消除电磁轭过电压的方法

(成都华林检测技术研究所，成都 610057)

磁粉检测的基本原理是试件磁化后，在缺陷处会产生漏磁场，从而吸附磁粉，显示出缺陷。试件磁化的方法有多种，因此也就有多种与之相应的磁粉检测设备，便携式磁粉检测仪就是其中之一。由于该设备体积小、重量轻，便于携带至现场检测，因此得到了较为广泛的应用。便携式磁粉检测仪的主要部件电磁轭虽然常被使用，但电磁轭会产生过电压，给设备和人员的安全带来威胁。笔者分析了产生过电压的原因，说明了其危害性，并特别指出，当频繁断开励磁电流时，出现过电压的可能性会急剧增大。笔者提出了消除电磁轭过电压的两种方法，结果表明，采取了抑制过电压后的电磁轭，使用220 V的交流电压进行磁粉检测是可行的。

1 便携式磁粉检测仪的概况及其发展

便携式磁粉检测仪的结构一般分为两大部分：一部分是电源；另一部分是电磁轭。电源的作用是产生励磁电流，并输出给电磁轭；电磁轭的作用是将励磁电流变为磁通输出给试件，将试件磁化。在其他条件一定的情况下，如果输入试件的磁通较大，得到的检测灵敏度就较高。

磁通φ、磁通势NI(安匝数)和磁阻Rm的关系如式(1)所示。

(1)

由式(1)可知，采用较大的励磁电流I可得到较大的磁通φ(φ随励磁电流I的增加而单向增加，但不成正比)。同时，为了现场工作人员的安全要采用低电压，即“低压，大电流”。这是设计、制作便携式磁粉检测仪的基本原则。因此，人们常常采用含有电源变压器的电源箱，将市电220 V变为输出电压为交流36 V的安全电压，但要输出较大的交流电来给电磁轭供电。这就是较早期的便携式磁粉检测仪。

由于制作电磁轭的原材料的绝缘性能越来越好，耐电压程度也越来越高，甚至可高达2 000 V。因此，有人就以为把电磁轭直接接于市电220 V是安全的，因为市电的峰值电压在400 V以下，远低于2 000 V。

采用随身携带的蓄电池和逆变器，将直流电变为与市电220 V相近的交流电给电磁轭供电，既可消除引入较长市电电源线的麻烦，还可以解决某些野外作业不便接市电的困难。这样的电磁轭既可直接接于逆变器，又可直接接于市电220 V，给检测人员带来了更大的方便。

2 电磁轭的特点

电磁轭是在硅钢片上密绕N匝线圈，用高绝缘材料予以保护，防止电击穿、漏电和短路的部件，电磁轭上还装有一个可随时闭合和断开励磁电流的小开关[1-2]。

磁路的磁阻为Rm，磁路的长度为l，截面积为S，磁导率为μ，其间的关系如式(2)所示。

(2)

将式(2)代入式(1)，可得

(3)

再将式(3)代入N匝线圈的感应电动势，得到结果如式(4)所示。

(4)

式中：L为线圈的电感;i为电流。

由式(4)可知，对于一个密绕的长线圈，其截面积为S，长度为l，匝数为N，介质的磁导率为μ，则其电感为

(5)

μ=μrμ0

(6)

式中：μr为相对磁导率;μ0为真空磁导率。

当线圈中没有铁心时，即空心线圈，其磁导率μ=μ0，则电感L为不随励磁电流变化的常量。此时的电感称为线性电感。当线圈中有铁心时，即非空心线圈，其磁导率μ=μrμ0，则此时的电感L随励磁电流的变化而非线性变化，此时的电感称为非线性电感。电感L随励磁电流i变化的关系曲线与磁导率μ随磁场强度H变化的关系曲线很相似。

由于电磁轭的铁心常常是用冷轧硅钢片叠制而成的，其磁导率μ很大，则电感L也很大，而且是非线性的。也就是说，电磁轭的第一个特点就是其为一个非线性大电感负载。

电磁轭磁粉检测仪的3个特点如下所述。

(1) 电磁轭磁粉检测仪在检测过程中，开启(闭合)电磁轭上的小开关，让励磁电流通过线圈，产生磁通，使试件磁化。通电片刻后，就需要关断(断开)励磁电流，即进行了一次磁化。稍后，再进行第二次通电磁化。这种磁化过程在整个检测过程中将不断地重复出现，就需要该开关也不断地反复开启与关断。

(2) 电磁轭磁粉检测仪的电磁轭一般是手持式的。在现场，操作人员的手直接握住电磁轭，而未借助于另外的任何夹具。

(3) 电磁轭磁粉检测仪在实施检测的过程中，常常不是采用剩磁法，而是采用连续法，即操作人员的手直接握住电磁轭，将其磁头与试件直接接触，使试件磁化。同时，操作人员还向磁头与试件接触处及其附近的试件浇撒磁悬液。这样，电磁轭就在较潮湿的状态下工作。

3 电磁轭的过电压

3.1 电磁轭过电压的产生

由于电磁轭是一个非线性大电感负载，而且在使用时，用电磁轭上的小开关直接开启和关断励磁电流，而产生较大的过电压。

设电磁轭上的小开关在关断的瞬间，加于电磁轭线圈的励磁电流为i，电压为u，电容为C，则负载端积蓄的能量E为电感L中的电磁能及电容中的静电能之和，即

(7)

若忽略线圈直流电阻的损耗，其最大过电压发生在能量全部转化为静电能的时候，最大过电压如式(8)所示。

(8)

因为是大电感负载，所以电感L远大于电容C，关断励磁电流时的瞬间电压为u，在这里可以忽略不计，则式(8)可近似用式(9)表示。

(9)

一般其比关断时的瞬间电压u高得多。

当励磁电压是正弦波时，励磁电流则不是正弦波。其励磁电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，电磁轭上的小开关关断的瞬间，正好是励磁电流的峰值，则过电压会更大[3]。

3.2 电磁轭过电压的危害

一般在断开含有继电器、接触器、电磁离合器等电感负载时，过电压可以超过电源电压的数十倍，其值可达数千伏。电磁轭是一个大的电感负载，其过电压将会很大。因此，仅靠将绝缘材料的耐压升至2 000 V是不够的。过电压可使接触点间产生火花放电，从而损坏触头，影响绝缘层性能。再加上电磁轭使用的特点，其常工作在潮湿的环境中，对设备绝缘性能的要求就更高。否则，难以保证直接握住电磁轭进行检测的工作人员的安全。

在应用手持式电磁轭进行磁粉检测时，当励磁电压不是36 V安全电压，而是市电220 V时，电磁轭的这个过电压问题就显得尤为严重。因此，过电压将给设备和工作人员的安全带来隐患。

3.3 抑制过电压的方法

(1) 应用压敏电阻抑制过电压

压敏电阻是一种对电压敏感的元件。由压敏电阻的伏安特性可知，当加在压敏电阻两端的电压低于压敏电阻的转折电压时，随着电压的增加，通过压敏电阻的电流也缓慢增加;但是当加在压敏电阻两端的电压达到压敏电阻的转折电压时，通过压敏电阻的电流迅速增加，从而使得压敏电阻两端的电压几乎不变。因此，应用压敏电阻的这个伏安特性，将压敏电阻与电磁轭的电感线圈或小开关并联，可抑制其过电压。

(2) 减小关断的瞬间电流i来抑制过电压

由式(9)可知，若大大减小电磁轭小开关关断的瞬间电流i，也可抑制其过电压。比如XK-2型交直流磁力探伤仪[4]，其含有自动退磁模块，当电磁轭上的小开关闭合时，励磁电流逐渐增大至定值；当该小开关断开时，励磁电流不是突然变为0，而是逐渐减小到很小时，甚至接近于0才关断。也就是说，电磁轭的小开关关断瞬间的励磁电流i很小，甚至接近于0。那么，产生的过电压也就很小，而接近于0，即这也抑制了其过电压。

另外，根据峰值观点[5]，磁粉检测灵敏度取决于磁感应强度(磁通)的峰值。磁通的峰值较高，则检测的灵敏度就较高。

U=4.44fNφm

(10)

式中：φm为磁通峰值;f为频率。

由式(10)可知，要获得较高的磁通峰值φm,在频率f和线圈匝数N不变的情况下，必须采用较高的电压U。也就是说，在一定的条件下，采用的励磁电压有效值U较高时，可获得较高的磁通峰值φm,从而可获得较高的磁粉检测灵敏度。

综上所述，将电磁轭直接接于市电(或经逆变器转换)的交流220 V，既方便，又可提高灵敏度；而带来的不利是将产生过电压。若采取了抑制过电压的措施，将电磁轭直接接于交流220 V进行磁粉检测，还是可取的。

4 结语

(1) 便携式磁粉检测仪的手持式电磁轭是一个非线性的大电感负载。在磁粉检测时，电磁轭上的小开关频繁地闭合和断开，会反复产生超过电源电压数十倍的过电压，这会给设备和工作人员的安全带来隐患。

(2) 采取抑制过电压措施后的电磁轭，用于交流220 V电压进行磁粉检测是可取的。

[1] 俞大光.电工基础[M].北京：高等教育出版社，1964.

[2] 秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，1990.

[3] 林锡忠.一种带有过电压保护模块的高导磁探头：中国，CN201620721289.0[P].2016-07-11.

[4] 林锡忠.XK-2型交直流磁力探伤仪的设计[J].无损检测，1984， 6(1)：27-29.

[5] 林锡忠.脉冲电流磁化时的探伤灵敏度与磁化电流峰值的关系[J].无损检测，1989，11(12)：333-335.