用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明為一種用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，該傳感器的組成包括永磁體、第一線圈、第二線圈、線圈骨架、外殼、接頭和定位接頭；其位置關系為：外殼為圓柱形，上下端各有直徑相同的開孔，外殼內部固定設置有線圈骨架，線圈骨架的上下端分別繞制安裝著第一線圈和第二線圈，第一線圈和第二線圈的匝數、繞制方向相同，上下對稱分布；線圈骨架的內孔中為永磁體，永磁體是實心圓柱體，永磁體的位置位于第一線圈和第二線圈之間；所述的永磁體的材料采用釹鐵硼系合金。本發明不需要外接電源，簡化了結構，結構簡單，零件少，可靠性高，可以實現20年免維護。
【專利說明】用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器
【技術領域】
[0001] 本發明是一種高壓開關專用的分合閘速度傳感器，不需電源、免維護，特別適合應 用于氣體絕緣開關設備（GIS)以及固封極柱的真空開關中。
【背景技術】
[0002] 電力系統中的高壓開關，按照滅弧介質的不同，常用的可以分為三種：少油開關、 真空開關和SF6開關。各種開關的狀態參數監測離不開傳感器。分、合閘速度是需要監測 的兩個重要參數。按照原理分類歸納，目前可以應用于高壓開關的分合閘速度傳感器主要 有：
[0003] 1)光電式位移傳感器
[0004] 光電式位移傳感器常用的有增量式旋轉光電編碼器和直線光電編碼器。測量原理 是：把直線光電編碼器安裝在高壓開關直線運動部件上，或者把旋轉光電編碼器安裝在高 壓開關操動機構的主軸上，通過采集傳感器的輸出信號波形來測量分（合）閘操作時動觸 頭的運動信號。
[0005] 光電編碼器有其優點和缺點：光電編碼器的體積很小、重量輕、動態頻率響應好等 優點，但是光電編碼器也包含一定的缺點，如無法直接確定超程起始點、精度低，而且根據 功能需要很多的電子元器件，操作復雜，并且價格也較貴。光電傳感器的光柵間距受技術條 件的影響有一定的限制，光柵間距一般都設計在〇.5mm左右，高壓開關的觸頭的開距以及 超程一般要求不超過出廠標準值的1 %，用光柵采樣尺根本無法準確測量高壓開關的機械 特性，測量效果也打了折扣。除此以外，它對測量的環境條件要求較高。
[0006] 2)差動變壓器位移傳感器
[0007] 差動變壓器 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)式位移傳感器 是一種開口變壓器，這種變壓器的原邊有一個繞組，副邊有兩個按差動方式聯接的繞組。這 種傳感器的優點是測量精度高、線性度好、使用壽命長、靈敏度和分辨率高、具有較強的抗 干擾能力，能夠在強電磁干擾或強機械振動等惡劣環境下正常工作。缺點是安裝起來不方 便。
[0008] 3)電阻式位移傳感器
[0009] 采用電阻式位移傳感器測量高壓開關的動觸頭和絕緣動觸頭行程測量。它的工作 原理是當高壓開關動觸頭發生運動時，傳感器兩端的電壓發生變化，通過測量電壓的變化 來檢測高壓開關動觸頭的運動狀態。電阻式位移傳感器具有精度高、壽命長、線性度好的特 點，但是它的造價較昂貴。
[0010]目前應用在高壓開關設備上的上述各類傳感器都需要外接電源，增加了氣密封接 以及環氧樹脂固化封裝結構的復雜性。因此，綜合考慮傳感器的要求和上述幾種測速傳感 器的缺點，基于一體化設計理論，本發明提出了一種專用于監測高壓開關分、合閘速度的傳 感器，它不需電源、免維護，特別適合應用于GIS以及固封極柱的真空開關中。
【發明內容】
toon] 本發明的目的是提供一種基于電磁感應原理，利用新型永磁材料實現的測速傳感 器，用于測量高壓開關分合閘的瞬時速度及平均速度。這種新型速度傳感器與以往的傳感 器的最大區別在于它不需電源，可以實現20年免維護，與高壓開關高壓側的開關實體部分 的壽命相匹配。這種傳感器是通過線圈和永磁體之間產生相對運動，切割磁力線而產生感 應電勢，采集傳感器內感應電壓信號，利用線圈電壓與永磁體速度的單值對應關系來測量 速度。永磁體與動觸頭連桿相連接，步調一致；線圈固定安裝，利于電氣接線。
[0012] 本發明的技術方案為：
[0013] 一種用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，該傳感器的組成包括永磁體、第 一線圈、第二線圈、線圈骨架、外殼、接頭和定位接頭；
[0014] 其位置關系為：外殼為圓柱形，上下端各有直徑相同的開孔，外殼內部固定設置有 線圈骨架，線圈骨架的上下端分別繞制安裝著第一線圈和第二線圈，第一線圈和第二線圈 的匝數、繞制方向相同，上下對稱分布；線圈骨架的內孔中為永磁體，永磁體是實心圓柱體， 永磁體的高度同外殼內部的高度；
[0015] 所述的永磁體的材料采用釹鐵硼系合金；
[0016] 永磁體的上部固接有同直徑的接頭，下部固接有同直徑定位接頭；外殼的開孔、線 圈骨架的內孔、第一線圈、第二線圈和永磁體于同一中軸線上；第一線圈和第二線圈串連后 接到測量電路的輸入端。
[0017] 永磁體的直徑是15mm，長度52mm。
[0018] 所述的永磁體的材料是Nd2Fel4B，牌號為N38。
[0019] 接頭和定位接頭的材質均為黃銅，線圈骨架用絕緣材料聚四氟乙烯制成。
[0020] 本發明的有益效果為：
[0021] 本發明的永磁體與高壓開關動觸頭連桿相連接，隨之一起運動；線圈在永磁體外 偵牝固定不動。這樣線圈與永磁體相對運動切割磁力線產生感應電勢，同時線圈固定安裝也 便于電氣接線。而且這種傳感器不需要外接電源，簡化了結構，特別是對于充氣柜或固封極 柱型真空開關，若提供在其整個維修周期內長期可靠工作的電源比較困難，本發明避免了 這個難題，適應性強。
[0022] 本發明適用于所有真空開關、SF6開關和油開關，對于不同速度范圍的高壓開關， 其速度傳感器的原理結構相同，但具體參數結構都是分別優化設計的。線圈電壓與永磁體 速度的單值對應關系要分別校準。
[0023] 這種新型速度傳感器與以往的傳感器的最大區別在于它不需電源（交、直流電源 或電池）、免維護。對于所有真空開關、SF 6開關等高壓開關來說，其高壓側的開關實體部分 現在可以做到終身免維護，或者說20年免維護，但目前在低壓側、特別是測量傳感器部分， 國內外都做不到20年免維護，比如涉及計算機系統及某些智能化軟件部分，需要不斷升 級、更新，或者甚至系統時鐘電池必然要更換。但這些都在密閉空間外側或處于低壓側，升 級或維修相對容易，但對于傳感器這類處于監測系統前端（高壓測）的器件，若需維修或更 換，只能停機，勢必影響電網供電可靠性，一般這是不允許的。
[0024] 若再考慮氣體絕緣開關設備（GIS)或固封極柱式真空開關的特點：這些設備的核 心部分是一個密閉空間。對于GIS，其密封空間內充有5?6個大氣壓的SF 6氣體，傳感器 必須處于這種密封空間中，即使在維修拆卸過程中，SF6氣體都不允許泄漏到空氣中，因為 sf6氣體是溫室效應氣體，可以想像，若需要更換傳感器電源的難度，因此本發明的不用電 源的傳感器尤其具有優勢。對于固封極柱式真空開關，其密封空間是環氧樹脂澆注的，傳感 器必須處于這種密封空間中，拆卸即是破壞性的，本發明的傳感器不僅不需更換電源，避免 拆卸，同時結構簡單，零件少，可靠性高，可以實現20年免維護，與高壓側的開關實體部分 的壽命相匹配。因此，本發明特別適合應用于GIS以及固封極柱的真空開關中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明永磁式分合閘速度傳感器安裝在真空開關中的示意圖。
[0026] 圖2是本發明永磁式分合閘速度傳感器原理結構圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和實例對本發明的技術方案進一步說明。
[0028] 如圖1所示：1 -永磁式分合閘速度傳感器，2 -連桿，3 -動觸頭連桿，4 -操動機 構連桿。
[0029] 開關操動機構（圖1中未畫出）提供動力，使操動機構連桿4運動，通過連桿2的 轉換，帶動動觸頭連桿3運動。永磁式分合閘速度傳感器1的外形是圓柱體，它的永磁體磁 芯5通過接頭10與真空開關的動觸頭連桿3相連,與動觸頭連桿3 -起運動。永磁式分合 閘速度傳感器其他部分不動。
[0030] 圖2是本發明永磁式分合閘速度傳感器的具體結構，其組成包括永磁體5、線圈6、 線圈7、線圈骨架8、外殼9、接頭10和定位接頭11 ;
[0031] 其位置關系為：外殼9為圓柱形，上下端各有直徑相同的開孔，外殼9內部固定設 置有線圈骨架8,線圈骨架8的上下端分別繞制安裝著線圈6和線圈7,線圈6和線圈7的 匝數、繞制方向相同，上下對稱分布；線圈骨架8的內孔中為永磁體5,永磁體5是實心圓柱 體，永磁體5的高度同外殼9內部的高度；
[0032] 永磁體5的上部固接有同直徑的接頭10,下部固接有同直徑定位接頭11，接頭10 與動觸頭連桿3用螺紋固接，永磁體5運動的范圍由高壓開關的開距決定，例如，10kV真空 開關開距為8毫米，要超出線圈的范圍，運動時其同軸性由接頭10和定位接頭11保證；并 且外殼9的開孔、線圈骨架8的內孔、線圈6、線圈7和磁體連桿位于同一中軸線上；
[0033] 永磁體5的直徑是15mm，長度52mm ;夕卜殼開孔的直徑是15:丨丨mm。線圈骨架8內徑 18mm,外徑是 45mm。
[0034] 所述的永磁體5的材料采用釹鐵硼系合金，成分是Nd2Fel4B，牌號為N38，
[0035] 線圈6、線圈7就是傳感器電信號的輸出端，串連后接到測量電路的輸入端。
[0036] 線圈6、7內徑30mm，外徑45mm，高度12mm，高度方向的位置，線圈6、7分別距離永 磁體上下端都是3mm。線圈6、7的間距為22mm。
[0037] 接頭10和定位接頭11均選用非磁性材料黃銅制成，均通過螺紋連接與永磁體5 相連，線圈骨架8用絕緣材料聚四氟乙烯制成。
[0038] 傳感器外形是圓柱體，安裝時利用其外殼9固定。（外殼采用電工純鐵制成，即可 保護線圈，又構成磁路的一部分。）永磁體5位于此圓柱體的中軸線上。永磁體5是實心 圓柱體，釹鐵硼材料制成，它與動觸頭連桿3通過螺紋連接，處于相同中軸線上，可以隨著 動觸頭連桿3 -起運動，運動軌跡始終處于中軸線上。線圈6和線圈7是螺線管結構，各自 繞線在線圈骨架8的對應位置，永磁體5構成線圈6和線圈7共同的鐵芯，永磁體5和線圈 6、線圈7同軸。線圈骨架8用絕緣材料聚四氟乙烯制成。線圈6和線圈7在線圈骨架8上 繞制完成后安放在外殼9中固定。永磁體5與線圈骨架8內孔之間有空隙，使不影響永磁 體5的運動。
[0039] 測量時,永磁體5與真空開關的動觸頭連桿3 -起運動，與線圈6、線圈7產生相對 運動，切割磁力線產生感應電勢，根據仿真計算和實驗測量可以得出感應電勢與運動速度 的單值對應關系曲線。這樣可以測出開關動觸頭的分合閘運動速度。
[0040] 應用實施例
[0041] 永磁式分合閘速度傳感器連接的測量電路，包括信號采樣、峰值鎖定電路、運算放 大電路等部分為常規技術，不包括在本發明之內，線圈6,7的圈數：600,線圈骨架的材料： 聚四氟乙烯。測量電路應用DSP F2812實現。數據采集的處理芯片，將DSP處理器與片內 自帶的A/D轉換芯片相結合，實現數據采集單元DSP最小系統；軟件部分主要包括DSP主程 序的設計、A/D中斷子程序的設計和CAN通信子程序的設計等。通過數據采集模塊軟硬件 的設計，實現真空開關分合閘速度的數據采集和計算處理。數據處理及相關軟件同樣為本 領域公知技術。
[0042] 永磁體5的材料采用釹鐵硼系合金，牌號為N38。
[0043] 釹鐵硼永磁材料，是1983年問世的第三代高性能永磁材料，其主要成分是 Nd2Fel4B，是目前磁性能最強的永磁材料，他的最大磁能積可達398kJ/m3,剩磁最高可達 1. 47T，矯頑力最高可超過1000kA/m，由于其組成元素資源豐富，其價格低廉，可參見公知材 料[1]。
[0044] 表1釹鐵硼N38的磁性參數
[0045]
【權利要求】
1. 一種用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，其特征為該傳感器的組成包括永磁 體、第一線圈、第二線圈、線圈骨架、外殼、接頭和定位接頭； 其位置關系為：外殼為圓柱形，上下端各有直徑相同的開孔，外殼內部固定設置有線圈 骨架，線圈骨架的上下端分別繞制安裝著第一線圈和第二線圈，第一線圈和第二線圈的匝 數、繞制方向相同，上下對稱分布；線圈骨架的內孔中為永磁體，永磁體是實心圓柱體，永磁 體的高度同外殼內部的高度； 所述的永磁體的材料采用釹鐵硼系合金； 永磁體的上部固接有同直徑的接頭，下部固接有同直徑定位接頭；外殼的開孔、線圈骨 架的內孔、第一線圈、第二線圈和永磁體于同一中軸線上；第一線圈和第二線圈串連后接到 測量電路的輸入端。
2. 如權利要求1所述的用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，其特征為所述的永 磁體的直徑是15mm，長度52mm。
3. 如權利要求1所述的用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，其特征為所述的永 磁體的材料是Nd2Fel4B。
4. 如權利要求1所述的用于高壓開關的永磁式分合閘速度傳感器，其特征為接頭和定 位接頭的材質均為黃銅，線圈骨架用絕緣材料聚四氟乙烯制成。
【文檔編號】G01R31/327GK104090120SQ201410347015
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月19日 優先權日:2014年7月19日
【發明者】趙智忠, 王雙林 申請人:河北工業大學