DE10139096A1

DE10139096A1 - Fiber-optic temperature measurement in high voltage conducting components by insertion of a Bragg fiber-optic grating along the copper core of a cable to produce accurate temperature measurements

Info

Publication number: DE10139096A1
Application number: DE2001139096
Authority: DE
Inventors: Juergen Klaar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2002-06-20

Abstract

Method for fiber-optic temperature measurement in a high voltage conducting component using a fiber-optic Bragg grating sensor system (14, 15). The sensor can be used to measure the temperature along the winding rod of a stator winding, along the conductor of a rotor winding and or along the ring conductor (13) of a generator.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Temperaturmessung mittels faseroptischer Sensoren zur Überwachung von hochspannungs führenden Bauteilen in elektrischen Betriebsmitteln, insbe sondere eines Generators.The invention relates to temperature measurement by means of fiber optic sensors for monitoring high voltage leading components in electrical equipment, esp special of a generator.

Die Ausnutzung der Ständernut mit aktiven Leitern der Ständerwicklung wird insbesondere durch die zwischen dem sogenannten Oberstab und dem Unterstab erforderliche Tempe raturmessstelle beschränkt. Die Vorschriften für elektrische Maschinen, insbesondere für Generatoren ab einer bestimmten Leistung (VDE 0530), verlangen die Messung der sogenannten Nut- oder Nutzwischenlagertemperatur zwischen den Wicklungs stäben der Ständerwicklung.Utilization of the stand groove with active conductors of the Stator winding is particularly characterized by the between the so-called upper bar and lower bar required tempe temperature measuring point limited. The regulations for electrical Machines, especially for generators from a certain one Power (VDE 0530), require the measurement of the so-called Slot or useful intermediate storage temperature between the windings rods of the stator winding.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, sind dazu als Temperatursenso ren üblicherweise Widerstandsthermometern 1 vorgesehene, die in einem sogenannten Zwischenschieber 2 aus Isoliermaterial eingebettet sind. Der Zwischenschieber 2 wird in der Ständer nut beim Wickeln zwischen den beiden Wicklungsstäben, d. h. dem Oberstab 4a und dem Unterstab 4b, eingelegt. Die Höhe des Zwischenschiebers 2 ergibt sich aus der konstruktiven Gestal tung der Leiter zur Installation von Sensoren und Messleitun gen. Durch diesen Zwischenschieber 2 geht Raum für aktive Leiter der Wicklungsstäbe verloren.As illustrated in FIG. 1, resistance thermometers 1 are usually provided as temperature sensors, which are embedded in a so-called intermediate slide 2 made of insulating material. The intermediate slide 2 is inserted into the stand nut during winding between the two winding bars, ie the upper bar 4 a and the lower bar 4 b. The height of the intermediate slide 2 results from the structural design of the conductor for installing sensors and measuring lines. This intermediate slide 2 means that space for active conductors of the winding bars is lost.

In der deutschen Patentschrift DE 199 62 668 C1 wird die Installationstechnik von faseroptischen Sensoren, sogenannte Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, im Wicklungsstab innerhalb der Ständernut zur Messung der Kupfertemperatur beschrieben. In diesem Dokument ist auch die Installationstechnik von derar tigen Bragg-Fasern am Leiter im rotierenden Läufer erwähnt. Des weiteren ist dort die Anordnung von Lichtwellenleitern im Bereich unterhalb der äußeren elektrischen Isolation im Be reich des sogenannten Wickelkopfes zur Temperaturmessung ge nannt. In dem in diesem Dokument genannten Aufsatz "Industri al Prototype of a Fiber-Optic Sensor Network for the Thermal Monitoring of the Turbogenerator of a Nuclear Power Plant-Design, Qualification, and Settlement" aus "Journal of Lightwave Technology", Vol. 13, No. 7, Juli 1995, ist zudem die Anordnung faseroptischer Kabel in sogenannten Teflonlei tungen im Bereich des Wickelkopfes zur Wassertemperaturmes sung beschrieben.In the German patent DE 199 62 668 C1 the Installation technology of fiber optic sensors, so-called Fiber Bragg grating sensors, in the winding rod inside the Stand groove for measuring the copper temperature described. In This document is also the installation technology from derar Bragg fibers on the conductor mentioned in the rotating rotor. Furthermore, there is the arrangement of optical fibers in the Area below the external electrical insulation in the Be range of the so-called winding head for temperature measurement ge Nannt. In the article "Industri al Prototype of a Fiber-Optic Sensor Network for the Thermal Monitoring of the turbogenerator of a nuclear power Plant-Design, Qualification, and Settlement "from" Journal of Lightwave Technology ", Vol. 13, No. 7, July 1995, is also the arrangement of fiber optic cables in so-called Teflonlei in the area of the winding head for water temperature measurements solution.

Erfindungsgemäß werden anstelle einer punktuellen, sechsmal am Umfang der Ständernut verteilten Messung der Temperaturen zwischen Ober- und Unterstab nunmehr mit dem an sich bekann ten Faser-Bragg-Gitter-Sensorsystem nicht nur die nach den Vorschriften erforderlichen Messpunkte erfasst, sondern die Temperaturinformationen von weiteren Stellen längs der Wick lungsstäbe ermöglicht. Die Größe der faseroptischen Sensoren benötigt zur Installation nur einen Bruchteil des Raumes der bisher verwendeten Sensoren mit den erforderlichen Konstruk tionsmitteln (Zwischenschieber).According to the invention, instead of a selective, six times Temperature measurement distributed around the circumference of the stator groove between the upper and lower staff now known with the fiber Bragg grating sensor system not only according to the Required measurement points, but the Temperature information from other points along the wick bars made possible. The size of the fiber optic sensors requires only a fraction of the space required for installation previously used sensors with the required construct tion means (intermediate slide).

Durch die in Fig. 2 dargestellte Applikation der Braggfaser 3 auf oder unter der letzten Lage des Wicklungsbandes 5 der Stabisolierung 6 im Bogen 7 der Isolierhülle entfällt der Zwischenschieber 1 oder kann wesentlich dünner ausgeführt werden. Der zur Verfügung stehende Raum der Blechpaketnut 8 kann durch eine größere Anzahl von Teilleitern 9 elektrisch höher genutzt werden. Da der Oberstab 4a thermisch höher als der Unterstab 4b beansprucht wird, ist es sinnvoll, diesen mit mehreren Teilleitern 9 zur Verminderung der Erwärmung auszurüsten. Da die Auslegung der Maschine vom thermischen Zustand des Oberlagestabes mit bestimmt wird, ergibt sich hier die Möglichkeit einer Leistungssteigerung. Um dabei die Gefahr der Beschädigung der Braggfaser beim Einbau des Stabes zu minimieren, ist es sinnvoll, den Unterlagestab 4b mit dem Sensor auszurüsten. Due to the application of the Bragg fiber 3 shown in FIG. 2 on or under the last layer of the winding tape 5 of the rod insulation 6 in the arch 7 of the insulating sleeve, the intermediate slide 1 is omitted or can be made much thinner. The available space of the laminated core groove 8 can be used electrically higher by a larger number of partial conductors 9 . Since the upper rod 4 a is thermally stressed higher than the lower rod 4 b, it makes sense to equip it with several partial conductors 9 to reduce the heating. Since the design of the machine is also determined by the thermal condition of the top layer, there is the possibility of an increase in performance. In order to minimize the risk of damage to the Bragg fiber when installing the rod, it is advisable to equip the support rod 4 b with the sensor.

Alternativ kann ein dünner Zwischenschieber 10 mit einer Dicke kleiner als 1 mm auf den U-Stab geklebt und die Bragg faser in den Zwickel 11 zur Isolierhülse befestigt werden.Alternatively, a thin intermediate slide 10 with a thickness of less than 1 mm can be glued to the U-rod and the Bragg fiber can be fastened in the gusset 11 to the insulating sleeve.

An direkt gekühlten Schaltungen und Stromdurchführungen kommt es insbesondere durch Montagefehler vor, dass die Kühlung (Gas oder Wasser) nicht ausreicht mit der Folge, dass die Kupferleiter mit erheblichen Folgeschäden schmelzen. Hierfür installierte Überwachungseinrichtungen können derartige Feh ler nicht oder nur zu spät erfassen. Aus diesem Grund ist eine Temperaturmessung entlang der hochspannungsführenden Leiter wiederum mit Bragg-Fasern sinnvoll.Comes with directly cooled circuits and current feedthroughs it particularly due to assembly errors that the cooling (Gas or water) is not sufficient with the consequence that the Melt copper conductors with considerable consequential damage. Therefor installed monitoring devices can cause such errors Do not grasp or too late. For this reason a temperature measurement along the high voltage Ladder with Bragg fibers makes sense.

Fig. 3 zeigt ein derartiges System, bei dem auf dem Kupfer 12 der Ringleitung 13 über die gesamte Länge eine Braggfaser 14 mit mehreren Sensoren 15 befestigt wird. Die Sensorstellen 15 liegen dabei insbesondere auch an Anschlussstellen oder Ein mündungen von Stäben 16 in die Ringleitung 14. Zum Ausgleich thermischer Spannungen wird die Faser wendelförmig um den Leiter gelegt. Fig. 3 shows such a system in which a Bragg fiber 14 is secured with a plurality of sensors 15 on the copper 12 of the loop 13 over the entire length. The sensor points 15 are in particular also at connection points or openings of rods 16 in the ring line 14 . To compensate for thermal stresses, the fiber is placed helically around the conductor.

Fig. 3a zeigt einen Schnitt A-B durch die Ringleitung 14 an der in Fig. 3 gezeigten Stelle. Zum Fixieren der Faser wird ein Kleber 17 verwendet, der bei ca. 80°C elastisch wird. Zum Schutz und zur weiteren Fixierung wird die Faser mit einer essigfreien Silikonschicht 18 abgedeckt. Anschließend wird die Isolierung 19 der Ringleitung aufgebracht. Auch ist eine Verlegung der Faser in einer kleinen Nut im Kupfer vorteil haft. FIG. 3a shows a section AB through the ring line 14 at the point shown in FIG. 3. An adhesive 17 is used to fix the fiber, which becomes elastic at approx. 80 ° C. For protection and for further fixation, the fiber is covered with a vinegar-free silicone layer 18 . Then the insulation 19 of the ring line is applied. It is also advantageous to lay the fiber in a small groove in the copper.

Die Faser wird in einer Stromdurchführung 20 zur Messung der Temperatur verlegt. Da für diese Maschinen meist Wasserstoff als Kühlgas 21 verwendet wird, muss die Braggfaser aus dem Inneren der Maschine gasdicht durch die Gehäusewand 22 nach außen zur Auswerteeinheit 23 verlegt werden. Zu diesem Zweck wird die Braggfaser in Dichtglas 24 einer speziellen Mess durchführung 25 eingeschmolzen. Die Messdurchführung kann mehrere dieser Braggfasern aufnehmen und erhält zur einfachen Montage außen und innen faseroptische Steckverbinder 26. Umlenkelemente 27 dienen zur optischen Umlenkung des Messsignals.The fiber is laid in a current feedthrough 20 for measuring the temperature. Since hydrogen is mostly used as cooling gas 21 for these machines, the Bragg fiber must be laid gas-tight from the inside of the machine through the housing wall 22 to the outside of the evaluation unit 23 . For this purpose, the Bragg fiber is melted into sealing glass 24 of a special measuring bushing 25 . The measuring bushing can accommodate several of these Bragg fibers and is provided with fiber-optic plug connectors 26 on the outside and inside for simple assembly. Deflection elements 27 serve for the optical deflection of the measurement signal.

In Fig. 4 ist die Anordnung der Temperaturmessung im Leiter 38 einer rotierenden Läuferwicklung 31 in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht sowie in einer Schnittdarstellung A-A dargestellt. Die Faser 32 wird in kleinen Nuten 33 direkt auf der Innenseite des Leiters eingelegt. Die Nut wird mit Sili kon 34 ausgefüllt. Die Fixierung der Faser erfolgt zur Monta ge mit Kleber 35, der bei ca. 80°C elastisch wird.In FIG. 4, the arrangement of the temperature measurement is shown a rotating rotor winding 31 in a plan view and in a side view and in a sectional view AA in the conductor 38. The fiber 32 is inserted in small grooves 33 directly on the inside of the conductor. The groove is filled with Sili con 34 . The fiber is fixed for assembly with adhesive 35 , which becomes elastic at approx. 80 ° C.

Da die Faser keine kleinen Radien bei der Verlegung erlaubt, sind zur Richtungsänderung entsprechende faseroptische Um lenkelemente 34, z. B. Glasprismen, vorgesehen. Auch sind be rührungslose optische Adapter 35 vorgesehen, um am Läufer un vermeidbare Verschiebungen zwischen zwei Bauteilen zu über brücken. Derartige faseroptische Adapter 35 sind beispiels weise Linsen oder Fotodetektoren. Die Weiterführung der Braggfaser vom rotierenden Läufer zur stationären Auswerte einheit 36 erfordert einen gewissen Aufwand. Deshalb sollte die Auswerteeinheit auf dem Läufer mitrotieren, wobei dann die Datenübertragung 37 über bekannte Systeme 38 durchgeführt werden kann.Since the fiber does not allow small radii when laying, corresponding fiber optic order steering elements 34 , z. B. glass prisms provided. Also contactless optical adapters 35 are provided to bridge unavoidable displacements between two components on the rotor. Such fiber optic adapters 35 are, for example, lenses or photo detectors. The continuation of the Bragg fiber from the rotating rotor to the stationary evaluation unit 36 requires a certain effort. The evaluation unit should therefore also rotate on the rotor, in which case the data transmission 37 can be carried out via known systems 38 .

Die Temperaturmessung mittels Braggfasern beruht auf dem thermo-optischen Messprinzip, indem für die Temperaturmessung ein Glasfaser-Sensor benutzt wird, der auf einem kurzen Ab schnitt ein Gitter äquidistanter Rillen aufweist (Fiber Bragg Grating, FBG). Dieses Messprinzip der faseroptischen Sensoren mit eingeätzem Bragg-Gitter beruht darauf, dass mit einem breiten Wellenlängenspektrum durch die Faser geschicktes Licht an diesem Gitter gebrochen und mit einer Wellenlänge reflektiert wird, die dem Gitterabstand d entspricht. Über eine Kopplerweiche enthält ein Spektrometer das reflektierte Licht und zeigt die empfangene Wellenlänge in entsprechender Intensität an. Auf einer einzigen Glasfaser können verschie dene FBG-Sensoren durch geschickt abgestuft gewählte Gitter abstände d₁ bis d_N seriell angeordnet werden. Entsprechende Sensoren mit unterschiedlichen Gitterparametern reflektieren dementsprechend andere Wellenlängen.The temperature measurement using Bragg fibers is based on the thermo-optical measuring principle, in that a glass fiber sensor is used for the temperature measurement, which has a grid of equidistant grooves on a short section (Fiber Bragg Grating, FBG). This measuring principle of fiber-optic sensors with an etched-in Bragg grating is based on the fact that light transmitted through the fiber with a broad wavelength spectrum is refracted at this grating and reflected with a wavelength that corresponds to the grating distance d. A spectrometer contains the reflected light via a coupler switch and displays the received wavelength in corresponding intensity. Various FBG sensors can be arranged in series on a single glass fiber using cleverly graded grid spacings d ₁ to d _N. Corresponding sensors with different grating parameters reflect different wavelengths accordingly.

Unter der Einwirkung von Temperatur oder mechanischen Kräften verändern sich Gitterabstand und Brechungsindex der einzelnen FBG-Sensoren. Sie reagieren somit prinzipiell auf zwei unter schiedliche Einflussgrößen, wobei für den Anwendungsfall der Temperaturmessung in Generatorwicklungen der mechanische Ein flussfaktor eliminiert werden muss. Hierzu wird das Bragg-Gitter spannungsfrei in ein kleines Quarzglassubstrat einge schmolzen. Dieses nimmt die äußeren mechanischen Kräfte auf und hält sie vom Bragg-Gitter fern. Die Verschiebungen in der Wellenlänge des reflektierten Spektrums sind somit ein ein deutiges Maß für Temperaturänderungen am jeweiligen Sensor.Under the influence of temperature or mechanical forces the grating spacing and refractive index of the individual change FBG sensors. You basically respond to two under different influencing variables, whereby for the application the Temperature measurement in generator windings the mechanical one flow factor must be eliminated. For this, the Bragg grating inserted stress-free into a small quartz glass substrate melted. This absorbs the external mechanical forces and keeps them away from the Bragg grid. The shifts in the The wavelength of the reflected spectrum is thus a clear measure of temperature changes at the respective sensor.

Somit kann die Temperatur entlang eines Wicklungsstabes über dessen gesamte Länge verteilt - und an mehreren Stellen unab hängig voneinander - gemessen werden.Thus, the temperature can drop across a winding bar its entire length is distributed - and independent in several places dependent on each other - be measured.

Claims

1. A method for fiber-optic temperature measurement on a high-voltage component in electrical equipment, in which the temperature along a winding rod ( 4 a, 4 b) of a stator winding, along a conductor ( 38 ) by means of a fiber Bragg grating sensor system ( 3 ) a rotor winding ( 31 ) and / or along a ring line ( 13 ) of a generator.

2. The method according to claim 1, wherein the temperature of the winding rod ( 4 a, 4 b) by means of a between its upper rod ( 4 a) and its lower rod ( 4 b), in particular in between the upper rod ( 4 a) and lower rod ( 4 b ) formed gusset ( 11 ), laid fiber Bragg grating sensor system ( 3 ) is detected.