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故障指示器采集单元取电磁芯的应用

发布时间:2019-10-29 15:56:54


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。

 坡莫合金磁芯.webp.jpg

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:

 坡莫合金铁芯.png

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损耗达到最小,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最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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