Måling av lynstrømfordeling

Sviktsikkerhet i radiosignalanlegg ved lyn og overspenning

Lynnedslag i radiosignalanlegg får ikke så rent sjelden helt fatale konsekvenser for radiocellen. Beskyttelseskonsepter for lyn og overspenning reduserer slike risikoer betraktelig. Med state-of-the-art-måleteknikk kan man enkelt finne ut om et konsept er over- eller underdimensjonert (bilde 1 forsidebilde).

Industrie 4.0, nettorganiserte kjøretøyer, autonom kjøring, Digital Health – dette er bare noen få av slagordene som allerede i dag viser hvordan fremtiden kommer til å se ut. Trendene er allestedsnærværende og opptar forskning og industri i like stor grad. Som det teknologiske grunnlaget finner vi først og fremst mobilradiostandarden 5G. 5G er ikke bare et generasjonsskift innen mobilradioteknologi, men også en helt ny kvalitet som kommer til å forandre på grunnleggende nivå hvordan mobile anvendelser påvirker økonomien og samfunnet. På grunn av det høye antallet applikasjoner samt de enorme mengdene med sluttutstyr i nettet, kommer datastrømmen til å øke betraktelig, og transport av disse datamassene vil spille en avgjørende rolle, der 5G kan vise sine egentlige styrker.

Disse nye mulighetene skaper også nye oppgaver og utfordringer for operatører av slike nettverk. For at den nye teknologien og funksjonene som er bygget på denne, skal fungere friksjonsfritt, kreves det en meget tilgjengelig infrastruktur med global nettdekning. På grunn av de dynamiske kravene som stilles til slike infrastrukturer, investerer leverandører av mobilradionett for tiden massivt i 5G-arkitekturen. Generelt endres radiosignalanlegg regelmessig i form av oppgraderinger og tilpasninger. Ikke bare selve systemteknikken, men også infrastrukturen tilpasses kontinuerlig etter de nye kravene. Dette gjelder også lynbeskyttelsessystemet. I den forbindelse skilles det mellom ytre og indre lynbeskyttelse.

Beskyttelsestiltak og lynbeskyttelseskonsept

For å beskytte et radiosignalanlegg omfattende mot konsekvenser som følge av lynnedslag og overspenning kreves det flere beskyttelsestiltak og -anordninger som er tilpasset hverandre. Disse kan kategoriseres på følgende måte:

• Utvendig lynbeskyttelse
• Innvendig lynbeskyttelse
• Jording og potensialutjevning
• Koordinert system av lyn- og overspenningsbeskyttelsesutstyr (OBU, engelsk SPD (Surge Protective Device))

Det utvendige lynbeskyttelsessystemet har som oppgave å beskytte anlegget mot direkte lynnedslag. I den forbindelse skal først og fremst farlig gnistdannelse forhindres, og termiske, magnetiske eller elektriske effekter utelukkes. Det består av en eller flere luftanordninger, en eller flere avledninger samt jordingsanlegget.

Det innvendige lynbeskyttelsessystemet skal forhindre farlig gnistdannelse inne i systemet, for personer, bygninger og det tekniske systemet. Det foregår med lynbeskyttelsespotensialutjevning og ved å overholde minsteavstander. Jordingsanlegget skal fordele lynstrømmen som avledes mot jord. Potensialutjevningen, derimot, kobler alle elektrisk ledende deler med hverandre for slik å forhindre store spenningsforskjeller. Aktive ledere implementeres i potensialutjevningen via OBU-er.

Et koordinert OBU-system er et flertrinnet system med overspenningsbeskyttelsesenheter som er tilpasset hverandre. Farenivået på respektive anleggsdel reduseres til et nivå som er akseptabelt for utstyret som er installert der. Hvor OBU-ene skal installeres innenfor installasjonen i et radiosignalanlegg, fastsettes av det såkalte lynbeskyttelsessonekonseptet, som retter seg etter lynbeskyttelsesstandard IEC 62305-4.

Her deles anlegget inn i lynbeskyttelsessoner (LPZ – Lightning Protection Zone), og da utenfra og innover med avtakende farenivå. Dermed kan kun uømfintlige enheter benyttes på de ytre sonene, mens det på de indre sonene også kan benyttes ømfintlig utstyr. På den måten kan de enkelte sonene i et mobilradioanlegg karakteriseres og navngis (bilde 3).

Spørsmålet hvorvidt alle beskyttelsestiltak er implementert optimalt og effektivt, er likevel ofte vanskelig å svare på. Avhengig av anleggets kompleksitet må forskjellige områder hensyntas. Dette er blant annet strømforsyningen og måle-, styre- og reguleringskretser – men også elementer i selve informasjonsteknikken samt sende- og mottaksutstyret. Ofte er det til hjelp å tenke seg en beskyttelseskrets rundt objektet som skal beskyttes, der beskyttelsestiltak kobles til alle punktene der ledninger krysser denne kretsen.

Om beskyttelsestiltakene faktisk har hatt en effekt, er ofte ikke mulig å evaluere. Utstrekningen av et beskyttelsestiltak som ikke fungerer eller som er underdimensjonert blir tydelig først etter en slik hendelse. Konsekvensene er svikt i enkeltkomponenter eller i hele anlegget. Aldringsprosesser som oppstår gradvis i anleggsdeler og komponenter, reduserer også tilgjengeligheten i det komplette anlegget. Målet skal være å få informasjon fra systemet via egnede måletekniske metoder for å kunne optimalisere dette og lignende anlegg og for å kunne iverksette forebyggende tiltak – allerede før svikt oppstår. Det er her ImpulseCheck fra Phoenix Contact kommer inn i bildet.

Samle inn og analysere måledata

ImpulseCheck er et assistansesystem for lyn- og overspenningsbeskyttelsesutstyr som består av selve impulsmåleren, sensorene og applikasjonen ImpulseAnalytics i Proficloud fra Phoenix Contact. Den har en sanntidsmåler for støtstrøm og transiente overspenninger. Avhengig av sensorenes posisjonering leverer ImpulseCheck forskjellig informasjon om anlegget. Først og fremst er det mulig å overvåke OBU-ene. Her monteres sensorene direkte på de aktive lederne i OBU-en.

Eksempelet med installasjonen av et kundeanlegg (bilde 4) viser hvordan denne metoden gjør det mulig å konkludere tilstanden (State of Health) til hver og en OBU, for slik å oppdage eventuelle forhåndsskader eller aldringstegn, og handle forebyggende. Hvis man installerer sensorene uten direkte relasjon til en OBU, for eksempel til en forhåndsbestemt potensialutjevningsleder, gir ImpulseCheck en enkel og omfattende analyse av anleggets EMC. Den prekonfigurerte løsningen (bilde 5) tilrettelegger slik for enkel installering i anlegget.

Ved lynnedslag kan man da måle lynstrøm og dellynstrøm i anlegget. Når den brukes sammen med BLIDS kortveiledning fra Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V. (forening for tyske leverandører av lynbeskyttelse), kan man trekke konklusjoner om lynstrømoppdeling og dermed kontrollere funksjonen og effektiviteten til jordingsanlegget og potensialutjevningen. Videre kan spenningstransienter som følge av koblingsforløp også registreres. Avhengig av anleggets kompleksitet kan disse også føre til bestemte feil i enkeltkomponenter.

Et ytterligere bruksområde er en analyse på -48 V DC siden. Her kan informasjon om dellynstrøm på lederne og kabelskjermene være en nyttig støtte når egnet lynbeskyttelsesutstyr skal velges. Dataene som analyseres i skyen, er tilgjengelige på enheten via Modbus/TCP eller RESTful Web Service og kan dermed helt enkelt integreres i eksisterende styre- og overvåkingssystemer.

Oppsummering

ImpulseCheck gir dypere analysemuligheter med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet innenfor et anlegg. Resultatet er at man får muligheten til å handle før det oppstår svikt i en komponent – og dermed betydelig bedre tilgjengelighet og effektivitet.