消除電磁軛過電壓的方法

(成都華林檢測技術研究所，成都 610057)

磁粉檢測的基本原理是試件磁化后，在缺陷處會產生漏磁場，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的磁粉檢測設備，便攜式磁粉檢測儀就是其中之一。由于該設備體積小、重量輕，便于攜帶至現場檢測，因此得到了較為廣泛的應用。便攜式磁粉檢測儀的主要部件電磁軛雖然常被使用，但電磁軛會產生過電壓，給設備和人員的安全帶來威脅。筆者分析了產生過電壓的原因，說明了其危害性，并特別指出，當頻繁斷開勵磁電流時，出現過電壓的可能性會急劇增大。筆者提出了消除電磁軛過電壓的兩種方法，結果表明，采取了抑制過電壓后的電磁軛，使用220 V的交流電壓進行磁粉檢測是可行的。

1 便攜式磁粉檢測儀的概況及其發展

便攜式磁粉檢測儀的結構一般分為兩大部分：一部分是電源；另一部分是電磁軛。電源的作用是產生勵磁電流，并輸出給電磁軛；電磁軛的作用是將勵磁電流變為磁通輸出給試件，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，得到的檢測靈敏度就較高。

磁通φ、磁通勢NI(安匝數)和磁阻Rm的關系如式(1)所示。

(1)

由式(1)可知，采用較大的勵磁電流I可得到較大的磁通φ(φ隨勵磁電流I的增加而單向增加，但不成正比)。同時，為了現場工作人員的安全要采用低電壓，即“低壓，大電流”。這是設計、制作便攜式磁粉檢測儀的基本原則。因此，人們常常采用含有電源變壓器的電源箱，將市電220 V變為輸出電壓為交流36 V的安全電壓，但要輸出較大的交流電來給電磁軛供電。這就是較早期的便攜式磁粉檢測儀。

由于制作電磁軛的原材料的絕緣性能越來越好，耐電壓程度也越來越高，甚至可高達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，因為市電的峰值電壓在400 V以下，遠低于2 000 V。

采用隨身攜帶的蓄電池和逆變器，將直流電變為與市電220 V相近的交流電給電磁軛供電，既可消除引入較長市電電源線的麻煩，還可以解決某些野外作業不便接市電的困難。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，給檢測人員帶來了更大的方便。

2 電磁軛的特點

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，防止電擊穿、漏電和短路的部件，電磁軛上還裝有一個可隨時閉合和斷開勵磁電流的小開關[1-2]。

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

(2)

將式(2)代入式(1)，可得

(3)

再將式(3)代入N匝線圈的感應電動勢，得到結果如式(4)所示。

(4)

式中：L為線圈的電感;i為電流。

由式(4)可知，對于一個密繞的長線圈，其截面積為S，長度為l，匝數為N，介質的磁導率為μ，則其電感為

(5)

μ=μrμ0

(6)

式中：μr為相對磁導率;μ0為真空磁導率。

當線圈中沒有鐵心時，即空心線圈，其磁導率μ=μ0，則電感L為不隨勵磁電流變化的常量。此時的電感稱為線性電感。當線圈中有鐵心時，即非空心線圈，其磁導率μ=μrμ0，則此時的電感L隨勵磁電流的變化而非線性變化，此時的電感稱為非線性電感。電感L隨勵磁電流i變化的關系曲線與磁導率μ隨磁場強度H變化的關系曲線很相似。

由于電磁軛的鐵心常常是用冷軋硅鋼片疊制而成的，其磁導率μ很大，則電感L也很大，而且是非線性的。也就是說，電磁軛的第一個特點就是其為一個非線性大電感負載。

電磁軛磁粉檢測儀的3個特點如下所述。

(1) 電磁軛磁粉檢測儀在檢測過程中，開啟(閉合)電磁軛上的小開關，讓勵磁電流通過線圈，產生磁通，使試件磁化。通電片刻后，就需要關斷(斷開)勵磁電流，即進行了一次磁化。稍后，再進行第二次通電磁化。這種磁化過程在整個檢測過程中將不斷地重復出現，就需要該開關也不斷地反復開啟與關斷。

(2) 電磁軛磁粉檢測儀的電磁軛一般是手持式的。在現場，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) 電磁軛磁粉檢測儀在實施檢測的過程中，常常不是采用剩磁法，而是采用連續法，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，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下工作。

3 電磁軛的過電壓

3.1 電磁軛過電壓的產生

由于電磁軛是一個非線性大電感負載，而且在使用時，用電磁軛上的小開關直接開啟和關斷勵磁電流，而產生較大的過電壓。

設電磁軛上的小開關在關斷的瞬間，加于電磁軛線圈的勵磁電流為i，電壓為u，電容為C，則負載端積蓄的能量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，其最大過電壓發生在能量全部轉化為靜電能的時候，最大過電壓如式(8)所示。

(8)

因為是大電感負載，所以電感L遠大于電容C，關斷勵磁電流時的瞬間電壓為u，在這里可以忽略不計，則式(8)可近似用式(9)表示。

(9)

一般其比關斷時的瞬間電壓u高得多。

當勵磁電壓是正弦波時，勵磁電流則不是正弦波。其勵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，電磁軛上的小開關關斷的瞬間，正好是勵磁電流的峰值，則過電壓會更大[3]。

3.2 電磁軛過電壓的危害

一般在斷開含有繼電器、接觸器、電磁離合器等電感負載時，過電壓可以超過電源電壓的數十倍，其值可達數千伏。電磁軛是一個大的電感負載，其過電壓將會很大。因此，僅靠將絕緣材料的耐壓升至2 000 V是不夠的。過電壓可使接觸點間產生火花放電，從而損壞觸頭，影響絕緣層性能。再加上電磁軛使用的特點，其常工作在潮濕的環境中，對設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行檢測的工作人員的安全。

在應用手持式電磁軛進行磁粉檢測時，當勵磁電壓不是36 V安全電壓，而是市電220 V時，電磁軛的這個過電壓問題就顯得尤為嚴重。因此，過電壓將給設備和工作人員的安全帶來隱患。

3.3 抑制過電壓的方法

(1) 應用壓敏電阻抑制過電壓

壓敏電阻是一種對電壓敏感的元件。由壓敏電阻的伏安特性可知，當加在壓敏電阻兩端的電壓低于壓敏電阻的轉折電壓時，隨著電壓的增加，通過壓敏電阻的電流也緩慢增加;但是當加在壓敏電阻兩端的電壓達到壓敏電阻的轉折電壓時，通過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，應用壓敏電阻的這個伏安特性，將壓敏電阻與電磁軛的電感線圈或小開關并聯，可抑制其過電壓。

(2) 減小關斷的瞬間電流i來抑制過電壓

由式(9)可知，若大大減小電磁軛小開關關斷的瞬間電流i，也可抑制其過電壓。比如XK-2型交直流磁力探傷儀[4]，其含有自動退磁模塊，當電磁軛上的小開關閉合時，勵磁電流逐漸增大至定值；當該小開關斷開時，勵磁電流不是突然變為0，而是逐漸減小到很小時，甚至接近于0才關斷。也就是說，電磁軛的小開關關斷瞬間的勵磁電流i很小，甚至接近于0。那么，產生的過電壓也就很小，而接近于0，即這也抑制了其過電壓。

另外，根據峰值觀點[5]，磁粉檢測靈敏度取決于磁感應強度(磁通)的峰值。磁通的峰值較高，則檢測的靈敏度就較高。

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N不變的情況下，必須采用較高的電壓U。也就是說，在一定的條件下，采用的勵磁電壓有效值U較高時，可獲得較高的磁通峰值φm,從而可獲得較高的磁粉檢測靈敏度。

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

4 結語

(1) 便攜式磁粉檢測儀的手持式電磁軛是一個非線性的大電感負載。在磁粉檢測時，電磁軛上的小開關頻繁地閉合和斷開，會反復產生超過電源電壓數十倍的過電壓，這會給設備和工作人員的安全帶來隱患。

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

[1] 俞大光.電工基礎[M].北京：高等教育出版社，1964.

[2] 秦曾煌.電工學[M].北京：高等教育出版社，1990.

[3] 林錫忠.一種帶有過電壓保護模塊的高導磁探頭：中國，CN201620721289.0[P].2016-07-11.

[4] 林錫忠.XK-2型交直流磁力探傷儀的設計[J].無損檢測，1984， 6(1)：27-29.

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