Ontwerp-, instrumentatie- en gebruiksprotocollen voor gedistribueerde in situ thermische hotspots monitoring in elektrische spoelen met behulp van FBG Sensor Multiplexing
Summary
Dit document presenteert een protocol dat instrumentatie van willekeurige wond elektrische spoelen met vezel Bragg rooster (FBG) thermische sensoren met het oog op gedistribueerde conditie monitoring van interne thermische hot spots mogelijk maakt.
Abstract
Willekeurige wondspoelen zijn een belangrijk operationeel element van de meeste elektrische apparaten in moderne industriële systemen, waaronder laagspanningselektrische machines. Een van de belangrijkste huidige knelpunten bij een betere exploitatie van elektrische apparaten is de hoge gevoeligheid van hun wondcomponenten voor thermische belasting in het gebruik. De toepassing van conventionele thermische detectiemethoden (bijvoorbeeld thermoparen, weerstandstemperatuurdetectoren) voor thermische toestandsbewaking van stroom die willekeurige wondspoelen vervoert, kan aanzienlijke operationele beperkingen opleggen als gevolg van sensorgrootte, EMI gevoeligheid en het bestaan van elektrisch geleidend materiaal in hun constructie. Een andere aanzienlijke beperking bestaat in gedistribueerde detectie toepassingen en wordt veroorzaakt door wat vaak een aanzienlijke lengte en volume van conventionele sensor bedrading leidt.
Dit document rapporteert het ontwerp van een fiber optic FBG sensing systeem bedoeld voor het mogelijk maken van real-time gedistribueerde interne thermische conditie monitoring binnen willekeurige wondspoelen. De procedure van willekeurige wondspoel instrumentatie met het FBG sensing systeem wordt gemeld in een case study op een IEEE standaard wondspoel representatief voor die gebruikt in elektrische machines. Het gerapporteerde werk presenteert en bespreekt ook belangrijke praktische en technische aspecten van fbg sensing systeem implementatie en toepassing, met inbegrip van de FBG array geometrie ontwerp, sensing hoofd en vezel verpakking, de sensor array installatie en kalibratieprocedure en het gebruik van een commercieel ondervragingssysteem voor het verkrijgen van thermische metingen. Ten slotte wordt de thermische bewakingsprestaties van het in situ multiplexed FBG-detectiesysteem aangetoond in representatieve statische en dynamische thermische omstandigheden.
Introduction
Willekeurige wondspoelen zijn een belangrijk ontwerpelement van de meeste elektrische apparaten in moderne industriële systemen en worden vaak gebruikt in laagspanningselektrische machines. Een belangrijke barrière voor een beter gebruik van wondspoelen in deze toepassingen is hun gevoeligheid voor in-service elektrothermische stress. Thermische overbelasting is in dit verband bijzonder relevant, aangezien deze kunnen leiden tot isolatievanspoelisolatie systeem afbraak en uiteindelijk de totale storing1; dit kan ontstaan als gevolg van overmatige spoelstroom niveaus, of andere oorzaken, zoals een spoel elektrische fout of een koelsysteem storing, waar gelokaliseerde hot spots worden geïnduceerd in de spoel structuur leidt tot isolatie afbraak. Het mogelijk maken van operationele in situ gedistribueerde thermische monitoring van de interne structuur van een in-service spoel maakt de ontwikkeling van verbeterde gebruiks- en conditiegebaseerde onderhoudsroutines mogelijk; het zou een geavanceerd begrip en identificatie mogelijk maken van de bedrijfsstatus van de spoelen en elk afbraakproces, en dus op voorwaarde gebaseerde corrigerende maatregelen om de bedrijfsstatus te handhaven en verdere schade te voorkomen of te vertragen2,3.
De gepresenteerde methode is gericht op het mogelijk maken in situ monitoring van elektrische spoel structuur ingebedde thermische omstandigheden door gebruik van flexibele en elektromagnetische interferentie immuun (EMI) vezel Bragg geraspte optische thermische sensoren. De methode biedt een aantal functionele voordelen ten opzichte van bestaande thermische bewakingstechnieken die in elektrische spoelen worden gebruikt: deze zijn bijna altijd afhankelijk van het gebruik van thermokoppel (TCs) of weerstandstemperatuurdetectoren (RTD’s) die niet EMI-immuun zijn; ze zijn gemaakt van geleidend materiaal; en ze zijn over het algemeen redelijk omvangrijk dus niet bij uitstek geschikt voor het detecteren van toepassingen binnen de structuur van wond elektrische spoelen. Het gebruik van robuuste en flexibele glasvezel FBG thermische sensoren biedt een aantal aanzienlijke verbeteringen in dit opzicht, niet alleen te wijten aan sensor EMI immuniteit, maar ook de kleine omvang, multiplexing vermogen en de flexibiliteit, die hen in staat stelt om te worden ingebed in en voldoen aan een willekeurige wondspoel architectuur om thermische sensing te bereiken met uiterste nauwkeurigheid in de gewenste structurele locaties4. Deze functies zijn vooral aantrekkelijk in elektrische machine (EM) toepassingen waar thermische grenswaarden voor apparaten worden gedefinieerd door thermische omstandigheden in elektrische spoel en zijn bijzonder relevant in het licht van de verwachte aanzienlijke groei van het EM-gebruik met proliferatie van elektrisch vervoer.
Dit document presenteert de methodologie van het instrumenteren van een typische laagspanning willekeurige wondspoel structuur met thermische FBG sensoren om on-line monitoring van interne hotspots mogelijk te maken. Een gedetailleerd protocol van de FBG sensor keuze, ontwerp, verpakking, instrumentatie, kalibratie en gebruik wordt gerapporteerd. Dit wordt gepresenteerd op een IEEE standaard random wound coil motorette systeem. Het papier rapporteert ook de verkregen thermische metingen ter plaatse onder statische en niet-uniforme thermische bedrijfstoestand van de onderzochte testspoel.
FBG’s worden gevormd door het proces van ‘raspen’ van de optische vezel kern om periodieke longitudinale afdrukken te creëren (meestal aangeduid als sensing koppen in FBG sensing toepassingen); wanneer de vezel die FBGs bevat aan ultraviolet licht wordt blootgesteld, zal elke bestaande FBG-kop ervoor zorgen dat de brekingsindex periodiek wordt gemoduleerd5. De sensor hoofd gereflecteerdgolflengten zal worden beïnvloed door de thermische en mechanische omstandigheden die de vezel wordt blootgesteld aan, en dus in staat stellen de geraspte vezel worden toegepast als een thermische of mechanische sensor uitgaande van voldoende ontwerp en toepassing.
De FBG-technologie is vooral aantrekkelijk voor gedistribueerde detectietoepassingen: het maakt het mogelijk om één optische vezel te geraspt om meerdere FBG-detectiekoppen te bevatten, waarbij elke kop is gecodeerd met een duidelijke Bragg-golflengte en fungeert als een duidelijk detectiepunt. Dit type FBG-gebaseerde detectieapparaat staat bekend als een FBG-arraysensor6 en het bedieningsconcept wordt geïllustreerd in figuur 1. Breedband licht wordt gebruikt om de array wat resulteert in verschillende gereflecteerde golflengten van elk bevatte FBG hoofd te prikkelen; hier weerspiegelt elk hoofd een gedefinieerde golflengte (d.w.z. Bragg golflengte) die overeenkomt met het roosterontwerp en ook afhankelijk is van de heersende thermische en mechanische omstandigheden aan het hoofd (d.w.z. sensing) locatie. Een ondervrager apparaat is nodig om array vezel opwinding met licht en de inspectie van de gereflecteerde spectra voor verschillende Bragg golflengten met informatie over gelokaliseerde thermische en / of mechanische omstandigheden mogelijk te maken.
Een bijzonder belangrijk aspect van de implementatie van fbg-thermische sensor is de beperking van thermomechanische kruisgevoeligheidseffecten om zo dicht mogelijk bij uitsluitend thermische metingen te komen7. De FBG inherente functie van thermo-mechanische kruisgevoeligheid vereist zorgvuldig ontwerp van FBG sensoren gericht op thermische alleen of mechanische alleen sensing toepassingen. Wanneer het gaat om thermische detectie is een doeltreffende methode voor het beperken van de mechanische excitatiegevoeligheid van FBG, is het isoleren van de sensorkop met een verpakkingscapillaire die is gemaakt van materiaal dat geschikt is voor een bepaalde toepassing; in de spoel ingebedde thermische sensing applicatie onderzocht in dit werk dit niet alleen vermindert cross-gevoeligheid problemen, maar dient ook ter bescherming van de fragiele sensing vezelstructuur tegen onderkant en potentieel destructieve mechanische stress8.
Figuur 2A toont het willekeurige monster van de elektrische spoeltest die in dit document als demonstratievoertuig wordt gebruikt. De spoel is ontworpen volgens IEEE-normen9 voor thermische evaluatieprocedures van het isolatiesysteem van willekeurige wondspoelen; het resulterende testsysteem in figuur 2B staat bekend als een motorettesysteem en is representatief voor een wikkeling sein- en isolatiesysteem in een laagspanningselektrische machine. In de gepresenteerde case study zal de motorette worden uitgerust met een FBG array thermische sensor bestaande uit vier thermische detectiepunten, om typische thermische detectie hot spots van belang in praktische machine toepassingen die de neiging hebben te worden gelokaliseerd in coil end winding en sleuf secties emuleren. Voor kalibratie en prestatie-evaluatie zal de FBG embedded motorette thermisch opgewonden zijn met behulp van een commerciële thermische kamer en een DC-voeding.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het papier heeft aangetoond dat de procedure die nodig is voor het ontwerpen, kalibreren en testen in situ FBG thermische sensoren in lage spanning wondspoelen. Deze sensoren bieden een aantal voordelen voor in situ sensing toepassingen binnen de huidige dragende wondspoel structuren: ze zijn volledig EMI immuun, zijn flexibel en kunnen voldoen aan een willekeurige gewenste geometrie om willekeurige gewenste sensing punt locaties te leveren met hoge nauwkeurigheid, en kan een groot aantal detectiepunten op een enkele sensor. Terwijl thermische detectie in wondspoelen kan worden bereikt met conventionele thermische bewakingstechnieken die thermokoppel- of weerstandstemperatuurdetectoren gebruiken, blijkt de toepassing van FBGs een aantal aantrekkelijke functionele voordelen te bieden.
De juiste verpakking van de FBG-arraysensor is de sleutel tot het effectieve gebruik ervan. Het is belangrijk dat individuele detectiekoppen of het gehele detectiegebied van de vezel op de juiste manier worden verpakt om de isolatie van FBG-koppen van mechanische opwinding in een stijve maar flexibele thermisch geleidende capillaire capitaire capitulerende capillaire te garanderen. Het is wenselijk dat de capillaire wordt ontworpen van niet-elektrisch geleidend materiaal, omdat dit zorgt voor optimale prestaties in de EMI rijke omgeving die kenmerkend is voor de huidige draagspoelen.
Zorg moet worden genomen tijdens het proces van de verpakking capillaire installatie in de spoel om nauwkeurig positie van de pakketsegmenten in hun overeenkomstige sensing locaties. Het is ook essentieel om de capillaire geometrie te optimaliseren voor het geval zeer dynamische thermische omstandigheden moeten worden waargenomen.
Het is van vitaal belang om nauwkeurige karakterisering van de spoel embedded sensor te garanderen. Dit kan het beste worden gedaan door het uitvoeren van gratis verpakte sensor kalibratie voor de installatie in de wondspoel geometrie. Terwijl een hoge mate van bescherming tegen mechanische opwinding wordt geboden door de in situ verpakking, kan het installatieproces resulteren in golflengteverschuiving als gevolg van spanningsgevoeligheid. Indien zorgvuldig uitgevoerd kan dit verwaarloosbaar zijn; Het is echter een goede gewoonte om dit waar mogelijk vast te stellen in de kalibratietests ter plaatse.
Deze toepassing van FBGs in wondspoelen is relatief nieuw en opent een aantal mogelijkheden voor een beter ontwerp, gebruik, monitoring en gezondheidsdiagnose van elektrische machines. Verder werk is nodig om de kosten hiervan te verlagen en ze een geloofwaardig haalbare optie te maken voor grootschalige toepassing in elektrische machines.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy van Offshore Wind Farms Consortium onder subsidie EP/P009743/1.
Materials
| Cletop-S | Fujikura | 14110601 | Commercial optic connector cleaner |
| Copper wire AWG24 | RS | 357-744 | Commercial insulated copper wire |
| DC power supply | TTi | CPX400SP | Commercial 420W DC power supply |
| FBG sensors | ATGratings | NA | Commerically manufactured FBG array to design spec |
| Heat Shrink Tubing | RS | 700-4532 | Heat Shrink Tubing 3mm Sleeve Dia. x 10m |
| Kapton masking tape | RS | 436-2762 | Orange Masking Tape Tesa 51408 |
| PEEK tubing | Polyflon | 4901000060 | Commercial PEEK tubing |
| SmartScan04 | Smartfibres UK | S-Scan-04-F-60-U-UK | Commercial interrogator system |
| Thermal Oven | Lenton | WHT6/30 | Commercial thermal oven |
| Winder machine | RS | 244-2636 | Commercial winder machine |
References
- Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review. IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).
- Mohammed, A., Djurović, S. Stator Winding Internal Thermal Monitoring and Analysis Using In Situ FBG Sensing Technology. IEEE Transactions on Energy Conversion. 33 (3), 1508-1518 (2018).
- Zhang, H. Online thermal monitoring models for induction machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils. 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , 1-4 (2017).
- Rao, Y. J. In-fibre Bragg grating sensors. Measurement Science and Technology. 8 (4), 355 (1997).
- Mohammed, A., Djurović, S. A study of distributed embedded thermal monitoring in electric coils based on FBG sensor multiplexing. Microprocessors and Microsystems. 62, 102-109 (2018).
- Lu, P., Men, L., Chen, Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings. Applied Physics Letters. 92 (17), 171112 (2008).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils. IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).
- IEEE. IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery. IEEE Std 117-2015. , 1-34 (2016).
- IEC. Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. IEC. , (2010).
- Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components. 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , 2266-2272 (2016).
