本論文では、内部熱ホットスポットの分散状態モニタリングを目的として、ファイバーブラッグ格子(FBG)熱センサを用いたランダムな創傷電気コイルの計測を可能にするプロトコルを紹介する。
ランダムな巻きコイルは、低電圧電気機械を含む現代の産業システムにおけるほとんどの電気装置の主要な操作要素です。電気機器の開発改善における主要な現在のボトルネックの1つは、インサービス熱ストレスに対する創傷成分の高感度です。ランダムな巻きコイルを運ぶ電流の熱状態モニタリングのための従来の熱感知方法(例えば、熱電対、抵抗温度検出器)の適用は、センサーサイズ、EMIのためにかなりの動作制限を課すことができますその構造における、感度と導電性材料の存在分散型センシングアプリケーションには別の大きな制限があり、従来のセンサ配線リード線の長さと体積がかなりあることが多いため、大きな制限があります。
本論文では、ランダムな巻線内でリアルタイムに分散した内部熱状態モニタリングを可能にすることを目的とした光ファイバFBGセンシングシステムの設計について報告する。FBGセンシングシステムを用いたランダムな創傷コイル計装の手順は、電気機械で利用されているものを代表するIEEE標準創傷コイルに関するケーススタディで報告されています。報告された作業はまた、FBGアレイの形状設計、センシングヘッドとファイバのパッケージング、センサーアレイの設置、およびFBGセンシングシステムの実装とアプリケーションの重要な実用的および技術的側面を提示し、議論します校正手順と熱測定を得るための商業用尋問システムの使用。最後に、in in situ多重化されたFBGセンシングシステムの熱監視性能が、代表的な静的および動的熱条件で実証されています。
ランダムな巻きコイルは、現代の産業システムにおけるほとんどの電気装置の重要な設計要素であり、一般的に低電圧電気機械で使用されています。これらのアプリケーションにおける創傷コイルの使用を改善するための主要な障壁は、サービス内の電気熱応力に対するその感受性です。熱過負荷は、これらが絶縁コイル絶縁システムの故障を引き起こし、最終的にその総故障1を引き起こす可能性があるとして、この点で特に関連しています。これは、過度のコイル電流レベル、またはコイル電気的欠陥や冷却システムの誤動作などの他の原因が原因で発生する可能性があり、そこで、局在化されたホットスポットが絶縁破壊につながるコイル構造に誘導されます。インサービスコイルの内部構造のその際の分散熱監視での操作を可能にすることで、使用率の向上と条件ベースのメンテナンスルーチンの開発が可能になります。コイルの動作状態と劣化プロセスの高度な理解と識別を可能にし、したがって、動作状態を維持し、さらなる損傷を防ぐか、または減速するための条件ベースの是正措置2、3.
この方法は、柔軟で電磁的な干渉免疫(EMI)ファイバーブラッグすりおろした光学熱センサーを使用して、電気コイル構造埋め込み熱条件の現場での監視を可能にすることを目的としています。この方法は、電気コイルで使用される既存の熱監視技術よりも多くの機能的な利点を提供します:これらはほとんど常にEMI免疫ではない熱電対(TC)または抵抗温度検出器(RTD)の使用に依存しています。彼らは導電性材料で作られています。それらは一般的に合理的にかさばる従って傷ついた電気コイルの構造内のアプリケーションを感知するのに理想的に適さない。堅牢で柔軟な光ファイバFBGサーマルセンサーの使用は、センサーEMI耐性だけでなく、小型、多重化能力、柔軟性だけでなく、任意の巻きコイルアーキテクチャに組み込んで適合させ、所望の構造位置で正確に熱センシングを達成することを可能にする、この点で多くの大幅な改善を提供します。これらの機能は、電気コイルの熱条件によってデバイスの熱限界が定義され、特に電気輸送の急増に伴うEM使用量の予想されるかなりの成長に照らして関連する電気機械(EM)用途で特に魅力的です。
本論文では、一般的な低電圧ランダム巻きコイル構造を熱FBGセンサで計測し、内部ホットスポットのオンラインモニタリングを可能にする方法論を紹介する。FBGセンサーの選択、設計、パッケージング、計装、校正および使用の詳細なプロトコルが報告されています。これはIEEE標準のランダム巻きコイルモレットシステムで提示される。また、調査したテストコイルの静的および不均一な熱動作条件下で得られたその結果をその中で報告しています。
FBGは、光ファイバコアを「格子」にして周期的な縦方向の刻印(通常はFBGセンシングアプリケーションでセンシングヘッドと呼ばれる)を作成するプロセスによって形成されます。FBGを含む繊維が紫外線にさらされると、既存のFBGヘッドごとにその屈折率が周期的に変調される5が生じる。センシングヘッド反射波長は、光ファイバが露出する熱や機械的条件の影響を受け、適切な設計と適用を想定して、熱または機械的なセンサとして適用されるすりおろされた繊維を可能にします。
FBG技術は、分散型センシングアプリケーションにとって特に魅力的です:各ヘッドが明確なブラッグ波長でコード化され、異なるセンシングポイントとして機能する複数のFBGセンシングヘッドを含むように単一の光ファイバをすりおろすことができます。このタイプのFBGベースのセンシングデバイスは、FBGアレイセンサ6として知られており、その動作概念を図1に示す。広帯域光は、配列を励起するために使用され、各FBGヘッドから異なる反射波長が得られます。ここで、各頭部は、その格子設計に一致する定義された波長(すなわちブラッグ波長)を反映し、また頭部(すなわち、感知)位置で一般的な熱および機械的条件に依存する。信号によるアレイファイバーの励起と、局在した熱や機械的条件に関する情報を含むブラッグ波長の反射スペクトルの検査を可能にする必要があります。
FBG熱センサ実装の特に重要な側面は、熱と機械的な交差感度の影響を緩和し、熱測定値7に対してできるだけ近く得ることだ。熱機械交差感度のFBG固有の特徴は、熱のみまたは機械的なみのセンシングアプリケーションを対象としたFBGセンサの慎重な設計を必要とします。熱感知が懸念される場合、FBG機械的興奮感度を軽減する効果的な方法は、特定の用途に適した材料で作られた包装毛細血管でセンシングヘッドを隔離することである。本研究で検討したコイル埋め込み熱センシングアプリケーションでは、これは交差感度の問題を軽減するだけでなく、脆弱な感知繊維構造を下側および潜在的に破壊的な機械的ストレス8から保護する役割を果たす。
図2Aは、本論文で実証車両として用いたランダムな創傷電気コイル試験片を示す。コイルは、ランダムな創傷コイルの絶縁システムの熱評価手順のためのIEEE規格9に従って設計されています。図2Bに示す結果の試験システムは、モータレットシステムとして知られており、低電圧電気機械における巻線およびその絶縁システムを代表するものです。提示されたケーススタディでは、モジェットは4つの熱感知点から成るFBGアレイ熱センサーで計測され、コイルエンド巻きおよびスロットセクションに局在する傾向がある実用的な機械用途における典型的な熱感知ホットスポットをエミュレートします。校正と性能評価のために、FBG組込みモトレットは、商用の熱室とDC電源を使用して熱励起されます。
この論文は、低電圧巻線のSITU FBGサーマルセンサーの設計、較正、テストに必要な手順を実証しました。これらのセンサーは、巻ドコイル構造を運ぶ電流内のsituセンシングアプリケーションに多くの利点を提供します:それらは完全にEMI免疫があり、柔軟であり、任意の所望のセンシングポイント位置を提供するために任意の所望の幾何学に準拠することができます高い精度で、単一のセンサーに多数のセンシングポイントを提供できます。熱電対または抵抗温度検出器を採用した従来の熱モニタリング技術により、創傷コイル内の熱感知を実現できるが、FBGの適用は多くの魅力的な機能的利点を提供することが示されている。
FBGアレイセンサの適切なパッケージングは、その効果的な利用の鍵です。個々のセンシングヘッドまたはファイバーのセンシング領域全体を適切にパッケージ化して、剛性でありながら柔軟な熱伝導性キャピラリーで機械的励起からFBGヘッドを分離することが重要です。これは、電流搬送コイルの特性EMIリッチ環境で最適な性能を確保するように、非電気伝導性材料の毛細管設計することが望ましいです。
対応するセンシング位置に正確にパッケージセグメントを配置するために、コイルにキャピラリーの取り付けのプロセス中に注意が必要です。また、非常にダイナミックな熱条件が観察される場合に、毛細血管の形状を最適化することも不可欠です。
コイル埋め込みセンサーの正確な特性を確保することが重要です。これは、傷コイルジオメトリ内の設置前に、パッケージ化された無料のセンサーキャリブレーションを実行することで最適です。機械励起からの保護の高度はin situパッケージによって提供されるが、取り付けプロセスはひずみ感受性による波長シフトをもたらす可能性がある。慎重に実行すれば、これは無視できる可能性があります。ただし、可能な限り、この検査は、その時点でのキャリブレーションテストで確認することをお勧めします。
創傷コイル内のFBGのこのアプリケーションは比較的新しく、電気機械の設計、利用、監視、健康診断を改善するための多くの機会を開きます。これらのコストを削減し、電気機械の大規模なアプリケーションのための信じられないほど実行可能なオプションにするために、さらなる作業が必要です。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、英国工学物理科学研究評議会(EPSRC)HOME-オフショア:助成金EP/P009743/1の下で洋上風力発電所コンソーシアムからのエネルギーのためのホリスティックな運用とメンテナンスによってサポートされました。
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 |