DE102010036492B4 - Stator-Endwicklungskomponenten-Überwachungssystem - Google Patents

Abstract

Stator (14), aufweisend:Stator-Endwicklungskomponenten aufweisend Endwicklungsstäbe (32), Endwicklungsschleifen (34), Zwischenverbindungsleiter (44) und mehrere Verbindungsringe (40) undein Messkabel (50) mit zwei Fixierungspunkten (63), die an zwei Verbindungsringen (40) und an wenigstens einen der Zwischenverbindungsleiter angrenzend befestigt sind, und mit Sensoren (54), um eine relative Verlagerung zwischen den zwei Stator-Endwicklungskomponenten zu messen, wobei wenigstens einer von den Sensoren zwischen benachbarten Verbindungsringen befestigt ist.

Description

• Hintergrund
• Die Erfindung betrifft allgemein Messtechnologie und insbesondere ein Messsystem zum Überwachen des einwandfreien Zustands von Endwicklungskomponenten einer drehenden elektrischen Maschine, wie z.B. eines Generators oder Motors.
• Drehende elektrische Maschinen, wie z.B. von Dampfturbinen oder Gasturbinen angetriebene Generatoren haben die Fähigkeit, in ihren Statorwindungen mehrere Tausend Ampere Strom zu führen. Statorwindungen weisen im Wesentlichen leitende Stäbe auf, die in einem Statorkern in entsprechenden Schlitzen gehalten werden, und Endwicklungen, die sich über den Statorkern hinaus erstrecken. Endwicklungskomponenten sind elektrodynamischen und mechanischen Kräften unterworfen, die eine Verlagerung der Endwicklungen bewirken. Elektrodynamische Kräfte werden beispielsweise durch hohe Ströme bewirkt, die während Start- und Spitzenlastbedingungen durch die Endwicklungen fließen. Durch normale mechanische Schwingungen der Rotationsmaschine werden mechanische Kräfte verursacht. Man hat erkannt, dass eine übermäßige Verlagerung der Endwicklungen einige unerwünschte Effekte einschließlich derjenigen hat, dass die Windungsisolation in den Endwicklungen zerstört werden kann und dass die Endwicklungen aufgrund elektromechanischer Kräfte einem Verschleiß unterliegen, der zu einem vorzeitigen Ausfall der Rotationsmaschinen führt. Es besteht im Fachgebiet ein Bedarf nach Überwachung des Zustandes von Endwicklungen und eine frühzeitige und genaue Erkennung einer Endwicklungslockerung ist erwünscht.
• Eine Detektionstechnik zum Erkennen der Lockerung von Endwicklungen nutzt faseroptische Beschleunigungsmesser zum Überwachen des einwandfreien Zustandes von Endwicklungen. Faseroptische Beschleunigungsmesser messen typischerweise Beschleunigungen in drei rechtwinkligen Achsen an mehreren Stellen auf den Endwicklungen. Jedoch erfordert ein derartiges Verfahren, dass jede Achse oder jedes Achsenpaar einen getrennten Beschleunigungsmesser und ein Zu- und Rückleitungskabel besitzt, was zu einem unhandlichen Verdrahtungsaufwand führt. Zusätzlich messen Beschleunigungsmesser Schwingung in Bezug auf einen stationären Bezugsrahmen, wie z.B. den Boden, auf welchem die Rotationsmaschine montiert ist. Die gemessene Schwingung ist die Summe von Schwingungen aus mehreren möglichen Quellen, welche Rotorunwucht, Lagerschäden und Verschlechterung der Endwicklungskomponenten beinhalten. Daher sind Beschleunigungsmessungen ein indirektes Maß für einen einwandfreien Zustand von Endwicklungen.
• DE 10 2007 002 722 A1 beschreibt eine optische Messeinrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Verformung eines elektrischen Leiters und die Verwendung der Messeinrichtung und des Verfahrens für eine elektrodynamische Maschine. Die Messeinrichtung ist über einen Lichtwellenleiter mit dem Stator der Maschine verbunden. Zwei optische Sensoren sind übereinander in einem Wickelkörper des Stators angeordnet. Eine Verformung im Stator wirkt sich auf die optischen Sensoren aus und kann von der Messeinrichtung erfasst werden.
• Es wäre wünschenswert, über eine verbesserte Messvorrichtung für eine Verlagerungsmessung von Endwicklungen zu verfügen.
• Kurzbeschreibung
• Gemäß der Erfindung weist ein Stator Stator-Endwicklungskomponenten aufweisend Endwicklungsstäbe, Endwicklungsschleifen und mehrere Verbindungsringe auf sowie ein Messkabel. Das Messkabel weist zwei Fixierungspunkte auf, die an zwei Verbindungsringen und an wenigstens einen der Zwischenverbindungsleiter angrenzend befestigt sind, und Sensoren zum Messen einer relativen Verlagerung zwischen den zwei Stator-Endwicklungskomponenten. Dabei ist wenigstens einer von den Sensoren zwischen benachbarten Verbindungsringen befestigt.
• Gemäß einer weiteren hierin offenbarten Ausführungsform weist ein Stator-Endwicklungs- und Verbindungsring-Überwachungssystem ein faseroptisches Messkabel auf. Das faseroptische Messkabel weist Sensoren auf, die jeweils mittels Fixierungspunkten zwischen zwei von den Verbindungsringen befestigt sind. Das Stator-Endwicklungs- und Verbindungsring-Überwachungssystem weist ferner eine Lichtquelle zum Zuführen von Licht zu den Sensoren, einen Lichtdetektor für den Empfang von Licht, das die Sensoren passierte oder von diesen reflektiert wurde, und einen Prozessor für den Empfang von das aus dem Lichtdetektor detektierte Licht anzeigenden Signalen und zur Verwendung der Signale zur Bestimmung auf, ob eine relative Verlagerung zwischen einem der Verbindungsringe außerhalb eines zusätzlichen Bereiches liegt.
• Figurenliste
• Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in denen:
• 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden Rotationsmaschine ist.
• 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes A in 1 ist.
• 3 eine veranschaulichende perspektivische Ansicht eines Endbereichs des Stators mit mehreren an einem vorderen Ende des Stators montierten Verbindungsringen ist.
• 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Fasermesskabels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
• 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Fasermesskabels gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
• 6 eine Teildraufsicht auf ein Messkabel ist, das auf drei Endwicklungskomponenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung montiert ist.
• 7 ein exemplarisches Wellenlängenspektrum von mehreren Bragg-Gittern ist.
• 8 eine Teildraufsicht auf ein Messkabel ist, das auf den Endwicklungskomponenten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung montiert ist.
• 9 eine Teildraufsicht auf ein Messkabel ist, das auf den Endwicklungskomponenten gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung montiert ist.
• 10 eine Teildraufsicht auf ein Messkabel ist, das auf den Endwicklungskomponenten gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung montiert ist.
• 11 eine Teildraufsicht auf ein Messkabel ist, das auf den Endwicklungskomponenten gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung montiert ist.
• 12 eine Teilseitenansicht eines halbstarren Verbindungsteils und Messkabels ist, die an den Endwicklungskomponenten gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung montiert sind.
• Detaillierte Beschreibung
• Ausführungsformen der Erfindung betreffen Stator-Endwicklungs-Überwachungssysteme unter Verwendung von faseroptischen Messkabeln zum Messen einer relativen Verlagerung von Endwicklungskomponenten einschließlich, jedoch ohne Beschränkung darauf, von Lagerungs- oder Verbindungskomponenten, die direkt oder indirekt Stator-Endwicklungen einschließlich, jedoch ohne Beschränkung darauf, Verbindungsringe und Statorstäbe unterstützen oder verbinden. Eine relative Verlagerung zwischen Endwicklungskomponenten ist ein Hinweis auf den Zustand von Stator-Endwicklungen. „Relative Verlagerung“ bezieht sich hierin auf eine Verschiebung eines Abstandes zwischen zwei Endwicklungskomponenten. Die zwei Endwicklungskomponenten können direkt nebeneinanderliegen, oder können durch eine oder mehrere Endwicklungskomponenten dazwischen getrennt sein. So wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „ein“, „einer“, „eines“, und „der“, „die“, „das“ keine Einschränkung der Menge, sondern zeigen lediglich das Vorliegen wenigstens einer der genannten Elemente an. Ebenso bedeutet, wie hierin verwendet, „zwei Endwicklungskomponenten“, dass mindestens zwei Endwicklungskomponenten vorhanden sind.
• In 1 ist eine Rotationsmaschine 10, wie z.B. ein AC-Induktionsmotor, AC-Generator, AC-Synchronmotor oder AC-Synchrongenerator dargestellt. In einer Ausführungsform ist die Rotationsmaschine 10 ein wasserstoffgekühlter Generator und weist einen Rotor 12 und einen Stator 14 auf. Der Stator 14 weist einen Rahmen 16, einen in einer festen Position in dem Rahmen 16 montierten Statorkern 18 und mehrere auf den Statorkern 18 gewickelte Statorwindungen 20 auf. In einer Ausführungsform besteht der Statorkern 18 aus Blechen aus einem ferromagnetischen Material, wie z.B. Eisen, Kobalt, Nickel oder einer Legierung davon. Der Statorkern 18 kann eine sich durch vordere und hintere Enden 26, 28 des Statorkerns 18 erstreckende Stator-Endwicklung 24 aufweisen. Der Statorkern 18 definiert mehrere Schlitze 25 in einer Innenoberfläche des Statorkerns 18, um wenigstens Abschnitte der Statorwindungen 20 aufzunehmen.
• In der Ausführungsform von 1 ist der Rotor 12 drehbar in der Rotorendglocke 24 des Stators 14 angeordnet und elektromagnetisch mit dem Stator 14 gekoppelt. Eine Längsrotationsachse des Rotors 12 fällt mit der Längsachse S des Statorkerns 18 zusammen. Ein ringförmiger Spalt 30 zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 14 ist durch eine Außenoberfläche des Rotors 12 und eine Innenoberfläche des Statorkerns 18 definiert. Im Betrieb einer Rotationsmaschine 10 wird beispielsweise ein Strom durch die Statorwindungen 20 geschickt, um dadurch ein Magnetfeld in der Rotorendglocke 24 zu erzeugen, welches durch das ferromagnetische Material in dem Statorkern 18 verstärkt wird. Das Magnetfeld koppelt ist mit Leitern des Rotors 12 gekoppelt, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches den Rotor 12 dreht. In einem Betriebsbeispiel eines Generators (Rotationsmaschine 10) wird Dampf für den Rotationsantrieb des Rotors 12 verwendet, welcher ein Magnetfeld in der Rotorendglocke 24 bewirkt, das einen Wechselstrom in die Statorwindungen 20 induziert.
• Die Statorwindungen 20 weisen jeweils in dem entsprechenden Schlitz 25 befestigte und sich über vordere und hintere Enden 26, 28 des Statorkerns 18 hinaus erstreckenden leitende Stäbe 32 und eine Schleife 34 an einem distalen Ende der leitenden Stäbe 32 auf. So wie hierin nachstehend verwendet, werden Schleifen 34 zusammen mit den sich aus dem Statorkern 18 heraus erstreckenden leitenden Stäben als die „Endwicklungen“ bezeichnet.
• Die Schleifen 34 sind jeweils mit entsprechenden leitenden Stäben 32 in einer beliebigen geeigneten Weise verbunden. In der dargestellten Ausführungsform von 1 weisen die leitenden Stäbe 32 obere und untere Stäbe 36, 38 auf, die in zwei Lagen angeordnet und in einem entsprechenden Schlitz 25 befestigt sind. Jede Schleife 34 verbindet elektrisch einen entsprechenden Satz von oberen und unteren Stäben 36, 38. In einer Ausführungsform weisen die Statorwindungen 20 drei Gruppen für einen Wechselstromausgang mit drei Phasen (U-Phase, Y-Phase und W-Phase) auf.
• In der dargestellten Ausführungsform von 1 weist der Stator 14 mehrere Verbindungsringe 40 auf, die an vorderen und hinteren Enden 26, 28 des Statorkerns 18 montiert sind. In einer Ausführungsform sind die Verbindungsringe 40 parallel zueinander und sind jeweils im Wesentlichen zu der Längsachse (S) rechtwinklig. In einer Ausführungsform weist der Stator 14 drei Paare von Verbindungsringen 40 auf, die am hinteren Ende 28 des Statorkerns 18 montiert sind. Jedes Paar von Verbindungsringen 40 ist mit einer Phasengruppe der Statorwindungen 20 verbunden.
• In 2 ist jeder von zwei benachbarten Verbindungsringen 40 voneinander entlang der Längsachse (S) durch einen entsprechenden von mehreren Verbindungsringabstandshaltern 42 in getrennt. In einer Ausführungsform weist der Stator 14 ferner einen auf dem hinteren Ende 28 montierten ringförmigen Kernendflansch 41 auf. Mehrere axiale Halter 43 sind an dem ringförmigen Kernendflansch 41 entlang einem Außenumfang des Kernendflansches 41 befestigt. Jeder axiale Halter 43 weist einen schrägen unteren Rand mit mehreren (nicht dargestellten) Löchern auf. Mehrere Verbindungselemente 47 werden dazu verwendet, obere und untere leitende Stäbe 36, 38 aneinander und mit den Löchern der axialen Halter 43 zu verzurren. Verbindungseinrichtungen 45 sind zwischen den oberen und unteren leitenden Stäben 36, 38 und zwischen den oberen Stäben 36 und dem entsprechenden axialen Halter 43 vorgesehen. Jeder axiale Halter 43 kann ferner mehrere Löcher 49 in seinem oberen Abschnitt aufweisen. Verbindungsringe 40 sind an Löchern 49 mit (nicht dargestellten) Verbindungselementen festgezurrt und an den axialen Haltern 43 befestigt. Die Endwicklungs- und Verbindungsringbefestigungsanordnungen in 2 sind für Beispielzwecke vorgesehen. Eine weitere Ausführungsform beinhaltet ferner die Verwendung eines kompressiblen Kissens, um die Endwicklungswindungen zu befestigen, wie es in dem U.S. Patent No. 3,924,149 f ür Estrada et al. mit dem Titel TIELESS BRACING AND METHOD FOR SUPPORTING ENDTURNS OF A DYNAMOLECTRIC MASCHINE dargestellt ist, und das hierin durch Bezugnahme beinhaltet ist.
• In 3 weist in einer Ausführungsform der Stator 14 ferner mehrere Zwischenverbindungsleiter 44 auf, um jede Gruppe der Statorwindungen 20 mit dem entsprechenden Verbindungsring 40 zu verbinden. In einer Ausführungsform weist der Stator 14 ferner mehrere Anschlüsse 46 zum Verbinden der Verbindungsringe 40 der drei Phasen mit einer (nicht dargestellten) externen elektronischen Einrichtung auf. In einer Ausführungsform weist jeder Zwischenverbindungsleiter 44 und Anschluss 46 einen integrierten Abschnitt eines entsprechenden Verbindungsringes 40 auf. In einer weiteren Ausführungsform können die Zwischenverbindungsleiter 44 und/oder Anschlüsse 46 ein beispielsweise mit dem Verbindungsring 40 über ein Hartlötverfahren verbundenes diskretes Element aufweisen.
• In 1 weist in einer Ausführungsform der Stator 14 ferner ein Messsystem 48 zum Überwachen des Zustandes von Endwicklungen des Stators 14 auf. In einer Ausführungsform weist das Messsystem 48 ein Messkabel 50 und mehrere in dem Messkabel 50 befestigte Sensoren auf. In einer Ausführungsform weisen Sensoren Fasersensoren auf, die jeweils eine optische Faser 52 (4) enthalten. In einer spezifischeren Ausführungsform weisen die optischen Fasern jeweils ferner mehrere darin eingeschriebene Bragg-Gitter 54 (4) auf. Das Messsystem 48 weist ferner eine Lichtquelle 56 zum Übertragen von Licht an die optischen Fasern und ein Detektormodul 58 zum Detektieren von Licht, das von den optischen Fasern 52 (4) übertragen oder reflektiert wird, und zum Überwachen von Wellenlängenänderungen des detektierten Lichtes auf. In einer Ausführungsform weist das Messsystem ferner einen Prozessor 60 zum Empfangen von Wellenlängenänderungen aus einem Detektormodul 58 und zur Durchführung von Berechnungen auf, die für Zustandsüberwachung, Maschinenschutz, Wartungsplanung oder Steuerung der Rotationsmaschine 10 zu verwenden sind.
• In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist das Messkabel 50 an Endwicklungskomponenten montiert, um eine relative Verlagerung von wenigstens zwei Endwicklungskomponenten zu messen, um so einen Zustand der Endwicklungen zu überwachen. Die Endwicklungskomponenten weisen in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung die Endwicklungen selbst sowie alle Komponenten auf, die direkt oder indirekt die Statorwindung 20 halten oder verbinden. Beispielsweise können Endwicklungskomponenten Endwicklungen, Verbindungsringe 40, Schleifen 34, den Kernendflansch 41, Verbindungsringabstandshalter 42, axiale Halter 43, Zwischenverbindungsleiter 44 und Anschlüsse 46 umfassen. In der dargestellten Ausführungsform ist das Messkabel 50 zwischen zwei Verbindungsringen 40 befestigt, um eine relative Verlagerung der zwei Verbindungsringe 40 zu messen. In weiteren Ausführungsformen ist das Messkabel 50 an anderen Endwicklungskomponenten montiert, die direkt oder indirekt die Endwicklungen halten oder damit verbunden sind. In einer (nicht dargestellten) Ausführungsform ist beispielsweise das Messkabel 50 auf wenigstens einem der Verbindungsringe 40 und dem Kernendflansch 41 montiert, um eine relative Verlagerung von dem wenigstens einen Verbindungsring 40 und dem Kernendflansch 41 zu messen. In einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform kann das Messkabel 50 auf Schleifen 34 befestigt sein, um eine relative Verlagerung von wenigstens zwei Schleifen 34 zu messen.
• Wie es deutlicher in 2 sehen ist, kann in einer Ausführungsform das Messkabel 50 ein Kabel aufweisen, das mehrere Messabschnitte 62, die jeweils wenigstens zwei Endwicklungskomponenten (wenigstens zwei parallele Verbindungsringe 40 in der dargestellten Ausführungsform) queren, zusammenfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann das Messkabel 50 mehrere getrennte Messpunkte 62, jeweils über wenigstens zwei Endwicklungskomponenten aufweisen. Die Messabschnitte 62 weisen wenigstens zwei Fixierungspunkte 63, die jeweils an zwei (als Verbindungsringen 40 in 2 dargestellten) Komponenten befestigt sind, und mehrere Sensoren 54, wie z.B. Faser-Bragg-Gitter 54 auf, die in 8 zwischen Fixierungspunkten 63 dargestellt sind. Wellenlängenänderungen der Sensoren zwischen zwei benachbarten Fixierungspunkten 63 sind Anzeichen einer relativen Verlagerung der zwei parallelen Verbindungsringe 40. In einer Ausführungsform ist der Messabschnitt 62 angrenzend an einen Zwischenverbindungsleiter 44 (3) angeordnet.
• 4 ist eine Teilquerschnittsansicht eines exemplarischen Messabschnittes 62 des Messkabels 50 gemäß einer Ausführungsform. Der exemplarische Messabschnitt 62 weist mehrere (als Bragg-Gitter dargestellte) Fasersensoren 54 auf, die in eine optische Faser 52 eingeschrieben sind, welche in einem Armierungsrohr 64 durch Verfüllen mit einem Polymer-Klebermaterial um die optische Faser 52 herum eingeschlossen ist. In bestimmten Ausführungsformen weist das Armierungsrohr 64 ein zusammengesetztes Rohr beispielsweise mit Glasfaser oder ein Polymer-Rohr mit einem Material wie z.B. Polyimid, Polytetrafluorethylen, Silikon oder einem Elastomer auf. Demzufolge kann das Messkabel 50 eine große Verformung ohne Bruch unter Belastung aushalten und kann sich in einen Ausgangszustand nach Wegfall der Belastung zurückverformen. In einer Ausführungsform weist ein Verpackungsprozess des Messkabels 50 einen Härtungsprozess auf, um ein wässriges Polymer-Klebermaterial 66 in einen Feststoff unter einer Temperatur von 150 bis 200° C umzuwandeln, um so die optische Faser 52 und die Bragg-Gitter 54 in das Armierungsrohr 64 einzubauen. In bestimmten Ausführungsformen ist das Messkabel 50 an den Endwicklungskomponenten entweder mittels eines Klebers oder anderen Verbindungsmaterials befestigt.
• 2 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Messabschnittes 62 des Messkabels 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der dargestellte Messabschnitt 62 weist eine die optische Faser 52 umgebende Beschichtungslage 68 und ein die optische Faser 52 unterstützendes Halterohr 70 auf. Die Beschichtungslage 68 kann ein Polyimidmaterial aufweisen und eine Dicke im Bereich von 20 bis 50 µm haben. Die Beschichtungslage 68 und die durch die Beschichtungslage 68 geschützte optische Faser 52 sind an einer Außenoberfläche des Halterohrs 70 beispielsweise durch ein Klebermaterial angebracht. In bestimmten Ausführungsformen weist das Halterohr 70 Glasfaser, flexiblen Kunststoff oder Isolationsmaterial auf. Das Halterohr 70 ist zwischen zwei Endwicklungskomponenten durch Klebermaterial und/oder beispielsweise durch eine Klemme befestigt. Verlagerungen der Endwicklungen werden an das Lagerungsrohr 70 übertragen und bewirken außerdem eine Verformung oder Biegung der optischen Faser 52, welche aus Wellenlängenverschiebungen der Fasersensoren 54 detektiert werden können.
• Die 6 und 8 - 12 veranschaulichen vergrößerte Querschnittsansichten von Messabschnitten 72, 74, 76, 78, 80, 82 der Messkabel 50 zur Messung relativer Verlagerungen von Endwicklungskomponenten gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung. Die Endwicklungskomponenten sind in den dargestellten Ausführungsformen Verbindungsringe 40, könnten aber durch beliebige andere Endwicklungskomponenten ersetzt werden.
• In 6 weist eine Ausführungsform 72 des Messabschnittes für die Messung von relativen Verlagerungen von drei Verbindungsringen 40 Fixierungspunkte 63, die jeweils an einem entsprechenden Verbindungsring 40 befestigt sind, und ein oder mehrere Bragg-Gitter 54 zwischen jedem von zwei benachbarten Fixierungspunkten 63 (Verbindungsringen 40) auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das Messkabel 50 rechtwinklig zu den Verbindungsringen 40 ausgerichtet. In einer Ausführungsform sind die Fixierungspunkte 63 an den Verbindungsringen mittels eines Klebermaterials, wie z.B. Epoxid, befestigt.
• Wenn Licht aus der Lichtquelle 56 durch die optische Faser 52 an das Bragg-Gitter 54 übertragen wird, wird Lichtenergie durch die Bragg-Gitter 54 mit der Nummer (i) bei entsprechenden Bragg-Wellenlängen λ_b(i) gemäß der Gleichung 1 reflektiert: $${\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\left(\text{i}\right)=2{\text{n}}_{\text{eff}}\mathrm{\Lambda }\left(\text{i}\right),$$

  

  wobei „n_eff“ ein effektiver Brechungsindex des Faserkerns ist und „Λ(i)“ die Periodizität der entsprechenden Gittermodulationsstruktur mit der Nummer(i) ist. In bestimmten Ausführungsformen haben unterschiedliche Bragg-Gitter 54 unterschiedliche Modulationsperioden, und somit haben die Bragg-Gitter 54 unterschiedliche Mittenwellenlängen, wie es in 7 dargestellt ist. Demzufolge kann das Detektormodul 44 die jeweils von den Bragg-Gittern 54 reflektierten Spektren unterscheiden. Es ist somit vorteilhaft, mehr Messpunkte (Bragg-Gitter) auf demselben Messkabel 50 ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Verdrahtungen anzuordnen.
• Der effektive Brechungsindex (neff) und die Perioden (Λ(i)) der entsprechenden Bragg-Gitter sind beide Funktionen der an die Bragg-Gitter 54 angelegten Temperaturen und Zugspannungen. Eine Wellenlängenänderung wird somit sowohl durch eine thermische als auch verformende Dynamik innerhalb einer bestimmten Zeitperiode t gemäß Gleichung 2 induziert: $$\Delta {\lambda }_B\left(T,t\right)=K_{\epsilon }\epsilon \left(T,t\right)+K_T\Delta T\left(t\right)$$

  

  wobei K_ε und K_T jeweils Verformungs- und Temperaturempfindlichkeiten der Bragg-Gitter 54 sind. In einigen Ausführungsformen können dynamische Ereignisse, wie z.B. Lockerungsereignisse bei einer wesentlich höheren Frequenz und wesentlich schneller als Temperaturänderungen auftreten. Demzufolge kann eine Trennung zwischen der durch Umwelttemperaturänderungen bewirkten langsam veränderten Temperaturreaktion und der vorübergehenden dynamischen Reaktion erreicht werden, indem Wellenlängenverschiebungen innerhalb bestimmter Zeitintervalle analysiert werden, sodass die Temperaturveränderung ignoriert werden kann. Beispielsweise repräsentiert die Standardabweichung oder der quadratische Mittelwert (RMS) der Wellenlängenverschiebungen des Bragg-Gitters eine dynamische Verformung, die der Verlagerung der Verbindungsringe zugeordnet ist.
• Frequenzbereichs-Techniken, wie z.B. schnelle Fourier-Transformation, Wavelet-Analyse und Spektralanalyse sind für die Trennung der (langsamen) Wärmereaktion von der (schnellen) Verformungsreaktion für Maschinen und Generatoren aufgrund der periodischen Natur der Ströme und dadurch induzierten Kräfte gut geeignet. In bestimmten Ausführungsformen treten bei Generatoren Endwicklungsverlagerungen aufgrund von Verformung höchst wahrscheinlich bei der doppelten Grundfrequenz der Generatoren (d.h., bei 120 Hz für Generatoren mit einer Grundfrequenz von 60 Hz oder bei 100 Hz für 50 Hz Generatoren auf. Die Verlagerungsmessung der Verbindungsringe 40 ist somit relativ unabhängig von der Umgebungstemperaturänderung.
• Während Messungen bewirkt gemäß 6 eine Verlagerung (d) eines Verbindungsringes 40 Verschiebungen von Bragg-Gittern 54 zwischen dem Verbindungsring 40 und einem benachbarten Verbindungsring 40. Die Verlagerung (d) kann somit durch Wellenlängenverschiebungen der Bragg-Gitter 54 zwischen den zwei benachbarten Verbindungsringen 40 überwacht werden. Signalverarbeitung, Merkmalsextraktion und Klassifizierungsverfahren würden somit angewendet werden, um abzuleiten, ob die beobachteten Verlagerungen zulässig sind oder nicht. Dieses würde insbesondere eine spezielle Betrachtung spezieller Komponenten bei 120/100 Hz und höheren Oberwellen beinhalten. Eine (nicht dargestellte) Steuerung kann eine Aktion unternehmen, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Die „Steuerung“ kann alternativ ein SCADA-System, Maschinenschutzsystem, oder Überwachungssystem sein. In der dargestellten Ausführungsform ist das Messkabel 50 zwischen jeweils zwei benachbarten Fixierungspunkten 63 befestigt.
• In bestimmten Ausführungsformen ist eine maximale relative Verlagerung (dmax) zwischen Endwicklungskomponenten eine Verlagerungslänge, die ein Messkabel 50 messen kann, und ist auf eine maximale Verformung (ε_max) bezogen, die das Messkabel 50 aushalten kann. Das Messkabel 50 kann gebrochen oder abgeschert werden, wenn eine übermäßige Verlagerung auftritt, die größer als die maximale Verlagerung ist. Die Verformung (ε) auf dem Messkabel 50 erfolgt gemäß der Gleichung 3: $$\mathrm{\epsilon }\left(\text{t}\right)=\text{d/L}$$

  

  wobei „d“ die gesamte relative Verlagerung ist und „L“ der Abstand zwischen den Endwicklungskomponenten ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die durch das Faser-Bragg-Gitter 54 gemessene maximale Verformung (ε_max) etwa 5000 µε. Für Endwicklungskomponenten, die beispielsweise 50 mm (L = 50 mm) getrennt sind, beträgt die maximale Verlagerung (dmax) die gemessen werden kann, gemäß Gleichung 3, 0,25 mm. Die in den 8 - 12 beschriebenen Ausführungsformen erhöhen den maximalen Verlagerungsmessbereich.
• In 8 weist eine Ausführungsform 74 des Messabschnittes gemäß einer weiteren Ausführungsform zwei Fixierungspunkte 63 auf, die an zwei Verbindungsringen 40 befestigt sind, und ein Messkabel 50 mit einem oder mehreren Bragg-Gittern 54, das sich zwischen den zwei Fixierungspunkten 63 befindet. In der dargestellten Ausführungsform ist das Messkabel 50 in einem spitzen Winkel (θ) zu der Längsachse (S) ausgerichtet. In dieser Anordnung wird die Verformung des Faser-Bragg-Gittersensors (unter Vernachlässigung der kleinen Änderung im Winkel mit der Verlagerung) gemäß Gleichung 4 berechnet: $$\mathrm{\epsilon }\left(\text{t}\right)\cong \text{cos}\left(\mathrm{\theta }\right)\text{ d/L}$$

  
• Bei einem 45 Grad-Winkel, 50 mm zwischen den Endwicklungskomponenten und 5000 µε maximaler Verformung auf dem Faser-Bragg-Gittersensor, wird die maximale messbare Verlagerung von 0,25 mm auf 0,35 mm vergrößert. Demzufolge kann ein größerer Messbereich (L) erzielt werden. Die Verformung auf der Faser bewirkt eine zentrale Wellenlängenverschiebung (Δλ) des Faserverformungssensors, die durch die Gleichung 5 dargestellt werden kann: $$\Delta \lambda \approx \xi \cdot K_{\epsilon }\cdot \epsilon \left(t\right),$$

  

  wobei ξ den Kopplungswirkungsgrad der Verformung auf den Fasersensor repräsentiert und von 0 - 1 reicht. K_ε repräsentiert die Verformungsempfindlichkeit des Fasersensors.
• 9 stellt dar, dass sich Fixierungspunkte 63 für ein vorgegebenes Messkabel 50 auf benachbarten Verbindungsringen 40 befinden können oder sich alternativ auf nicht benachbarten Verbindungsringen 40 befinden können. 9 stellt zusätzlich mehrere verwendete Messkabel 50 dar. In der dargestellten Ausführungsform sind die zwei Messkabel 50 an Fixierungspunkten 63 an jedem zweiten Verbindungsring 40 in einer gestaffelten Konfiguration entlang der Längsachse (S) befestigt. Auf diese Weise wird die Strecke L verdoppelt, was zu einem zweifachen Verlagerungsmessbereich führt. Demzufolge wird an jedem Verbindungsring 40 ein Fixierungspunkt 63 befestigt und die auf zwei benachbarten Verbindungsringen 40 befestigten Fixierungspunkte 63 befinden sich auf zwei unterschiedlichen Messabschnitten 76. In einer Ausführungsform sind die zwei Messabschnitte 76 zueinander parallel.
• In 10 weist gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Messabschnitt 78 mehrere an Verbindungsringen 40 befestigte Fixierungspunkte 63 und ein oder mehrere Bragg-Gitter 54 auf, die in die optische Faser 52 zwischen jeweils zwei benachbarte Fixierungspunkte 63 eingeschrieben sind. In der dargestellten Ausführungsform besitzt das Messkabel einen gebogenen Abschnitt 84 zwischen zwei benachbarten Fixierungsabschnitten 63. Der gebogene Abschnitt 84 hat einen Radius (R). Eine relative Verlagerung (d) von zwei Verbindungsringen 40 induziert Änderungen in den Radius (R). Durch eine vorausgehende Kalibrierung des Radius (R) mit Wellenlängen der Bragg-Gitter 54 zwischen den zwei Verbindungsringen 40 kann der Echtzeitradius (R) durch Überwachung von Wellenlängenverschiebungen der Bragg-Gitter 54 für einen vergrößerten Verlagerungsmessbereich erhalten werden.
• In 11 weist gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Messabschnitt 80 des Messkabels 50 einen Fasersensor 86 auf, indem ein Biegeverlust des optischen Sensors gemessen wird. Sobald ein faseroptisches Kabel über einen vorbestimmten Radius hinaus gebogen wird, werden die Lichtübertragungseigenschaften des Kabels nachteilig beeinflusst und diese Effekte werden als „Biegeverluste“ bezeichnet. Das durch ein faseroptisches Kabel geleitete Licht wird normalerweise intern durch die Kern/Ummantelungs-Grenzschicht reflektiert. Wenn die Faser über einen kritischen Radius hinaus gebogen wird, trifft das Licht durch den Kabelkern auf die Kern/Ummantelungs-Grenzschicht in einem größeren Winkel als dem kritischen Winkel auf und wird intern nicht mehr total reflektiert, sondern geht durch die Ummantelung verloren. In der dargestellten Ausführungsform von 10 weist der Messabschnitt 80 des Messkabels 50 mehrere an den Verbindungsringen 40 befestigte Fixierungspunkte 63 und einen Fasersensor 86 auf, der für Biegeverluste zwischen zwei benachbarten Fixierungspunkten 63 empfindlich ist, auf. In einer Ausführungsform ist der Fasersensor 86 ein Faserabschnitt, der entweder Polyimid- oder Verbundarmierungsmaterial aufweist. In der dargestellten Ausführungsform hat der Faserabschnitt 86 eine gebogene Form mit einem Radius (R). Eine relative Verlagerung (d) der zwei Verbindungsringe 40 induziert Änderungen in dem Radius (R). Durch eine vorausgehende Kalibrierung des Radius (R) mit dem Biegeverlust des Faserabschnittes 86 kann der Echtzeitradius (R) durch Überwachen des Biegeverlustes des Faserabschnittes 86 erhalten werden.
• In 12 weist gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Messabschnitt 82 ein Messkabel auf, welches ein gebogenes halbstarres Verbindungselement 88 mit Fixierungspunkten 63 ist, die an zwei Verbindungsringen 40 oder anderen Endwicklungskomponenten fixiert sind. Der Messabschnitt 82 weist ferner wenigstens einen Sensor mit einer optischen Faser 90 und wenigstens einem in die optische Faser 90 eingeschriebenen Bragg-Gitter 54 zum Messen einer Verformung des gebogenen halbstarren Verbindungselementes 88 auf. In der dargestellten Ausführungsform hat das gebogene halbstarre Verbindungselement 88 eine Krümmung, die durch die Verlagerung der Endwicklungskomponenten moduliert wird, wobei die Verlagerung eine Biegeverformung in das halbstarre Verbindungselement induziert. Die optische Faser 90 besitzt zwei Befestigungspunkte 92, die an einem Abschnitt des halbstarren Verbindungselementes 88 befestigt sind und wobei sich die Bragg-Gitter 54 zwischen den zwei Befestigungspunkten 92 befinden. Die Biegeverformung kann durch Überwachung von Wellenlängenänderungen des Bragg-Gitters 54 erhalten werden.
• Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich für den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Äquivalente deren Elemente ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenlegung ersetzen können. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder Material an die Lehren der Offenlegung ohne Abweichung von deren wesentlichem Schutzumfang anzupassen. Daher soll diese Erfindung nicht auf die als beste Ausführungsart für die Ausführung dieser Erfindung betrachtete spezielle Ausführungsform beschränkt sein, sondern soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
• Es dürfte sich verstehen, dass nicht notwendigerweise alle derartigen vorstehend beschriebenen Erfindungsgegenstände und Vorteile in jeder speziellen Ausführungsform erhalten werden können. Somit wird beispielsweise der Fachmann erkennen, dass die hierin beschriebenen Systeme und Techniken in einer Weise ausgeführt oder umgesetzt werden können, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie hierin gelehrt, optimieren kann, ohne notwendigerweise weitere Erfindungsgegenstände oder Vorteile zu erhalten, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden.
• Ferner wird der Fachmann die Austauschbarkeit verschiedener Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen erkennen. Die verschiedenen beschriebenen Merkmale sowie weitere bekannte Äquivalente für jedes Merkmal können von einem Fachmann auf diesem Gebiet zum Aufbau zusätzlicher Systeme und Techniken gemäß Prinzipien dieser Offenlegung vermischt und angepasst werden.
• Ein Stator 14 weist Stator-Endwicklungskomponenten und ein Messkabel 40 auf. Das Messkabel weist zwei Fixierungspunkte 63, die an zwei von den Endwicklungskomponenten befestigt sind, und Sensoren 54 zum Messen einer relativen Verlagerung zwischen zwei oder mehr Stator-Endwicklungskomponenten auf.
• Bezugszeichenliste

10

Rotationsmaschine

12

Rotor

14

Stator

16

Rahmen

18

Statorkern

20

Statorwindung

24

Rotorendglocke

25

Schlitz

26, 28

vordere und hintere Enden des Statorkerns

30

Spalt

32

leitender Stab

34

Schleife

36, 38

obere und untere Stäbe

40

Verbindungsringe

41

Kernendflansch

42

Verbindungsringabstandshalter

43

axiale Halter

44

Zwischenverbindungsleiter

45

Verbindungsband

46

Anschlüsse

47

Verbindungselemente

48

FBG-Messsystem

49

Löcher

50

FBG-Messkabel

52

Faser

54

Bragg-Gitter

56

Lichtquelle

58

Detektormodul

60

Prozessor

62

Messabschnitte

63

Fixierungspunkte

64

Armierungsrohr

66

Polymermaterial

68

Beschichtungslage

70

Halterohr

72, 74, 76, 78, 80, 82

Messabschnitt

84

gebogener Abschnitt

86

Fasersensor (Faserbereich)

90

optische Faser

92

Befestigungspunkte

Claims (7)

1. Stator (14), aufweisend: Stator-Endwicklungskomponenten aufweisend Endwicklungsstäbe (32), Endwicklungsschleifen (34), Zwischenverbindungsleiter (44) und mehrere Verbindungsringe (40) und ein Messkabel (50) mit zwei Fixierungspunkten (63), die an zwei Verbindungsringen (40) und an wenigstens einen der Zwischenverbindungsleiter angrenzend befestigt sind, und mit Sensoren (54), um eine relative Verlagerung zwischen den zwei Stator-Endwicklungskomponenten zu messen, wobei wenigstens einer von den Sensoren zwischen benachbarten Verbindungsringen befestigt ist.
2. Stator nach Anspruch 1, wobei die Sensoren für mechanische Verformung empfindliches Fasermaterial aufweisen.
3. Stator nach Anspruch 1, wobei die Sensoren Faser-Bragg-Gitter mit wenigstens einer Modulationsperiode aufweisen.
4. Stator nach Anspruch 1, wobei das Messkabel eine optische Faser mit Fasersensoren, einem Armierungsrohr und einem Klebermaterial zwischen der optischen Faser und dem Armierungsrohr aufweist.
5. Stator nach Anspruch 1, wobei das Messkabel ein Halterohr und eine mit einer Polymerschicht beschichtete optische Faser aufweist, und wobei die optische Faser an einer Außenoberfläche des Halterohrs befestigt ist.
6. Stator nach Anspruch 1, wobei das Messkabel im Wesentlichen rechtwinklig zu den zwei Endwicklungskomponenten oder in einem spitzen Winkel zu den zwei Endwicklungskomponenten angeordnet ist.
7. Stator nach Anspruch 1, wobei das Messkabel eine gebogene Form zwischen den zwei Endwicklungskomponenten aufweist.

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