摘要：  文章对传输的电流流经并排布置的汇流排的交流(ac)和直流(dc)磁场进行分析，以便于设计三相光电流变压器。为了得到磁屏蔽，建议光电流变压器采用双磁心结构，这是基于对发生在三相传输电流时产生的电磁场干扰的影响以及那些由三相交流(ac)磁通元件引起的垂直于平板形汇流条宽扁平面的涡流场分析。其显示出在假设的内部屏蔽磁心的相对磁导率之值为100时，涡流场阻碍对传输电流进行精确测量，使得内部磁心和外部磁心两者距离之间的磁场可减小至少1/10，这从那里设置的磁—光场传感器上可知。

关键字：  变压器，电源，传感器，电磁干扰变压器，电源，传感器，电磁干扰

1 引言
直到如今，若干种类使用磁—光块状材料和薄膜材料的光电流变压器(OCT's)被建议作为测量高电压电源系统极大电流的传感器使用。与传统型的感应电流变压器(ICT's)比较，光电流变压器具有数个优点，诸如重量轻、体积尺寸小，良好的绝缘以及电磁干扰(EMI)符合标准要求的等级等等性能。因此，努力改进磁—光传感器性能的计划安排已在光电流变压器的设计中持续了很久。
在本文所阐述的研究中，光电流变压器用于3~6KV低、中等级电压和600~1200A电流范围的电源配电设备的可行性是被调研过的。在诸如为低、中等级电压使用的三相配电设备中，三根汇流排被相互严密地放置，并且，汇流排所使用的导体具有矩形横截面的形状。从这些方面看，由于三相传输电流产生的磁场和由于涡流产生的附加磁场所影响产生的两种电磁干扰都存在于横截面形状非常扁平的导体中。故被认为这种电磁干扰是严重的。在本文所做的研究中，为了使汇流排的排列适合光电流变压器的结构，我们提供了基于直流和交流磁场的分析。这种磁场分析使得假设存在垂直各向异性的磁性柘榴石薄膜被作为磁场传感器的材料用进了光电流变压器的设计中。
2 光电流变压器的外形和直流(DC)电磁场分析
磁光电流传感器发展到今天，已经设计出了假想的磁轭作为磁通的路径使用。然而，就磁光场传感器(MOFS's)而言，作为磁通路径的磁轭并非始终需要的，因为磁光场传感器能够直接进行磁场的测量。我们研究开放式磁路的磁光场传感器，它们并不使用铁磁磁轭作为磁通路径。
三相汇流排的几何排列是和光电流变压器的外形肩并肩地安放的，请分别参见图1和图2。汇流条的横截面积为6mm×50mm，我们假设的磁光场传感器被放置在距离汇流排表面17mm，也就是说，从矩形汇流条横截面的中心到磁光场传感器的距离是20mm。图2(a)所示为磁光场传感器和用作开放式磁路光电流变压器汇流排的基本排列示意图。图2(b)所示为采用存在气隙的磁心作为磁通路径的闭合磁路外形，以便与光磁电路的一种闭合结构的磁通分布进行比较。虽然开放磁路电流传感器的结构简单，但其电磁场测量将会受到由于邻近传输电流产生的电磁场的严重影响。这种形式的磁光场感应器需要如图2(c)所示的屏蔽。在此图中，屏蔽所用的磁心尺寸被假设为宽100mm，高80mm，长50~100mm。在我们进行的基于三相电磁场分析的其它工作中，已经证实了100mm长度的磁心能够充分地屏蔽掉来自干扰电磁场的对传感器的干扰。虽然开放磁路传感器需要进行屏蔽，但使用磁轭的闭合磁路传感器具有许多优点。因为就开放磁路而言，被测量的电磁场是很小的，测量值的上限取决于磁柘榴石薄膜中的磁饱和值高于闭合结构的磁光场传感器的磁饱和值。除此之外，图2(b)所示的结构也告诉我们应该注意到磁场的互相干扰影响。为了观察由于电流在相邻汇流条中流动时磁场间的相互影响，因为电流在两根汇流条中流动，x—y平面中的两维(2D)磁通分布见图3所示。该磁通的分布图可从2D有限元分析中得到，气隙间隔和屏蔽材料两者之间的边界已被调整到Neumann（自然的）边界。以存有疑问空间的邻近侧面作背景的外部边界是以气球状膨胀的边界，由模拟背景扩展成无穷大的仿真开放式边界状态下的磁场矢量位能已按零对待。为此，在本研究中，我们使用了二维(2-D)有限元分析法分析磁场。在图3的左侧汇流条中的电流Ileft=600(≈848)A，在右侧汇流条中的电流Iright=0。图3(a)~(c)传感器的结构分别地对应于图2(a)中的开放磁路型传感器，图2(b)中封闭的外形和图2(c)中的屏蔽型结构。假设用作磁轭和屏蔽磁心材料的相对磁导率的值是100。用作磁屏蔽的材料要求其具有线性特性和大的饱和性能，以保证测量数据的线性关系和从弱磁场到强磁场宽阔范围的屏蔽效果。根据这个理由，人们希望在有效的屏蔽范围内，磁心的磁导率应尽可能的小些。μr=100，这就意味着在假设的屏蔽磁心为10kGs的饱和磁化强度时具有100Oe的饱和磁场。
在Ileft=848A和Iright=0时，作为成对的汇流条之中，由于左侧汇流条中的电流超过右侧汇流条中的电流，图4(a)所示为其所产生磁场x—分量的绝对值。磁场强度随跨越导体与屏蔽磁心之间的距离变化，这类似于导体与无屏蔽磁心之间的情况，而磁场Hx的值在距离导体中心20mm处大约为60Oe，这从该处放置的传感器上可以读出。另一方面，就导体对于封闭磁路中的磁轭而论，在气隙中的Hx值几乎要大于导体与屏蔽之间磁场强度的2倍，而在气隙中的磁场分布，该处放置的传感器上的读数是倾向于不均匀的。图4(b)所示为在图4(a)所示的相同条件下，覆盖右侧汇流条磁场的x-分量。由于流经左侧相邻导体的电流超过右侧汇流条中的电流，故在距离无屏蔽20mm处的Hx是2.4Oe，而就磁轭结构而论，在距离其25mm气隙位置中的Hx是3.6Oe。在相同的位置上，848A的传输电流通过时，超过右侧汇流条的左侧汇流条中的磁场是3.9Oe，超出的量值为1.1%。另一方面，对于屏蔽磁心材料具有100或500相对磁导率的开放磁路而言，在传感器位置上的磁场干扰超过右侧汇流条中的磁场干扰。这些量值在μr=100时是0.22Oe，μr=500时是0.047Oe，也就是说，在相同位置上，磁场Hx的值分别超过左侧汇流条中磁场量值的0.22%和0.08%。这样，对于开放式磁路传感器的屏蔽效果，可以用相对磁导率μr为数百的磁性材料来确定。铁氧体磁心显示出高的电阻率和100~500的低相对磁导率，是被考虑应用于作屏蔽物体的最合适的材料。图5所示为由于电流流经三联汇流条时的磁通分布。三支汇流条中的电流分别是Ileft=-424A，Iconter=848A，Iright=-424A。在V-相位的电流相位ωt的iv是(2/3)π时，这些量值对应于三相交流(ac)电流。如在图5(a)中所示，由于电流通过中央汇流条和电流流过左侧的或右侧的汇流条时两者之间的相互作用，磁通回路的中心从中央汇流条左侧的汇流条向左运动和从右侧的汇流条向右运动。然而，这可以用有效的屏蔽来大大地改善。在使用具有明确为100的低磁导率材料作屏蔽物体时，如图5(b)所示，即可获得足够的屏蔽效果。
3 由于涡流产生的磁场影响和设计的光电流变压器结构图
本文分析是采用假设使用磁性柘榴石薄膜携带磁各向异性垂直于用作磁光传感器材料的薄膜表面。所使用的磁性柘榴石薄膜允许磁场测量结果覆盖从几个Oe到几个kOe的磁场强度范围，虽然磁场强度范围的测量取决于所包含的元件及它们的液相晶体附生在薄膜制备中的成分。该薄膜是按照它们的表面垂直于磁场分量Hx放置，并且它们受磁场Hy的y分量的影响很小，因为它们通常在对薄膜表面垂直的方向上存在大的各向异性。因此，在使用磁性柘榴石薄膜传播垂直的各向异性时，仅仅磁场中的x分量是重要的。然而，磁场分量Hy垂直于汇流条表面将在汇流条的x-z平面引起大的涡流流动，因为汇流条是扁平的板状结构。该涡流是由交流传输电流自身产生的。涡流的流动在汇流条的中央被分成两部分，在左侧和右侧的涡流场的y-分量随着从中央部位离开距离而增加，它们是相互逆平行的。这可以从图7(b)(d)和(f)中观察到。用于减小汇流条平面中涡流的方法之一是在布置磁场传感器的每个部分采用分段的导体，如图6(a)中所示。但是，这可能是不切实际的，因为这将在测量电流的位置上使导体的结构变得复杂化。考虑到这种情况，我们探讨用如图6(b)所示的双屏蔽结构以减小涡流的影响。就屏蔽而论，磁场Hx的切面分量在气体空间和屏蔽磁心表面两者之界面的两侧是连续的，而正常的情况下，该磁场分量对屏蔽表面的Hy是不连续的。Hy在那个界面上被大量减小了。内部屏蔽就是利用这种效应。
图7(a)和(b)分别地示出了在ωt=0°相位和ωt=90°相位时，在没有屏蔽的情况下，关于两支汇流条的交流(ac)磁场分布。图7(c)和(d)分别地示出了在ωt=0°相位和ωt=90°相位时存在单一屏蔽的交流磁场。图7(e)和(f)分别地示出了在ωt=0°相位和ωt=90°相位时具有双重屏蔽的磁场。在左侧导体中的电流ileft=600cosωt(A)，而在右侧导体中的电流iright=0。数值10-4s/m是为所有屏蔽磁心假设的传导率。数值100是如图7(c)和(d)所示为单一屏蔽的屏蔽磁心假设的相对磁导率。在图7(e)和(f)所示的双重屏蔽情况下，用作外部屏蔽和内部屏蔽磁心的相对磁导率分别被假设为500和100。在图7(a)和(b)所示的没有屏蔽的情况下，由磁通感应产生的涡流场围绕右侧导体从左侧导体出现。正如图7(c)和(d)所示，这里的磁场因采用了磁屏蔽而减小了。但是，这些屏蔽磁心的使用，并没有使发生在屏蔽罩内侧的涡流场减小，这从图7(d)所示的左侧导体周围磁场的分布图可以观察到。在内部的屏蔽被设计成如图7(f)所示的结构时，在ωt=90°相位上感应产生的涡流场被有效的屏蔽掉了最大多数。图8所示为在0°相位和90°相位时的涡流场数字化数据。在ωt=0°相位时的交流场显示为最大值，这是在如图8(a)所示的相同屏蔽状况下，由于采用双重屏蔽时600cosωt(A)的交流电流和848(A)的直流电流场几乎相同。如图8(b)所示，因为是单一屏蔽结构，从汇流条表面17mm(y=20mm)距离处的Hx值是2.5Oe。因为在图8(a)中，ωt=0°时的Hx=55Oe，ωt=90°时的Hx=2.5Oe不可被忽视。但是，按照以上的解释，采用双重屏蔽结构，在那里的涡流可以被大大的减小。在双重屏蔽的情况下，由于在汇流条表面距离17mm(y=20mm)处，ωt=90°相位时，磁感应仅仅有一个0.3Oe的很小量值，如图8(b)所示。0.30Oe这个量值是对应于ωt=0°时测量的最大值52Oe直流场的0.57%。对这些情况的另外解释是，由于传输电流流向汇流条和屏蔽磁心，磁场的切面部分受内部一侧屏蔽的影响很小。由于传输电流产生的磁场和与由于涡流产生的磁场成功交迭，这将影响交流磁场的测量结果。
磁场Hx的分布和交流磁场与直流磁场两者间的差异示于图9和图10。图9(a)是在ωt=0°相位，三相电流分别是iU=600cosωt(A)、iv=600cos[ωt-(2/3)π](A)和iw=600cos[ωt-(4/3)π](A)，以及单一屏蔽时，在x-y截面中的交流磁场强度的曲线图。由涡流产生的两个磁场峰值可以从每个导体中心的两侧尤其在W和U相位时观察到。图9是与直流磁场相同的曲线图。与直流电流相对应的交流电流在U—相位导体中是848(A)，在V-相位和W-相位导体中是-424(A)。在这种情况下，因为没有涡流的影响，磁场曲线沿着汇流条表面缓慢地变化，图10(a)和(b)所示分别为采用单一屏蔽的开放式磁路和双重屏蔽的开放式磁路时的交流磁场和直流磁场两者的Hx分布。虽然直流磁场和交流磁场的差异仍然保持在单一屏蔽情况下的屏蔽罩内侧空间，但在双重屏蔽情况下，内部屏蔽和外部屏蔽两者的空间中的磁场几乎被消除了。为此，双重屏蔽减小了涡流场影响就可以被证实了。
本文研究了具有双重屏蔽的开放空间型光电流变压器。为了消除由于三相磁场产生的磁场干扰，采用了外部屏蔽，而被用来减小涡流场的内部屏蔽限于扁平状汇流条。为此，这两种屏蔽所扮演的角色彼此间是不同的。另一方面，在磁场小幅度按时间变化的情况下，我们研究了采用高磁导率圆柱状屏蔽罩的多重屏蔽所产生的效果来对抗电磁干扰。
本研究提出的计算屏蔽因数的分析公式是在屏蔽范围内，按照外部磁场受干扰磁场产生改变的变化比率决定的，在此，根据屏蔽因数对多重屏蔽的效果进行讨论。在本文的研究中，增加的磁导率与被用于计算因数的磁场小变化相对应。在此，我们采用有限元分析来获取磁通分布图，假设的屏蔽材料具有恒定的磁导率，它还给出了线性的磁特性和高电阻率，以阻止涡流的流动。2-D有限元分析方法可适用于大幅值直流场和交流场包括涡流场的仿真。对于直流场的分析来说，由于屏蔽材料的非线性B-H特性的影响，可以用有限分析法来估算。所以，在开放空间式光电流变压器中采用迭片式Si-Fe片和软磁铁氧体作屏蔽材料时，我们应考虑用屏蔽材料的B-H特性进行光电流变压器设计。
4 小结
为了应用磁光场传感器(MOFS)测量三相汇流条的电流，我们研究了围绕扁平型截面导体的磁屏蔽效果。它已经显示出由涡流场产生的对磁场测量结果的影响可以被磁场传感器的双重屏蔽结构有效地减小。所以，文章指出，采用双重屏蔽磁光传感器时，并行于汇流条表面的磁场Hx可以在内部屏蔽和外部屏蔽两者之间的空间被成功地测量。
参考资料
[1] K.Kyuma.S.Tai，M.Nunoshita，T.Takioka，and Y.Ida，"Fiber optic measuring system for electric current by using a magnetooptic sensor，" IEEE J. Quantum Electron.， vol. QE-18，pp.1619-1623，Oct.1982.
[2] N.Itoh，H.Minemoto，D:Ishiko，and S.Ishizuka，"Optical magnetic field sensors with high linearity using bi-substituted rare earth iron garnets，"IEEE Trans.Magn.，vol.31，pp.3191-3193，Nov.1995.
[3] N.Itoh，H.Yamada，D.Ishiko，S.Ishizuka，and O.Kamada，"Bi-substituted rare-earth iron gamets for fiber optic current sensors，" Tech.Rep.of IEICE of Japan，vol. QQE92-105，pp.43-48，1992.
[4] M.Imamura and M.Tokubuchi，"Magnetic field analysis for the optical current-transformer used for three-phase bus-bars arranged longitudinally，"IEEE Trans，Magn.， vol.32，pp.4962-4964，Sept.1996.
[5] T.J.sumner，J.M.Pendlebury， and K.F.Smith，" Cnventional magnetic shielding，" J.Phys.D:Appl.Phys.，vol.20.pp.1095-1101，1987.