消除電磁軛過(guò)電壓的方法

(成都華林檢測(cè)技術(shù)研究所，成都 610057)

磁粉檢測(cè)的基本原理是試件磁化后，在缺陷處會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，從而吸附磁粉，顯示出缺陷。試件磁化的方法有多種，因此也就有多種與之相應(yīng)的磁粉檢測(cè)設(shè)備，便攜式磁粉檢測(cè)儀就是其中之一。由于該設(shè)備體積小、重量輕，便于攜帶至現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。便攜式磁粉檢測(cè)儀的主要部件電磁軛雖然常被使用，但電磁軛會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，給設(shè)備和人員的安全帶來(lái)威脅。筆者分析了產(chǎn)生過(guò)電壓的原因，說(shuō)明了其危害性，并特別指出，當(dāng)頻繁斷開(kāi)勵(lì)磁電流時(shí)，出現(xiàn)過(guò)電壓的可能性會(huì)急劇增大。筆者提出了消除電磁軛過(guò)電壓的兩種方法，結(jié)果表明，采取了抑制過(guò)電壓后的電磁軛，使用220 V的交流電壓進(jìn)行磁粉檢測(cè)是可行的。

1 便攜式磁粉檢測(cè)儀的概況及其發(fā)展

便攜式磁粉檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)一般分為兩大部分：一部分是電源；另一部分是電磁軛。電源的作用是產(chǎn)生勵(lì)磁電流，并輸出給電磁軛；電磁軛的作用是將勵(lì)磁電流變?yōu)榇磐ㄝ敵鼋o試件，將試件磁化。在其他條件一定的情況下，如果輸入試件的磁通較大，得到的檢測(cè)靈敏度就較高。

磁通φ、磁通勢(shì)NI(安匝數(shù))和磁阻Rm的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

由式(1)可知，采用較大的勵(lì)磁電流I可得到較大的磁通φ(φ隨勵(lì)磁電流I的增加而單向增加，但不成正比)。同時(shí)，為了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全要采用低電壓，即“低壓，大電流”。這是設(shè)計(jì)、制作便攜式磁粉檢測(cè)儀的基本原則。因此，人們常常采用含有電源變壓器的電源箱，將市電220 V變?yōu)檩敵鲭妷簽榻涣?6 V的安全電壓，但要輸出較大的交流電來(lái)給電磁軛供電。這就是較早期的便攜式磁粉檢測(cè)儀。

由于制作電磁軛的原材料的絕緣性能越來(lái)越好，耐電壓程度也越來(lái)越高，甚至可高達(dá)2 000 V。因此，有人就以為把電磁軛直接接于市電220 V是安全的，因?yàn)槭须姷姆逯惦妷涸?00 V以下，遠(yuǎn)低于2 000 V。

采用隨身攜帶的蓄電池和逆變器，將直流電變?yōu)榕c市電220 V相近的交流電給電磁軛供電，既可消除引入較長(zhǎng)市電電源線的麻煩，還可以解決某些野外作業(yè)不便接市電的困難。這樣的電磁軛既可直接接于逆變器，又可直接接于市電220 V，給檢測(cè)人員帶來(lái)了更大的方便。

2 電磁軛的特點(diǎn)

電磁軛是在硅鋼片上密繞N匝線圈，用高絕緣材料予以保護(hù)，防止電擊穿、漏電和短路的部件，電磁軛上還裝有一個(gè)可隨時(shí)閉合和斷開(kāi)勵(lì)磁電流的小開(kāi)關(guān)[1-2]。

磁路的磁阻為Rm，磁路的長(zhǎng)度為l，截面積為S，磁導(dǎo)率為μ，其間的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

將式(2)代入式(1)，可得

(3)

再將式(3)代入N匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，得到結(jié)果如式(4)所示。

(4)

式中：L為線圈的電感;i為電流。

由式(4)可知，對(duì)于一個(gè)密繞的長(zhǎng)線圈，其截面積為S，長(zhǎng)度為l，匝數(shù)為N，介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ，則其電感為

(5)

μ=μrμ0

(6)

式中：μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率。

當(dāng)線圈中沒(méi)有鐵心時(shí)，即空心線圈，其磁導(dǎo)率μ=μ0，則電感L為不隨勵(lì)磁電流變化的常量。此時(shí)的電感稱(chēng)為線性電感。當(dāng)線圈中有鐵心時(shí)，即非空心線圈，其磁導(dǎo)率μ=μrμ0，則此時(shí)的電感L隨勵(lì)磁電流的變化而非線性變化，此時(shí)的電感稱(chēng)為非線性電感。電感L隨勵(lì)磁電流i變化的關(guān)系曲線與磁導(dǎo)率μ隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的關(guān)系曲線很相似。

由于電磁軛的鐵心常常是用冷軋硅鋼片疊制而成的，其磁導(dǎo)率μ很大，則電感L也很大，而且是非線性的。也就是說(shuō)，電磁軛的第一個(gè)特點(diǎn)就是其為一個(gè)非線性大電感負(fù)載。

電磁軛磁粉檢測(cè)儀的3個(gè)特點(diǎn)如下所述。

(1) 電磁軛磁粉檢測(cè)儀在檢測(cè)過(guò)程中，開(kāi)啟(閉合)電磁軛上的小開(kāi)關(guān)，讓勵(lì)磁電流通過(guò)線圈，產(chǎn)生磁通，使試件磁化。通電片刻后，就需要關(guān)斷(斷開(kāi))勵(lì)磁電流，即進(jìn)行了一次磁化。稍后，再進(jìn)行第二次通電磁化。這種磁化過(guò)程在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中將不斷地重復(fù)出現(xiàn)，就需要該開(kāi)關(guān)也不斷地反復(fù)開(kāi)啟與關(guān)斷。

(2) 電磁軛磁粉檢測(cè)儀的電磁軛一般是手持式的。在現(xiàn)場(chǎng)，操作人員的手直接握住電磁軛，而未借助于另外的任何夾具。

(3) 電磁軛磁粉檢測(cè)儀在實(shí)施檢測(cè)的過(guò)程中，常常不是采用剩磁法，而是采用連續(xù)法，即操作人員的手直接握住電磁軛，將其磁頭與試件直接接觸，使試件磁化。同時(shí)，操作人員還向磁頭與試件接觸處及其附近的試件澆撒磁懸液。這樣，電磁軛就在較潮濕的狀態(tài)下工作。

3 電磁軛的過(guò)電壓

3.1 電磁軛過(guò)電壓的產(chǎn)生

由于電磁軛是一個(gè)非線性大電感負(fù)載，而且在使用時(shí)，用電磁軛上的小開(kāi)關(guān)直接開(kāi)啟和關(guān)斷勵(lì)磁電流，而產(chǎn)生較大的過(guò)電壓。

設(shè)電磁軛上的小開(kāi)關(guān)在關(guān)斷的瞬間，加于電磁軛線圈的勵(lì)磁電流為i，電壓為u，電容為C，則負(fù)載端積蓄的能量E為電感L中的電磁能及電容中的靜電能之和，即

(7)

若忽略線圈直流電阻的損耗，其最大過(guò)電壓發(fā)生在能量全部轉(zhuǎn)化為靜電能的時(shí)候，最大過(guò)電壓如式(8)所示。

(8)

因?yàn)槭谴箅姼胸?fù)載，所以電感L遠(yuǎn)大于電容C，關(guān)斷勵(lì)磁電流時(shí)的瞬間電壓為u，在這里可以忽略不計(jì)，則式(8)可近似用式(9)表示。

(9)

一般其比關(guān)斷時(shí)的瞬間電壓u高得多。

當(dāng)勵(lì)磁電壓是正弦波時(shí)，勵(lì)磁電流則不是正弦波。其勵(lì)磁電流的峰值也就不再是有效值的1.4倍，而是有效值的2.4倍。因此，電磁軛上的小開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間，正好是勵(lì)磁電流的峰值，則過(guò)電壓會(huì)更大[3]。

3.2 電磁軛過(guò)電壓的危害

一般在斷開(kāi)含有繼電器、接觸器、電磁離合器等電感負(fù)載時(shí)，過(guò)電壓可以超過(guò)電源電壓的數(shù)十倍，其值可達(dá)數(shù)千伏。電磁軛是一個(gè)大的電感負(fù)載，其過(guò)電壓將會(huì)很大。因此，僅靠將絕緣材料的耐壓升至2 000 V是不夠的。過(guò)電壓可使接觸點(diǎn)間產(chǎn)生火花放電，從而損壞觸頭，影響絕緣層性能。再加上電磁軛使用的特點(diǎn)，其常工作在潮濕的環(huán)境中，對(duì)設(shè)備絕緣性能的要求就更高。否則，難以保證直接握住電磁軛進(jìn)行檢測(cè)的工作人員的安全。

在應(yīng)用手持式電磁軛進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁電壓不是36 V安全電壓，而是市電220 V時(shí)，電磁軛的這個(gè)過(guò)電壓?jiǎn)栴}就顯得尤為嚴(yán)重。因此，過(guò)電壓將給設(shè)備和工作人員的安全帶來(lái)隱患。

3.3 抑制過(guò)電壓的方法

(1) 應(yīng)用壓敏電阻抑制過(guò)電壓

壓敏電阻是一種對(duì)電壓敏感的元件。由壓敏電阻的伏安特性可知，當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于壓敏電阻的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，隨著電壓的增加，通過(guò)壓敏電阻的電流也緩慢增加;但是當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓達(dá)到壓敏電阻的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，通過(guò)壓敏電阻的電流迅速增加，從而使得壓敏電阻兩端的電壓幾乎不變。因此，應(yīng)用壓敏電阻的這個(gè)伏安特性，將壓敏電阻與電磁軛的電感線圈或小開(kāi)關(guān)并聯(lián)，可抑制其過(guò)電壓。

(2) 減小關(guān)斷的瞬間電流i來(lái)抑制過(guò)電壓

由式(9)可知，若大大減小電磁軛小開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間電流i，也可抑制其過(guò)電壓。比如XK-2型交直流磁力探傷儀[4]，其含有自動(dòng)退磁模塊，當(dāng)電磁軛上的小開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，勵(lì)磁電流逐漸增大至定值；當(dāng)該小開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，勵(lì)磁電流不是突然變?yōu)?，而是逐漸減小到很小時(shí)，甚至接近于0才關(guān)斷。也就是說(shuō)，電磁軛的小開(kāi)關(guān)關(guān)斷瞬間的勵(lì)磁電流i很小，甚至接近于0。那么，產(chǎn)生的過(guò)電壓也就很小，而接近于0，即這也抑制了其過(guò)電壓。

另外，根據(jù)峰值觀點(diǎn)[5]，磁粉檢測(cè)靈敏度取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通)的峰值。磁通的峰值較高，則檢測(cè)的靈敏度就較高。

U=4.44fNφm

(10)

式中：φm為磁通峰值;f為頻率。

由式(10)可知，要獲得較高的磁通峰值φm,在頻率f和線圈匝數(shù)N不變的情況下，必須采用較高的電壓U。也就是說(shuō)，在一定的條件下，采用的勵(lì)磁電壓有效值U較高時(shí)，可獲得較高的磁通峰值φm,從而可獲得較高的磁粉檢測(cè)靈敏度。

綜上所述，將電磁軛直接接于市電(或經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換)的交流220 V，既方便，又可提高靈敏度；而帶來(lái)的不利是將產(chǎn)生過(guò)電壓。若采取了抑制過(guò)電壓的措施，將電磁軛直接接于交流220 V進(jìn)行磁粉檢測(cè)，還是可取的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 便攜式磁粉檢測(cè)儀的手持式電磁軛是一個(gè)非線性的大電感負(fù)載。在磁粉檢測(cè)時(shí)，電磁軛上的小開(kāi)關(guān)頻繁地閉合和斷開(kāi)，會(huì)反復(fù)產(chǎn)生超過(guò)電源電壓數(shù)十倍的過(guò)電壓，這會(huì)給設(shè)備和工作人員的安全帶來(lái)隱患。

(2) 采取抑制過(guò)電壓措施后的電磁軛，用于交流220 V電壓進(jìn)行磁粉檢測(cè)是可取的。

[1] 俞大光.電工基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1964.

[2] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1990.

[3] 林錫忠.一種帶有過(guò)電壓保護(hù)模塊的高導(dǎo)磁探頭：中國(guó)，CN201620721289.0[P].2016-07-11.

[4] 林錫忠.XK-2型交直流磁力探傷儀的設(shè)計(jì)[J].無(wú)損檢測(cè)，1984， 6(1)：27-29.

[5] 林錫忠.脈沖電流磁化時(shí)的探傷靈敏度與磁化電流峰值的關(guān)系[J].無(wú)損檢測(cè)，1989，11(12)：333-335.