В настоящем документе представлен протокол, позволяющий измерять приборы случайных раневых электрических катушек с помощью тепловых датчиков решетки брэгга (FBG) с целью мониторинга распределенных условий внутренних тепловых горячих точек.
Случайные раневые катушки являются ключевым оперативным элементом большинства электрических аппаратов в современных промышленных системах, включая низковольтные электрические машины. Одним из основных проблем, связанных с улучшением эксплуатации электрических устройств, является высокая чувствительность их компонентов ран к тепловому стрессу, направив их в эксплуатацию. Применение обычных методов теплового зондирования (например, термопары, детекторы температуры сопротивления) для мониторинга теплового состояния тока, несущего случайные раны, может налагать значительные эксплуатационные ограничения из-за размера датчика, EMI чувствительность и наличие электрически проводящего материала в их конструкции. Еще одно существенное ограничение существует в распределенных приложениях зондирования и вызвано тем, что часто значительная длина и объем обычных проводов провода датчика.
В этой статье сообщается о разработке волоконно-оптической системы зондирования FBG, предназначенной для обеспечения в режиме реального времени распределенного внутреннего мониторинга тепловых состояний в случайных раневых катушких. Процедура приборов случайной катушки раны с системой зондирования FBG сообщена в изучении случая на iEEE стандартном представителе катушки раны тех используемых в электрических машинах. В отчетной работе также представлены и обсуждаются важные практические и технические аспекты внедрения и применения системы зондирования FBG, включая конструкцию геометрии массива FBG, зондирование головной и волоконной упаковки, установку массива датчиков и процедура калибровки и использование коммерческой системы допросов для получения тепловых измерений. Наконец, в репрезентативных статических и динамических тепловых условиях проявляется мультиплексная система зондирования FBG.
Случайные раневые катушки являются ключевым элементом конструкции большинства электрических аппаратов в современных промышленных системах и широко используются в низковольтных электрических машин. Основным препятствием для улучшения использования раневых катушек в этих приложениях является их чувствительность к электротермовому стрессу. Тепловые перегрузки особенно уместно в этом отношении, поскольку они могут привести к поломке изоляционной системы изоляции изоляции изоляции изоляции и, в конечном счете, к ее полному отказу1; это может возникнуть из-за чрезмерного уровня катушки тока, или других причин, таких как неисправность катушки электрической или неисправности системы охлаждения, где локализованные горячие точки индуцируются в структуре катушки, что приводит к разбивке изоляции. Включение оперативного распределения на месте теплового мониторинга внутренней структуры катушки в эксплуатации позволяет разработать улучшенные процедуры использования и обслуживания на основе условий; это позволило бы для более глубокого понимания и идентификации операционного состояния катушек и любого процесса деградации, и, таким образом, условие основано корректирующие действия для поддержания операционного статуса и предотвращения или замедления дальнейшего повреждения2,3.
Представленный метод направлен на обеспечение на месте мониторинга электрической структуры катушки встроенных тепловых условий с помощью гибких и электромагнитных интерференций иммунного (EMI) волокна Bragg тертых оптических тепловых датчиков. Метод предлагает ряд функциональных преимуществ по сравнению с существующими методами теплового мониторинга, используемыми в электрических катушки: они почти всегда полагаются на использование термопары (ТС) или детекторов температуры сопротивления (RTDs), которые не являются EMI иммунной; они изготовлены из проводящих материалов; и они, как правило, достаточно громоздким, следовательно, не идеально подходит для зондирования приложений в структуре раны электрических катушек. Использование надежных и гибких волоконно-оптических тепловых датчиков FBG обеспечивает ряд значительных улучшений в этом отношении, не только из-за датчика EMI иммунитета, но и его небольшой размер, способность мультиплексирования и его гибкость, которая позволяет им быть встроены в и соответствовать произвольной архитектуры катушки раны для достижения теплового зондирования с точной точностью в желаемых структурных местах4. Эти функции особенно привлекательны в приложениях для электрических машин (EM), где тепловые пределы устройства определяются тепловыми условиями электрической катушки и особенно уместно в свете ожидаемого значительного роста использования ЭМ с распространением электрического транспорта.
В настоящем документе представлена методология инструментирования типичной структуры случайных рановых катушек низкого напряжения с тепловыми датчиками FBG для обеспечения он-лайн мониторинга внутренних горячих точек. Сообщается о подробном протоколе выбора датчика FBG, дизайна, упаковки, приборов, калибровки и использования. Это представлено на стандартной стандартной системе автодрома случайных ран. В документе также сообщается о полученных на месте тепловых измерениях при статичном и неравномерном тепловом рабочем состоянии исследуемой испытательной катушки.
FBGs формируются в процессе “решетки” оптического волокна ядра для создания периодических продольных отпечатков (обычно называют зондирования головы в FBG зондирования приложений); когда волокно, содержащее FBGs подвергается воздействию ультрафиолетового света каждой существующей головке FBG приведет к тому, что его рефракционный индекс будет периодически модулироваться5. Чувствительность головы отражает длины волн будет зависеть от тепловых и механических условий, что волокно подвергается, и, таким образом, позволяют тертое волокно, которое будет применяться в качестве теплового или механического датчика предполагая, адекватной конструкции и применения.
Технология FBG особенно привлекательна для распределенных приложений зондирования: она позволяет натертому одному оптическому волокну содержать несколько головок зондирования FBG, где каждая голова кодируется с отдельной длиной волны Брэгга и действует как отдельная точка зондирования. Этот тип устройства зондирования на основе FBG известен как датчик массива FBG6, и его операционная концепция проиллюстрирована на рисунке 1. Широкополосный свет используется для возбуждения массива, что приводит к четкому отражению длин волн от каждой содержащейся главы FBG; здесь каждая голова отражает определенную длину волны (т.е. длину волны Брэгга), которая соответствует ее конструкции решетки, а также зависит от преобладающих тепловых и механических условий в голове (т.е. зондирования) местоположения. Дознаватель устройство необходимо для включения массива волокна возбуждение со светом и инспекции отраженных спектров для различных длин волн Брэгга, содержащих информацию о локализованных тепловых и / или механических условиях.
Особенно важным аспектом реализации теплового датчика FBG является смягчение термомеханических эффектов поперечной чувствительности, чтобы получить как можно ближе к исключительно тепловым показаниям7. Присущая FBG особенность термомеханической кроссчувствительности требует тщательной конструкции датчиков FBG, предназначенных только для тепловых или механических только чувствительных приложений. В тех случаях, когда речь идет о тепловом зондировании, эффективным методом снижения чувствительности FBG является изоляция сенсорной головки с помощью упаковочного капилляра из материала, пригодного для данного применения; в катушке встроенных теплового зондирования применения рассмотрены в этой работе это не только уменьшает кросс-чувствительность проблемы, но и служит для защиты хрупкой структуры волокна зондирования от нижней и потенциально разрушительного механического стресса8.
На рисунке 2A показан случайный образец испытания электрической катушки, используемый в качестве демонстрационного транспортного средства в этой статье. Катушка разработана в соответствии со стандартами IEEE9 для тепловых процедур оценки изоляционной системы случайных раневых катушек; полученная испытательная система, показанная на рисунке 2B, известна как моторная система и является репрезентативной для обмотки и ее изоляционной системы в низковольтной электрической машине. В представленном примере, motorette будет прибороров с датчиком теплового массива FBG, состоящим из четырех точек теплового зондирования, для эмулирования типичных тепловых зондирующих горячих точек интереса в практических применениях машины, которые, как правило, локализованы в катушке конца обмотки и слот разделов. Для калибровки и оценки производительности, FBG встроенный мотор будет теплововсего возбужденных с помощью коммерческой тепловой камеры и блок питания ПОСТОЯННОГО тока.
В документе продемонстрирована процедура, необходимая для проектирования, калибровки и тестирования на месте FBG тепловых датчиков в низковольтных рановых катушки. Эти датчики предлагают ряд преимуществ для initu зондирования приложений в текущих структурах проведения раны катушки: они полностью EMI иммунной, являются гибкими и могут соответствовать произвольной желаемой геометрии для доставки произвольных желаемых местоположений точки зондирования с высокой точностью, и может обеспечить большое количество точек зондирования на одном датчике. В то время как тепловое зондирование в раневых катушки может быть достигнуто с помощью обычных методов теплового мониторинга с использованием термодетекторов или детекторов температуры сопротивления, применение FBGs, как показано, обеспечивает ряд привлекательных функциональных преимуществ.
Надлежащая упаковка датчика массива FBG является ключом к его эффективному использованию. Важно, чтобы отдельные зондирования головы или всей области зондирования волокна должным образом упакованы для обеспечения изоляции глав FBG от механического возбуждения в жесткой, но гибкой термически проводящей капилляр. Целесообразно, чтобы капилляр был разработан из неэлектрически проводящего материала, так как это обеспечивает оптимальную производительность в богатой среде EMI, характерной для текущих несущих катушек.
Необходимо позаботиться о том, чтобы в процессе установки капилляра в катушки точно позиционировать сегменты упаковки в соответствующих местах зондирования. Также необходимо оптимизировать геометрию капилляров в случае наблюдавшихся высокодинамических тепловых условий.
Очень важно обеспечить точную характеристику встроенного датчика катушки. Это лучше всего сделать, выполняя бесплатную калибровку упакованных датчиков перед его установкой в геометрии раневой катушки. В то время как высокая степень защиты от механического возбуждения обеспечивается упаковкой in situ, процесс установки может привести к сдвигу длины волны из-за чувствительности напряжения. При выполнении тщательно это может быть незначительным; однако, это хорошая практика для этого, чтобы быть установлены в на месте калибровки испытаний, где это возможно.
Это применение FBGs в раневых катушек является относительно новым и открывает ряд возможностей для улучшения дизайна, использования, мониторинга и диагностики здоровья электрических машин. Необходима дальнейшая работа по снижению их стоимости и сделать их достаточно жизнеспособным вариантом для крупномасштабного применения в электротехнике.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Великобритании инженерных и физических наук научно-исследовательский совет (EPSRC) HOME-Offshore: целостная эксплуатация и техническое обслуживание энергии от оффшорных ветропарков консорциума в рамках гранта 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 |