JP2004524785A - 巻線本体および貫通もしくは挿入された光導体を有する巻線装置 - Google Patents

Abstract

本巻線装置は、巻線バンド（９３）に組込まれた複数のコイルからなる多層巻線本体（９１）、および、この巻線本体（９１）を貫通するか、巻線本体（９１）内に挿入された光導体（３０）を含む。光導体（３０）は貫通領域もしくは挿入領域（９５）において巻線本体（９１）内に巻込まれ、少なくともこの領域（９５）において光ファイバ（３２）およびその上に取付けられた保護層（３３）から構成される。保護層（３３）は全部もしくは一部が、最大限２．５ＧＰａの弾性係数を有する保護材料で構成される。

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも一つの巻線バンドに組込まれた複数のコイルからなる多層巻線本体と、この巻線本体を貫通し、もしくは巻線本体内に挿入された光導体とを備えた巻線装置に関する。
【０００２】
この種の巻線装置は例えば電気エネルギーの発生およびその分配の分野において光学的に監視される電気機器に用いることができる。その場合、電気機器は発電機として、または変圧器として構成され得る。このような電気機器は非常に高価な且つ長命の投資財となる。その運転停止は場合によっては非常に高いコストにつながる。そのため、例えば過熱やフラッシオーバのような欠陥の早期識別のため、特に光学的測定装置を含み得る診断システムの使用が多く検討されている。電気エネルギー発生のために用いられる電気機器の構造は種々の観点で現在すでに最適化されている。その間に、特に電気機器の少なくとも能動部に比較的大きな配置空間を要するセンサを電気機器の高価な構造変更を伴うことなく収納し得ないような非常にコンパクトな構造が達成されている。さらにこのような運転機器の種々の部品間にはしばしば数十ｋＶにも達する値の大きな電位差が存在する。そのため、このような電気機器には電気センサを使用できないことがしばしばある。それに対して光学センサ、特に光ファイバセンサはより適している。すなわち、光ファイバセンサの大きさは非常にわずかである。さらに、光導体の形の絶縁導体のおかげで高電位差も問題なく処理することができる。
【０００３】
この利点に基づいて、電気エネルギーの発生及びその分配に用いられる電気機器を監視するための光学測定装置は、すでに何度か発表されている。すなわち、レクイム（Ｍ．Ｌｅｑｕｉｍｅ）の論文「産業用ファイバセンサ（Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」光ファイバセンサに関する第１２回国際会議（１２^ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ）、１９９７年１０月２８−３１日、第６６−７１ページは、発電機用の光学測定装置を開示している。この測定装置では、振動スペクトラム、および電気導体の冷却のために用いられる冷却媒体の温度が光学センサを介して検出される。
【０００４】
フェブリール（Ｈ．Ｆｅｖｒｉｅｒ）等の論文「温度光学ファイバセンサネットワーク：研究室の実現可能性からフィールドトライアルへ（Ａ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ： Ｆｒｏｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｔｏ Ｆｉｅｌｄ Ｔｒｉａｌ）」第８回光学ファイバセンサカンファレンス（８^ｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、１９９２年０１月２９−３１日、第２６２−２６５ページには、光学測定装置が記載されている。ここでは、２５０ＭＷ発電機における擬似分散型温度検出のために光学ファイバからなるセンサネットワークが用いられている。
【０００５】
９００ＭＷタービン発電機における温度検出のための他の光学測定装置がミュニール（Ｃ．Ｍｅｕｎｉｅｒ）等の論文「原子力発電所におけるタービン発電機の温度監視のための光ファイバセンサネットワークの産業プロトタイプ−設計、能力、協定（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ａ Ｆｉｂｅｒ−ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｆ ａ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ ？ Ｄｅｓｉｇｎ， Ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ａｎｄ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ）」光ウエーブテクノロジージャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、第１３巻、第７号、１９９５年７月、第１３５４−１３６１ページ、により公知である。この測定装置では、光学温度センサは、電気導体からなる冷却媒体配管の出口領域内に存在する冷却水接続部材に貼付けられている。
【０００６】
公知の光学測定装置では、それぞれ間接的な測定量検出のみが行われるか、例えば、導入される光導体が監視すべき電気導体にどのように導かれ、光学センサがそこに装着されるか具体的な指示がない。この種の電気機器の導体は運転中しばしばｋＡオーダーにも達し得る極めて大きい電流を流すので、導体温度は機器診断のための重要な測定量である。できるだけ正確な測定結果を得るためには、光学センサとその導出光導体をできるだけ電流導体の近くに位置させるのが望ましい。電気導体は絶縁上の理由からしばしば巻線本体の形の電気絶縁部によって取囲まれているので、光学センサおよび導入する光導体のセンサに近い部分が巻線本体の内部に、より厳密に言えば電気導体と巻線本体との間に配置されることにより、できるだけ直接的な測定量検出の測定結果が導かれる。それに対して公知の光学測定装置では、この要求は間接測定の故に存在しない。電気導体と光導体のセンサ近接部との間に可能な限りの直接接触がここには原理的に存在しない。
【０００７】
欧州特許第０７５３１３０Ｂ１号明細書には、埋設された光導体の多層結合構造が記載されている。検出すべきパワーが周知の特殊結合構造によって光ファイバセンサに伝達される。この結合構造からなる光導出入の方式および方法については欧州特許第０７５３１３０Ｂ１号明細書は正確な開示をしていない。
【０００８】
国際公開ＷＯ９５／１３９９４Ａ１号明細書により、種々の実施形態の保護層を備える一連の光導体タイプが開示されている。上述の測定装置に使用するための個々の光導体タイプの適性については述べられていない。
【０００９】
本発明の課題は、少なくとも一つの巻線バンドに組込まれた複数のコイルからなる多層の巻線本体と、巻線本体を貫通するか巻線本体内に挿入された光導体とを備え、巻線本体を通して光導体の案内を可能にする巻線装置を提供することにある。
【００１０】
上記課題を解決するために請求項１の特徴を備えた巻線装置が提供される。
【００１１】
本発明の巻線装置は少なくとも、
ａ）少なくとも一つの巻線バンドに組込まれた複数のコイルからなる多層巻線本体と、
ｂ）この巻線本体を貫通するか巻線本体内に挿入された光導体と
を備え、光導体は、
ｃ）貫通領域もしくは挿入領域内で巻線本体内に巻込まれ、
ｄ）少なくとも貫通領域もしくは挿入領域において、光ファイバおよびその上に被覆された保護層から構成され、保護層は最大限２．５ＧＰａの弾性係数を有する保護層材料からなるか、そのような保護層材料を含む。
【００１２】
本発明は、特に巻線本体の製造の際に場合によって生ずる光導体の大きな機械負荷にも拘わらず、光導体を直接巻線本体内に巻込むのが適切であるという認識に基づいている。すなわち、光導体は、特に貫通領域もしくは挿入領域内を、それらの領域の長さ全体にわたって延びる機械的保護スリーブを特に備えることなしに走る。高電圧の絶縁のために巻線本体が用いられる電気エネルギーの発生および分配の機器に用いる場合にはまさに、この種の特殊な保護スリーブは電気的なフラッシオーバの出発点となり得る。巻線本体内に光導体を直接配置するとフラッシオーバを避けることができるということが認められた。
【００１３】
巻線本体内に発生する機械的負荷に対する保護のために光導体が用いられ、少なくとも貫通領域もしくは挿入領域内で光ファイバは通常のアクリル樹脂保護層によってではなく、機械的及び（又は）熱的に安定な他の保護層によって取囲まれる。この保護層は光ファイバに対して特に補強の役割を果す。通常、保護層材料として用いられ、ＰＭＭＡとも略称されるもろいアクリル樹脂は、巻線本体内に生ずる機械的負荷に対して十分な機械的保護の役割を果すことができない。アクリル樹脂のもろい機械的挙動は約３．３ＧＰａの弾性係数（Ｅ係数）によっても証明される。それに対し、その代りに用いられる最大限２．５ＧＰａのＥ係数を持つ保護層材料は、巻線本体内に生ずる機械力に対して非常に良好に保護作用を果す。それによって光導体の損傷を防止することができる。その場合、保護層は全部または部分的にのみ、この好ましい保護層材料から構成することができる。
【００１４】
巻線装置の好ましい構成は従属請求項に記載されている。
【００１５】
好ましい実施形態においては、光導体は、最外周の巻線層から抜け出るとき、付加された保護管内を導かれる。この付加された保護管は非常に短く、巻線本体から抜け出るとき光導体の折れ曲りを防止する。こうすることによって光導体の機械的保護性能が高められる。最外周の巻線層にのみ設けられる保護スリーブはフラッシオーバの危険性を高めることもない。
【００１６】
保護層材料は最大限１．５ＧＰａの弾性係数を持っているのが好ましい。そうすることによって機械的保護作用がさらに高められる。
【００１７】
他の有利な構成においては、保護層材料は溶剤を含まない。溶剤を含まない保護層材料は光導体の非常に高い熱的安定性を生じさせる。それにより光導体は広い温度領域に使用することができる。特に−５０℃以下、とりわけ−１００℃以下という最低使用温度が可能になる。同様に、＋１２０℃以上、とりわけ＋２００℃以上という最高使用温度も可能である。それに対してアクリル樹脂は、−４０℃ないし＋８５℃の温度領域にしか問題にされていない。
【００１８】
さらに、保護層材料は無機の固体成分を含む実施形態も存在する。無機の固体成分は機械的安定性を改善するばかりでなく、熱的安定性をも改善する。保護層材料中の無機の固体成分は少なくとも５０％が好ましい。最高使用温度は無機の固体成分とともに上昇する。
【００１９】
保護層材料は、好ましくはオルモセル（Ｏｒｍｏｃｅｒ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ＝有機変成セラミックス）、特に溶剤を含まないものから構成される。オルモセルは、有機物成分および無機物成分から構成される複合材料である。セラミックスとして構成される無機の固体の成分に応じて弾性係数が調整され、かつ許容温度範囲が調整される。光導体の保護層材料として用いられるオルモセルの場合、弾性係数は特に０．０２ＧＰａ〜１．５ＧＰａの間にある。典型的な値は、０．２ＧＰａである。それによって、オルモセルは標準材料アクリル樹脂と比べて、取囲まれた光ファイバに対して明らかに高い機械的保護作用を持つ。その結果、このような被層された光ファイバからなる光導体は厳しい環境、例えば発電機または変圧器内のような環境にも使用可能である。
【００２０】
好ましい変形においては、保護層は二重層に構成される。それによって保護層は、光ファイバ上への固着に関する要求も、機械的安定性および熱的安定性に関する要求も、満たすことができる。特に光ファイバ上に直接装着される第１層はポリイミドからなり、第１層の上に装着される第２層は保護層材料からなるものとするのが有利である。特にガラスファイバとして構成される光ファイバ上に、ポリイミドは非常に良好な付着能力を持っている。さらにポリイミドは−１９０℃ないし＋３８５℃という非常に広い温度範囲に使用可能である。その場合、第２の層に対して設けられる保護層材料は第一に十分な機械的保護の目的を果す。
【００２１】
さらにまた、光導体は少なくとも貫通領域または挿入領域で最大限１ｍｍの直径を持つのが有利である。この寸法は光ファイバおよびそれを取囲む保護層からなる構造全体に対して適用される。このような光導体はややもすると巻線本体の特性を損ねてしまう。これは絶縁された巻線本体の絶縁性能に対しても言えることである。この絶縁性能は特に電気エネルギーの発生および分配の領域では決定的問題である。その場合、対応する小さな直径を有する光導体はとりわけまずフラッシオーバの潜在的な出発点となることがない。
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明による巻線装置の好ましい実施形態について説明する。分りやすくするために、図は縮尺によらず、特徴部が模式的に表現されている。
【００２３】
図１ないし図４において互いに対応する部分は同一符号で示されている。
【００２４】
図１には、固定子８１および回転子８２を含む発電機８０が示されている。発電機８０は、その内部の光学的測定量検出のために設計された光学測定装置１００を介して監視される。光学測定装置１００は発電機８０の外部に配置された評価装置７０を含み、評価装置７０は、光導体３０を介して発電機８０の内室と、特に固定子８０と、光学的に接続されている。光導体３０を介して伝達される光信号ＬＳによって、発電機８０内の少なくとも光学的測定部の応答が求められる。図１に示されている発電機８０は特に１００ＭＷ以上の大容量用に設計されているものである。
【００２５】
発電機８０には、数ｋＡまでの電流、および数十ｋＶまでの電位差が生じる。光学測定装置１００は、図１に概略的に示されている発電機８０に代えて、例えば構造的に発電機８０に極めて類似している同期電動機または誘導電動機のような電気力学的な動力機械に対しても同様に良好に適用することができる。さらに光学測定装置１００は、運転電圧が数百ｋＶに至り得る電力用変圧器に対しても適用可能である。光導体３０によってそのような高電位差が基本的に問題なく解決される。用いられる光学部品は発電機８０の絶縁強度を害することはない。
【００２６】
光導体３０は、固定子８２の溝内に配置され固定子巻線の構成要素である電気導体１３に導かれる。電気導体１３に直接に、詳細には示していない直接測定量検出用の少なくとも一つの光学センサも配設されている。
【００２７】
発電機８０の内部には、図２に詳細に示されている電気導体装置２００が設けられており、電気導体装置２００は電気導体１３およびその周りに配置された巻線装置９０から組立てられている。巻線装置９０は、多層巻線本体９１の形の電気絶縁部と、貫通領域９５内で巻線本体９１を貫通する光導体３０とを含む。光導体３０は絶縁部と電気導体１３の間の、センサに近接する部分に配置されている。
【００２８】
図２には、光導体３０が絶縁部を貫通する領域における電気導体装置２００の縦断面が示されている。絶縁された巻線本体９１は、電気導体１３上の少なくとも一つの絶縁巻線バンド９３に組込まれた多数のコイルの連続装着によって生ずる複数の巻線層９２を含む。
【００２９】
貫通領域９５において、光導体３０は巻線本体９１内に巻込まれている。巻線本体９１は特に隣接する巻線層９２の２つのコイル間を走っている。裸の光導体３０は、電気導体１３から巻線本体９１に直接接触する最後の巻線層９２ａの所で外部へ抜け出る。これに対し、最外周の巻線層９２ａを抜け出る場所で、光導体３０は、図示の実施例では、巻線本体９１からの出口部で光導体３０の屈折を妨げる付加された保護管３５によって取囲まれている。
【００３０】
図３の横断面図によれば、光導体３０は貫通領域９５において最外周の巻線層９２ａから見てオルモセルからなる特別の保護層３３によってのみ、巻線本体９１内の機械的負荷に対して保護されている。その場合、保護層３３は特に補強機能を果す。それは、個々の導光作用に寄与するファイバ３２上に装着される。この種の保護層は通常、英語の技術用語「コーティング」と称される。ファイバ３２は導光芯（英語で「コア」）および被覆（英語で「クラッディング」）を含む。両者は図３に詳細には示されていない。保護層３３は典型的には３０μｍの層厚を持つ。ファイバ３２は直径１２５μｍのガラスファイバである。それによって光導体３０はほぼ１８５μｍの外径Ｄ１を持つことになる。
【００３１】
オルモセルはその良好な機械的特性によって保護層材料として特に適したものである。光導体３０のための良好な機械的保護体として役立つ。オルモセルは、有機物構成成分と無機物構成成分とから合成された複合材である。機械的挙動および熱的挙動は混合比を通して調整することができる。弾性係数は０．０２〜１．５ＧＰａである。光導体３０にとって良好な機械的保護にも導く典型的な値は約０．２ＧＰａである。無機物成分を高めることによって、最大許容使用温度を高めることができる。これは、特に図１の発電機３０に用いる場合に重要なことである。というのは、絶縁巻線本体９１の製造時にも発電機運転中でも部分的には明らかに１００℃を越える温度が生じ得るからである。この用途において光導体３０のための保護層材料として用いられるオルモセルは、典型的には約８５％の無機物成分を持っている。
【００３２】
絶縁巻線本体９１の絶縁強度を損ねないために、発電機８０の実施例においては、誘電性の、即ち電気絶縁性の保護層材料が必要になる。オルモセルは、この要求をも満たすものである。
【００３３】
図４に示す他の実施例による光導体３０１においては、保護層３３は第１層３６および第２層３７からなっている。第１層３６の材料としてポリイミドが用いられ、第２層３７の材料としてオルモセルが用いられる。第１層の層厚は５〜１５μｍである。ポリイミドはガラスファイバとして構成されたファイバ３２に極めて良好に付着し、さらに温度的にも極めて安定である。第２層３７の枠内においてオルモセルの外層は保護層３３として機能し、したがって光導体３０１に全体として巻線本体９１に生ずる機械的負荷に対する強固な安定性を与える。二重層構造の場合、光導体３０１の直径Ｄ２は２００〜２５０μｍである。
【００３４】
巻線本体９１の特性に与える悪影響を回避するために、図３の単一層構造の直径Ｄ１も図４の二重層構造の直径Ｄ２も十分小さい。特に巻線本体９１の絶縁性能が光導体３０および３０１によって低下させられることはない。このことは直径１ｍｍまでの図示していない光導体に対しても当てはまるものである。より大きな直径ではまず、例えば図１の発電機８０の内部に適用した場合、貫通領域９５内でフラッシオーバを起す危険性が高まる。そのような太い光導体に沿ってフラッシオーバの通路が形成され得る。これは直径１ｍｍ未満の光導体を用いることによって回避される。
【００３５】
図示していない実施形態において、巻線本体９１は図２の例に示すような絶縁性の巻線バンド９３から巻かれるのではなく、導電性のバンドから巻かれる。この導電性のバンドは特に超伝導特性、とりわけ高温超伝導特性をも持つものとすることができる。この実施形態においては、図２の電気導体１３の代りに、特殊用途に適合する巻線支持体が用いられる。それに対して巻線本体９１を貫通する光導体３０の貫通および保護層３３の構成はこの実施形態でも図２の例と同様に行われる。
【００３６】
図示していない他の実施形態においては、光導体３０は巻線本体９１を貫通するのではなく、巻線本体９１内に挿入されるだけである。この実施形態では、光導体３０は巻線本体９１内で挿入領域後も２つの巻線層９２間を通る。さらに例えば測定量を得るために設けられる少なくとも一つの光学センサは、巻線本体９１内の２つの巻線層９２間に配置される。この光学センサは光導体３０を介して応答が求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
光学測定装置によって監視される発電機の構造部分としての巻線本体および光導体を有する巻線装置を示す配置図。
【図２】
図１の巻線装置の縦断面図。
【図３】
図１および図２による巻線装置に適用される光導体の一実施例を示す横断面図。
【図４】
図１および図２による巻線装置に適用される光導体の他の実施例を示す横断面図。
【符号の説明】
１３ 電気導体
３０ 光導体
３２ 光ファイバ
３３ 保護層
３５ 保護管
３６ 第１層
３７ 第２層
７０ 評価ユニット
８０ 発電機
８１ 固定子
８２ 回転子
９０ 巻線装置
９１ 巻線本体
９２ 巻線層
９２ａ 最外周巻線層
９３ 巻線バンド
９５ 貫通領域
１００ 光学測定装置
２００ 電気導体装置
３０１ 光導体
ＬＳ 光信号

Claims (10)

1. 少なくとも、
   ａ）少なくとも一つの巻線バンド（９３）に組込まれた複数のコイルからなる多層の巻線本体（９１）と、
   ｂ）この巻線本体（９１）を貫通するか巻線本体（９１）内に挿入された光導体（３０）と
   を備え、光導体（３０）は、
   ｃ）貫通領域または挿入領域（９５）内で巻線本体（９１）内に巻込まれ、
   ｄ）少なくとも貫通領域もしくは挿入領域（９５）において、光ファイバ（３２）およびその上に被覆された保護層（３３）から構成され、保護層（３３）は最大限２．５ＧＰａの弾性係数を有する保護層材料からなるか、そのような保護層材料を含む巻線装置。
2. 光導体（３０）は、最外周の巻線層（９２ａ）を抜け出るとき付加された保護管（３５）によって取囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の巻線装置。
3. 保護層材料は最大限１．５ＧＰａの弾性係数を持っていることを特徴とする請求項１または２に記載の巻線装置。
4. 保護層材料は溶剤を含んでいないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の巻線装置。
5. 保護層材料は無機の固体成分を含んでいることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の巻線装置。
6. 保護層材料の無機の固体成分が少なくとも５０％であることを特徴とする請求項５に記載の巻線装置。
7. 保護層材料はオルモセルであることを特徴とする請求項５または６に記載の巻線装置。
8. 保護層（３３）は二重層に構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の巻線装置。
9. 光ファイバ（３２）上に取付けられる保護層（３３）の第１層（３６）はポリイミドからなり、保護層（３３）の第１層（３６）上に取付けられる第２層（３７）は保護層材料からなっていることを特徴とする請求項８に記載の巻線装置。
10. 光導体（３０）は少なくとも貫通領域（９５）で最大限１ｍｍの直径（Ｄ１，Ｄ２）を持っていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の巻線装置。