Grundlagen der Werkstofftechnik und der Fertigungstechnologie für einen optisch-elektrischen Kombinationsleiter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand der hier vorgestellten Ergebnisse sind Untersuchungen zu den Grundlagen der Werkstofftechnik und der Fertigungstechnologie für einen optisch-elektrischen Kombinationsleiter. Der optisch-elektrische Kombinationsleiter ist eine an der Fachhochschule Nordhausen entwickelte neuartige Technologie, welche die gefährdenden und zerstörenden Auswirkungen von Störlichtbögen in Systemen mit Kabeln und elektrischen Leitungen, wie z. B. Fahrzeugbordnetzen reduzieren bzw. gänzlich ausschließen kann. Bestandteile des optisch-elektrischen Kombinationsleitersystems sind: • der Kombinationsleiter, bestehend aus dem elektrischen Leiter (z. B. Kupferdrahtlllze) und dem optisch aktiven Mantel (mehrschichtig aufgebaut aus lichtleitendem Teil und innerer sowie äußerer Claddingschicht), • eine optisch-elektrische Wandlereinheit zur Umwandlung des übertragenen optischen Signals in ein welterverarbeitbares elektrisches Signal, • eine Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung. Zur Identifikation von Störlichtbögen und somit zur Leiterübenwachung wird beim optisch-elektrischen Kombinationsleiter das Licht genutzt. Beim Auftreten eines seriellen oder parallelen Störlichtbogens wirkt der optisch transparente Polymermantel des Kombination ste Itersystems als sensorisches Medium. Der Lichtimpuls des Störlichtbogens wird mil bestimmten Anteilen in den optisch aktiven Mantel eingekoppelt und dort wie bei einer polymeroptischen Faser über Totalreflexion bis zum optisch-elektrischen Wandler (Empfänger) übertragen. Der somit optisch angeregte Empfanger liefert ein elektrisches Signal an eine entsprechende Auswerteeinheit, die dann dafür sorgt, dass der betreffende Strompfad zeitweilig oder dauerhaft abgeschaltet wird. Durch Ergänzung des Systems mit einem Sender wird auch eine prophylaktische Leiterüberwachung möglich. Durch eine jeweils stirnseltig am Kombinationsleiter angebrachte Sender- und Empfängereinheit kann optisch über den Leiter kommuniziert werden. Beaufschlagt man nun den Leitermantel mit optischen Prüfimpulsen, kann deren Auswertung Auskunft darüber geben, ob beispielsweise mechanisch oder thermisch bedingte Schädigungen des Kabelmantels voriiegen. Basierend auf den innerhalb des Forschungsprojektes durchgeführten, umfangreichen Wertestoffuntersuchungen konnte ermittelt werden, dass für den lichtleitenden Teil im optischen Kombinationsleitermantel am besten Siticonelastomere, thermoplastische hochtransparente Polyurethane und hochtransparente Polyamide geeignet sind. Für die Claddingmaterialien konnten Fluorpolymere als gut geeignet eingestuft werden. Auf der Grundlage gewonnener Erkenntnisse über die Eigenschaften von Slörlichtbögen (im Spannungsbereich von 16 V bis 44 V) konnten an Labormustern des Kombinationsleiters mit den o. g. Werkstoffen entsprechende Lichtbogensignale eindeutige detektiert werden. Eine erste Überbllcksmodellierung mit Unterstützung des POFAC lieferte die Aussagen, dass eine Lichtübertragung von Störlichtbogensignalen gut möglich ist. Des Weiteren wurde durch diese Modellierung bestätigt, dass ein optisch mehrschichtiger Aufbau des Kabelmantels (lichlleltender Teil und Claddingschlchten) für verlustarme Signalübertragung notwendig ist. Durch die Herstellung von Kombinationsleitern im Labor und in Zusammenarbeit mit Kabelherstellern konnten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Herstellungstechnologie gewonnen werden. Bei den Untersuchungen zur Lichtdurchlässlgkelt und zur Störlichtbogendetektion an diesen Mustern traten technologisch bedingte Dämpfungsverluste auf. Für die optisch-elektrische Wandlung des im Kombinationsleiter übertragenen optischen Signals wurde im Rahmen der Projektarbeiten durch die FHN ein neuartiger Empfänger in Ringstruktur entwickelt, der für einen derartigen tubulären Lichtwellenleiter geeignet ist. Für eine potentielle Kabelüberwachung wurden weiterhin Sende- bzw. bidirektional arbeitende Sende-/Empfängereinheilen entwickelt und als Labormuster hergestellt. Erste Versuche zeigten, dass eine Konfektionierung durch Umspritzen des mit dem optisch-elektrischen Wandler verbundenen Endes des Kombinationsleiters prinzipiell möglich ist Basierend auf den bisher voriiegenden Untersuchungsergebnissen ist eine Fortsetzung der Arbeiten notwendig, um das System des optisch-elektrischen Kombinatlonsleiters weiter zu qualifizieren, ein Systemauslegungsverfahren zu erarbeiten und um weitere System komponenten zu entwickeln. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser weiterführenden Arbeiten wird dann eine Applikation des Kombinationsleiters möglich. Ausgehend vom erreichten Untersuchungsstand ergeben sich für die Fortsetzung der Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des optisch-elektrischen Kombinatlonsleiters folgende Themenschwerpunkte: • Fertigungstechnologie für Kombinationsleiter aus Siliconelastomeren, • weitere Qualifizierung der Kombinationsie Herrn uster aus aliphatischen TPU und THV und aus transparenten Polyamid und Fluorpolymer, • Erarbeitung eines mathematischen Auslegungsmodells, • Konfektionierung des Komblnatlonslelters, • Informatlonslechnisches System Interface, • Untersuchungen zur Systemzuverlässigkeit Bei positivem Abschluss der aufgeführten Ergänzungsarbeiten ist eine Applikation realisierbar, welche in Anlagen und Einrichtungen mit elektrischen Kabeln und Leitungen zwecks Störlichtbogenschutz zum Einsatz kommen kann. Anwendung kann das System z. B. in folgenden industriellen Bereichen finden: Bordnetzsysleme von Straßen- und Schienenfahrzeugen, In Flugzeugen und Im Schiffbau, Überwachungseinrichtung für Versorgungsleitungen in der Robotertechnik, Aktorik, Mechatronik, Photovoltalk-Anlagen, Brennstoffeellensysteme, Stromversorgungsanlagen und Automalisierungstechnik, optische Kommunikationssysteme.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Patent DE 103 42 370: Anordnung zur Überwachung elektrischer Einrichtungen auf das Entstehen von Slörlichtbögen
- Vortrag im e-Transfer-Forum und Präsentation auf der IT-Messe Thüringen in Erfurt „Optischelektrischer Kombinationsleiter CONDUS zur Störlichtbogendetektion"
- PCT-Anmeldung WO 2005 / 027 160 A2, EP 04765342.3-1231: Anordnung zur Überwachung elektrischer Einrichtungen auf Störlichtbögen
- (Poster)-Vortrag: „Conductor Dual System - CONDUS - Forschungsprojekt zu einem optischelektrischen Kombinationsleiter" auf der 13. ITG-Fachtagung „Kommunikationskabelnetze", 12. und 13.12.2006 in Köln, Text-Beitrag in ITG-Fachberichte Nr. 197, Seite 167
- Bewerbung und (Poster)-Vortrag „Conductor Dual System CONDUS, optisch-elektrischer Kombinationsleiter zur Störlichtbogenerkennung und zur optischen Kommunikation" zum KAISER-FRIEDRICH-FORSCHUNGSPREIS, Goslar 2007, Tagungsband Seite 60.
- Vortrag auf der Hannover Messe 2007 „Optisch-elektrischer Kombinationsleiter CONDUS zur Störlichtbogendetektion". F&T-Arena, Vortragsprogramm zum Themenschwerpunkt „Neue Materialien, Werkstoff- und Oberflächentechnologie"
- Die Power Management Classification - Energetisches Baukastensystem der Zukunft. ATZelektronik, Heft 04/2009, Juli
- Die Power Management Classification von Energiekomponenten und ihre Anwendung in Energiemanagementsystemen. Beitrag zum Forum Antriebssysteme am 27.05.2009, Hochschule Harz Wernigerode
- Gefährliche und zerstörende Auswirkungen von Störlichtbögen in Bordnetzen reduzieren. 2009
- The Power Management Classification, Energy-related modular system of the future. ATZelektronik, 2009
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/BF03242230)
