一種構(gòu)造方形通孔結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器設(shè)計及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?

（新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石河子 832000）

1 引言

對電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，勵磁線圈的工作狀態(tài)受到多種因素的影響。例如，磁風(fēng)暴或高壓直流輸電系統(tǒng)長期處于單極接地回路狀態(tài)下時將會形成直流電流而引起變壓器鐵芯產(chǎn)生直流偏磁的現(xiàn)象［1～3］。受到直流偏磁影響后，變壓器的鐵芯將迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，由此導(dǎo)致工作點(diǎn)發(fā)生勵磁電流的畸變并出現(xiàn)明顯漂移，同時還會產(chǎn)生半波飽和的情況［4］。并且，產(chǎn)生直流偏磁磁通之后還會引起高鐵芯損耗的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致振動、噪聲與過熱的現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害變壓器的正常工作過程［3～5］。由此可見，有效監(jiān)測直流磁通數(shù)據(jù)已經(jīng)成為保證電力變壓器穩(wěn)定安全運(yùn)行的一項(xiàng)必要措施。

當(dāng)前，變壓器直流磁通的主流測試方法是根據(jù)變壓器偏磁變化量測試結(jié)果來計算得到直流磁通數(shù)據(jù)［7～9］。由于各文獻(xiàn)給出的測試方法都是通過變壓器振動狀態(tài)來判斷直流磁通的大小，而不是直接測試得到。由于很多時候?qū)嶋H測試值和直流磁通間并不能形成唯一對應(yīng)關(guān)系，這使得上述測試方法較易受到其它因素的顯著影響［10～12］。也有學(xué)者通過研究認(rèn)為可以利用C型傳感器主磁芯結(jié)構(gòu)的動態(tài)磁通量來達(dá)到實(shí)時檢測的目的，不過該測試方法需要獲得輔助磁芯電感量數(shù)據(jù)，同時測試精度也跟溫度之間存在較大關(guān)聯(lián)。

本文設(shè)計得到一種具有C型結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器，可以利用此傳感器測試得到變壓器鐵芯磁通數(shù)據(jù)，再根據(jù)磁通門原理實(shí)現(xiàn)磁通的直接測試目標(biāo)。同時采用自主構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺直接測試了變壓器直流磁通變化情況。

2 檢測原理

磁通門對被測磁場的調(diào)制過程是通過改變磁芯飽和磁導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)傳感器內(nèi)形成的感應(yīng)電動勢來測試磁場強(qiáng)度［13～15］。

本文測試模型如圖1所示，其中虛線范圍內(nèi)包含的是一個單芯磁通門傳感器，分別將激勵線圈和測試線圈都纏繞到同一鐵芯上，該鐵芯橫截面面積是SF，磁導(dǎo)率μ，激勵線圈為N1匝，測試線圈為N2匝。以H1表示激勵線圈的磁場強(qiáng)度，H0表示被測磁場的強(qiáng)度，可以得到如下所示的磁芯內(nèi)部磁場：

再計算出磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B如下所示：

隨著磁芯達(dá)到飽和狀態(tài)后，激勵磁場將不會對其磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響，將其表示成時間t的函數(shù)μ（t）?？梢缘玫酱磐ㄩT測試線圈的感應(yīng)電動勢是：

對上式進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對磁通門信號而言，在變壓器效應(yīng)中形成的感應(yīng)電動勢屬于一類強(qiáng)度較高的噪聲源，因此進(jìn)行實(shí)際測試時可以使用圖1的差分結(jié)構(gòu)磁通門傳感器，此結(jié)構(gòu)擁有兩個對稱的鐵芯參數(shù)，使激勵線圈形成反向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這使得激勵線圈可以在磁芯中形成具有相反方向但大小一樣的磁場。而被測磁場的二個鐵芯中將會形成大小與方向都一致的分量。因此，測試線圈受到激勵后形成的感應(yīng)電動勢將被抵消，獲得被測磁場2倍的強(qiáng)度，因此可以將測試線圈感應(yīng)電動勢表示成下述形式：

根據(jù)上式可知，輸出電壓的變化幅值正比于測試得到的磁場強(qiáng)度。本文選擇包含差分結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器以及通過脈沖幅值方法來測試磁場強(qiáng)度。

圖1 差分結(jié)構(gòu)磁通門傳感器

3 新型磁通門傳感器設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)使用的傳感器結(jié)構(gòu)由C型磁芯、激勵源、激勵線圈、檢測線圈共4部分組成。應(yīng)用具有高磁導(dǎo)率的鐵芯來保證傳感器磁阻明顯低于變壓器磁芯，同時傳感器磁芯將對主磁芯的磁通路徑產(chǎn)生分流作用。為了避免形成渦流，選擇與變壓器鐵芯一樣的疊片方法處理C型磁芯，同時為鐵芯中間開設(shè)一個方形通孔得到差分磁通門傳感器。

圖2 磁通門傳感器示意圖

從圖2中可以看到本研究的傳感器具體結(jié)構(gòu)，可以看到在磁通門傳感器中存在二個勵磁線圈對磁芯通孔兩側(cè)形成對稱纏繞，以相同的線圈匝數(shù)呈反向串聯(lián)狀態(tài)。兩個勵磁線圈可以形成方向相反但大小相等的勵磁磁場，同時對通孔進(jìn)行圍繞后形成閉合磁通路徑。受外部激勵源的影響，勵磁線圈將發(fā)生具有周期性特征的磁通變化現(xiàn)象。所以，達(dá)到峰值激勵電流狀態(tài)時，磁芯內(nèi)將形成最大的磁場強(qiáng)度。不考慮通孔兩側(cè)存在的微小不對稱結(jié)構(gòu)造成的影響，假定通孔兩側(cè)具有相同的幾何參數(shù)與電磁參數(shù)，則可以推斷測試線圈形成的感應(yīng)電動勢剛好被抵消，此時激勵電流只發(fā)揮對磁芯磁導(dǎo)率的調(diào)節(jié)功能。

按照與電力變壓器鐵芯疊片表面保持垂直的方式安裝傳感器磁芯接口用途磁通門傳感器，當(dāng)主磁芯形成交流磁通以及直流磁通從低磁阻磁路與磁通門傳感器經(jīng)過后，可以在此區(qū)域內(nèi)形成高磁通密度。假定變壓器是沿Z向堆疊的，則此時的磁通路徑與X-Y平面相平行。為保證低通過磁阻路徑，將磁通門傳感器設(shè)置為沿x方向的堆疊方式。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 激勵電路設(shè)計

對本文傳感器測試結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證分析，以自激磁通門原理來產(chǎn)生激勵電流，具體電路結(jié)構(gòu)見圖3（a）。利用激勵線圈充放電過程和比較器來完成該電路的電壓翻轉(zhuǎn)過程，通過自激振蕩方式形成具有周期變化特征的信號，有效增大電路輸出電流。

通過分段線性模型對激勵線圈進(jìn)行等效處理得到非線性電感，使磁芯飽和電流ISF比磁芯未飽和即激勵電流Iex大的情況下，對激勵線圈電感進(jìn)行等效處理，將其作為一個常數(shù)L0，同時在磁芯達(dá)到飽和的狀態(tài)下對激勵線圈電感進(jìn)行等效處理，將其表示為常數(shù)LS，可以得到如圖3（b）顯示的激勵電壓與電流圖像。以Vt表示閾值電壓，其中Im代表最大激勵電流。

圖3 自激磁通門原理示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)對8kVA變壓器進(jìn)行了測試，其飽和磁密等于1.48t，利用臨時線圈方式進(jìn)行測試，得到變壓器低壓側(cè)的線圈共226匝，可以計算出變壓器的飽和時勵磁電流是0.15A。為避免變壓器達(dá)到飽和運(yùn)行狀態(tài)，將直流電流的大小控制在0～0.12A之間。為了使磁芯更加容易達(dá)到飽和狀態(tài)，選擇具有高磁導(dǎo)率的鈷基非晶作為磁芯材料，表1給出該材料的各項(xiàng)性能參數(shù)。

測試時保持傳感器樣機(jī)與變壓器鐵芯表面的緊密貼合，控制激勵源頻率等于300Hz，采用示波器顯示測試結(jié)果。分別測試各個偏置電流下的線圈電壓得到圖4所示的變化波形。對圖4進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器鐵芯不存在直流偏置磁通的情況下測量線圈依然會測試出電壓輸出值，這是因?yàn)槭艿讲粚ΨQ的傳感器激勵與不對稱的輸出電平影響所導(dǎo)致的結(jié)果。

表1 鈷基非晶參數(shù)表

圖4 不同直流偏磁狀態(tài)下的輸出電壓波形

4.3 結(jié)果分析

圖5顯示了偏置電流和輸出電壓之間的幅值變化關(guān)系。根據(jù)圖5可知，測試信號與偏置電流之間呈現(xiàn)非線性的單調(diào)變化規(guī)律，其中，造成非線性變化的因素包括如下兩點(diǎn)：

1）當(dāng)把傳感器放置于變壓器上時，傳感器磁通應(yīng)和變壓器內(nèi)磁通存在比例關(guān)系，而受到強(qiáng)電磁力影響以及發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)后將使傳感器鐵芯發(fā)生變形并使其氣隙長度發(fā)生改變，從而干擾磁分路磁阻并引起傳感器磁通分量的變化，導(dǎo)致測試誤差出現(xiàn)。

圖5 檢測電壓幅值與直流偏磁電流關(guān)系曲線圖

2）當(dāng)偏置電流上升后，變壓器鐵芯的磁導(dǎo)率也會隨之改變，變壓器磁通量與偏置電流之間屬于一種非線性變化關(guān)系，導(dǎo)致測試結(jié)果呈現(xiàn)非線性特征。

5 結(jié)語

1）設(shè)計了一種新型磁通門傳感器設(shè)計，其由C型磁芯、激勵源、激勵線圈、檢測線圈共四部分組成。在磁通門傳感器中存在二個勵磁線圈對磁芯通孔兩側(cè)形成對稱纏繞，以相同的線圈匝數(shù)呈反向串聯(lián)狀態(tài)，按照與電力變壓器鐵芯疊片表面保持垂直的方式安裝傳感器磁芯接口用途磁通門傳感器。

2）以自激磁通門原理來產(chǎn)生激勵電流設(shè)計激勵電路，采用示波器開展實(shí)驗(yàn)測試得到：當(dāng)變壓器鐵芯不存在直流偏置磁通的情況下測量線圈依然會測試出電壓輸出值，測試信號與偏置電流之間呈現(xiàn)非線性的單調(diào)變化規(guī)律。