica zawiera średnio 3-4 takie uderzenia (łącznie z pierwszym).Następnie płynie tzw.prąd ciągły rzędu kilkuset amperów. Dotyczy on około połowy przypadków.Zdaje sobie sprawę,że kształt prądów odgromowych może być bardzo różny.
Wyładowanie może być inicjowane z chmury jak i ziemi. Wyładowania mogą dotyczyć ujemnie lub dodatnio naładowanej chmury. 90% przypadków dotyczy tych pierwszych. Czasami ładunek zgromadzony na wysokich obiektach np.wiatrakach jest wystarczający do zainicjowania wyładowania w kierunku chmury. Prądy płynące w takim kanale charakteruzują się mniejszą amplitudą i parametrami czasowymi,jednak niosą ze sobą dość duży ładunek.
W systemie ochrony odgrmowej wewnątrz łopaty interesujących mnie wiatraków zainstalowane są niekiedy dwa przewody odgromowe. Przyklejone są klejem do elementu nośnego wykonanego z włókna szklanego.Potem przewody te doprowadzone są do głównego wału i prąd płynie po jego powierzchni.

Dziękuje za porady,
pozdrawiam

Dodano po 1 [godziny] 55 [minuty]:

ps. metodami jakie rozważam są też:

-pręciki magnetyczne a następnie odczyt magnetyzmu szczątkowego przy użyciu fluxometru i cewki;problemem jest to,że odległość pręcika od przewodu powinna być dostosowana do spodziewanej wartości prądu a miejsca wewnątrz łopaty jest mało, wg. referatu PG dla prądu 240 kA odległość ta to 4 m
-jest temat światłowodu z płaszczem magnetostrykcyjnym i szukanie zależności między parametrami sygnału w światłowodzie a wartością prądu.
-magnetorezystory z metalowymi paskami linearyzującymi charakterystykę,problem jest tu pomiar tej rezystancji

Dodano po 1 [godziny] 56 [minuty]:

[quote="Jerzy Węglorz"]
Sensorem (czujnikiem), który "zaświadcza" uderzenie pioruna może być 'klatka" (patrz załączony rysunek), włączona w przewód odgromowy. Przepływ prądu wyładowania powoduje deformację klatki. Taki sensor nie wymaga żadnego zasilania.

Muszę zaprojektować taki czujnik, który nie wymagałby wymiany po każdym uderzeniu.

Jeżeli uderzenie pioruna w Twój wiatrak zdarzy się raz na 10 lat, to nie będziesz musiał wymieniać tej "klatki" tak bardzo często ...
A najprostsza "klatka" to tylko 2 równoległe pręty, nie sądzę, żeby Ci się udało zaprojektować coś prostszego i tańszego.

Jednym z rozwiazań,które zaproponuje na pewno będzie " klatka".
Dziś pojawił się pomysł aby na zewnętrznej stronie każdej z łopat zamontować czujniki w formie cewek. Zdaje sobie sprawę z możliwości przeskoku wyładowania. Sam jeszcze nie rozumiem dokładnie zasady działania, ale kierunek linii pola magnetycznego na sensorze uderzonej łopaty miałby być inny niż na dwóch pozostałych.

Jakie napięcie ma się wyindukować na tej cewce? 100kV ? Przy takich napięciach żadna dostępna dla Ciebie izolacja nie ma sensu, możesz cewki nawinąć od razu drutem nieizolowanym ...
A czy wiesz, jakie siły występuja w takiej cewce, "potraktowanej" udarem prądowym? "Klatka" się zegnie, a cewka?
A do czego podłączysz taką cewkę? Jeżeli do dzielnika napięcia, to może lepiej dać mniej zwojów? Np. 1 (jeden!). A jaki dzielnik napięcia? Zobacz, jakie napięcia dopuszczają dostępne handlowo oporniki.
I jeszcze jedno: jakie jest prawdopodobieństwo, że w zaplanowanym miejscu uderzy piorun w tym stuleciu, abyś mógł przeprowadzić eksperyment (nie mówiac o pomiarze ...)? Będziesz wystrzeliwał rakiety dla prowokowania wyładowania?
Czy czytałeś lekturę w linku od Quartza (tu: http://www.ochrona.net.pl/badania_zagrozen.pdf )? Przeczytaj to jeszcze raz, a może nawet kilka razy, zwłaszcza podsumowanie na str. 12 ...

Chyba zrozumiałem, że jakikolwiek układ z cewką nie nadaje się do tych pomiarów.
W przyszłym tygodniu będę dodawał wiadomości do tego tematu.

Są miejsca gdzie rejestrowanych było kilkanaście lub więcej uderzeń pioruna w wiatrak w ciągu roku (np. turbiny na wybrzeżu Morza Japońskiego). Ewentualny sensor nie będzie stosowany w Polsce.

Niektóre łopaty nie posiadają instalacji odgromowej. Ze względu na osadzanie się przewodzących zanieczyszczeń na ich powierzchni są one również podatne na uderzenia. Zasadniczo stosuje się przewodzące receptory o niewielkich sredniach w odległości kilkunastu centymetrów od wierzchołka łopaty bądź wierzchołek łopaty w całości pokrywa się przewodzącym materiałem. Potem najczęściej miedzianym przewodem ( przewodami)przyklejonymi do elementu nośnego prąd odgromowy odprowadza się dalej do gondoli.

Chyba nie uda mi się zaprojektować czegoś,oprócz tej klatki,co byłoby w miarę tanię i przetrwałoby silne pola wytworzone przez prąd odgromowy. Myślałem o magnetorezystorach,ale tu znów wystąpi m.in silna siła elektrodynamiczna, nawet jeśli umieściłbym je na zewnątrz łopaty.

Może pod koniec tygodnia będę wiedział więcej.

W załączniku przesyłam zdjęcie karty rejestrującej parametry wyładowania.

Z ta szybkoscia narastania to nie przesadzajmy, policzmy, uzwgledniajac pojemnosc i indukcyjnosc wlasna np 10m druta w lopatce. Problemem jest zakres dynamiczny detektora (ten czuly sie nasyci, ten zgrubny nie wykryje przebiegu). Poza tym wyladowanie nie biegnie 'dokladnie' po drucie. Dobrze odizolowany czujnik z hallotronem jest OK. Ma wystarczajace pasmo, jest odizolowany galwanicznie, trudno go przypalic. Do pomiarow warto stosowac pare : jeden dla duzych pradow i drugi dla mniejszych. Troche wiekszym problemem jest ochrona EMC dla ukladu zbierajacego dane, ale tu warto podejrzec np rozwiazania lotnicze, albo z GSM - TMA.

Nie podważam żadnej z powyższych opinii dotyczących działania siły elektrodynamicznej czy porównań tych pomiarów do działania transformatora. Stosowanie cewek na płytkach PCB wewnątrz łopaty wiatraka jest faktem. Żadna z osób projektujących te czujniki nie potrafiła mi jednak wytłumczyć jak uniknięto tych problemów. Metodę tą wykorzystuje główny producent turbin wiatrowych w Danii.