Ce document présente un protocole qui permet l’instrumentation de bobines électriques de plaie aléatoire avec des capteurs thermiques de grille de fibre Bragg (FBG) dans le but de surveiller l’état distribué des points chauds thermiques internes.
Les bobines de plaie aléatoires sont un élément opérationnel clé de la plupart des appareils électriques dans les systèmes industriels modernes, y compris les machines électriques à basse tension. L’un des principaux goulots d’étranglement actuels dans l’amélioration de l’exploitation des appareils électriques est la forte sensibilité de leurs composants de plaie au stress thermique en service. L’application de méthodes conventionnelles de détection thermique (p. ex., thermocouples, détecteurs de température de résistance) pour la surveillance thermique de l’état thermique des bobines de plaie aléatoires de transport actuel peut imposer des limitations opérationnelles considérables en raison de la taille du capteur, EMI sensibilité et l’existence de matériaux électriques de conductrice dans leur construction. Une autre limitation importante existe dans les applications de détection distribuée et est causée par ce qui est souvent une longueur et un volume considérables de fils de câblage de capteurs conventionnels.
Cet article rapporte la conception d’un système de détection FBG à fibre optique destiné à permettre une surveillance interne de l’état thermique distribuée en temps réel dans des bobines de plaie aléatoires. La procédure de l’instrumentation aléatoire de bobine de plaie avec le système de détection de FBG est rapportée dans une étude de cas sur une bobine standard de blessure d’IEEE représentant de ceux employées dans des machines électriques. Les travaux rapportés présentent et discutent également d’importants aspects pratiques et techniques de la mise en œuvre et de l’application du système de détection FBG, y compris la conception de la géométrie du réseau FBG, l’emballage de la tête et de la fibre de détection, l’installation du réseau de capteurs et procédure d’étalonnage et l’utilisation d’un système d’interrogatoire commercial pour obtenir des mesures thermiques. Enfin, les performances de surveillance thermique du système de détection thermique FBG multiplexed in situ sont démontrées dans des conditions thermiques statiques et dynamiques représentatives.
Les bobines aléatoires de plaie sont un élément de conception clé de la plupart des appareils électriques dans les systèmes industriels modernes et sont couramment employées dans les machines électriques basse tension. Une barrière majeure à l’utilisation améliorée des bobines de plaie dans ces applications est leur sensibilité au stress électro-thermique en service. Les surcharges thermiques sont particulièrement pertinentes à cet égard, car celles-ci peuvent provoquer la panne du système d’isolation du système d’isolation et, en fin de compte, sa défaillance totale1; cela peut survenir en raison de niveaux de courant de bobine excessive, ou d’autres causes telles qu’une panne électrique de bobine ou un dysfonctionnement de système de refroidissement, où les points chauds localisés sont induits dans la structure de bobine menant à la panne d’isolation. Permettre la surveillance thermique distribuée in situ opérationnelle de la structure interne d’une bobine en service permet de développer des routines d’utilisation et d’entretien basées sur l’état améliorées; elle permettrait une compréhension et une identification avancées de l’état de fonctionnement des bobines et de tout processus de dégradation, et donc conditionner des mesures correctives fondées pour maintenir l’état d’exploitation et prévenir ou ralentir d’autres dommages2,3.
La méthode présentée vise à permettre la surveillance in situ de la structure de bobine électrique intégrée conditions thermiques par l’utilisation de flexibles et électromagnétiques interférence immunitaire (EMI) fibre Bragg capteurs thermiques optiques râpés. La méthode offre un certain nombre d’avantages fonctionnels par rapport aux techniques de surveillance thermique existantes utilisées dans les bobines électriques : celles-ci reposent presque invariablement sur l’utilisation de thermocouple (CTC) ou de détecteurs de température de résistance (TLD) qui ne sont pas immunisés EMI ; ils sont faits de matériaux conducteur; et ils sont généralement raisonnablement encombrants donc pas idéalement adapté pour les applications de détection dans la structure des bobines électriques de blessure. L’utilisation de capteurs thermiques FBG à fibre optique robuste et flexible fournit un certain nombre d’améliorations considérables à cet égard, non seulement en raison de l’immunité capteur EMI, mais aussi de sa petite taille, la capacité de multiplexage et sa flexibilité, ce qui leur permet d’être intégrés et conformes à une architecture arbitraire de bobine de plaie pour atteindre la détection thermique avec une précision précise dans les emplacements structurels souhaités4. Ces caractéristiques sont particulièrement attrayantes dans les applications de machines électriques (EM) où les limites thermiques des dispositifs sont définies par des conditions thermiques de bobine électrique et sont particulièrement pertinentes à la lumière de la croissance considérable attendue de l’utilisation des EM avec la prolifération du transport électrique.
Cet article présente la méthodologie de l’instrumentation d’une structure aléatoire typique de bobine de plaie à basse tension avec des capteurs thermiques FBG pour permettre la surveillance en ligne des points chauds internes. Un protocole détaillé du choix, de la conception, de l’emballage, de l’instrumentation, de l’étalonnage et de l’utilisation du capteur FBG est signalé. Ceci est présenté sur un système de motorette aléatoire de bobine de plaie de l’IEEE. Le document rapporte également les mesures thermiques in situ obtenues en vertu de l’état de fonctionnement thermique statique et non uniforme de la bobine d’essai examinée.
Les FG sont formés par le processus de « râper » le noyau de fibre optique pour créer des empreintes longitudinales périodiques (généralement appelées têtes de détection dans les applications de détection FBG); lorsque la fibre contenant des GF est exposée à la lumière ultraviolette, chaque tête FBG existante fera en sorte que son indice réfrtif sera périodiquement modulé5. La tête de détection réfléchie longueurs d’onde sera affectée par les conditions thermiques et mécaniques auxquelles la fibre est exposée, et ainsi permettre à la fibre râpée d’être appliquée comme un capteur thermique ou mécanique en supposant une conception et une application adéquates.
La technologie FBG est particulièrement attrayante pour les applications de détection distribuées : elle permet de griller une seule fibre optique pour contenir plusieurs têtes de détection FBG, où chaque tête est codée avec une longueur d’onde Bragg distincte et agit comme un point de détection distinct. Ce type de dispositif de détection basé sur le FBG est connu sous le nom de capteur de tableauFBG 6 et son concept d’exploitation est illustré dans la figure 1. La lumière à large bande est utilisée pour exciter le tableau résultant en des longueurs d’onde réfléchies distinctes de chaque tête FBG contenue; ici, chaque tête reflète une longueur d’onde définie (c.-à-d. longueur d’onde Bragg) qui correspond à sa conception de grille et dépend également des conditions thermiques et mécaniques en vigueur à la tête (c.-à-d., la détection) emplacement. Un dispositif interrogateur est nécessaire pour permettre l’excitation de fibre de tableau avec la lumière et l’inspection des spectres réfléchis pour les longueurs d’onde distinctes de Bragg contenant des informations sur les conditions thermiques et/ou mécaniques localisées.
Un aspect particulièrement important de la mise en œuvre du capteur thermique FBG est l’atténuation des effets thermomécaniques de sensibilité croisée pour obtenir le plus près possible des lectures exclusivement thermiques7. La caractéristique inhérente au FBG de la sensibilité croisée thermomécanique nécessite une conception minutieuse des capteurs FBG destinés aux applications thermiques seulement ou mécaniques seulement de détection. En ce qui concerne la détection thermique, une méthode efficace d’atténuation de la sensibilité à l’excitation mécanique FBG consiste à isoler la tête de détection avec un capillaire d’emballage fait de matériau adapté à une application donnée; dans l’application de détection thermique intégrée en bobine examinée dans ce travail cela réduit non seulement les problèmes de sensibilité croisée, mais sert également à protéger la structure fragile de fibre de détection contre le dessous et potentiellement destructeur stress mécanique8.
La figure 2A montre le spécimen d’essai de bobine électrique de blessure aléatoire utilisé comme véhicule de démonstration dans ce document. La bobine est conçue selon les normes9 de l’IEEE pour les procédures d’évaluation thermique du système d’isolation aléatoire des bobines de plaie; le système d’essai qui en résulte dans la figure 2B est connu sous le nom de système de motorette et est représentatif d’un système de sinument et de son système d’isolation dans une machine électrique basse tension. Dans l’étude de cas présentée, la motorette sera instrumentée avec un capteur thermique de tableau FBG composé de quatre points de détection thermique, pour émuler les points chauds de détection thermique typiques d’intérêt dans les applications pratiques de machine qui ont tendance à être localisées dans les sections de liquidation de bout en bobine et de fente. Pour l’étalonnage et l’évaluation des performances, la motorette embarquée FBG sera thermiquement excitée à l’aide d’une chambre thermique commerciale et d’une alimentation DC.
Le document a démontré la procédure nécessaire pour concevoir, calibrer et tester des capteurs thermiques FBG in situ dans des bobines de plaies basse tension. Ces capteurs offrent un certain nombre d’avantages pour les applications de détection in situ dans les structures actuelles de bobine de plaie de transport : ils sont entièrement immunisés EMI, sont flexibles et peuvent se conformer à une géométrie arbitraire désirée pour fournir des emplacements arbitraires de point de détection désirés avec une grande précision, et peut fournir un grand nombre de points de détection sur un seul capteur. Bien que la détection thermique dans les bobines de plaie puisse être réalisée avec des techniques de surveillance thermique conventionnelles utilisant des détecteurs de thermocouple ou de température de résistance, l’application de FGT est montrée pour fournir un certain nombre d’avantages fonctionnels attrayants.
L’emballage approprié du capteur de réseau FBG est la clé de son utilisation efficace. Il est important que les têtes de détection individuelles ou toute la zone de détection de la fibre soient correctement emballées pour assurer l’isolement des têtes de FBG de l’excitation mécanique dans un capillaire thermiquement conducteur rigide mais flexible. Il est souhaitable que le capillaire soit conçu à partir de matériaus non conducteurs électriques, car cela assure des performances optimales dans l’environnement riche en EMI caractéristique des bobines de transport actuelles.
Il faut faire attention au cours du processus d’installation capillaire d’emballage dans la bobine pour positionner avec précision les segments d’emballage dans leurs emplacements de détection correspondants. Il est également essentiel d’optimiser la géométrie capillaire au cas où des conditions thermiques très dynamiques seraient observées.
Il est essentiel d’assurer une caractérisation précise du capteur intégré à bobine. Ceci est mieux fait en effectuant l’étalonnage gratuit du capteur emballé avant son installation dans la géométrie de la bobine de plaie. Bien qu’un degré élevé de protection contre l’excitation mécanique soit fourni par l’emballage in situ, le processus d’installation peut entraîner un changement de longueur d’onde en raison de la sensibilité aux souches. Si elle est effectuée avec soin, cela peut être négligeable; cependant, il est bon pour cela d’être vérifié dans les tests d’étalonnage in situ si possible.
Cette application de FGG dans les bobines de plaie est relativement nouvelle et ouvre un certain nombre de possibilités pour une meilleure conception, utilisation, surveillance et diagnostic de santé des machines électriques. D’autres travaux sont nécessaires pour réduire le coût de ces derniers et en faire une option crédiblement viable pour l’application à grande échelle dans les machines électriques.
The authors have nothing to disclose.
Ces travaux ont été soutenus par le UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy de Offshore Wind Farms Consortium dans le cadre de la subvention EP/P009743/1.
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 |