故障指示器采集单元取电磁芯的应用

故障指示器采集单元取电磁芯的应用

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。

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。