Design-, Instrumentierungs- und Nutzungsprotokolle für verteilte in Situ-Thermal-Hot Spots-Überwachung in elektrischen Spulen mit FBG-Sensormultiplexing
Summary
Dieses Papier stellt ein Protokoll vor, das die Instrumentierung von zufälligen Wund-Elektrospulen mit Faser-Bragg-Gitter (FBG) thermische Sensoren zum Zweck der verteilten Zustandsüberwachung von internen thermischen Hot Spots ermöglicht.
Abstract
Zufällige Wundspulen sind ein Schlüsselelement der meisten elektrischen Geräte in modernen Industrieanlagen, einschließlich Niederspannungs-Elektromaschinen. Einer der größten Stromengpässe bei der verbesserten Nutzung elektrischer Geräte ist die hohe Empfindlichkeit ihrer Wundkomponenten gegenüber thermischer Belastung im Betrieb. Die Anwendung herkömmlicher thermischer Messmethoden (z. B. Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren) zur thermischen Zustandsüberwachung von Strom, der zufällige Wundspulen trägt, kann aufgrund der Sensorgröße erhebliche Betriebseinschränkungen auferlegen, EMI Empfindlichkeit und die Existenz von elektrisch leitfähigem Material in ihrer Konstruktion. Eine weitere wesentliche Einschränkung liegt in verteilten Sensoranwendungen vor und wird durch eine oft beträchtliche Länge und Volumen herkömmlicher Sensorverdrahtungsleitungen verursacht.
Dieses Papier berichtet über die Entwicklung eines faseroptischen FBG-Sensorsystems, das die in Echtzeit verteilte interne thermische Zustandsüberwachung in zufälligen Wundspulen ermöglichen soll. Das Verfahren der zufälligen Wundspuleninstrumentierung mit dem FBG-Sensorsystem wird in einer Fallstudie über eine IEEE-Standard-Wundspule berichtet, die für die in elektrischen Maschinen verwendeten spulen. Die gemeldete Arbeit stellt auch wichtige praktische und technische Aspekte der Implementierung und Anwendung des FBG-Sensorsystems vor und diskutiert sie, einschließlich des FBG-Array-Geometriedesigns, der Sensorkopf- und Faserverpackung, der Sensor-Array-Installation und Kalibrierungsverfahren und die Verwendung eines kommerziellen Verhörsystems zur Erlangung thermischer Messungen. Schließlich wird die thermische Überwachungsleistung des In-situ-Multiplexsystems FBG in repräsentativen statischen und dynamischen thermischen Bedingungen demonstriert.
Introduction
Zufällige Wundspulen sind ein schlüsselelementes Element der meisten elektrischen Geräte in modernen Industriesystemen und werden häufig in Niederspannungs-Elektromaschinen eingesetzt. Ein wesentliches Hindernis für eine verbesserte Nutzung von Wundspulen in diesen Anwendungen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrothermischer Belastung im Betrieb. Thermische Überlastungen sind in dieser Hinsicht besonders relevant, da diese zu einem Ausfall des Isolierungsssystems führen können und letztlich zu seinem Gesamtausfall1; Dies kann durch übermäßige Spulenstrompegel oder andere Ursachen wie einen elektrischen Fehler der Spule oder eine Fehlfunktion des Kühlsystems entstehen, bei der lokalisierte Hot Spots in der Spulenstruktur induziert werden, was zu Isolierungsstörungen führt. Ermöglicht eine operative, in situ verteilte thermische Überwachung der internen Struktur einer in Betrieb genommenen Spule ermöglicht die Entwicklung verbesserter Auslastungs- und zustandsbasierter Wartungsroutinen; es würde ein fortgeschrittenes Verständnis und eine bessere Identifizierung des Betriebszustands der Spulen und etwaiger Abbauprozesse ermöglichen und somit auf Bedingungen beruhende Korrekturmaßnahmen ermöglichen, um den Betriebszustand aufrechtzuerhalten und weitere Schäden zu verhindern oder zu verlangsamen2,3.
Die vorgestellte Methode zielt darauf ab, die In-situ-Überwachung der elektrischen Spulenstruktur eingebettete thermische Bedingungen durch den Einsatz von flexiblen und elektromagnetischen Interferenz immun (EMI) Faser Bragg geriebene optische thermische Sensoren zu ermöglichen. Das Verfahren bietet eine Reihe von funktionellen Vorteilen gegenüber bestehenden thermischen Überwachungstechniken, die in elektrischen Spulen verwendet werden: Diese basieren fast ausnahmslos auf der Verwendung von Thermoelement (TCs) oder Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), die nicht eMI immun sind; sie bestehen aus leitfähigen Materialien; und sie sind in der Regel einigermaßen sperrig daher nicht ideal für sensorieranwendungen innerhalb der Struktur von Wund-Elektrospulen geeignet. Der Einsatz robuster und flexibler FBG-Thermosensoren bietet in dieser Hinsicht eine Reihe erheblicher Verbesserungen, nicht nur aufgrund der EMI-Immunität des Sensors, sondern auch aufgrund seiner geringen Größe, Multiplex-Fähigkeit und Flexibilität, die es ermöglicht, sie in eine beliebige Wundspulenarchitektur einzubetten und entsprechend anzupassen, um eine thermische Erfassung mit punktgenauer Genauigkeit an den gewünschten strukturellen Positionen4zu erreichen. Diese Eigenschaften sind besonders attraktiv in Anwendungen elektrischer Maschinen (EM), bei denen die thermischen Grenzwerte der Geräte durch thermische Bedingungen elektrischer Spulen definiert werden und besonders relevant sind angesichts des erwarteten erheblichen Anstiegs der EM-Nutzung mit der Verbreitung des elektrischen Transports.
Dieser Beitrag stellt die Methodik der Instrumentierung einer typischen Niederspannungs-Zufallswicklungsstruktur mit thermischen FBG-Sensoren vor, um die Online-Überwachung interner Hotspots zu ermöglichen. Ein detailliertes Protokoll der FBG-Sensorauswahl, -Design, -Verpackung, -Instrumentierung, -Kalibrierung und -Nutzung wird gemeldet. Dies wird auf einem IEEE Standard-Zufallsspulen-Motorette-System vorgestellt. Das Papier berichtet auch über die erhaltenen In-situ-Thermomessungen unter statischem und ungleichmäßigem thermischen Betriebszustand der untersuchten Prüfspule.
FBGs werden durch den Prozess des “Gitters” des optischen Faserkerns gebildet, um periodische Längsabdrücke zu erzeugen (in der Regel als Sensorköpfe in FBG-Sensoranwendungen bezeichnet); Wenn die Faser, die FBGs enthält, ultraviolettem Licht ausgesetzt ist, wird jeder vorhandene FBG-Kopf dazu führen, dass sein Brechungsindex periodisch moduliert wird5. Die sensorisch reflektierten Wellenlängen werden durch die thermischen und mechanischen Bedingungen beeinflusst, denen die Faser ausgesetzt ist, und ermöglichen so, dass die geriebene Faser als thermischer oder mechanischer Sensor angewendet werden kann, vorausgesetzt, dass eine angemessene Konstruktion und Anwendung vornimmt.
Die FBG-Technologie ist besonders attraktiv für verteilte Sensoranwendungen: Sie ermöglicht es, eine einzelne optische Faser zu reiben, um mehrere FBG-Sensorköpfe zu enthalten, wobei jeder Kopf mit einer deutlichen Bragg-Wellenlänge kodiert ist und als deutlicher Sensorpunkt fungiert. Dieser Typ von FBG-basierten Sensorvorrichtung wird als FBG-Arraysensor6 bezeichnet und sein Bedienkonzept ist in Abbildung 1dargestellt. Breitbandlicht wird verwendet, um das Array zu erregen, was zu unterschiedlichen reflektierten Wellenlängen von jedem enthaltenen FBG-Kopf führt; hier spiegelt jeder Kopf eine definierte Wellenlänge (d.h. Bragg-Wellenlänge) wider, die seinem Gitterdesign entspricht und auch von den vorherrschenden thermischen und mechanischen Bedingungen am Kopf (d.h. Der Erfassung) abhängt. Eine Verhörvorrichtung wird benötigt, um die Anregung von Arrayfasern mit Licht und die Inspektion der reflektierten Spektren auf unterschiedliche Bragg-Wellenlängen zu ermöglichen, die Informationen über lokalisierte thermische und/oder mechanische Bedingungen enthalten.
Ein besonders wichtiger Aspekt der FBG-Thermosensor-Implementierung ist die Abschwächung thermomechanischer Kreuzempfindlichkeitseffekte, um möglichst nah an ausschließlich thermischen Messwerten zu erhalten7. Das FBG-Inhärentmerkmal der thermomechanischen Querempfindlichkeit erfordert eine sorgfältige Auslegung von FBG-Sensoren, die nur für thermische oder mechanische Sensoranwendungen ausgerichtet sind. Bei der thermischen Erfassung besteht eine wirksame Methode zur Minderung der mechanischen Anregungsempfindlichkeit von FBG darin, den Sensorkopf mit einer Verpackungskapillare aus Material zu isolieren, das für eine bestimmte Anwendung geeignet ist; in der in dieser Arbeit untersuchten Spulen-Embedded-Thermosensor-Anwendung reduziert dies nicht nur Kreuzempfindlichkeitsprobleme, sondern dient auch dem Schutz der fragilen Sensorfaserstruktur vor Unterseite und potenziell zerstörerischer mechanischer Beanspruchung8.
Abbildung 2A zeigt die zufällige Wunde elektrische Spulen Probe als Demonstrationsfahrzeug in diesem Papier verwendet. Die Spule ist nach den IEEE-Normen9 für thermische Bewertungsverfahren des Isolierungssystems für zufällige Wundspulen ausgelegt; das in Abbildung 2B dargestellte Prüfsystem wird als Motorkastensystem bezeichnet und ist repräsentativ für eine Wicklung und ihr Isolationssystem in einer elektrischen Niederspannungsmaschine. In der vorgestellten Fallstudie wird das Motorunternehmen mit einem FBG-Array-Thermosensor ausgestattet, der aus vier thermischen Messpunkten besteht, um typische thermische Erfassungs-Hotspots zu emulieren, die für praktische Maschinenanwendungen von Interesse sind und in Coil-Endwicklungs- und Schlitzabschnitten lokalisiert werden. Zur Kalibrierung und Leistungsbewertung wird das FBG Embedded Motorette mit einer kommerziellen Wärmekammer und einem Gleichstromnetzteil thermisch angeregt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Papier hat das Verfahren demonstriert, das erforderlich ist, um FBG-Thermosensoren in situ in Niederspannungs-Wundspulen zu entwerfen, zu kalibrieren und zu testen. Diese Sensoren bieten eine Reihe von Vorteilen für In-situ-Sensoranwendungen in stromführenden Wundspulenstrukturen: Sie sind vollständig eMI-immun, flexibel und können einer beliebigen gewünschten Geometrie entsprechen, um beliebige gewünschte Erfassungspunktpositionen zu liefern. mit hoher Genauigkeit und kann eine große Anzahl von Erfassungspunkten auf einem einzigen Sensor liefern. Während die thermische Erfassung in Wundspulen mit herkömmlichen thermischen Überwachungstechniken mit Thermoelement- oder Widerstandstemperaturdetektoren erreicht werden kann, bietet die Anwendung von FBGs eine Reihe attraktiver funktioneller Vorteile.
Eine angemessene Verpackung des FBG-Array-Sensors ist der Schlüssel zu seiner effektiven Nutzung. Es ist wichtig, dass einzelne Sensorköpfe oder der gesamte Sensorbereich der Faser entsprechend verpackt werden, um die Isolierung von FBG-Köpfen vor mechanischer Anregung in einer starren, aber flexiblen thermisch leitfähigen Kapillare zu gewährleisten. Es ist wünschenswert, dass die Kapillare aus nicht elektrisch leitfähigem Material ausgelegt wird, da dies eine optimale Leistung in der EMI-reichen Umgebung gewährleistet, die für Stromtransportspulen charakteristisch ist.
Bei der Verpackung der Kapillarinstallation in die Spule ist Vorsicht geboten, um die Verpackungssegmente an den entsprechenden Erfassungsstellen genau zu positionieren. Es ist auch wichtig, die Kapillargeometrie zu optimieren, falls hochdynamische thermische Bedingungen zu beachten sind.
Es ist wichtig, eine genaue Charakterisierung des eingebetteten Sensors der Spule zu gewährleisten. Dies geschieht am besten durch die Durchführung einer kostenlosen sensorischen Kalibrierung vor der Installation innerhalb der Wundspulengeometrie. Während die In-situ-Verpackung einen hohen Schutz vor mechanischer Anregung bietet, kann der Installationsprozess aufgrund der Dehnungsempfindlichkeit zu einer Wellenlängenverschiebung führen. Wenn sorgfältig durchgeführt, kann dies vernachlässigbar sein; Es ist jedoch eine gute Praxis, dies nach Möglichkeit bei In-situ-Kalibrierungstests festzustellen.
Diese Anwendung von FBGs in Wundspulen ist relativ neu und eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten für eine verbesserte Konstruktion, Nutzung, Überwachung und Gesundheitsdiagnose von elektrischen Maschinen. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Kosten dafür zu senken und sie zu einer glaubwürdigen Option für großflächige Anwendungen in elektroelektrischen Maschinen zu machen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy from Offshore Wind Farms Consortium im Rahmen des Zuschusses EP/P009743/1 unterstützt.
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
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