Foliensensoren zu Analysen in Transformatorkernen

Projektziel ist ein völlig neuartiges Sensorkonzept für physikalische Analysen des Inneren von laminierten, magnetischen Kernen elektrischer Maschinen (Transformatoren, Reaktoren, Generatoren oder Motoren). Spezielle Bedeutung besteht für die vielen Millionen von Verteiler-Transformatoren. Sie sind Dauerquellen von Energieverlusten und von die Bevölkerung belästigenden Geräuschen. Erhöhte Anforderungen ergeben sich dabei durch die zunehmende Globalisierung von Energienetzen bei Einsatz alternativer Stromquellen. Moderne Materialien der Kerne wurden zu Hi-Tech-Produkten durch Domänenverfeinerung mittels Laserbearbeitung. Für optimierte Nutzungen aber fehlt ausreichendes Wissen um die komplexen 3-dimensionalen Verteilungen der Magnetflüsse in und zwischen den vielen Kernbereichen. Weltweit laufen Bemühungen zur simultanen Reduktion von Verlusten und Geräuschen. Doch bisherige numerische Analysen sind kaum effektiv, und experimentellen fehlen Sensoren für das Innere des Kerns traditionelle sind Millimeter dick und verfälschen damit die eigentlich interessierenden Flussverläufe. Projektziel sind Sensorfolien, wobei eine etwa 0.03 mm dicke Folie als Träger (Substrat) mehrerer Sensoren dient, aber auch als Positionierer. Mit einer Gesamtdicke um 0.1 mm ist anzuneh- men, dass es sich weltweit um die effektiv dünnsten Sensoren handeln wird so genannte Nanosensoren haben zufolge ihres Trägers generell viel größere Gesamtdicken. Eine etwa 5 cm breite und je nach Maschinengröße bis zu Metern lange Sensorfolie soll beim Aufbaus des Kerns in sein Inneres eingelegt werden und als nicht störendes Billigprodukt für die vieljährige Laufzeit für Nachmessungen belassen werden. Für wissenschaftliche Untersuchungen kann eine Folie aber auch an kritischen Regionen eingesetzt werden, wobei verdickte Kontakte zu Messgeräten außerhalb des Kernes, am Folienende verbleiben. Zur einfachen, raschen und präzisen Sensorfertigung soll ein kombiniertes 3D/2D- Druckerverfahren mit drei Düsen entwickelt werden. Die schon etablierte 3D-Drucktechnik erlaubt dabei Fertigungen von Plastikelementen, etwa für Isolationen und für Befestigungen von ca. 0.03 mm dicken Magnet-Gläsern als spezifische Sensorkomponenten. Für elektrisch leitfähige Komponenten aber wird es notwendig sein, für 2D-Druck übliche Verfahren einzusetzen. Erwartungsgemäß wird die 3D/2D-Kombination international ein Novum darstellen. Sensortypen sind für die wichtigsten physikalischen Eigenschaften geplant, also für 3D- Verteilungen von Magnetflüssen, für Temperaturanstiege, Energieverluste, und geräuscherzeugende Dehnungen bzw. Vibrationen. Für gezielte Sensortests soll ein etwa 1m großer Modelltransformatorkern aufgebaut werden, der die wesentlichen Charakteristika industrieller Kerne in sich vereint. Die Test-Resultate sollen mit einem neuartigen Computerverfahren, der so genannten MACC- Methode überprüft werden. Erstmals berücksichtigt sie, dass sich die Eigenschaften der Kernmaterialien in den drei Raumrichtungen stark unterscheiden. Mit herkömmlichen Finite-Element- Methoden ist dies bisher nicht gelungen. Letztlich sollen die Resultate ein tieferes Verständnis für das 3-dimensionale Funktionieren der Kerne liefern, Basis verbesserter industrielle Konstruktionen der Maschinen. In ihren modernen Ausführungen sind sie Hi-Tech-Produkte was der Öffentlichkeit kaum bewusst ist. Projektausführender ist ein Labor der TU Wien, das im gegebenen Bereich zu den weltweit führenden zählt, gemeinsam mit ABB als einem der größten Hersteller elektrischer Maschinen.

Weltweit gibt es Millionen von elektrischen Transformatoren. Manche Exemplare sind so schwer wie ein gesamter Expresszug samt seiner Lokomotive. Im Betrieb wärmen sich die Maschinen auf, womit viel wertvolle Energie verlorengeht. Das Fatale ist, dass Trafos Tag und Nacht ohne Unterbrechung in Betrieb sind. Seit 100 Jahren versucht man, die anfallenden Energieverluste zu reduzieren. Doch die treten im Inneren der Maschine auf, im Magnetkern, der aus ca. 0.3 mm dicken Stahl-Bändern besteht. Zur Untersuchung der inneren Verhältnisse hat man Millimeter breite Poren durch den Kern gebohrt und kleinste Meßsonden eingeschoben. Oder man platziert 1 mm dicke Mikrosonden zwischen den Bändern. Beides ist äußerst aufwändig, und führt zu Störungen innerer Verhältnisse. Projektziel war die Entwicklung neuartiger Band-Sonden, die mit ca. 1/10 mm kaum dicker sind als ein Haar. Ein spezifisch neu entwickelter, kombinierter 3D-2D-Drucker kombiniert erstmals vier verschiedene Druckschichten miteinander elektrisch leitfähige und isolierende. Damit gelang die Entwicklung von mehreren Sensortypen, die zum Teil zu weltweiten Novitäten gerieten. Zur Analyse von 3D-Verläufen innerer Magnetfelder wurden drei spezifische Bandsensoren entwickelt. Bei zweien mußten 1/30 mm dicke, so genannte "Magnetglas-Folien" in den Sensor integriert werden. Trotzdem gelangen robuste Resultate, für Analysen in unterschiedlichen Regionen einer Maschine. Was nicht gelang, war die Integration einer weiteren "Gegen-Folie" (Counter band) zur Registrierung von Vibrationen. Zur Messung lokaler Erwärmungen gelangen Sensoren, die ein Zehntausendstel Grad Erwärmung erkennen. Und letztlich gelangen Dehnungssensoren, die Längenänderungen von Millionstel Anteilen registrieren. Weltweit erstmalig müssen diese Bänder nicht aufwändig aufgeklebt werden, sondern sie haften durch den Druck, der in jeder Maschine a priori gegeben ist. Insgesamt konnten die gestellten Erwartungen mehr als erfüllt werden. Schließlich wurde noch eine portable Mess- Box entwickelt, die es erlaubt, bis zu 16 Signale synchronisiert unmittelbar am Standort einer Maschine aufzuzeichnen, um sie später off-line auszuwerten.