CN110441639A - 电气接线柱集成式智能电气物联网传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，属于智能电气技术领域。包括电流互感器、导体片、电压互感器、限流电阻盒、温度传感器、智能测控终端等，将电气接线柱与传感器集成为一体构成智能电气物联网传感器，实时获取电气设备的电压、电流和温度信号，同时为外接设备引出了电源；并采用限流电阻盒的方式解决了对不同电压量程的快速调整问题。在电气设备中预装物联网传感器，在需要时即接即用，无需断电，实现了电气设备传感器及在线监测和大数据采集的智能化、集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。具有结构简单、成本低廉、体积小、使用方便等优点，可广泛适用于各类电气设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气传感器，特别是一种与电气接线柱集成的、智能电气物联网传感器。属于智能电气监测技术领域。
背景技术
电气设备是电力系统中对发电机、变压器、电力线路、断路器等设备的统称。电气设备的性能和状态往往反映了电力系统的性能和状态，并体现在其运行参数上。这就需要对电气设备的电压、电流、温度等参数进行实时监测，监视运行情况，及时判断电气设备的运行是否存在问题。
同时，随着信息技术的发展和最近智能制造的提出，电气设备的智能化是未来发展的主流趋势，相应的进行电气设备智能化在线监测的传感器部分起着越来越重要的作用。在电气设备运行中，包括电能质量的监测、设备的智能运行故障诊断、电气设备的智能控制等，都依托于电气设备运行参数的在线实时采集和运行大数据的积累。
现阶段对电气设备电流、电压的采样方式是在需要测量时，用导线从被测点端子处引出采样电信号，再在引出的导线上接入电流互感器和电压互感器进行电流、电压信号的变换和测量。这种方式操作麻烦，需要断电安装；增加了电气设备的接线，尤其是多点监测时接线复杂，不易管理；压入接线端子的导线还可能出现接触不良甚至脱落的情况，电气接触的可靠性不高，存在着体积大、成本高、装卸困难、兼容性差、需断电安装、安全性差等多种缺陷，极大的制约了电气领域智能制造的实施和发展。中国专利“一种监控电机运行数据的接线盒”（申请号：201120133292.8）提到在电机接线盒中，用电流互感器穿过电机接线柱进行电机电流信号的采样，但是没有公开具体的结构和安装方法，而常规情况下，接线柱比较短，如果不对接线柱及电流互感器进行创造性合理性的改进，是无法直接实现的，而且其他的设计也难以满足智能电气的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，以实现智能电气所需传感器的集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。用电气接线柱代替传统使用导线穿心的方式，在电气设备中预装集成式物联网传感器，在需要进行运行参数监测时即接即用，甚至无需断电，实现了电气设备传感器及在线监测和大数据采集的智能化，具有结构简单、成本低廉、体积小、使用方便等诸多优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）、上固定螺母（4）、下固定螺母（5）、电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8），共同构成物联网传感器（9）。电流互感器（1）和导体片（2）上下叠放，有绝缘层分隔，中间有通孔，接线柱体（3）为金属圆柱体，两端有螺纹，从电流互感器（1）和导体片（2）中间的通孔穿过，由上固定螺母（4）和下固定螺母（5）上下旋紧固定。将接线柱体（3）作为电流互感器（1）的一次绕组，导体片（2）通过上固定螺母（4）或下固定螺母（5）与接线柱体（3）进行稳定可靠的电气连接。
电流互感器输出端（6）采用屏蔽双绞线将电流互感器（1）信号引出，导体片引出端（7）采用屏蔽单线与导体片（2）相连，辅助端（8）采用屏蔽单线与中线（相电压）、地线（相电压）、零线（相电压）或另一相线（线电压）相连，分别固定在物联网传感器（9）上。实现了电流、电压的信号引出，同时导体片引出端（7）和辅助端（8）也将电源引出。实际应用时采取预装的方式，将电气主回路的进线和出线分别压接在上固定螺母（4）和下固定螺母（5）上，从而有效减小了体积、简化了传感器接线，在需要测量电流时可直接外接测量装置，即接即用，使用方便。
采集电压有多种方式，如利用霍尔传感器，或者采用传统的限流电阻的方式。当采用后者时，进一步地，所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括电压互感器（10）、限流电阻（11）和电压互感器输出端（12），将电压的强电变换成可直接进行采集的弱电信号。标准的电压互感器（10）为带有两路输入和两路输出的四端子元件，其中两路输入采用屏蔽双绞线，且一路输入经限流电阻（11）与导体片引出端（7）相连，另一路输入与辅助端（8）相连。两路输出采用屏蔽双绞线与电压互感器输出端（12）相连，且固定在物联网传感器（9）上。
作为更优化的方案，所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括限流电阻盒（13）和保护盖（14），限流电阻（11）卡装在限流电阻盒（13）内，采用透明的保护盖（14）封装。限流电阻盒（13）为卡扣式设计，限流电阻（11）可随时放入或取出，更换方便，也便于根据不同的电压等级选择更换不同阻值的限流电阻（11）。为保证可靠连接，可以用压线端子等方式。限流电阻盒（13）外安装保护盖（14），保护盖（14）的壳设计为透明结构，在有效防水、防尘的同时，也便于盒内限流电阻具体阻值的观察。保护盖（14）也可采用橡皮塞结构。
进一步地，所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括温度传感器（15）和温度传感器输出端（16）。温度传感器（15）与接线柱体（3）紧贴在一起安装，温度传感器输出端（16）采用屏蔽双绞线将温度传感器（15）信号引出，且固定在物联网传感器（9）上。
由于接线柱体（3）是用于连接主电气回路的进线和出线的，一般采用螺母将进线和出线的线鼻子压接在接线柱体（3）上的方式，长时间运行后，可能会出现电气设备振动导致的螺母松动、以及线鼻子表面氧化等问题，造成的接线柱体（3）处严重发热甚至起火燃烧的现象时有发生。对接线柱体（3）处温度进行监测可有效避免该类事故的发生，有效提高了电气设备运行的安全性、可靠性，避免造成严重的设备及经济损失。
进一步地，所述的电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）和物联网传感器（9）采用绝缘材料浇注为一体，且为单相或多相一体式结构。在电气工程领域，尤其是低压配电领域，一般采用三相四线制，为满足现场应用需要，可将电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）、电压互感器（10）、温度传感器（15）的部分或全部，以及所述的相关组件，以一组、三组或四组的方式采用绝缘材料浇注为一个整体，共同构成物联网传感器（9）。从而有效提高传感器的集成度，缩小体积、简化结构、降低成本、方便安装。
进一步地，所述的电流互感器（1）上有电流方向标识。由于所述的传感器在轴向上接近于对称结构，电流互感器（1）的电流方向错误，会造成电流互感器（1）二次绕组极性错误，导致测量、计量或继电保护动作错误，只有电流互感器（1）的极性连接正确，仪表和保护装置才能正确工作。在电流互感器（1）上标注电流方向标识，可以有效避免此类错误。
由于采样的电流、电压和温度均为弱电信号，易受电磁干扰，因此，采用的单线和双绞线均为屏蔽线，可以有效减小电磁干扰，提高采样和测量精度。
此外，若电气设备需要安装多个不同控制装置时，可共用所述的传感器作为电能数据采集设备，且不用另行安装和拆卸，简化了结构、降低了成本、即接即用、使用方便。
进一步地，所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括智能测控终端（17），有连接插头（1701）、测量处理模块（1702）和通讯模块（1703），智能测控终端（17）通过连接插头（1701）与物联网传感器（9）上的端子相连。
连接插头（1701）可以为软连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为分体式结构，此时可构成便携式装置；也可以为硬连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为一体式结构。
智能测控终端（17）从导体片引出端（7）和辅助端（8）获取电源；测量处理模块（1702）对电流互感器输出端（6）送来的信号进行采集、分析和处理后，将模拟量转换为数字量，经通讯模块（1703）以有线或无线方式向外传输数据。一般有线方式常用的包括RS232、RS485和CAN总线等，无线方式常用的包括Wifi、GPRS、GSM、4G/5G等，可根据需要在通讯模块（1703）中设计安装相应的模块。
智能测控终端（17）能实现数据的采集、记录、分析、判断、预警、报警、上传等多种功能。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1）考虑到电气接线柱是电气设备中，尤其是低压配电柜中最常用的进行主回路电气连接的器件，采用电气接线柱代替传统使用导线穿心的方式，预装电流互感器、电压互感器和温度传感器，在需要测量时省去了安装传感器的环节，甚至不需对电气设备断电，即接即用，从而实现智能电气所需传感器的集成化、小型化、模块化，以及兼容性、方便性、灵活性、可靠性、安全性等。
2）采用与电气接线柱集成一体的传感器提供模拟量数据信号、结合智能测控终端提供数字量信息，构成完整的智能电气物联网传感器。实现了电气设备传感器及在线监测和大数据采集的智能化，具有结构简单、成本低廉、体积小、使用方便等诸多优点。
3）用导体片从与电气接线柱上引出电压信号，实现了后续电压的测量或电源取电，简化整体结构、便于接线和测量。
4）电流互感器采用电流方向标识，有效避免因电流互感器的穿线方向错误而导致的测量、计量或继电保护错误，提高系统运行的稳定性和可靠性。
5）限流电阻盒采用卡扣式设计，可根据电压等级灵活调整限流电阻的阻值，限流电阻可随时放入或取出，安装、拆卸方便，限流电阻值可视。
6）在电气接线柱上安装温度探头，能够实时监测电气接线柱处的温度变化，有效防止电气接线柱处因螺栓松动或线鼻子表面氧化而引起的严重发热，甚至起火燃烧的情况，避免造成设备及经济损失。
7）根据实际情况，电流互感器、导体片、电气接线柱、电压互感器和温度探头采用绝缘材料做成单相或多相，三线或四线的整体，简化接线、缩小体积、降低成本、使用灵活，适用于多种类型的电气设备。
附图说明
图1：传感器基本结构示意图。
图2：集成式智能电气物联网传感器结构示意图。
图3：智能测控终端结构框图。
图中：1-电流互感器、2-导体片、3-接线柱体、4-上固定螺母、5-下固定螺母、6-电流互感器输出端、7-导体片引出端、8-辅助端、9-物联网传感器、10-电压互感器、11-限流电阻、12-电压互感器输出端、13-限流电阻盒、14-保护盖、15-温度传感器、16-温度传感器输出端、17-智能测控终端、1701-连接插头、1702-测量处理模块、1703-通讯模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
图1为传感器基本结构示意图，图2为集成式智能电气物联网传感器结构示意图，图3为智能测控终端结构框图。如图1、图2和图3所示，所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器包括电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）、上固定螺母（4）、下固定螺母（5）、电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8）、物联网传感器（9）、电压互感器（10）、限流电阻（11）、电压互感器输出端（12）、限流电阻盒（13）、保护盖（14）、温度传感器（15）、温度传感器输出端（16）、智能测控终端（17）、连接插头（1701）、测量处理模块（1702）、通讯模块（1703）。
图1中，电流互感器（1）和导体片（2）上下叠放，有绝缘层分隔，中间有通孔，接线柱体（3）为金属圆柱体，两端有螺纹，从电流互感器（1）和导体片（2）中间的通孔穿过，由上固定螺母（4）和下固定螺母（5）上下旋紧固定。将接线柱体（3）作为电流互感器（1）的一次绕组，导体片（2）通过上固定螺母（4）或下固定螺母（5）与接线柱体（3）进行稳定可靠的电气连接。安装与拆卸直接使用扳手在螺母上操作即可完成，十分方便。
实际应用时采取预装的方式，替代传统的接线柱，将电气主回路的进线和出线分别压接在上固定螺母（4）和下固定螺母（5）上。当接线柱体（3）带电后，电流互感器（1）可从接线柱体（3）上直接获取电流的采样信号，大电流信号变换为小电流信号，一般控制在4-20mA之间，由电流互感器输出端（6）采用屏蔽双绞线将电流互感器（1）信号引出，在需要测量电流时直接外接测量装置，即接即用。
导体片引出端（7）采用屏蔽单线与导体片（2）相连，辅助端（8）采用屏蔽单线与中线（相电压）、地线（相电压）、零线（相电压）或另一相线（线电压）相连，满足如相电压、线电压等不同电压的测量需求，测量方式灵活。在低压配电网中，导体片引出端（7）与辅助端（8）之间可能是220V的相电压，或者是380V的线电压，不但实现了电压信号的引出，同时也实现了电源的引出，供后续电压的测量或电源取电使用。
图1为所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器的最简形式，可将电流互感器（1）、导体片（2）与接线柱体（3）采用绝缘材料浇注为一体构成集成式的物联网传感器（9），电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8）安装在物联网传感器（9）上。从而有效减小了体积、简化了传感器接线，在需要测量电流时可直接外接测量装置，即接即用，使用方便。
图2中，电压互感器（10）为带有两路输入和两路输出的四端子元件，其中两路输入采用屏蔽双绞线，且一路输入经限流电阻盒（13）与导体片引出端（7）相连，另一路输入与辅助端（8）相连。两路输出采用屏蔽双绞线与电压互感器输出端（12）相连。限流电阻（11）卡装在限流电阻盒（13）内，采用透明的保护盖（14）封装。导体片引出端（7）的高电压强电信号经限流电阻（11）变换为小电流的弱电信号，经电压互感器（10）隔离变换后，电压互感器输出端（12）得到的是测量可用的弱电信号，一般为4-20mA或0-5V。
图2中，限流电阻盒（13）为卡扣式设计，限流电阻（11）可随时放入或取出，更换方便，也便于根据不同的电压等级选择更换不同阻值的限流电阻（11）。电压互感器输出端（12）限流电阻盒（13）外安装保护盖（14），保护盖（14）的壳设计为透明结构，在有效防水、防尘的同时，也便于盒内限流电阻具体阻值的观察。
图2中，温度传感器（15）与接线柱体（3）紧贴在一起安装，温度传感器输出端（16）采用屏蔽双绞线将温度传感器（15）信号引出。温度传感器（15）测量接线柱体（3）处的温度，为保证表面平整和安装方便，温度传感器（15）可嵌入导体片（2）内。
图2为所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器的完整形式，图2中为了便于描述结构及连接关系，未将上固定螺母（4）和下固定螺母（5）画出，同时将电压互感器（10）和温度传感器（15）分离出来画出。在实际的物联网传感器（9）中，可将电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）、电压互感器（10）、温度传感器（15）的部分或全部，以及所述的相关组件，以一组、三组或四组的方式采用绝缘材料浇注为一个整体，共同构成物联网传感器（9）。
而且，电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8）、电压互感器输出端（12）、温度传感器输出端（16）均集中安装在物联网传感器（9）上，采用端子排，或者采用线束插头的方式引出，便于连接使用。从而有效提高传感器的集成度，缩小体积、简化结构、降低成本、方便安装，在需要测量电流时可直接外接测量装置，即接即用，使用方便。
另外，电压互感器（10）和限流电阻盒（13）的放置比较灵活，也可与电流互感器（1）等分开浇注单独做成一个整体。
若电气设备需要安装多个不同控制装置时，可共用所述传感器作为电能数据采集设备，且不用另行安装和拆卸，简化结构、降低成本。
图2中，电流互感器（1）上有电流方向标识，使用箭头指示，也可使用其他的指示方式。用于指示电流互感器（1）的正确连接方向，避免因电流互感器（1）的接线方向错误，而造成的后续测量、计量或继电保护动作错误。
图3中，智能测控终端（17）包括连接插头（1701）、测量处理模块（1702）和通讯模块（1703），智能测控终端（17）通过连接插头（1701）与物联网传感器（9）上电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8）、电压互感器输出端（12）、温度传感器输出端（16）相连。
连接插头（1701）可以为软连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为分体式结构，此时可构成便携式装置；也可以为硬连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为一体式结构。
智能测控终端（17）从导体片引出端（7）和辅助端（8）获取电源；测量处理模块（1702）对电流互感器输出端（6）送来的电流信号、电压互感器输出端（12）送来的电压信号、温度传感器输出端（16）送来的温度信号进行采集、分析和处理后，将模拟量转换为数字量，经通讯模块（1703）以有线或无线方式向外传输数据。
所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器通过智能测控终端（17）能实现数据的采集、记录、分析、判断、预警、报警、上传等多种功能。相关的数据可以传到外部数据中心用于数据的汇总、分析和远程监控，也可传到外部便携设备中便于随时查看。从而实现了电气设备传感器及在线监测和大数据采集的智能化，具有结构简单、成本低廉、体积小、使用方便等诸多优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：包括电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）、上固定螺母（4）、下固定螺母（5）、电流互感器输出端（6）、导体片引出端（7）、辅助端（8），共同构成物联网传感器（9）；
电流互感器（1）和导体片（2）上下叠放，有绝缘层分隔，中间有通孔，接线柱体（3）为金属圆柱体，两端有螺纹，从电流互感器（1）和导体片（2）中间的通孔穿过，由上固定螺母（4）和下固定螺母（5）上下旋紧固定；
电流互感器输出端（6）采用屏蔽双绞线将电流互感器（1）信号引出，导体片引出端（7）采用屏蔽单线与导体片（2）相连，辅助端（8）采用屏蔽单线与中线、地线、零线或另一相线相连，分别固定在物联网传感器（9）上。
2.根据权利要求1所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：包括电压互感器（10）、限流电阻（11）和电压互感器输出端（12）；
电压互感器（10）为带有两路输入和两路输出的四端子元件，其中两路输入采用屏蔽双绞线，且一路输入经限流电阻（11）与导体片引出端（7）相连，另一路输入与辅助端（8）相连；
两路输出采用屏蔽双绞线与电压互感器输出端（12）相连，且固定在物联网传感器（9）上。
3.根据权利要求2所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：包括限流电阻盒（13）和保护盖（14），限流电阻（11）卡装在限流电阻盒（13）内，采用透明的保护盖（14）封装。
4.根据权利要求1所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：包括温度传感器（15）和温度传感器输出端（16）；
温度传感器（15）与接线柱体（3）紧贴在一起安装，温度传感器输出端（16）采用屏蔽双绞线将温度传感器（15）信号引出，且固定在物联网传感器（9）上。
5.根据权利要求1所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：电流互感器（1）、导体片（2）、接线柱体（3）和物联网传感器（9）采用绝缘材料浇注为一体，且为单相或多相一体式结构。
6.根据权利要求1所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：所述的电流互感器（1）上有电流方向标识。
7.根据权利要求1所述的电气接线柱集成式智能电气物联网传感器，其特征在于：包括智能测控终端（17），有连接插头（1701）、测量处理模块（1702）和通讯模块（1703），智能测控终端（17）通过连接插头（1701）与物联网传感器（9）上的端子相连；
连接插头（1701）可以为软连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为分体式结构，也可以为硬连接，智能测控终端（17）与物联网传感器（9）为一体式结构；
智能测控终端（17）从导体片引出端（7）和辅助端（8）获取电源；
测量处理模块（1702）对电流互感器输出端（6）送来的信号进行采集、分析和处理后经通讯模块（1703）以有线或无线方式向外传输数据。
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