故障指示器采集單元取電磁芯的應用

1、采集單元取電原理

故障指示器采集單元電流感應取電利用“動電生磁，動磁生電”的電磁感應原理，將導線上變化的交流電流，通過坡莫合金磁芯電磁耦合的方式在二次線圈上產(chǎn)生電壓和電流，實現(xiàn)取電功率的傳送，達到自導線上取電的目的。

如圖，當一次繞組N1中流過一次電流時，磁芯磁體內(nèi)產(chǎn)生一個交變磁通Φ1 ，該交變磁通Φ1通過磁芯磁路，在二次側繞組上產(chǎn)生感應電壓值U。相較于其它電磁互感變換，這里的一次繞組為電纜或導線，匝數(shù)為1匝。

交變磁通Φ1在磁芯中形成閉合回路的過程中會受到磁阻Φr、磁空間輻射（漏磁ΦL）等的阻礙，部分磁通將被損耗，只有穿越二次繞組的這部分磁通Φ2才能有效的將電能傳遞到二次側，即Φ1=ΦL+Φr+Φ2。可見，在同等工況下，磁阻Φr和漏磁ΦL越小，二次側輸出的功率會越大。

由于坡莫合金磁芯采集單元需滿足帶電安裝和拆卸的要求，磁芯需要采用切割扣合模式，即磁芯需要在生產(chǎn)時切割成兩半，安裝時再閉合形成環(huán)形磁路。磁路在閉合時會因切割縫隙產(chǎn)生氣隙，相較于原環(huán)形磁芯,其磁阻Φr和漏磁ΦL因而大大增加，在同等工況下，切割工藝越好，氣隙越小，磁阻Φr和漏磁ΦL將會越小，二次側輸出的功率則會越大。

為了降低磁路損耗，在相同的導線電流情況下提高二次側輸出功率水平，需要采用高磁導率、高飽和磁通密度Bs值的磁芯材料，使磁芯材料的選材趨于高端化。經(jīng)過我們的多方實驗，符合故障指示器采集單元取電要求的材料有：坡莫合金1L85 ，鐵基納米晶 1K107.

磁性材料的物理特性 / 磁特性：

2、磁通量與功率的關系/理論公式之間的關聯(lián)計算：

(1)Φ1=B*Ae   

(2)B=μ*H    

(3)μ=AL*Le/0.4*π* N2*Ae(N2=1)

(4) H=0.40π*N*I/Le

其中：

μ：磁導率  

B：磁通密度   

Ae：磁芯截面積

H：磁場強度    

AL：電感系數(shù)  

Le：等效磁路長度  

由此可見：在相同的一次側電流時，磁導率μ越高、磁芯的等效磁路長度Le越短、磁芯截面積Ae越大，一次側磁通量Φ1越大。

為了使一次側的磁通量傳遞到二次側后，Φr、ΦL損耗達到最小，就必須減少磁阻損耗、漏磁損耗，即提高磁導率、優(yōu)化磁芯的有效磁路長度并采用優(yōu)良工藝保障磁芯切割面緊密貼合。在我們的實際加工實踐中，1K107鐵基納米晶磁芯切割后的磁導率可以達到15000以上，1J85坡莫合金磁芯切割后的磁導率可以達到12000以上。坡莫合金鐵芯切割后的磁導率可以達到多少呢？以待下集分解。

3、取電線圈燒毀原因分析

由于取電線圈在工頻條件下工作，在合理設計磁芯的情況下，磁芯渦流引致的鐵損不會太大，因此坡莫合金磁芯磁芯不會出現(xiàn)燒毀的情況，現(xiàn)場的燒毀情況主要因二次繞組的設計不當造成。

當故障指示器一次側的工作電流上升時，二次側輸出電流也會相應的上升，即滿足I1:I2 =N1:N2，因此需要按照一次側導線上可能的持續(xù)大電流考慮繞組銅線的線徑，繞組上的電流密度取值不宜過大，否則繞組上將會產(chǎn)生高熱，導致線圈燒毀。

4、實例應用

1J85（0.2mm坡莫合金）與1K107（0.025mm鐵基納米晶）都屬于超高磁導率軟磁材料，在工頻條件下， 渦流損耗幾乎可以忽略不計，在當前故障指示器采集單元的取電應用中，其優(yōu)良的磁特性，是其他坡莫合金磁芯磁性材料無法相提并論的。1J85與1K107 之間的磁芯價格大約是2:1，大批量的應用下，1K107的磁性能優(yōu)勢，價格優(yōu)勢突出。