Bliksemdetectie
en het beheer van installaties

Eén van de bedreigingen van een goed functionerende productie installatie is blikseminslag. In deze bijdrage laten wij de mogelijkheden zien die bliksemdetectie biedt voor het beheer van gebouwen, processen en infrastructuren. Het kennen van de plaatsen van blikseminslagen kan grote besparingen opleveren bij dit beheer. Ook de veiligheid van het personeel komt aan bod aangezien dit uiteraard de eerste zorg is tijdens een onweersbui.

Version française

Een gebouw met een installatie waarin een kwetsbaar proces voor de productie zorgt, loopt een aanzienlijk risico bij een onverwachte uitval door een blikseminslag. Om deze reden worden die gebouwen en installaties in het algemeen van een goede bliksembeveiliging voorzien. Tegenwoordig worden ook steeds vaker overspanningsbeveiligingen toegepast.

Met deze maatregelen zal er geen schade aan het gebouw of de installatie meer voorkomen. Toch is het bijna onvermijdelijk dat blikseminslag van tijd tot tijd tot uitvallen van een deel van de procesgang tot gevolg heeft. Als dit ongecontroleerd gebeurt kan dat bij veel processen tot een zeer langdurige en dus kostbare herstart leiden. In sommige gevallen, zoals bij de productie van kunstharsen, kan het zelfs de noodzaak met zich meebrengen hele delen van een leidingstelsel te vervangen.

Sommige bedrijven hebben van tijd tot tijd spontaan trippende installaties of andere onverklaarbare storingen, zonder dat er aantoonbaar iets in de installatie is beschadigd. Het zoeken naar de oorzaak is dan vaak een complexe zaak. Meestal komt het neer op controleren op een breed spectrum van mogelijke oorzaken. Een mogelijkheid die hierbij vaak over het hoofd wordt gezien is een blikseminslag op een flinke afstand van het bedrijf. Door inductie en transport via het net of datakabels is onweer op vele kilometers afstand in staat een negatieve invloed uit te oefenen op een proces. De energie die op zo’n grote afstand over is kan dan vaak geen directe schade meer toebrengen. Echter een stoorimpuls op één of meer verbindingen in de installatie kan nog op zeer grote afstand worden opgewekt en tot een fout in het proces of uitvallen van het proces leiden.

Het beschikken over blikseminslaggegevens kan op een aantal manieren bijdragen in een betrouwbaardere bedrijfsvoering. Enerzijds kunnen er onweerswaarschuwingen worden verzonden naar het bedrijf op het moment dat onweer riskant dichtbij komt, anderzijds kunnen met blikseminslaggegevens analyses achteraf worden uitgevoerd om te zien of een bepaalde storing mogelijk door onweer is veroorzaakt.

Sinds juli 1999 is in de Benelux een bliksemdetectienetwerk operationeel onder de naam BLDN (Benelux Lightning Detection network). Met dit netwerk kan van vrijwel alle blikseminslagen de exacte tijd en de plaats van de inslag worden bepaald. Het netwerk is zelfs snel en nauwkeurig genoeg om van de deelontladingen in elke blikseminslag de inslagpunten te bepalen. Het netwerk bestaat uit een zevental sensoren die verspreid staan opgesteld langs de buitengrenzen van de Benelux. De meetgegevens van deze sensoren worden on-line naar het rekencentrum in Kollum (Nl.) gestuurd en daar verwerkt. In het rekencentrum worden uit de verschillende sensorgegevens de feitelijke inslagplaatsen berekend. Op deze manier worden meer dan 90% van alle inslagen met een gemiddelde nauwkeurigheid van 500 m gemeten en opgeslagen in een database.

Detectiemethode

Een blikseminslag is een grote stroom door de lucht. Deze stroom werkt als een zendantenne en zendt een elektromagnetisch veld uit. Dit veld breidt zich met een constante snelheid uit (lichtsnelheid, 300.000km/s ofwel 300 m/µs). Elke sensor meet de aankomsttijd van de golf bij de sensor met een resolutie van 50 ns. Daarnaast meet de sensor nog de nodige parameters van de golfvorm. De aankomsttijd en de andere gegevens worden via een directe verbinding naar het rekencentrum gestuurd. In de centrale computer wordt per sensorpaar het verschil in aankomsttijd bepaald. Het resultaat hiervan is een lijn tussen de sensoren van alle punten met hetzelfde tijdsverschil. Zo worden van alle sensorparen deze lijnen uitgerekend. Het kruispunt van al die lijnen is dan het inslagpunt van de bliksemontlading geweest. Deze methode wordt de Time Of Arrival methode (TOA) genoemd. Twee sensoren leveren, door middel van kruisraamantennes ook nog een richting van het ontvangen signaal. Deze Magnetic Direction Finding (MDF) sensoren ondersteunen het netwerk in nauwkeurigheid. Daarnaast zorgen deze sensoren ervoor dat de TOA methode direct naar de goede oplossing toe rekent als er in het begin van de berekening een dubbele oplossing lijkt te ontstaan. De centrale computer is ook in staat uit te rekenen hoe groot de nauwkeurigheid is waarmee hij een plaatsbepaling heeft gedaan. Deze nauwkeurigheidsgegevens worden bij de inslaggegevens in een database bewaard en kunnen later, met de inslaggegevens, in kaart worden gebracht. Tenslotte wordt aan de hand van de gegevens over de golfvorm ook nog een goede schatting gemaakt van de stroomsterkte van de desbetreffende ontlading.

Door het beschikken over onweerswaarschuwingen kan een kwetsbaar proces op tijd gecontroleerd worden gestopt. Dit kan met de hand of automatisch gebeuren. Hiermee wordt bereikt dat de schade die men oploopt bij een ongecontroleerde stop wordt vermeden en dat de installatie direct weer klaar is voor een herstart, zodra er een veiligmelding wordt gegeven. Computersystemen kunnen op tijd worden overgeschakeld naar back-up generatoren of iets dergelijks, zodat het risico van zeer grote overspanningen bij een blikseminslag op een netvoedingskabel worden vermeden.

Een bekend probleem voor mensen die buiten aan het werk zijn is dat men vaak zo geconcentreerd aan het werk is of dat de omgeving zo lawaaiig is dat men een onweersbui niet aan ziet komen.
Daarnaast is de eenvoudige regel die meestal wordt gehanteerd (als de tijd tussen de bliksem en de donder minder dan 10 sec moet je gaan schuilen) gevaarlijk. Onderzoek heeft aangetoond dat die tijd ten minste 30 sec moet zijn. Dan is de bliksem dus nog 10 km weg. Op deze afstand hoor je de donder echter niet meer en gaat de hele regel niet meer op. Met een abonnement op onweerswaarschuwingen is het personeel direct te waarschuwen voor een onweer dat gevaarlijk dichtbij komt. Dit kan bijvoorbeeld door middel van persoonlijke waarschuwingen via een pager (Buzzer) of een SMS bericht op een GSM telefoon. Een goede generieke methode is het automatisch in laten schakelen van een zwaailicht of iets dergelijks.

Een tweede probleem is de onzekerheid bij het personeel over het tijdstip waarop de werkzaamheden weer hervat kunnen worden. De veiligmelding die is gekoppeld aan het intrekken van de onweerswaarschuwing neemt deze onzekerheid weg. De tijd die men niet kan werken wordt op deze manier tot een veilig minimum beperkt.

Een groot probleem van oudere bliksemdetectienetwerken was het gebrek aan gereedschappen om de gegevens te kunnen bewerken en presenteren. Het enige dat een afnemer kon krijgen was een database met inslaggegevens. Voor de verwerking van deze gegevens moest men dan zelf de nodige software ontwikkelen. Tegenwoordig zijn er programma’s leverbaar die een volledig grafische omgeving voor het verwerken van bliksemdata bieden. De software is gebaseerd op een GIS (Geografisch Informatie Systeem). In dit systeem kan de gebruiker zijn eigen installaties invoeren op basis van een tekening met coördinaten (Een kaart of een Autocad tekening). Het systeem kan dan een bufferzone om de installatie heen tekenen en binnen die bufferzone allerlei analyses doen. Zo kan de blikseminslagdichtheid worden berekend per km²; de inslagen binnen de buffer kunnen worden weergegeven met een zekerheidsellips; er kunnen grafieken worden gemaakt over een bepaald tijdvak waarin de hevigheid van het onweer per tijdseenheid wordt weergegeven; enz.

Een ander pakket biedt de mogelijkheid het onweer in real-time te volgen. In dit pakket kunnen een aantal plaatsen worden aangewezen van locaties waarvoor men tijdig gewaarschuwd wil worden als er een duidelijke onweersdreiging is. Het pakket geeft dan continue de afstand tot het dichtstbijzijnde onweer en een ETA (Estimated Time of Arrival) van deze bui op de te waarschuwen locatie.

Afhankelijk van het aantal keren dat men een analyse zal willen uitvoeren en de lokaties waarvoor men gewaarschuwd wil worden kan men dit in eigen beheer doen of men kan ervoor kiezen dit in het rekencentrum in Kollum te laten verzorgen.

Het gebruiken van blikseminslaggegevens heeft een aantal economische voordelen die in het algemeen ruimschoots opwegen tegen de kosten van die gegevens:

- de veiligheid van personeel wordt verhoogd terwijl de stilstandkosten tot een minimum worden beperkt;
- tijdrovende ongecontroleerde stops kunnen worden vermeden;
-  kostbare vervangingen van installatiedelen kunnen worden voorkomen;
- voor storingsanalyse is weer een extra gereedschap beschikbaar.

Dankzij de huidige generatie van software gereedschappen kunnen blikseminslaggegevens voor een brede groep gebruikers zonder veel moeite en tegen een redelijke prijs goed toegankelijk worden gemaakt. Hierdoor is er, zowel uit veiligheids als uit economische overwegingen, een duidelijk voordeel te halen uit het gebruik van deze blikseminslaggegevens.
door Drs. Ed Pols, Van der Heide beheer BV

La détection de foudre
et la gestion des installations

La foudre compte parmi les menaces qui pèsent sur toute installation de production fonctionnant correctement. Dans cet article, nous voulons attirer votre attention sur les possibilités qu’offre la détection de foudre dans la gestion des bâtiments, processus et infrastructures. La connaissance des lieux des coups de foudre peut représenter de gros gains pour la gestion. La sécurité du personnel sera également abordée dans cet article puisqu’il s’agit là naturellement du premier souci en cas d’orage.

Un bâtiment abritant une installation dont le processus est vital pour la production, court un risque considérable en cas de panne subite due à un coup de foudre. Raison pour laquelle ces bâtiments et installations sont généralement équipés d’un bon paratonnerre. Aujourd’hui, on recourt aussi de plus en plus à des parasurtenseurs.
Ces mesures doivent éviter tout dégât au bâtiment ou à l’installation. Il est pourtant difficile d’éradiquer complètement les arrêts sporadiques d’une partie du processus suite à un coup de foudre. Si cette panne est incontrôlée, le redémarrage peut être souvent long et par conséquent coûteux. Parfois, comme dans la production de résines synthétiques, la panne peut même nécessiter le remplacement de parties complètes d’un système de commande.

Certaines sociétés connaissent parfois des installations qui présentent spontanément de petits ratés ou subissent d’autres pannes inexplicables, sans que l’installation ne présente aucun dégât décelable. La recherche de l’origine représente donc souvent une tâche complexe. Elle consiste fréquemment à contrôler un large spectre de causes possibles. On néglige souvent un éventuel coup de foudre à bonne distance de la société. Par induction et transport via le réseau ou les câbles de données, l’orage à plusieurs kilomètres peut exercer une influence négative sur un processus. Après avoir parcouru une telle distance, l’énergie résiduelle ne cause souvent plus de dégâts directs. Une impulsion dérangeante sur une ou plusieurs liaisons de l’installation peut encore être générée à une très grande distance et engendrer une erreur ou une panne du processus.

Les données sur les coups de foudre peuvent contribuer de différentes façons à une gestion plus fiable de l’entreprise. Elles permettent d’une part de lancer des avertissements vers la société au cas où l’orage se rapprocherait dangereusement. D’autre part, ces mêmes données permettent des analyses ultérieures visant à vérifier si la panne a été causée par l’orage.

Depuis juillet 1999, un réseau de détection de foudre est opérationnel au Bénélux sous le nom de BLDN (Benelux Lightning Detection Network). Ce réseau définit l’instant précis et le lieu de quasiment tous les coups de foudre. Le réseau est suffisamment rapide et précis pour définir les points de chute des décharges partielles de chaque coup de foudre. Le réseau se compose d’environ sept capteurs répartis le long des frontières extérieures du Bénélux. Les données de mesure de ces capteurs sont envoyées en ligne au centre de calcul situé à Kollum (Fr) pour y être traitées. Le centre de calcul calcule les emplacements exacts où est tombée la foudre à partir des différentes données des capteurs.
Plus de 90% de tous les coups de foudre sont ainsi mesurés avec une précision moyenne de 500 m et stockés dans une base de données.

La foudre est un grand courant dans le ciel. Ce courant fonctionne comme antenne d’émission et envoie un champ électromagnétique. Ce champ s’étend à une vitesse constante (vitesse de la lumière, 300.000 km/s ou 300 m/µs). Chaque capteur mesure le moment d’arrivée de l’onde au capteur à une résolution de 50 ns. Le capteur mesure également les paramètres nécessaires de la forme d’onde. L’heure d’arrivée et les autres données sont envoyées via une liaison directe au centre de calcul. La différence entre les temps d’arrivée est déterminée par l’ordinateur central par paire de capteurs. Les capteurs de tous les points présentant la même différence de temps sont ainsi reliés par une ligne. Les lignes de toutes les paires de capteurs sont calculées. Le croisement de toutes ces lignes représente alors le point d’impact de la foudre. Cette méthode est appelée Time of Arrival (TOA). Deux capteurs fournissent, au moyen d’antennes de croisée, la direction du signal réceptionné. Ces capteurs Magnetic Direction Finding (MDF) soutiennent le réseau au niveau de la précision. Par ailleurs, ces capteurs s’assurent que la méthode TOA détermine immédiatement la bonne solution lorsqu’une double solution semble se profiler au début du calcul. L’ordinateur central est également à même de calculer le degré de précision de la détermination du lieu. Ces données de précision sont stockées dans une base de données avec les données sur le coup de foudre et peuvent ensuite être exploitées simultanément. Enfin, les données sur la forme de l’onde permettent d’obtenir une bonne estimation de l’intensité du courant de décharge.

Avertissements d’orages pour les processus

En disposant d’avertissements de présence d’orages, on peut contrôler et arrêter à temps un processus vital, soit manuellement soit automatiquement. On évite ainsi les dégâts encourus en cas d’arrêt incontrôlé.
L’installation est immédiatement prête à redémarrer, dès qu’elle reçoit un avis de sécurité.
Les systèmes informatiques peuvent être basculés à temps vers des générateurs de sauvegarde ou des systèmes semblables afin d’éviter le risque de grandes surtensions lors d’un coup de foudre sur un câble d’alimentation de réseau.

Les personnes travaillant à l’extérieur sont à ce point absorbées par leur travail ou leur environnement de travail est tellement bruyant qu’elles ne remarquent pas l’imminence d’un orage.
La célèbre règle selon laquelle il faut s’abriter dès que le temps qui s’écoule entre la foudre et le tonnerre est inférieur à 10 s est plus que dangereuse. Les recherches ont démontré que ce temps doit être de minimum 30 sec. Dans ce cas, la foudre est encore à 10 km. Cependant, à cette distance, vous n’entendez pas le tonnerre et la règle s’avère donc caduque.
Grâce au système d’avertissement de la présence d’orages, le personnel peut être directement mis au courant de l’imminence dangereuse d’un orage, par exemple par le biais d’un message personnel via un pager (Buzzer) ou un message SMS sur un GSM. L’enclenchement automatique d’un gyrophare ou de quelque chose de semblable représente une bonne méthode générique. Le moment auquel les activités peuvent reprendre est un deuxième problème touchant à l’insécurité du personnel. Cette insécurité disparaît par l’envoi d’un message de sécurité, supprimant l’avertissement d’orage. Le temps inactif est ainsi réduit à un minimum sécurisant.

Les outils logiciels

Malheureusement, les réseaux de détection de foudre plus anciens manquaient d’outils permettant le traitement et la présentation des données. La seule chose que l’acheteur pouvait obtenir était une base de données reprenant les données sur les coups de foudre. Le traitement de ces données nécessitait alors un logiciel adéquat. Aujourd’hui, il existe des programmes offrant un environnement graphique complet pour le traitement des données sur la foudre. Le logiciel se base sur un SIG (Système d’information géographique). Dans ce système, l’utilisateur peut introduire ces propres installations sous forme de dessin avec des coordonnées (une carte ou un dessin Autocad). Le système peut alors tracer une zone tampon autour de l’installation et effectuer au sein de cette zone tampon toute une série d’analyses. La densité du coup de foudre peut ainsi être calculée par km² ; les coups de foudre au sein du tampon peuvent être représentés par une ellipse de sécurité ; il est également possible de réaliser des graphiques sur une certaine plage de temps durant laquelle l’intensité de l’orage peut être représentée par unité de temps etc.

Un autre progiciel permet le suivi de l’orage en temps réel. Dans ce progiciel, il est possible d’indiquer plusieurs lieux pour lesquels on souhaite être averti à temps lorsque se présente une menace d’orage. Le progiciel donne alors en permanence la distance qui les sépare de l’orage le plus proche ainsi qu’un ETA (Estimated Time of Arrival) de cet orage à l’endroit à prévenir.
En fonction du nombre d’analyses que l’on souhaite effectuer et des emplacements qui doivent être avertis, ceci peut être réalisé en gestion interne ou via le centre de calcul de Kollum.

Avantages économiques

L’utilisation des données sur les coups de foudre offre plusieurs avantages économiques qui contrebalancent largement les frais de ces données :
- la sécurité du personnel est accrue tandis que les frais d’arrêt sont réduit à un strict minimum ;
- on évite les longs temps d’arrêts incontrôlés ;
- on évite les remplacements coûteux de parties d’installations ;
- on dispose d’un outil supplémentaire d’analyse de panne.

Conclusion

Grâce à la génération actuelle d’outils logiciels, les données sur les coups de foudre sont accessibles à un prix raisonnable à un large groupe d’utilisateurs. L’utilisation de ces données représente donc un avantage évident, tant sur le plan de la sécurité que sur le plan financier.
Drs. Ed Pols, Van der Heide beheer BV