吳雪，楊富堯，馬光，陳新

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211)

0 引 言

鐵基非晶合金帶材是一種厚度極薄的高磁導(dǎo)率非晶材料，其損耗小、效率高，已作為一種高效節(jié)能的新材料廣泛應(yīng)用于配電變壓器領(lǐng)域，同時非晶合金的性能檢測評估技術(shù)也日益受到國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員的高度重視。目前，鐵基非晶合金帶材的磁性能檢測方法尚未形成統(tǒng)一的國際標準，我國有相應(yīng)的產(chǎn)品和檢測方法標準[1-2]但與日本標準JIS H7152-1996[3]不同，主要體現(xiàn)在測試頻率范圍50 Hz～400 Hz，國標采用環(huán)形試樣測試法，而日本則采用單片法，在頻率范圍400 Hz～1 MHz，日本也同樣采用環(huán)形試樣。此外，日本專家向國際電工委員會(IEC)磁性合金和鋼技術(shù)委員會(TC68)建議新增的檢測方法是采用單片H-coil法，我國也在新修訂的產(chǎn)品標準GB/T 19345.1-2017中增加了附錄B—非晶合金單片試樣交流磁性的測量方法，適用于非晶合金單片試樣在工頻下交流磁性能的測量。盡管新檢測法提案還需要進一步研討，但與鐵基非晶合金帶材相關(guān)的磁性能檢測方法的研究仍然值得關(guān)注[4]。

文章通過介紹用于鐵基非晶合金帶材磁性能檢測的方法，闡述分析環(huán)形試樣法和單片法兩種檢測技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點，對兩種檢測方法相關(guān)損耗測量結(jié)果的關(guān)系進行對比分析，以期對關(guān)注非晶合金帶材磁性能檢測的技術(shù)人員在選擇合適的檢測技術(shù)方法時有所了解和幫助。

1 鐵基非晶合金帶材磁性能檢測方法

鐵基非晶合金帶材，特別是對于配電變壓器工頻下使用的非晶合金帶材，磁性能檢測方法主要有2種：我國采用的環(huán)形試樣法和日本采用的單片法，二者在樣品制備、測量原理和方法及適用性等方面都有很大區(qū)別。

1.1 環(huán)形試樣法

環(huán)形試樣測試法，樣品由一定寬度的非晶合金條帶直接卷繞成固定尺寸的圓環(huán)，如圖1所示。這種樣品看似與理想情況很接近，是尺寸完美的閉合磁路，磁路長度等于2πr0(其中r0是平均半徑，r0=(re+ri)/2，ri是環(huán)形內(nèi)半徑，re是環(huán)形外半徑)。

圖1 帶材卷繞圓環(huán)試樣

實際上，環(huán)形樣品距離理想情況相差很遠，即使在高磁導(dǎo)率情況下，磁通也不會完全集中在樣品內(nèi)，而是在鐵心周圍存在著雜散磁場[5]，樣品中的磁場也不一致，而是在環(huán)形內(nèi)徑附近最大，向外邊緣方向非線性減小。假設(shè)平均半徑為r0，r0處的磁場為H0，那么距離x處磁場強度Hx可以由式(1)確定：

(1)

內(nèi)表面和外表面磁場強度分別為式(2)和式(3)：

(2)

(3)

標準[2]中建議的內(nèi)徑為35 mm ±2 mm，且外徑與內(nèi)徑比值要小于1.25。Grimmond，Ling和Moses等人[7-9]通過測量不同尺寸樣品的損耗、勵磁電流和導(dǎo)磁性等，證實了環(huán)形試樣的內(nèi)外徑比值與內(nèi)徑、高度等參數(shù)共同作用，影響最終的測量參數(shù)。

環(huán)形樣品測試法具有很多優(yōu)點：樣品是易磁化的完美形狀，在滿足上述幾何比例條件下，能夠可靠的確定磁路長度，且磁化樣品所需的功率較小。缺點是線圈的制備非常麻煩，勵磁線圈需要均勻繞在整個圓環(huán)的周圍，且繞制后需要進行減壓和退火熱處理。環(huán)形鐵心從薄帶卷繞成螺旋狀時，磁通被限制在狹小的氣隙空間里，引起額外的磁通分量，從而產(chǎn)生額外的渦流損耗。樣品中還存著繞組間的電容耦合效應(yīng)，即均勻切面纏繞的勵磁線圈可等效為假想的一個單匝圓形線圈，其與二次繞組的假想單匝線圈切面相耦合。因此，在實際測量中應(yīng)采取額外的補償措施，特別是在高頻情況下(1 kHz及以上頻率)，建議可對勵磁線圈繞偶數(shù)層，即沿順時針和逆時針方向交叉繞制，以此來降低這種耦合效應(yīng)。

基于上述存在的問題，盡管在中頻和高頻測試中，環(huán)形試樣測試法仍處于支配地位。但對于非晶合金帶材工頻磁性能的測量，環(huán)形試樣的測量方法受到了限制。

1.2 單片法

單片法，即采用一片樣品即可完成測試。相比于環(huán)形樣品冗長的制備過程，單片法具有很多顯而易見的優(yōu)點：

(1)只需要很少的材料進行測試，避免了材料的浪費；

(2)方便測試材料的均勻性(包括局部測量)，可對許多樣品進行測量取平均值，結(jié)果具有統(tǒng)計性；

(3)可進行在線測試[10]；

(4)具有更高的測量準確度。

然而，單片樣品為開路式樣品，未形成閉合磁路，樣品很難磁化到高磁感應(yīng)強度。因此，通常需要用外部磁軛對其進行閉合磁路處理。磁軛系統(tǒng)分為不對稱磁軛和對稱磁軛，圖2(a)為不對稱的磁軛，其更容易接近樣品，使測試更加簡化，但磁軛極上的額外渦流損耗引起的測量誤差較大，影響交流測量的精確度。對稱磁軛可對樣品進行對稱勵磁，使磁軛上下兩部分的渦流相互補償，如圖2(b)。

圖2 磁軛結(jié)構(gòu)

單片測量法是將勵磁的一次繞組和二次繞組線圈都纏繞在樣品上，測量樣品的磁感應(yīng)強度B時，通常需要準確確定樣品中磁通垂直穿過的面積。因為樣品厚度會在長度l范圍內(nèi)變化，從樣品的質(zhì)量m就可以計算平均面積，按照標準IEC 60404-2 推薦稱出樣品的質(zhì)量m，且已知材料的密度ρ，則：

(4)

一般情況下，傳感線圈并不接近樣品表面，就會引起測量B的誤差，此時整個磁通被分為樣品中的區(qū)域AFe和線圈中的區(qū)域Ac兩個部分：

φ=nAFeB+n(Ac-AFe)μ0H

(5)

(6)

因此，測量B線圈應(yīng)盡可能接近樣品表面，且將B線圈纏繞在樣品的整個長度，從而減小由雜散或不均勻場引起的額外誤差。

單片法對于H的測量有兩種方法：電流法和H-coil法，二者主要區(qū)別在于對勵磁磁場的測量方法不同。電流法是根據(jù)安培定律，通過流經(jīng)初級繞組的電流間接計算勵磁磁場[11]，H-coil法是通過放置在樣品表面附近的H線圈直接測量得到勵磁磁場。在閉合樣品中，近似確定平均磁路長度l，并由安培環(huán)路定律計算磁場強度H為：

(7)

式中 勵磁電流I和線圈匝數(shù)n1已知。

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律確定磁感應(yīng)強度B：

(8)

根據(jù)式(8)確定的B和H值均含有誤差，在推薦尺寸的環(huán)樣中，可假定l=πdav，在其他情況下，可能僅已知平均磁路長度l的近似值。因此，在測試中直接測量得到的磁場強度H會更可信，通常使用H線圈測量切向磁場分量[12]。

H形線圈(H-coil)，是測試磁場強度H局部值最常用的傳感器，最理想的情況是將一層線圈放在盡可能接近樣品表面的位置，厚度t應(yīng)該盡量小，但厚度越小，靈敏度越低，可通過使用較細的導(dǎo)線在同樣區(qū)域內(nèi)纏繞更多圈來增加靈敏度。

H-coil法主要優(yōu)點是能夠直接測量磁場強度，避免了確定磁路長度帶來的難題；把傳感器放在樣品的中心部位，能減少樣品勵磁的不一致性。與電流法相比，H-coil法也存在不足：小信號易受到雜散磁場干擾，需要使用集成放大器，且測試結(jié)果的準確度取決于線圈與樣品表面的距離。

1987年Nakata[13]等提出，使用兩個或更多的H-coil測量磁場強度，來解決上述問題。圖3為雙H線圈的單片測試儀結(jié)構(gòu)示意圖。假定這些線圈的距離已知，可采用外推法推斷被測樣品表面的結(jié)果，此方法亦可降低由不對稱磁軛渦流引起的誤差，提升測量磁場強度的準確性。

圖3 雙H線圈單片測試儀

圖4描述了試驗測定的樣品中磁場強度與材料表面距離之間近似的線性關(guān)系，非線性部分小于0.2%，因此，可不必使用極薄的傳感器，而是采用多層線圈來提高測量靈敏度[14]。

Abdallh等[15]的研究也證實了，使用兩個尺寸為10 mm×10 mm，厚度為1.5 mm和4.6 mm的H形扁平線圈組成的雙線圈傳感器，H-coil 最大靈敏度能達到3 μV/(A/m)。

2 環(huán)樣法和單片法測量結(jié)果對比

選取國內(nèi)某廠家同一批次的非晶合金帶材，分別制成環(huán)形試樣和單片試樣，依據(jù)國標GB/T 19346.1-2017《非晶納米晶合金測試方法第1部分：環(huán)形試樣交流磁性能》和GB/T 19345.1-2017《非晶納米晶合金第1部分：鐵基非晶軟磁合金帶材》附錄B中推薦的測試方法，進行對比測試分析。

圖4 磁化樣品的磁場強度與H線圈距樣品表面的距離關(guān)系[14]

環(huán)形試樣內(nèi)徑200 mm、外徑230 mm，高30 mm，稱取質(zhì)量后裝入由非鐵磁性絕緣材料制成的保護盒中，繞組均勻繞制后進行測試，試樣如圖5所示。

圖5 非晶環(huán)形試樣

單片試樣(見圖6)寬度142 mm，長度265 mm，表面平直無明顯毛刺或變形，在保護氣氛中進行熱處理后，稱重進行測試。

測試樣本量為環(huán)形試樣50個和單片試樣150片，測試頻率為50 Hz，磁密0.1 T～1.4 T范圍內(nèi)的鐵損值，測試結(jié)果取平均值得到兩種不同方法測試結(jié)果的關(guān)系如圖7。隨測試磁密的增加，兩種方法測量得到的鐵損值均逐漸增大，且環(huán)樣法測量的鐵損值高于單片測量法，磁密越高，偏差越大。

圖6 非晶單片試樣

圖7 環(huán)樣法與單片法的鐵損測試平均值對比

圖8、圖9分別為環(huán)樣法和單片法測試50 Hz頻率下，工作磁密點在1.3T時的鐵損測量結(jié)果統(tǒng)計直方圖。統(tǒng)計結(jié)果總體上呈正態(tài)分布，環(huán)樣法測試結(jié)果90%集中在0.22～0.24 W/kg，平均值P1.3/50=0.231 8 W/kg，樣品性能波動小，這是因為環(huán)形試樣為帶材多層卷繞，取樣范圍廣，測量結(jié)果為環(huán)樣帶材的整體平均值，局部差異體現(xiàn)不明顯，樣品間個體差異性小，性能較為平均。

圖8 環(huán)形試樣損耗測試結(jié)果統(tǒng)計直方圖

圖9 單片試樣損耗測試結(jié)果統(tǒng)計直方圖

單片法測試結(jié)果基本集中在0.16 W/kg～0.21 W/kg之間，平均值P1.3/50=0.182 4 W/kg，較環(huán)樣低21.3%。相比于環(huán)樣法，單片法測量性能波動較大，這是由于單片試樣取樣范圍小，測量結(jié)果更能反映材料本身的局部特性，樣品間個體差異性較大，性能波動大。

3 配電變壓器鐵心模型試驗驗證

根據(jù)非晶合金配電變壓器原理，選用非晶合金帶材試制小容量鐵心模型，鐵心模型為具有實際指導(dǎo)意義的等比例縮小實物模型，鐵心模型如圖10所示。

圖10 非晶合金鐵心模型圖

鐵心模型的空載實驗方案的電路連接圖如圖11所示，此方法采用高壓繞組作為激勵繞組，低壓繞組作為測量繞組，通過測量勵磁繞組(高壓繞組)電流I1與測量繞組(低壓繞組)電壓U2的方法實現(xiàn)變壓器鐵損的精確測量，所測得的空載損耗是扣除了繞組損耗后的變壓器鐵心損耗。

圖11 空載實驗電路連接圖

鐵心模型測得的試驗結(jié)果與非晶合金帶材單片法和環(huán)形試樣法測得的結(jié)果對比如圖12所示。從圖中明顯看出，低磁密下，環(huán)形試樣法與單片法測試結(jié)果相差不大，單片法略低，單片法與鐵心模型測試結(jié)果基本一致；磁密增加到0.9 T以上，環(huán)形試樣法與鐵心模型試驗結(jié)果吻合，均高于單片試樣法測試結(jié)果，更符合非晶合金配電變壓器的實際工作狀態(tài)，因此，若要模擬評價變壓器運行狀況，可采用環(huán)形試樣法。

圖12 單片法和環(huán)樣法與鐵心模型測試結(jié)果

4 結(jié)束語

鐵基非晶合金帶材作為一種高效節(jié)能的新材料廣泛應(yīng)用于配電變壓器領(lǐng)域，相應(yīng)的非晶合金帶材的性能測試技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。目前，對于非晶合金帶材的工頻磁性能測量，國內(nèi)外主要有環(huán)樣法和單片法兩種不同的檢測技術(shù)。

(1)環(huán)樣法測試試樣由帶材直接卷繞成圓環(huán)，測試得到整個環(huán)形試樣的平均值，性能波動較小，但樣品局部差異體現(xiàn)不明顯；環(huán)形試樣制備過程繁冗，勵磁線圈繞制麻煩，且樣品中的磁場不均勻，磁路長度的確定受制于環(huán)樣的內(nèi)外半徑比值；

(2)單片法制備樣品方便簡單，只需要很少材料即可進行測試，可取帶材任意部位單片試樣進行對比測試分析，結(jié)果更能反應(yīng)帶材的局部差異性；單片H-coil法能直接測量磁場強度，避免了確定磁路長度帶來的的難題，測試結(jié)果更加準確；

(3)對于同批非晶帶材鐵損測試，環(huán)樣法的測量結(jié)果較單片法高約21.3%，其中環(huán)樣法受疊片系數(shù)、卷繞工藝、剪切加工等影響較大，測試結(jié)果更接近實際卷鐵心，可用于鐵心模型模擬測試結(jié)果參照；單片法測試更能反映材料本身性能，且制樣方便簡單，適用于大量取樣、對比測試整批帶材不同部位的材料性能均勻性。