DE3817280A1

DE3817280A1 - Spulenwicklung

Info

Publication number: DE3817280A1
Application number: DE3817280A
Authority: DE
Inventors: Pierre Boss; Andreas Peter; Hanspeter Dipl Phys Dr Schad
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-11-30
Also published as: JPH0220007A; JP2580038B2; EP0342468B1; EP0342468A1; ES2035420T3; ATE81419T1; DE58902402D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Spulenwicklung aus einem mit einer Isolation versehenen elektrischen Leiter, welche mit einem Lichtwellenleiter zum Zweck einer verteilten Temperaturmessung überwacht wird.

Stand der Technik

Es ist heute allgemein anerkannt (siehe zum Beispiel A. J. Wakeling, Colloquium on Power Transformers, CIGRE SC 12, 1985), daß die Lebensdauer eines Leistungstransformators durch die sogenannte Hotspottemperatur bestimmt ist. Seit einiger Zeit werden Transformatoren mit Temperatursensoren überwacht, welche an den vermuteten Hotspots im Transformator angebracht sind (W. Lampe et al, In. Conf. Large high voltage electric systems 12-02, 1984). Eine Glasfaser mit einem optischen Sensor an ihrem Ende wird in möglichst guten thermischen Kontakt mit dem vermuteten (und durch Computersimulation ermittelten) Hotspots gebracht. Es ist nun so, daß der vermutete Hotspot nicht zwingend ein tatsächlicher ist. Diese Diskrepanz läßt sich durch ein als solches bekanntes DTS-System (Distributed Temperature Sensor) überwinden. Wenn nämlich die Sensorfaser, entlang welcher die Temperatur gemessen wird, in die Windungen des Transformators gebracht wird, dann läßt sich der tatsächliche Hotspot ermitteln.

Zur Messung von Temperaturprofilen von Transformator- oder Drosselspulen ist nicht nur ein geeignetes Meßsystem nötig (DTS), sondern man muß auch den Temperatursensor geeignet in die Spule einbringen. Es genügt hierbei nicht, den Lichtwellenleiter nachträglich um die Spule zu wickeln, sondern man muß ihn direkt in den elektrischen Leiter integrieren in Form einer Leiterkombination von Lichtwellenleiter und elektrischem Leiter und aus dieser dann die Spule herstellen. Der Lichtwellenleiter muß jedoch wegen seiner Druck- und Biegeempfindlichkeit vor mechanischen Belastungen gut geschützt untergebracht und außerdem so integriert sein, daß er die unvermeidlichen, thermischen Ausdehnungen des elektrischen Leiters im Betrieb aushält.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spulenwicklung aus einem mit einer Isolationversehenen elektrischen Leiter anzugeben, welche mit einem Lichtwellenleiter zum Zweck einer verteilten Temperaturmessung überwacht wird, bei welcher Spulenwicklung ein guter thermischer Kontakt zwischen den beiden Leitern gegeben ist, sich die Temperaturverteilung in der Spulenwicklung genau messen läßt und der Lichtwellenleiter gegen mechanische Überbeanspruchung geschützt ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Spulenwicklung anzugeben.

Gemäß der Erfindung besteht die Lösung darin, daß der elektrische Leiter an einer Innenseite unter der Isolation eine Längsnut aufweist, daß der Lichtwellenleiter lose in der Längsnut liegt und daß der Lichtwellenleiter gegenüber dem elektrischen Leiter eine Überlänge hat, welche ausreicht, um ihn bei starker thermischer Ausdehnung des elektrischen Leiters vor übermäßiger Dehnung zu bewahren.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer solchen Spulenwicklung wird zuerst der Lichtwellenleiter in die Längsnut des elektrischen Leiters lose eingelegt, dann der elektrische Leiter auf eine Hilfstrommel mit einem Trommelradius r _T so aufgewickelt, daß die Längsnut mit den eingelegten Lichtwellenleiter nach außen zu liegen kommt und schließlich der elektrische Leiter von der Hilfstrommel so zur Spulenwicklung aufgewickelt, daß die Längsnut auf die Innenseite des elektrischen Leiters zu liegen kommt.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Lichtwellenleiter mit dem elektrischen Leiter zu einer Leiterkombination verbunden wird, bei welcher der Lichtwellenleiter gegenüber dem elektrischen Leiter bei Zimmertemperatur eine Überlänge hat, mit welcher er die große thermische Ausdehnung des elektrischen Leiters bei der Arbeitstemperatur kompensieren kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a, 1b, 1c einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Spulenwicklung und

Fig. 2a, 2b eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Spulenwicklung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1a zeigt eine Draufsicht, Fig. 1b einen Querschnitt und Fig. 1c einen Längsschnitt eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Spulenwicklung. In den drei Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Man geht aus von einem bandförmigen elektrischen Leiter 1, z. B. einem Kupferband einer Dicke von ca. 2,5 mm und einer Breite von ca. 12 mm. Der elektrische Leiter 1 weist eine Längsnut 3 auf, in welcher ein Lichtwellenleiter 2, z. B. eine Allsilica-fiber, liegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 1 und der in der Längsnut 3 liegende Lichtwellenleiter 2 mit einer Papierisolation 4 umwickelt.

Aus Fig. 1c erkennt man, daß der elektrische Leiter 1, welcher ja einen Teil einer Spulenwicklung darstellt, gekrümmt ist. Er liegt auf einem Kreis mit einem Radius r _S (Spulenradius). Der Spulenradius r _S wird von einem Zentrum der Spulenwicklung bis zu einer Mittelebene M des bandförmigen elektrischen Leiters 1 gemessen. Die Längsnut 3 liegt auf einer Innenseite des elektrischen Leiters 1 respektive der Spulenwicklung.

Der Lichtwellenleiter 2 liegt lose in der Längsnut 3. Zudem besitzt er eine Überlänge gegenüber dem elektrischen Leiter 1, d. h., er liegt nicht auf einer geraden Linie in der Längsnut 3, sondern auf einer Schlangenlinie. Oder anders gesagt, wenn man eine volle Windung der Spulenwicklung herausschneiden würde, den elektrischen Leiter 1 und den Lichtwellenleiter 2 strecken würde, dann wäre der Lichtwellenleiter 2 um eine Überlänge L länger als der elektrische Leiter 1.

Die Abmessungen der Längsnut 3 sind von zentraler Bedeutung.

Ein erster wichtiger Punkt ist, daß sie asymmetrisch angeordnet ist, und zwar bezüglich der Mittelebene M des elektrischen Leiters 1. Das heißt, daß sie im wesentlichen nicht tiefer als bis zur Mittelebene M eindringt. Die genannte Bedingung hat zum Ziel, daß eine Achse A eines in der Längsnut 3 liegenden Lichtwellenleiters 2 eine mimimale Distanz d zur Mittelebene M hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dringt die Längsnut 3 gerade bis zur Mittelebene M ein, so daß die Distanz d gerade einem halben Durchmesser des Lichtwellenleiters 2 entspricht.

Ein zweiter wichtiger Punkt ist der, daß die an sich geradlinig verlaufende Längsnut 3 Querabmessungen hat, welche es erlauben, die Überlänge des Lichtwellenleiters 2 in der Form einer Schlangenlinie aufzunehmen. Deshalb soll sie vorzugsweise zwei- bis fünfmal so breit wie der Durchmesser des Lichtwellenleiters 2 sein. Im gleichen Sinne sollte sie etwa ein- bis zweimal so tief wie der Durchmesser des Lichtwellenleiters 2 sein. Auf jeden Fall muß gewährleistet sein, daß sich der Lichtwellenleiter 2 in der Längsnut 3 frei verschieben läßt und daß er nicht irgendwie festgeklemmt wird (z. B. durch die Isolation).

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1a bis 1c sorgt die Papierisolation 4 dafür, daß der Lichtwellenleiter 2 nicht aus der Längsnut 3 herauskommen kann. Auch wenn der Lichtwellenleiter 2 nicht flächenmäßig in Kontakt mit dem elektrischen Leiter 1 steht, ist der thermische Kontakt zwischen den beiden Leitern gegeben, sei es nun, weil der Lichtwellenleiter 2 von drei Seiten vom elektrischen Leiter 1 umgeben ist, sei es, weil die Spulenwicklung insgesamt in ein Ölbad getaucht ist.

Die relative Überlänge, die nötig ist, um den Lichtwellenleiter gegen mechanische Belastung bei der großen thermischen Ausdehnung des elektrischen Leiters zu bewahren, läßt sich wie folgt ermitteln.

Tabelle I zeigt typische Materialien und deren Ausdehnung bei einem Temperaturanstieg von 0 auf 300°C:

Thermische Ausdehnung von Quarzglas, Kupfer und Aluminium zwischen 0 und 300°C
Quarzglas
0,19 10^-3
Kupfer	5,2 10^-3
Aluminium	7,7 10^-3

Daraus ergibt sich, daß eine relative Überlänge mindestens ca. 0,001, vorzugsweise ca. 0,005 betragen sollte.

Da die Überlänge zu einer Mäandrierung des Lichtwellenleiters 2 führt, kann es bei zu großer Überlänge zu einer so starken lokalen Krümmung (Micro-Macrobending) des Lichtwellenleiters 2 kommen, daß eine biegebedingte Dämpfung auftritt, d. h., das Licht ausgekoppelt wird.

In einem Versuch war eine erfindungsgemäße Spulenwicklung aus einem Kupferband einer Dicke von 2,5 mm und einer Breite von 12 mm hergestellt worden. Die Längsnut 3, welche an der Innenseite des Kupferbandes angebracht war, war 1,2 mm breit und ebenso tief. Die Längsnut 3 drang also gerade etwa bis zur Mittelebene M ein. Die lose in der Längsnut liegende Glasfaser hatte einen Durchmesser von etwa 0,6 mm. Das Kupferband war mit einer Papierisolation umwickelt. Die ganze Spulenwicklung wurde in ein Ölbad getaucht.

Mit einer DTS-Messung wurde die effektive Temperatur entlang des Kupferbandes gemessen. Dabei war erstmals deutlich zu sehen, wie periodisch mit den Windungen das Temperaturprofil ansteigt und abfällt. Ebenso war zu sehen, wie der Mittelwert des Temperaturprofils von den unten im Ölbad liegenden Windungen zu den oben liegenden leicht ansteigt.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen der Spulenwicklung beschrieben.

Es umfaßt im wesentlichen zwei Schritte: Erstens das Aufwickeln der Leiterkombination (elektrischer Leiter + Lichtwellenleiter) auf eine Hilfstrommel und zweitens das Umwickeln der Leiterkombination von der Hilfstrommel auf die Spulenwicklung.

Fig. 2a zeigt den ersten Verfahrensschritt. Der elektrische Leiter 1 sei bereits mit einer erfindungsgemäßen Längsnut versehen. In dieser wird zuerst lose, d. h. ohne Zugspannung, der Lichtwellenleiter 2 eingelegt. Danach wird der elektrische Leiter 1 und der Lichtwellenleiter 2 mit einer Papierisolation 4 umwickelt. Diese Leiterkombination wird nun auf eine Hilfstrommel so aufgewickelt, daß die Längsnut 3 nach außen zu liegen kommt.

Da die Achse A des Lichtwellenleiters 2 um eine Distanz d gegenüber der Mittelebene M weiter außen liegt, liegt der Lichtwellenleiter auf einem etwas größeren Kreis als der elektrische Leiter.

Fig. 2b zeigt den zweiten Verfahrensschritt. Die Leiterkombination wird von der Hilfstrommel 5 abgewickelt und zur Spulenwicklung 6 gewickelt. Dabei muß der Windungssinn invertiert werden, d. h. die Spulenwicklung 6 wird so gewickelt, daß die Längsnut 3 des elektrischen Leiters 1, welche auf der Hilfstrommel 5 nach außen lag, auf der Spulenwicklung 6 auf die Innenseite zu liegen kommt.

Auf der Hilfstrommel 5 liegt der Lichtwellenleiter 2 auf einer geraden Linie in der Längsnut 3. Beim Abwickeln der Hilfstrommel 5 entsteht erstmals eine Überlänge, und beim Wickeln der Spulenwicklung entsteht zum zweiten Mal eine Überlänge. Die Überlänge wird allein durch die asymmetrische Längsnut 3, d. h. die Distanz d geschaffen.

Immer unter der Voraussetzung, daß die Mittelebene M des elektrischen Leiters 1 die neutrale Ebene bei der Biegung desselben ist, ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine relative Überlänge von

Die relative Überlänge ist definiert durch eine Längendifferenz L zwischen Lichtwellenleiter und elektrischem Leiter 1, bezogen auf eine Länge L des elektrischen Leiters 1. Die Distanz d wurde im Zusammenhang mit Fig. 1b definiert. r _T bezeichnet den Trommelradius und r _S den Spulenradius.

Beim oben beschriebenen Versuch war r _T = 0,3 m und r _S = 0,2 m. Mit der Distanz d = 0,6 mm ergibt sich die relative Überlänge von ≅ 0,005. Die Breite von 1,2 mm der Längsnut 3 reicht aus, um eine relative Überlänge von bis zu 0,02 aufzunehmen, ohne eine merkliche zusätzliche Dämpfung durch Micro- resp. Macrobending zu verursachen.

Es versteht sich, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren der elektrische Leiter 1 nicht zuerst vollständig auf die Hilfstrommel 5 aufgewickelt werden muß, bevor zu einer Spule gewickelt werden kann. Es genügt grundsätzlich, ihn über Umlenktrommeln zu führen, welche einen geeigneten Krümmungsradius haben. Es ist aber jedenfalls darauf zu achten, daß nach den Umlenktrommeln die gewünschte erste Überlänge entsteht und auch erhalten bleibt.

Eine zusätzliche Überlänge kann auch durch eine verstärkte Mäandrierung des Lichtwellenleiters 2 in der Längsnut erzielt werden. Dies läßt sich durch Hilfsnoppen erzwingen, welche vor dem Einlegen des Lichtwellenleiters 1 in der Längsnut angebracht werden und sich beim Betrieb der Spulenwicklung auflösen.

Beispielsweise können in der Längsnut 3 Noppen aus Wachs angebracht werden, zwischen welchen sich der Lichtwellenleiter 2 durchschlängelt. Nach dem Wickeln der Spule werden sie thermisch zerstört oder im Imprägnieröl des Ölbades aufgelöst.

Abschließend kann gesagt werden, daß mit der Erfindung die Voraussetzungen geschaffen werden, um DTS bei Spulenwicklungen, wie z. B. Drosselspulen und Transformatoren, anwenden zu können.

Claims

1. Spulenwicklung aus einem mit einer Isolation versehenen elektrischen Leiter, welche mit einem Lichtwellenleiter zum Zweck einer verteilten Temperaturmessung überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der elektrische Leiter (1) an einer Innenseite unter der Isolation eine Längsnut (3) aufweist,
b) daß der Lichtwellenleiter (2) lose in der Längsnut (3) liegt und
c) daß der Lichtwellenleiter (2) gegenüber dem elektrischen Leiter (1) eine Überlänge hat, welche ausreicht, um ihn bei starker thermischer Ausdehnung des elektrischen Leiters (1) vor übermäßiger Dehnung zu bewahren.

2. Spulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut (3) nicht tiefer als bis zu einer biegeneutralen Mittelebene (M) des elektrischen Leiters (1) eindringt, so daß eine Achse (A) des Lichtwellenleiters (2) um eine Distanz d bezüglich der Mittelebene (M) gegen ein Zentrum der Spulenwicklung hin verschoben ist.

3. Spulenwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut ein- bis zweimal so tief und zwei- bis fünfmal so breit ist wie ein Durchmesser des Lichtwellenleiters (2).

4. Spulenwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Überlänge des Lichtwellenleiters größer als 0,001 ist.

5. Spulenwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Überlänge ( Δ L/L) größer als 0,005 ist.

6. Spulenwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation eine Papierisolation (4) ist, welche den Lichtwellenleiter (2) in der Längsnut seitlich verschiebbar festhält.

7. Verfahren zum Herstellen einer Spulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Lichtwellenleiter (2) in die Längsnut (3) des elektrischen Leiters (1) lose eingelegt wird,
b) daß der elektrische Leiter (1) auf eine Hilfstrommel (5) mit einem Trommelradius r _T so aufgewickelt wird, daß die Längsnut (3) mit dem eingelegten Lichtwellenleiter (2) nach außen zu liegen kommt,
c) daß der elektrische Leiter (1) danach von der Hilfstrommel (5) so zur Spulenwicklung (6) aufgewickelt wird, daß die Längsnut (3) auf die Innenseite des elektrischen Leiters (1) zu liegen kommt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Fixieren des Lichtwellenleiters (2) in der Längsnut (3), der elektrische Leiter (1) nach dem Einlegen des Lichtwellenleiters (2) mit einer Papierisolation (4) umwickelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Distanz d, Trommelradius r _T und Spulenradius r _S so gewählt sind, daß die relative Überlänge Δ L/L aufgrund der Formel gegeben ist.