CN203965459U - 用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，该传感器的组成包括永磁体、第一线圈、第二线圈、线圈骨架、外壳、接头和定位接头；其位置关系为：外壳为圆柱形，上下端各有直径相同的开孔，外壳内部固定设置有线圈骨架，线圈骨架的上下端分别绕制安装着第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的匝数、绕制方向相同，上下对称分布；线圈骨架的内孔中为永磁体，永磁体是实心圆柱体，永磁体的位置位于第一线圈和第二线圈之间；所述的永磁体的材料采用钕铁硼系合金。本实用新型不需要外接电源，简化了结构，结构简单，零件少，可靠性高，可以实现20年免维护。

Description

用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器

技术领域

本实用新型是一种高压开关专用的分合闸速度传感器，不需电源、免维护，特别适合应用于气体绝缘开关设备(GIS)以及固封极柱的真空开关中。

背景技术

电力系统中的高压开关，按照灭弧介质的不同，常用的可以分为三种：少油开关、真空开关和SF₆开关。各种开关的状态参数监测离不开传感器。分、合闸速度是需要监测的两个重要参数。按照原理分类归纳，目前可以应用于高压开关的分合闸速度传感器主要有：

1)光电式位移传感器

光电式位移传感器常用的有增量式旋转光电编码器和直线光电编码器。测量原理是：把直线光电编码器安装在高压开关直线运动部件上，或者把旋转光电编码器安装在高压开关操动机构的主轴上，通过采集传感器的输出信号波形来测量分(合)闸操作时动触头的运动信号。

光电编码器有其优点和缺点：光电编码器的体积很小、重量轻、动态频率响应好等优点，但是光电编码器也包含一定的缺点，如无法直接确定超程起始点、精度低，而且根据功能需要很多的电子元器件，操作复杂，并且价格也较贵。光电传感器的光栅间距受技术条件的影响有一定的限制，光栅间距一般都设计在0.5mm左右，高压开关的触头的开距以及超程一般要求不超过出厂标准值的1％，用光栅采样尺根本无法准确测量高压开关的机械特性，测量效果也打了折扣。除此以外，它对测量的环境条件要求较高。

2)差动变压器位移传感器

差动变压器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)式位移传感器是一种开口变压器，这种变压器的原边有一个绕组，副边有两个按差动方式联接的绕组。这种传感器的优点是测量精度高、线性度好、使用寿命长、灵敏度和分辨率高、具有较强的抗干扰能力，能够在强电磁干扰或强机械振动等恶劣环境下正常工作。缺点是安装起来不方便。

3)电阻式位移传感器

采用电阻式位移传感器测量高压开关的动触头和绝缘动触头行程测量。它的工作原理是当高压开关动触头发生运动时，传感器两端的电压发生变化，通过测量电压的变化来检测高压开关动触头的运动状态。电阻式位移传感器具有精度高、寿命长、线性度好的特点，但是它的造价较昂贵。

目前应用在高压开关设备上的上述各类传感器都需要外接电源，增加了气密封接以及环氧树脂固化封装结构的复杂性。因此，综合考虑传感器的要求和上述几种测速传感器的缺点，基于一体化设计理论，本实用新型提出了一种专用于监测高压开关分、合闸速度的传感器，它不需电源、免维护，特别适合应用于GIS以及固封极柱的真空开关中。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于电磁感应原理，利用新型永磁材料实现的测速传感器，用于测量高压开关分合闸的瞬时速度及平均速度。这种新型速度传感器与以往的传感器的最大区别在于它不需电源，可以实现20年免维护，与高压开关高压侧的开关实体部分的寿命相匹配。这种传感器是通过线圈和永磁体之间产生相对运动，切割磁力线而产生感应电势，采集传感器内感应电压信号，利用线圈电压与永磁体速度的单值对应关系来测量速度。永磁体与动触头连杆相连接，步调一致；线圈固定安装，利于电气接线。

本实用新型的技术方案为：

一种用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，该传感器的组成包括永磁体、第一线圈、第二线圈、线圈骨架、外壳、接头和定位接头；

其位置关系为：外壳为圆柱形，上下端各有直径相同的开孔，外壳内部固定设置有线圈骨架，线圈骨架的上下端分别绕制安装着第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的匝数、绕制方向相同，上下对称分布；线圈骨架的内孔中为永磁体，永磁体是实心圆柱体，永磁体的高度同外壳内部的高度；

所述的永磁体的材料采用钕铁硼系合金；

永磁体的上部固接有同直径的接头，下部固接有同直径定位接头；外壳的开孔、线圈骨架的内孔、第一线圈、第二线圈和永磁体于同一中轴线上；第一线圈和第二线圈串连后接到测量电路的输入端。

永磁体的直径是15mm，长度52mm。

所述的永磁体的材料是Nd2Fe14B，牌号为N38。

接头和定位接头的材质均为黄铜，线圈骨架用绝缘材料聚四氟乙烯制成。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型的永磁体与高压开关动触头连杆相连接，随之一起运动；线圈在永磁体外侧，固定不动。这样线圈与永磁体相对运动切割磁力线产生感应电势，同时线圈固定安装也便于电气接线。而且这种传感器不需要外接电源，简化了结构，特别是对于充气柜或固封极柱型真空开关，若提供在其整个维修周期内长期可靠工作的电源比较困难，本实用新型避免了这个难题，适应性强。

本实用新型适用于所有真空开关、SF₆开关和油开关，对于不同速度范围的高压开关，其速度传感器的原理结构相同，但具体参数结构都是分别优化设计的。线圈电压与永磁体速度的单值对应关系要分别校准。

这种新型速度传感器与以往的传感器的最大区别在于它不需电源(交、直流电源或电池)、免维护。对于所有真空开关、SF₆开关等高压开关来说，其高压侧的开关实体部分现在可以做到终身免维护，或者说20年免维护，但目前在低压侧、特别是测量传感器部分，国内外都做不到20年免维护，比如涉及计算机系统及某些智能化软件部分，需要不断升级、更新，或者甚至系统时钟电池必然要更换。但这些都在密闭空间外侧或处于低压侧，升级或维修相对容易，但对于传感器这类处于监测系统前端(高压测)的器件，若需维修或更换，只能停机，势必影响电网供电可靠性，一般这是不允许的。

若再考虑气体绝缘开关设备(GIS)或固封极柱式真空开关的特点：这些设备的核心部分是一个密闭空间。对于GIS，其密封空间内充有5～6个大气压的SF₆气体，传感器必须处于这种密封空间中，即使在维修拆卸过程中，SF₆气体都不允许泄漏到空气中，因为SF₆气体是温室效应气体，可以想像，若需要更换传感器电源的难度，因此本实用新型的不用电源的传感器尤其具有优势。对于固封极柱式真空开关，其密封空间是环氧树脂浇注的，传感器必须处于这种密封空间中，拆卸即是破坏性的，本实用新型的传感器不仅不需更换电源，避免拆卸，同时结构简单，零件少，可靠性高，可以实现20年免维护，与高压侧的开关实体部分的寿命相匹配。因此，本实用新型特别适合应用于GIS以及固封极柱的真空开关中。

附图说明

图1是本实用新型永磁式分合闸速度传感器安装在真空开关中的示意图。

图2是本实用新型永磁式分合闸速度传感器原理结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型的技术方案进一步说明。

如图1所示：1－永磁式分合闸速度传感器，2－连杆，3－动触头连杆，4－操动机构连杆。

开关操动机构(图1中未画出)提供动力，使操动机构连杆4运动，通过连杆2的转换，带动动触头连杆3运动。永磁式分合闸速度传感器1的外形是圆柱体，它的永磁体磁芯5通过接头10与真空开关的动触头连杆3相连，与动触头连杆3一起运动。永磁式分合闸速度传感器其他部分不动。

图2是本实用新型永磁式分合闸速度传感器的具体结构，其组成包括永磁体5、线圈6、线圈7、线圈骨架8、外壳9、接头10和定位接头11；

其位置关系为：外壳9为圆柱形，上下端各有直径相同的开孔，外壳9内部固定设置有线圈骨架8，线圈骨架8的上下端分别绕制安装着线圈6和线圈7，线圈6和线圈7的匝数、绕制方向相同，上下对称分布；线圈骨架8的内孔中为永磁体5，永磁体5是实心圆柱体，永磁体5的高度同外壳9内部的高度；

永磁体5的上部固接有同直径的接头10，下部固接有同直径定位接头11，接头10与动触头连杆3用螺纹固接，永磁体5运动的范围由高压开关的开距决定，例如，10kV真空开关开距为8毫米，要超出线圈的范围，运动时其同轴性由接头10和定位接头11保证；并且外壳9的开孔、线圈骨架8的内孔、线圈6、线圈7和磁体连杆位于同一中轴线上；

永磁体5的直径是15mm，长度52mm；外壳开孔的直径是线圈骨架8内径18mm，外径是45mm。

所述的永磁体5的材料采用钕铁硼系合金，成分是Nd2Fe14B，牌号为N38，

线圈6、线圈7就是传感器电信号的输出端，串连后接到测量电路的输入端。

线圈6、7内径30mm，外径45mm，高度12mm，高度方向的位置，线圈6、7分别距离永磁体上下端都是3mm。线圈6、7的间距为22mm。

接头10和定位接头11均选用非磁性材料黄铜制成，均通过螺纹连接与永磁体5相连，线圈骨架8用绝缘材料聚四氟乙烯制成。

传感器外形是圆柱体，安装时利用其外壳9固定。(外壳采用电工纯铁制成，即可保护线圈，又构成磁路的一部分。)永磁体5位于此圆柱体的中轴线上。永磁体5是实心圆柱体，钕铁硼材料制成，它与动触头连杆3通过螺纹连接，处于相同中轴线上，可以随着动触头连杆3一起运动，运动轨迹始终处于中轴线上。线圈6和线圈7是螺线管结构，各自绕线在线圈骨架8的对应位置，永磁体5构成线圈6和线圈7共同的铁芯，永磁体5和线圈6、线圈7同轴。线圈骨架8用绝缘材料聚四氟乙烯制成。线圈6和线圈7在线圈骨架8上绕制完成后安放在外壳9中固定。永磁体5与线圈骨架8内孔之间有空隙，使不影响永磁体5的运动。

测量时，永磁体5与真空开关的动触头连杆3一起运动，与线圈6、线圈7产生相对运动，切割磁力线产生感应电势，根据仿真计算和实验测量可以得出感应电势与运动速度的单值对应关系曲线。这样可以测出开关动触头的分合闸运动速度。

应用实施例

永磁式分合闸速度传感器连接的测量电路，包括信号采样、峰值锁定电路、运算放大电路等部分为常规技术，不包括在本实用新型之内，线圈6，7的圈数：600，线圈骨架的材料：聚四氟乙烯。测量电路应用DSP F2812实现。数据采集的处理芯片，将DSP处理器与片内自带的A/D转换芯片相结合，实现数据采集单元DSP最小系统；软件部分主要包括DSP主程序的设计、A/D中断子程序的设计和CAN通信子程序的设计等。通过数据采集模块软硬件的设计，实现真空开关分合闸速度的数据采集和计算处理。数据处理及相关软件同样为本领域公知技术。

永磁体5的材料采用钕铁硼系合金，牌号为N38。

钕铁硼永磁材料，是1983年问世的第三代高性能永磁材料，其主要成分是Nd2Fe14B，是目前磁性能最强的永磁材料，他的最大磁能积可达398kJ/m3，剩磁最高可达1.47T，矫顽力最高可超过1000kA/m，由于其组成元素资源丰富，其价格低廉，可参见公知材料[1]。

表1钕铁硼N38的磁性参数

[1]刘亚丕，何时金，包大新，任旭余.永磁材料的发展趋势.磁性材料及器件.2003，34(2)：33-36.

永磁体5是实心圆柱体，外部与线圈骨架8留有一定间隙，确保永磁体5的自由运动，在线圈骨架8上，绕制安装着线圈6和线圈7，线圈6和线圈7的匝数、绕制方向相同，处于永磁体5高度方向的两端，上下对称分布。两个线圈分别位于磁通变化最大的永磁体两端，提高了传感器的灵敏度，缩小了体积，减少了漆包线的用量。体积的较小，使本传感器的适应性更广，特别适合于气体绝缘开关设备(GIS)以及固封极柱的真空开关中，这些是经过小型化的开关设备，传统的老式传感器会受到空间的限制而不能使用。

外壳9采用电工纯铁制成(内部高度为52mm)，是铁磁材料，构成磁路的一部分，厚度越大，磁阻越小，但考虑减小占用空间体积和降低成本，经过计算，外壳9的壁厚取5mm足够。

永磁式分合闸速度传感器的工作过程是：当高压开关分合闸操作时，图2中的永磁体5与图1中的动触头连杆同步运动，线圈6、线圈7切割磁力线产生的感应电压信号，经信号采集电路提取，送入测量系统中，经过测量系统分析处理，显示测量结果。

地点：实验室

技术条件：

1)  电源：220V±10％，AC50Hz

2)  环境温度：-20℃～65℃

3)  环境湿度：<80％

4)  海拔高度：<1000m

真空开关(断路器)产品型号为ZN28，真空灭弧室型号为TD3150/10-40。ZN28真空断路器是西安高压电器研究院设计的系列产品，具有代表性，该产品符合GB1984-2003标准，适用于各种固定式开关柜，如GG-1A(Z)，XGN2A10(Z)等，配用直流电磁操动机构。

按使用步骤操作，测量结果数据如表2：

表2分合闸速度测量数据

测量所用传感器	分闸速度(m/s)	合闸速度(m/s)
			永磁式分合闸速度传感器	1.5	0.8

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，其特征为该传感器的组成包括永磁体、第一线圈、第二线圈、线圈骨架、外壳、接头和定位接头；

其位置关系为：外壳为圆柱形，上下端各有直径相同的开孔，外壳内部固定设置有线圈骨架，线圈骨架的上下端分别绕制安装着第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的匝数、绕制方向相同，上下对称分布；线圈骨架的内孔中为永磁体，永磁体是实心圆柱体，永磁体的高度同外壳内部的高度；

所述的永磁体的材料采用钕铁硼系合金；

永磁体的上部固接有同直径的接头，下部固接有同直径定位接头；外壳的开孔、线圈骨架的内孔、第一线圈、第二线圈和永磁体于同一中轴线上；第一线圈和第二线圈串连后接到测量电路的输入端。

2.如权利要求1所述的用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，其特征为所述的永磁体的直径是15mm，长度52mm。

3.如权利要求1所述的用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，其特征为所述的永磁体的材料是Nd2Fe14B。

4.如权利要求1所述的用于高压开关的永磁式分合闸速度传感器，其特征为接头和定位接头的材质均为黄铜，线圈骨架用绝缘材料聚四氟乙烯制成。