智能电气集成式可带电操作物联网传感器的制作方法

本发明涉及一种电气设备在线测量传感器，特别是一种用于实现智能电气的、集成式的、可带电操作的物联网传感器。属于智能电气设备技术领域。

背景技术：

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，而目前的主流技术一是采用分立式传感器、二是不同的系统都有独立的传感器，存在体积大、成本高、装卸困难、兼容性差、需断电安装等多种缺陷，极大的制约了电气领域智能制造的实施和发展。

中国专利“一种低压配电柜电力数据采集模块”（申请号：201610782346.0）提出了一种“电流互感器、温度传感器、破皮取电机构、和线束插孔”的数据采集模块，虽然在一定程度上方便了安装、减少了停电时间。但是其采用压线式破皮取电机构，导电金属刺与导线内芯容易发生顶牛，接触效果变差、易损伤导线和导电金属刺的尖头；同时压线式破皮取电法在导线外皮较硬时，尤其是其为保证连通效果还采用了多个金属刺，需施加很大的外力，破皮效果不佳，破皮效率低下，还有可能对其“固定支架螺丝”乃至整个取电机构造成损坏；缺少导线破皮处的保护，长时间运行时，破皮处导线导体容易受环境影响而氧化或腐蚀，造成数据采集误差大，甚至导致导线的发热使连接的设备故障而影响生产；没有破皮时对中和防止导线窜动的措施。此外，虽然提到了温度传感器，却并没有公开具体的安装和测量方式等。

作为改进技术，中国专利“一种电量和温度监测复合型传感器及电缆状态监测系统”（申请号：2018102460366），实现了传统的电流互感器、电压互感器、测温传感器和通讯装置等的融合，集成了信息处理模块，安装时无需进行停电操作，在一定程度上解决了上述问题。但是一些关键技术问题仍然没有得到有效解决，如电压采样穿刺刀仍然是多个金属刺的压线式破皮方式，电缆温度监测元件采用与电压采样穿刺刀根部紧密接触的方式，却使电缆温度监测元件直接与强电接触，带来安全隐患等。

中国专利“多功能穿刺取电线夹”（申请号：2018100079755），采用调节片和调节齿的方式来适应不同粗细的导线，但是结构十分复杂；在壳体的下表面与夹取板的上表面均设有夹取凹槽，便于夹取板与壳体将外部的导线夹取固定住，但是对导线粗细的适应性不强，尤其是在导线过细时。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种智能电气集成式可带电操作物联网传感器，以满足智能电气多种参数监测时，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、安全性等要求；同时，为实现智能电气的大数据采集提供了便捷的物联网传感器，具有结构简单、可带电操作、使用方便、成本低廉、装卸方便等诸多优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器包括开口电流互感器（1）、活动轴（2）、闭锁结构（3）、封闭铁芯（4）、电流互感器输出端（5）、导体片（6）、螺旋取电针（7）、挡板（8）、电压引出端（9）、电压辅助端（10）、导线（11）、出线接口（12）。

开口电流互感器（1）为侧面开口的u形结构，开口处上端为活动轴（2），下端为闭锁结构（3），封闭铁芯（4）与活动轴（2）相连，通过闭锁结构（3）锁紧后，与开口电流互感器（1）构成闭合磁路，电流互感器输出端（5）将开口电流互感器（1）的信号引出；导体片（6）固定在开口电流互感器（1）的u形结构的一条臂上，螺旋取电针（7）从导体片（6）上的螺孔穿过，挡板（8）固定在另一条臂上，且导体片（6）与挡板（8）正对。导体片（6）同时也起到固定螺旋取电针（7）的作用。

螺旋取电针（7）在结构上分为三部分，头部为螺旋结构且顶部为针状，中部为与导体片（6）上的螺孔相配合的螺纹结构，尾部为螺帽或绝缘扳手；采用绝缘扳手可使得现场工作人员不需要其他任何工具就可安全地进行带电装卸。

电压引出端（9）与导体片（6）相连，电压辅助端（10）与中线、零线、地线或另一相线相连，当螺旋取电针（7）穿入导线（11）与其内部导体接触后，电压引出端（9）和电压辅助端（10）取得电压信号，可以作为电压采样的原始信号，以及供其他装置使用的电源。

电流互感器输出端（5）、电压引出端（9）和电压辅助端（10）汇总到出线接口（12）。出线接口（12）可以根据安装需要，采用端子排、压线端子、航空插头等多种方式。

采集电压信号有多种方式，如利用霍尔传感器，可直接利用电压引出端（9）和电压辅助端（10）引出的电压信号。或者采用传统的限流电阻的方式，所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器还包括电压互感器（13）、电压互感器输入端（14）、电压互感器输出端（15）、限流电阻盒（16）、限流电阻（17）。电压互感器（13）的电压互感器输入端（14）的一个端子经卡装在限流电阻盒（16）中的限流电阻（17）与导体片（6）相连，另一个端子与中线、零线、地线或另一相线相连，获得电压互感器（13）输入电压信号；限流电阻（17）采用卡扣安装在限流电阻盒（16）内，使得限流电阻（17）可以随时放入或取出，便于更换，或根据电压等级调整限流电阻的阻值；为保证可靠连接，也可以用压线端子等方式。

电压互感器输出端（15）将电压互感器（13）变换后的信号引出，汇总到出线接口（12）。电压互感器（13）、限流电阻盒（16）与开口电流互感器（1）集成为一体。从而提高整体的集成度，使得结构更为紧凑。

进一步地，所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器包括压板（18）和绝缘垫片（19），中心处均有通孔，通孔直径小于螺旋取电针（7）中部的螺纹外径、大于等于螺旋取电针（7）头部的螺旋结构外径。当螺旋取电针（7）旋转挤入导线（11）时，压板（18）和绝缘垫片（19）会被螺旋取电针（7）中部的螺纹阻挡向着导线（11）方向移动，直至被压紧在导线（11）外表面上。压板（18）由弧形硬质绝缘材料制成，绝缘垫片（19）为柔性绝缘材料制成。弧形压板（18）起到支撑和压紧绝缘垫片（19）的作用，柔性绝缘材料制成的绝缘垫片（19）是为了更好地贴紧导线（11）破皮处，起到密封的效果。

进一步地，所述的挡板（8）与导线（11）接触面为凹入式对称的阶梯形结构（20），且中心点与螺旋取电针（7）的螺旋结构的中心轴线对齐。这是为了在使用螺旋取电针（7）破皮时，能够更好的稳定导线（11），不因螺旋取电针（7）旋转而发生扭动，同时在进行破皮取电时，自动对中，方便螺旋取电针（7）从最佳位置进入导线（11）。而且，凹入式对称的阶梯形结构（20）能够适应不同线径的导线（11），总有一对对称的阶梯能够卡住导线（11）。

进一步地，所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器包括绝热垫（21）、温度传感器（22）和温度传感器输出端（23），绝热垫（21）固定于挡板（8）表面，温度传感器（22）的探头镶嵌于挡板（8）中心点处，并从绝热垫（21）穿出，与导线（11）紧密接触，温度传感器输出端（23）将温度传感器（22）的信号引出，汇总到出线接口（12）。当导线（11）安装完毕后，由绝热垫（21）和导线（11）的绝缘外皮之间构成了一个绝热空间，使得该空间受外界环境温度影响很小，因此温度传感器（22）探头处于该空间中，能够比较准确地反应出导线（11）的温度变化。当然，导线（11）的绝缘外皮会造成一定的微小温差和温度变化滞后效应，但是在消除外界影响后，并不影响对导线（11）内部温度的测量效果；这是在不能将温度传感器（22）与导线（11）内部导体直接接触时的较佳方案。

更为优化地，所述的电流互感器输出端（5）、电压互感器输出端（11）、温度传感器输出端（23）通过屏蔽双绞线连接到出线接口（12）上，电压引出端（9）和电压辅助端（10）等其他的内部接线也应该采用屏蔽线，以提高整体的抗干扰能力。

进一步地，所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器包括物联网终端（24），含有进线接口（2401）、分析处理模块（2402）、通讯模块（2403）；物联网终端（24）通过进线接口（2401）与出线接口（12）相连，获取所述传感器采集的信号和电源，分析处理模块（2402）对进线接口（2401）传来的模拟信号进行采集、分析和处理，经通讯模块（2403）以有线或无线的方式与外部进行数据交换。

所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器提供了导线（11）运行时所能测到电压、电流和温度数据，并进行了分析和处理，从而有效简化了外部的智能测控装置的结构，为智能电气系统的实现提供了物联网传感器设备。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1）将电压、电流和温度传感器集成为一体，相较于传统分体式传感器，简化了现场操作、方便快捷、大大缩小了整体体积、降低了整体成本；而且电气连接多数转化为内部封装接线，可靠性高、抗干扰能力强、使用寿命长、对原有的电气连接影响小；实现了带电装卸，避免停电影响生产、即装即用、方便测量。

2）采用集成一体的传感器提供模拟量数据信号、结合物联网终端，构成完整的智能电气物联网传感器；实现了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。

3）采用螺旋取电针的三部分不同结构的设计、旋入式工作方式，需要施加外力很小、破皮效率高、对整个结构不会造成外力损伤、利于实现与导体的充分接触；采用绝缘垫片可以很好地保护导线的破皮口，防止工作时粉尘和潮气从破皮口进入导线导体而影响导体寿命，有效避免了破皮处导体发热引发故障，以及造成设备及经济损失。

4）挡板的凹入式对称的阶梯形结构设计，在进行破皮取电时，能够很好地固定导线，有效防止破皮时导线的横向窜动，便于将螺钉从导线中心钻入，使螺钉充分接触导体，取样更准确和稳定。

5）限流电阻盒及其卡扣式设计，操作人员可根据电压等级调整限流电阻的阻值，限流电阻可随时放入或取出，安装和拆卸方便。

附图说明

图1：传感器整体结构示意图。

图2：物联网终端结构示意图。

图中：1-开口电流互感器，2-活动轴，3-闭锁结构，4-封闭铁芯，5-电流互感器输出端，6-导体片、7-螺旋取电针、8-挡板、9-电压引出端、10-电压辅助端、11-导线、12-出线接口、13-电压互感器、14-电压互感器输入端、15-电压互感器输出端、16-限流电阻盒、17-限流电阻、18-压板、19-绝缘垫片、20-阶梯形结构、21-绝热垫、22-温度传感器、23-温度传感器输出端、24-物联网终端、2401-进线接口、2402-分析处理模块、2403-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：

如图1所示为传感器整体结构示意图。图1中，所述的智能电气集成式可带电操作物联网传感器包括开口电流互感器（1）、活动轴（2）、闭锁结构（3）、封闭铁芯（4）、电流互感器输出端（5）、导体片（6）、螺旋取电针（7）、挡板（8）、电压引出端（9）、电压辅助端（10）、导线（11）、出线接口（12）、电压互感器（13）、电压互感器输入端（14）、电压互感器输出端（15）、限流电阻盒（16）、限流电阻（17）、压板（18）、绝缘垫片（19）、阶梯形结构（20）、绝热垫（21）、温度传感器（22）和温度传感器输出端（23）。

图1中，开口电流互感器（1）为侧面开口的u形结构，开口处上端为活动轴（2），下端为闭锁结构（3），封闭铁芯（4）与活动轴（2）相连，通过闭锁结构（3）锁紧后，与开口电流互感器（1）构成闭合磁路。

图1中，导体片（6）固定在开口电流互感器（1）的u形结构的一条臂的侧面，螺旋取电针（7）从导体片（6）上的螺孔穿过，挡板（8）固定在另一条臂的侧面，且导体片（6）与挡板（8）正对。挡板（8）与导线（11）接触面为凹入式对称的阶梯形结构（20），且中心点与螺旋取电针（7）的螺旋结构的中心轴线对齐。这是为了在使用螺旋取电针（7）破皮时，能够更好的稳定导线（11），不因螺旋取电针（7）旋转而发生扭动，同时在进行破皮取电时，自动对中，方便螺旋取电针（7）从最佳位置进入导线（11）。而且，凹入式对称的阶梯形结构（20）能够适应不同线径的导线（11），总有一对对称的阶梯能够卡住导线（11）。

图1中，绝热垫（21）固定于挡板（8）上的凹入式对称的阶梯形结构（20）的表面，温度传感器（22）的探头镶嵌于挡板（8）中心点处，并从绝热垫（21）穿出，与导线（11）紧密接触。当导线（11）安装完毕后，由绝热垫（21）和导线（11）的绝缘外皮之间构成了一个绝热空间，使得该空间受外界环境温度影响很小，因此温度传感器（22）探头处于该空间中，能够比较准确地反应出导线（11）的温度变化。

图1中，螺旋取电针（7）在结构上分为三部分，头部为螺旋结构且顶部为针状，中部为与导体片（6）上的螺孔相配合的螺纹结构，尾部为绝缘扳手；采用绝缘扳手可使得现场工作人员不需要其他任何工具就可安全地进行带电装卸。压板（18）和绝缘垫片（19）的中心处均有通孔，通孔直径小于螺旋取电针（7）中部的螺纹外径、大于等于螺旋取电针（7）头部的螺旋结构外径。当螺旋取电针（7）旋转挤入导线（11）时，压板（18）和绝缘垫片（19）会被螺旋取电针（7）中部的螺纹阻挡向着导线（11）方向移动，直至被压紧在导线（11）外表面上。压板（18）由弧形硬质绝缘材料制成，绝缘垫片（19）为柔性绝缘材料制成。弧形压板（18）起到支撑和压紧绝缘垫片（19）的作用，柔性绝缘材料制成的绝缘垫片（19）是为了更好地贴紧导线（11）破皮处，起到密封的效果。

图1中，电压互感器（13）的电压互感器输入端（14）的一个端子经卡装在限流电阻盒（16）中的限流电阻（17）与导体片（6）相连，另一个端子与中线、零线、地线或另一相线相连；限流电阻（17）采用卡扣安装在限流电阻盒（16）内，使得限流电阻（17）可以随时放入或取出，便于更换，或根据电压等级调整限流电阻的阻值。

图1中，开口电流互感器（1）、电压互感器（13）、限流电阻盒（16）以及其他组件集成为一体，从而提高整体的集成度，使得结构更为紧凑。

图1中，电压引出端（9）与导体片（6）相连，电压辅助端（10）与中线、零线、地线或另一相线相连。出线接口（12）为端子排形式，电流互感器输出端（5）、电压互感器输出端（11）、温度传感器输出端（23）通过屏蔽双绞线连接到出线接口（12）上，为外部智能测控设备提供采集到的电流、电压和温度信号。电压引出端（9）和电压辅助端（10）也经屏蔽线连接到出线接口（12）上，为外部智能测控设备提供电源。

带电安装时，首先依次将压板（18）和绝缘垫片（19）套在螺旋取电针（7）上，然后将导线（11）从开口电流互感器（1）开口处放入，并将导线（11）压在挡板（8）的凹入式对称的阶梯形结构（20）中，闭上封闭铁芯（4），通过闭锁结构（3）锁紧；慢慢旋转螺旋取电针（7）尾部的绝缘扳手，当螺旋取电针（7）与导线（11）接触时，确定螺旋取电针（7）的尖头位于导线（11）中心，然后用力转动旋转扳手（15），实现螺旋取电针（7）与导线（11）内部导体的电气连接，直到绝缘垫片（19）完全贴在导线（11）破皮处为止。

如图2所示为物联网终端结构示意图。图2中，物联网终端（24）包括进线接口（2401）、分析处理模块（2402）、通讯模块（2403）。物联网终端（24）通过进线接口（2401）与出线接口（12）相连，获取所述传感器采集的信号和电源；分析处理模块（2402）对进线接口（2401）传来的电压、电流和温度的模拟信号进行采集、分析和处理，经通讯模块（2403）以无线通讯的方式与外部进行数据交换。

当传感器安装在户外或者无人值守的设备上时，需要将数据发送到管理中心，通过分析处理模块（2402），设定监测项目和报警阈值，将数据整理、分析和判断，最终数据和分析结果通过通讯模块（2403）发回管理中心，实现数据的采集、记录、分析、判断、预警、报警、上传等多种功能，构成完整的智能电气物联网传感器。

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。