一种构造方形通孔结构的磁通门传感器设计及其实验验证∗

（新疆石河子职业技术学院 石河子 832000）

1 引言

对电力系统的运行过程进行研究可以发现，励磁线圈的工作状态受到多种因素的影响。例如，磁风暴或高压直流输电系统长期处于单极接地回路状态下时将会形成直流电流而引起变压器铁芯产生直流偏磁的现象［1～3］。受到直流偏磁影响后，变压器的铁芯将迅速达到饱和状态，由此导致工作点发生励磁电流的畸变并出现明显漂移，同时还会产生半波饱和的情况［4］。并且，产生直流偏磁磁通之后还会引起高铁芯损耗的现象，由此导致振动、噪声与过热的现象，严重损害变压器的正常工作过程［3～5］。由此可见，有效监测直流磁通数据已经成为保证电力变压器稳定安全运行的一项必要措施。

当前，变压器直流磁通的主流测试方法是根据变压器偏磁变化量测试结果来计算得到直流磁通数据［7～9］。由于各文献给出的测试方法都是通过变压器振动状态来判断直流磁通的大小，而不是直接测试得到。由于很多时候实际测试值和直流磁通间并不能形成唯一对应关系，这使得上述测试方法较易受到其它因素的显著影响［10～12］。也有学者通过研究认为可以利用C型传感器主磁芯结构的动态磁通量来达到实时检测的目的，不过该测试方法需要获得辅助磁芯电感量数据，同时测试精度也跟温度之间存在较大关联。

本文设计得到一种具有C型结构的磁通门传感器，可以利用此传感器测试得到变压器铁芯磁通数据，再根据磁通门原理实现磁通的直接测试目标。同时采用自主构建的实验平台直接测试了变压器直流磁通变化情况。

2 检测原理

磁通门对被测磁场的调制过程是通过改变磁芯饱和磁导率来实现的，可以根据传感器内形成的感应电动势来测试磁场强度［13～15］。

本文测试模型如图1所示，其中虚线范围内包含的是一个单芯磁通门传感器，分别将激励线圈和测试线圈都缠绕到同一铁芯上，该铁芯横截面面积是SF，磁导率μ，激励线圈为N1匝，测试线圈为N2匝。以H1表示激励线圈的磁场强度，H0表示被测磁场的强度，可以得到如下所示的磁芯内部磁场：

再计算出磁芯内部磁感应强度B如下所示：

随着磁芯达到饱和状态后，激励磁场将不会对其磁导率产生影响，将其表示成时间t的函数μ（t）。可以得到磁通门测试线圈的感应电动势是：

对上式进行分析可以发现，对磁通门信号而言，在变压器效应中形成的感应电动势属于一类强度较高的噪声源，因此进行实际测试时可以使用图1的差分结构磁通门传感器，此结构拥有两个对称的铁芯参数，使激励线圈形成反向串联的结构，这使得激励线圈可以在磁芯中形成具有相反方向但大小一样的磁场。而被测磁场的二个铁芯中将会形成大小与方向都一致的分量。因此，测试线圈受到激励后形成的感应电动势将被抵消，获得被测磁场2倍的强度，因此可以将测试线圈感应电动势表示成下述形式：

根据上式可知，输出电压的变化幅值正比于测试得到的磁场强度。本文选择包含差分结构的磁通门传感器以及通过脉冲幅值方法来测试磁场强度。

图1 差分结构磁通门传感器

3 新型磁通门传感器设计

本实验使用的传感器结构由C型磁芯、激励源、激励线圈、检测线圈共4部分组成。应用具有高磁导率的铁芯来保证传感器磁阻明显低于变压器磁芯，同时传感器磁芯将对主磁芯的磁通路径产生分流作用。为了避免形成涡流，选择与变压器铁芯一样的叠片方法处理C型磁芯，同时为铁芯中间开设一个方形通孔得到差分磁通门传感器。

图2 磁通门传感器示意图

从图2中可以看到本研究的传感器具体结构，可以看到在磁通门传感器中存在二个励磁线圈对磁芯通孔两侧形成对称缠绕，以相同的线圈匝数呈反向串联状态。两个励磁线圈可以形成方向相反但大小相等的励磁磁场，同时对通孔进行围绕后形成闭合磁通路径。受外部激励源的影响，励磁线圈将发生具有周期性特征的磁通变化现象。所以，达到峰值激励电流状态时，磁芯内将形成最大的磁场强度。不考虑通孔两侧存在的微小不对称结构造成的影响，假定通孔两侧具有相同的几何参数与电磁参数，则可以推断测试线圈形成的感应电动势刚好被抵消，此时激励电流只发挥对磁芯磁导率的调节功能。

按照与电力变压器铁芯叠片表面保持垂直的方式安装传感器磁芯接口用途磁通门传感器，当主磁芯形成交流磁通以及直流磁通从低磁阻磁路与磁通门传感器经过后，可以在此区域内形成高磁通密度。假定变压器是沿Z向堆叠的，则此时的磁通路径与X-Y平面相平行。为保证低通过磁阻路径，将磁通门传感器设置为沿x方向的堆叠方式。

4 实验测试

4.1 激励电路设计

对本文传感器测试结果准确性进行验证分析，以自激磁通门原理来产生激励电流，具体电路结构见图3（a）。利用激励线圈充放电过程和比较器来完成该电路的电压翻转过程，通过自激振荡方式形成具有周期变化特征的信号，有效增大电路输出电流。

通过分段线性模型对激励线圈进行等效处理得到非线性电感，使磁芯饱和电流ISF比磁芯未饱和即激励电流Iex大的情况下，对激励线圈电感进行等效处理，将其作为一个常数L0，同时在磁芯达到饱和的状态下对激励线圈电感进行等效处理，将其表示为常数LS，可以得到如图3（b）显示的激励电压与电流图像。以Vt表示阈值电压，其中Im代表最大激励电流。

图3 自激磁通门原理示意图

4.2 实验方案

本实验对8kVA变压器进行了测试，其饱和磁密等于1.48t，利用临时线圈方式进行测试，得到变压器低压侧的线圈共226匝，可以计算出变压器的饱和时励磁电流是0.15A。为避免变压器达到饱和运行状态，将直流电流的大小控制在0～0.12A之间。为了使磁芯更加容易达到饱和状态，选择具有高磁导率的钴基非晶作为磁芯材料，表1给出该材料的各项性能参数。

测试时保持传感器样机与变压器铁芯表面的紧密贴合，控制激励源频率等于300Hz，采用示波器显示测试结果。分别测试各个偏置电流下的线圈电压得到图4所示的变化波形。对图4进行分析可以发现，当变压器铁芯不存在直流偏置磁通的情况下测量线圈依然会测试出电压输出值，这是因为受到不对称的传感器激励与不对称的输出电平影响所导致的结果。

表1 钴基非晶参数表

图4 不同直流偏磁状态下的输出电压波形

4.3 结果分析

图5显示了偏置电流和输出电压之间的幅值变化关系。根据图5可知，测试信号与偏置电流之间呈现非线性的单调变化规律，其中，造成非线性变化的因素包括如下两点：

1）当把传感器放置于变压器上时，传感器磁通应和变压器内磁通存在比例关系，而受到强电磁力影响以及发生磁致伸缩效应后将使传感器铁芯发生变形并使其气隙长度发生改变，从而干扰磁分路磁阻并引起传感器磁通分量的变化，导致测试误差出现。

图5 检测电压幅值与直流偏磁电流关系曲线图

2）当偏置电流上升后，变压器铁芯的磁导率也会随之改变，变压器磁通量与偏置电流之间属于一种非线性变化关系，导致测试结果呈现非线性特征。

5 结语

1）设计了一种新型磁通门传感器设计，其由C型磁芯、激励源、激励线圈、检测线圈共四部分组成。在磁通门传感器中存在二个励磁线圈对磁芯通孔两侧形成对称缠绕，以相同的线圈匝数呈反向串联状态，按照与电力变压器铁芯叠片表面保持垂直的方式安装传感器磁芯接口用途磁通门传感器。

2）以自激磁通门原理来产生激励电流设计激励电路，采用示波器开展实验测试得到：当变压器铁芯不存在直流偏置磁通的情况下测量线圈依然会测试出电压输出值，测试信号与偏置电流之间呈现非线性的单调变化规律。