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故障指示器采集单元取电磁芯的应用及取电线圈烧毁原因

2020-10-30 09:05:46

1、采集单元取电原理


故障指示器采集单元电流感应取电利用“动电生磁,动磁生电”的电磁感应原理,将导线上变化的交流电流,通过坡莫合金磁芯电磁耦合的方式在二次线圈上产生电压和电流,实现取电功率的传送,达到自导线上取电的目的。


 

电磁感应原理

如图,当一次绕组N1中流过一次电流时,磁芯磁体内产生一个交变磁通Φ1 ,该交变磁通Φ1通过磁芯磁路,在二次侧绕组上产生感应电压值U。相较于其它电磁互感变换,这里的一次绕组为电缆或导线,匝数为1匝。


交变磁通Φ1在磁芯中形成闭合回路的过程中会受到磁阻Φr、磁空间辐射(漏磁ΦL)等的阻碍,部分磁通将被损耗,只有穿越二次绕组的这部分磁通Φ2才能有效的将电能传递到二次侧,即Φ1=ΦL+Φr+Φ2。可见,在同等工况下,磁阻Φr和漏磁ΦL越小,二次侧输出的功率会越大。


由于坡莫合金磁芯采集单元需满足带电安装和拆卸的要求,磁芯需要采用切割扣合模式,即磁芯需要在生产时切割成两半,安装时再闭合形成环形磁路。磁路在闭合时会因切割缝隙产生气隙,相较于原环形磁芯,其磁阻Φr和漏磁ΦL因而大大增加,在同等工况下,切割工艺越好,气隙越小,磁阻Φr和漏磁ΦL将会越小,二次侧输出的功率则会越大。


为了降低磁路损耗,在相同的导线电流情况下提高二次侧输出功率水平,需要采用高磁导率、高饱和磁通密度Bs值的磁芯材料,使磁芯材料的选材趋于高端化。经过我们的多方实验,符合故障指示器采集单元取电要求的材料有:坡莫合金1L85 ,铁基纳米晶 1K107.




磁性材料的物理特性 / 磁特性:



2、磁通量与功率的关系/理论公式之间的关联计算:


(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:磁导率  


B:磁通密度   


Ae:磁芯截面积


H:磁场强度    


AL:电感系数  


Le:等效磁路长度  


由此可见:在相同的一次侧电流时,磁导率μ越高、磁芯的等效磁路长度Le越短、磁芯截面积Ae越大,一次侧磁通量Φ1越大。


为了使一次侧的磁通量传递到二次侧后,Φr、ΦL损耗达到Z小,就必须减少磁阻损耗、漏磁损耗,即提高磁导率、优化磁芯的有效磁路长度并采用优良工艺保障磁芯切割面紧密贴合。在我们的实际加工实践中,1K107铁基纳米晶磁芯切割后的磁导率可以达到15000以上,1J85坡莫合金磁芯切割后的磁导率可以达到12000以上。坡莫合金铁芯切割后的磁导率可以达到多少呢?以待下集分解。


 


3、取电线圈烧毁原因分析


由于取电线圈在工频条件下工作,在合理设计磁芯的情况下,磁芯涡流引致的铁损不会太大,因此坡莫合金磁芯磁芯不会出现烧毁的情况,现场的烧毁情况主要因二次绕组的设计不当造成。


当故障指示器一次侧的工作电流上升时,二次侧输出电流也会相应的上升,即满足I1:I2 =N1:N2,因此需要按照一次侧导线上可能的持续大电流考虑绕组铜线的线径,绕组上的电流密度取值不宜过大,否则绕组上将会产生高热,导致线圈烧毁。




4、实例应用


1J85(0.2mm坡莫合金)与1K107(0.025mm铁基纳米晶)都属于超高磁导率软磁材料,在工频条件下, 涡流损耗几乎可以忽略不计,在当前故障指示器采集单元的取电应用中,其优良的磁特性,是其他坡莫合金磁芯磁性材料无法相提并论的。1J85与1K107 之间的磁芯价格大约是2:1,大批量的应用下,1K107的磁性能优势,价格优势突出。


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