CN111896902A - 用于电力设备磁场检测的传感器磁芯性能的研究 - Google Patents

Abstract

本发明通过有限元仿真软件COMSOL构建磁芯模型，从磁芯截面积与长度的比值和磁芯的长度两方面来研究磁芯本身对传感器的影响，得到了磁芯中心位置的相对有效磁导率与磁芯截面积‑长度比值的关系式，还得出了磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度的关系式，为传感器磁芯的设计提供理论依据。对维护电力电缆的稳定运行，及时发现和检修电力电缆的故障，维持我国电网运行的安全稳定有着重大的意义。

Description

用于电力设备磁场检测的传感器磁芯性能的研究

技术领域

本发明涉及一种在电力设备周围磁场的检测方法，其中对磁场传感器的磁芯性能进行了分析。

背景技术

随着我国经济的发展与城市化的推进，我国的城市数量与规模在与日俱增。为了美化城市面貌，节约城市的空间，减少输电走廊的占地，城市电网通过使用电缆线路取代架空输电线路来达到这些目的，电力电缆的应用范围也越来越广。由于电力电缆安装于地下环境，地下的腐蚀质与潮湿等恶劣的因素使得电力电缆容易老化出现故障。而且电力电缆大都是以隧道，沟道，直埋等方式进行铺设，为电缆的故障检测带来了不便。因此，电力电缆检测技术直接影响到电网的安全运行，关系到我国国民经济的发展。

目前，国内外学者对电力电缆在线检测技术已有深刻研究，并且取得了大量阶段性成果。但是，各位学者都是基于电场的检测方法，传统的基于电场的检测方法虽然可以对电缆的老化，缺陷和故障等情况进行检测，但是检测方法和流程比较复杂，检测的可靠性和灵敏度还有待提升。近年来工业应用的领域需要使得磁场检测技术蓬勃发展，磁场传感器的高精确度，高灵敏度，探测深度范围大等优点也使它的应用越来越广泛。磁检测方式中的感应式磁传感器能通过对电力电缆产生的磁场进行检测从而发现电力电缆的故障。

发明内容

本发明的目的即在于，使用COMSOL建立磁场和磁芯的模型，通过相对有效磁导率这一参数反映磁芯对感应式磁传感器灵敏度的影响。从磁芯截面积与长度的比值和磁芯的长度两方面来研究磁芯本身对传感器的影响，得到了磁芯中心位置的相对有效磁导率与磁芯截面积-长度比值的关系式，还得出了磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度的关系式。研究成果可为设计感应式磁场传感器提高重要理论依据和技术支持，减轻电力电缆故障的检测和维修负担，维护人们生产生活用电的安全稳定。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，用于电力设备磁场检测的传感器磁芯性能的研究，其特征在于具体步骤为：

1、感应式传感器的原理分析：

磁芯和感应线圈是磁场传感器的重要组成元件，其中磁芯的性能直接决定了整个磁场传感器的性能。感应式磁传感器是利用穿过磁芯内部的磁通量变化量来对磁场进行测量的，产生的电动势属于感生电动势。测量时线圈回路的形状和位置都静止不变，所以不能用于测量静态的磁场。同时，传感器测量的磁通量也是垂直于磁芯横截面的磁通量。磁芯一般选用导磁率较大的材料，目的是增加感应电压。

出于增加磁芯磁通和磁芯与感应线圈磁链的目的，感应式传感器通常配备一个较长磁芯，感应线圈在磁芯上也有较大的分布范围。磁芯上的相对有效导磁率μ_app是一个与磁芯位置相关的函数，为了简化公式，用整个磁芯的有效导磁率平均值μ_a来表征整个磁芯的导磁状况。感应电压e(t)为：

其中B是磁芯内垂直于磁芯横截面方向的磁感应强度，S0是磁芯的横截面积，n是感应线圈匝数，H是磁传感器所测量的磁场垂直于磁芯横截面方向的磁场强度。

假设电力电缆在运行的过程中，电缆周围产生的磁场时是频率为f的正弦波

H(t)＝H₀sin(2πft) (2)

将其带入公式(1)中，可以得到频率域的感应电动势的表达式：

e＝jωnS₀μ_aH₀ (3)

2、仿真模型的构建

本发明研究的主要物理场是电磁场，并与电路结合完成一些功能，软件的AC/AD模块能实现这样的仿真研究。COMSOL对电磁场能基于麦克斯韦方程组，同时结合全电流定律，基尔沃夫定律和欧姆定律等原理研究。在研究时，需要用到磁场模块对传感器所在的磁场环境进行仿真，使传感器能在交变的磁场中产生感应电压；电路模块是给产生磁场的模型添加激励，使其产生磁场，同时让线圈与电阻等电路元件串联，检测线圈的参数。仿真软件的使用可以对实际的实验研究情况先做出预测，减少实际实验花费的成本，对实验的结果进行预知也有利于对实际实验结果进行判断，更快发现实际实验的误差或错误，还能避免一些危险的实际操作。

本发明通过在线圈中接入交流电源的方式，在构建的空气域中产生交变磁场。产生磁场的线圈的参数如下：线圈区域为圆筒形，外径30cm，内径24cm，高60cm，轴心与z轴平行。圆筒中间是空气域。线圈的导线模型选用的是均匀多匝线圈，匝数设置为300，线圈的电导率设置为6×10⁷S/m，与实际情况下线圈多数采用的铜线材料相近，线圈的截面积为1×10^-6m²。线圈的供电电路除线圈本身外，还有25Ω的限流电阻和频率为50Hz，电压为1V的正弦交流电压源，波形的相位和偏移都为0。

提高传感器的初始灵敏度是提高传感器灵敏度的重要途径。从上文的公式(1)我们可以看出，传感器的初始灵敏度与三个重要的参数有关，三个参数分别是感应线圈匝数N，磁芯有效磁导率平均值μ_a和磁芯的截面积S₀。对磁芯的有效磁导率的影响因素进行研究，能为设计合适的磁芯大小与规格提供理论基础。

本发明用于电力电缆磁场检测的传感器磁芯的设计，对及时发现电缆故障，维护电缆的稳定运行具有重要意义，其具体的有益效果包括：

1、从感应式磁场传感器的基本原理出发，得出影响传感器灵敏度的主要参数有磁芯的有效磁导率、磁芯的横截面积等。这为仿真分析模型的建立奠定了理论基础。

2、利用COMSOL建立了磁场传感器的模型，从磁芯的截面积与长度比和磁芯的长度两个方面研究磁芯的规格对磁芯性能的影响，总结改变这两个因素时磁芯相对有效磁导率的变化趋势，不仅拟合了磁芯中心位置的相对有效磁导率与磁芯截面积-长度比值的关系，还拟合了磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度。为设计合适的磁芯大小提供理论基础，更好地提高传感器的灵敏度，对及时发现和检修电力电缆的故障，维持我国电网运行的安全稳定有着重大的意义。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为不同截面积-长度比下磁芯相对有效磁导率与在磁芯中位置的关系曲线图；

图2为相对有效磁导率与磁芯截面积-长度比关系曲线图；

图3为不同长度时磁芯相对有效磁导率分布曲线图；

图4为相对有效磁导率与磁芯长度的关系曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

1、磁芯截面积与长度的比值对相对有效磁导率的影响分析：

在仿真软件中建立5个截面积与长度比值不同，体积相同的长方体磁芯。这些长方体磁芯的长宽高规格参数如下：5个磁芯的长度(x轴方向的尺寸)分别为2cm，3cm，4cm，5cm和6cm；5个磁芯的宽度(y轴方向的尺寸)都为πcm；5个磁芯的高度(x轴方向的尺寸)分别为30cm，20cm，15cm，12cm和10cm。5个磁芯的磁芯截面积与长度的比值分别为1/15，3/20，4/15，5/12，3/5。磁芯几何中心与产生磁场的线圈轴心距离为100cm，磁芯轴心与z轴平行。

图1为磁芯相对有效磁导率分布图，可以看出磁芯区域距离磁芯中央越远，该区域的磁芯相对有效磁导率越低，磁芯相对有效磁导率随与磁芯中央的距离增大而近似按抛物线规律下降。对磁芯与轴心平行的边界进行磁芯相对有效磁导率仿真，也能得到相同趋势的曲线。得到的相对有效磁导率与到磁芯中央的距离关系拟合函数如表1所示。

表1 不同截面积-长度比下磁芯相对有效磁导率与磁芯中位置的关系

磁芯中心位置的相对有效磁导率与磁芯截面积-长度比值的关系可以拟合成一条反比例函数曲线，曲线的表达式为：

拟合的曲线图如图2所示。

2、磁芯长度对相对有效磁导率的影响分析：

本发明通过建立4个圆柱体磁芯的仿真模型进行研究。4个磁芯的半径统一为2cm，磁芯的长度分别为10cm，15cm，20cm，25cm，磁芯几何中心与产生磁场的线圈轴心距离为100cm，磁芯轴心与z轴平行。

不同长度时磁芯相对有效磁导率分布曲线图如图3所示。在磁芯几何中心的10cm线性区域中，磁芯越长，区域的相对有效磁导率越大。在磁芯中央附近的区域内，磁芯越短，相对有效磁导率随到磁芯中央距离的增长而下降的速率越快。磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度作关系曲线，如图4所示。磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度呈正相关，两者近似为线性关系。用软件对曲线进行线性拟合，可得到相应的函数关系，关系式为y＝1.40639x，y是磁芯几何中心的相对有效磁导率，x是磁芯的长度。直线斜率的标准误差为0.0486，误差小，拟合结果具有可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.用于电力设备磁场检测的传感器磁芯性能的研究，其特征在于，具体步骤为：

1)对感应式磁场传感器的原理进行了分析，磁芯和感应线圈是磁场传感器的重要组成元件，其中磁芯的性能直接决定了整个磁场传感器的性能。感应式磁传感器是利用穿过磁芯内部的磁通量变化量来对磁场进行测量的，产生的电动势属于感生电动势。测量时线圈回路的形状和位置都静止不变，所以不能用于测量静态的磁场。同时，传感器测量的磁通量也是垂直于磁芯横截面的磁通量；

2)详细描述了仿真模型的搭建，本发明研究的主要物理场是电磁场，并与电路结合完成一些功能，软件的AC/AD模块能实现这样的仿真研究。COMSOL对电磁场能基于麦克斯韦方程组，同时结合全电流定律，基尔沃夫定律和欧姆定律等原理研究。在研究时，需要用到磁场模块对传感器所在的磁场环境进行仿真，使传感器能在交变的磁场中产生感应电压；电路模块是给产生磁场的模型添加激励，使其产生磁场，同时让线圈与电阻等电路元件串联，检测线圈的参数。通过在线圈中接入交流电源的方式，在构建的空气域中产生交变磁场。产生磁场的线圈的参数如下：线圈区域为圆筒形，外径30cm，内径24cm，高60cm，轴心与z轴平行。圆筒中间是空气域。线圈的导线模型选用的是均匀多匝线圈，匝数设置为300，线圈的电导率设置为6×10⁷S/m，与实际情况下线圈多数采用的铜线材料相近，线圈的截面积为10^{- 6}m2。线圈的供电电路除线圈本身外，还有25Ω的限流电阻和频率为50Hz，电压为1V的正弦交流电压源，波形的相位和偏移都为0。

2.用于电力设备磁场检测的传感器磁芯性能的研究，其主要特征为：

1)可以看出磁芯区域距离磁芯中央越远，该区域的磁芯相对有效磁导率越低，磁芯相对有效磁导率随与磁芯中央的距离增大而近似按抛物线规律下降。磁芯中心位置的相对有效磁导率与磁芯截面积-长度比值的关系可以拟合成一条反比例函数曲线。

2)在磁芯中央附近的区域内，磁芯越短，相对有效磁导率随到磁芯中央距离的增长而下降的速率越快。磁芯几何中心的相对有效磁导率与磁芯的长度呈正相关，两者近似为线性关系。

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