一种智能监测空气开关论文和设计-欧阳守飞

全文摘要

本实用新型公开了一种智能监测空气开关，包括温度检测机构；电流采样机构；短路故障检测机构，设置于电磁脱扣器的靠近壳体的一端通过判断电磁脱扣器当前动作状态从而判断是否发生短路；安全保护罩：保护手柄不会被无意触碰的同时能够检测罩体是否被打开；手柄状态显示机构：通过LED灯发光使得开关当前状态标识醒目。本实用新型的有益效果是：在电磁脱扣器的一侧设置短路故障检测机构，当短路时，磁芯动作，第二连杆会触碰行程开关，从而通过行程开关将短路的信号发送到外部设备，使工作人员明确的知道电路发生短路；在壳体的外部设置安全保护罩，保护手柄不会无意碰触的同时能够用于判断电路是否发生过载故障。

主设计要求

1.一种智能监测空气开关，包括与外部线缆连接的接线端子、用于短路保护的电磁脱扣器、用于过载保护的热双金属片、作为开关使用的合闸机构、快速灭弧机构和承装所有零部件的壳体，其特征在于，还包括：短路故障检测机构：设置于所述电磁脱扣器的靠近所述壳体的一端通过判断电磁脱扣器当前动作状态从而判断是否发生短路；信息采集电路板：设置于所述接线端子与所述快速灭弧机构之间，且与检测机构通过导线连接，用于为检测机构供电。

设计方案

1.一种智能监测空气开关，包括与外部线缆连接的接线端子、用于短路保护的电磁脱扣器、用于过载保护的热双金属片、作为开关使用的合闸机构、快速灭弧机构和承装所有零部件的壳体，其特征在于，还包括：

短路故障检测机构：设置于所述电磁脱扣器的靠近所述壳体的一端通过判断电磁脱扣器当前动作状态从而判断是否发生短路；

信息采集电路板：设置于所述接线端子与所述快速灭弧机构之间，且与检测机构通过导线连接，用于为检测机构供电。

2.根据权利要求1所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述电磁脱扣器包括用于导电的螺线圈和插接于螺线圈中心位置的磁芯，所述短路故障检测机构包括设置于所述磁芯尾部且与其接触的第一连杆、设置于所述壳体内且可以通过壳体外部按压的复位按钮、设置于第一连杆与复位按钮之间的第二连杆、设置于第二连杆头部位置的行程开关，所述第二连杆转动时会触碰行程开关。

3.根据权利要求2所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述磁芯的尾部设置有T型卡头，所述第一连杆的一端设置有与所述T型卡头对应的方槽，且其另一端设置有凸块，所述第一连杆的中部开孔且插接在所述壳体的固定杆上并可绕该固定杆自由转动，所述磁芯沿其轴线方向动作时会通过所述T型卡头带动所述方槽，进而使所述第一连杆转动，所述复位按钮的一侧设置有复位扭簧，所述复位按钮被按压后会在所述复位扭簧的作用下回弹，所述第二连杆的一端且与所述第一连杆接触的位置开设有与所述凸块对应的凹槽，且其另一端设置有与所述复位按钮配合的翘台，所述第二连杆的中部开孔且插接在所述壳体的固定杆上，并且在该固定杆上还插接有翻转扭簧，所述第二连杆在所述翻转扭簧的弹力作用下保持挤压第一连杆的趋势。

4.根据权利要求1所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述信息采集电路板的一端设置有外接端口，所述外接端口延伸至所述壳体外，所述信息采集电路板与其导线连接的检测机构的电源供应均通过所述外接端口，与空气开关的内的导线不连通。

5.根据权利要求1所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，还包括：温度检测机构：设置于所述接线端子的一侧用于监测通电导线当前温度温升；

电流采样机构：设置于所述接线端子与所述快速灭弧机构之间通过通电导线的电流互感从而确定通电导线当前电流大小；

安全保护罩：设置于所述壳体外部且与所述合闸机构对应的位置，保护手柄不会被无意触碰的同时能够检测罩体是否被打开；

手柄状态显示机构：设置于所述手柄上显示开关状态的位置，通过LED灯发光使得开关当前状态标识醒目。

6.根据权利要求5所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述温度检测机构包括温度传感器，所述温度传感器有两个，且分别设置于两个所述接线端子导电片的一侧，通过非接触式测温传感器检测导电片的当前温度；所述电流采样机构包括电流互感器，所述电流互感器穿接在所述接线端子的导电片上。

7.根据权利要求5所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述安全保护罩包括罩体、设置于所述罩体一端且插接在所述壳体上的转轴、设置于所述罩体另一端且可以将罩体固定在所述壳体上的倒扣、固定于所述壳体内部且靠近罩体所在位置的触点开关、固定在所述罩体的内表面上用于按压触点开关的压块，所述罩体在关闭状态时会通过所述压块始终触碰所述触点开关，当所述罩体在打开状态时，所述压块会随所述罩体脱离所述触点开关。

8.根据权利要求7所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述罩体透明，所述转轴上设置有处于压缩状态用于自动弹开罩体的开盖扭簧，所述罩体上且与所述倒扣同侧的位置固定有便于拨动倒扣使其与所述壳体分离的拨动块。

9.根据权利要求5所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，所述手柄状态显示机构包括设置于所述手柄外侧壁上的透明标识、设置于所述手柄内且与所述透明标识的位置相对应的灯座、设置于灯座上的LED灯，其中，所述透明标识与所述灯座均为两个且一一对应，所述灯座在同一时间有且只有一个点亮，所述灯座的一侧设置有两个触点。

10.根据权利要求9所述的一种智能监测空气开关，其特征在于，两个所述透明标识或所述LED灯的颜色不同用于区分不同的显示状态，所述手柄的回转中心轴为非圆形，所述手柄的端面外侧设置有固定于所述壳体上用于为所述LED灯供电的接线块，所述接线块的数量为一个，所述手柄转动时，两个所述灯座的其中一个与所述接线块接触从而将该所述LED灯点亮。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及空气开关领域，具体是一种智能监测空气开关。

背景技术

空气开关又叫空气断路器，是一种当电路中电流超过额定值即自动断开的开关。集控制和多种保护功能于一身，除了基本的分合电路功能外，还能对负载短路、过载等进行保护。

根据近年来国家能源局对电力发展的未来规划，要求电力安全发展，智能高效，改革创新，所以据此为导向，相比传统的空气开关在以下方面均存在不足：

1.两接线端的线缆温度不确定，现有通过在接线端的外侧加装线缆测温装置，但是在空气开关外测量接线端的温度检测数值不够准确，而且加装设备还会占用额外空间；

2.无法直接判断手柄的开关状态，只能通过负载是否工作判断，若负载故障则会引起判断失误；

3.当电路发生故障时，空气开关自动断开，人们无法判断是电路过载还是短路，所以无法采取对应的措施，无法实时排除电路故障并检修；

4.现有的空气开关手柄裸露在外部，手柄可能会受外部干扰(如孩童触碰或物体撞击)改变开关状态，对于需要持续供电的场所，现有结构存在开关误触的可能；

5.现有的空气开关只有电路启闭的功能，无法确定电路电流的大小。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，设计了一种智能监测空气开关。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种智能监测空气开关，包括与外部线缆连接的接线端子、用于短路保护的电磁脱扣器、用于过载保护的热双金属片、作为开关使用的合闸机构、快速灭弧机构和承装所有零部件的壳体，还包括：温度检测机构:设置于所述接线端子的一侧用于监测通电导线当前温度温升；电流采样机构:设置于所述接线端子与所述快速灭弧机构之间通过通电导线的电流互感从而确定通电导线当前电流大小；短路故障检测机构：设置于所述电磁脱扣器的靠近所述壳体的一端通过判断电磁脱扣器当前动作状态从而判断是否发生短路；安全保护罩：设置于所述壳体外部且与所述合闸机构对应的位置，保护手柄不会被无意触碰的同时能够检测罩体是否被打开；手柄状态显示机构：设置于所述手柄上显示开关状态的位置，通过LED灯发光使得开关当前状态标识醒目；信息采集电路板：设置于所述接线端子与所述快速灭弧机构之间，且与其他的检测控制机构通过导线连接，用于为所有检测机构的供电。

进一步的，所述电磁脱扣器包括用于导电的螺线圈和插接于螺线圈中心位置的磁芯，所述短路故障检测机构包括设置于所述磁芯尾部且与其接触的第一连杆、设置于所述壳体内且可以通过壳体外部按压的复位按钮、设置于第一连杆与复位按钮之间的第二连杆、设置于第二连杆头部位置的行程开关，所述第二连杆转动时会触碰行程开关。

进一步的，所述磁芯的尾部设置有T型卡头，所述第一连杆的一端设置有与所述T型卡头对应的方槽，且其另一端设置有凸块，所述第一连杆的中部开孔且插接在所述壳体的固定杆上并可沿该固定杆自由转动，所述磁芯沿其轴线方向动作时会通过所述T型卡头带动所述方槽，进而使所述第一连杆转动，所述复位按钮的一侧设置有复位扭簧，所述复位按钮被按压后会在所述复位扭簧的作用下回弹，所述第二连杆的一端且与所述第一连杆接触的位置开设有与所述凸块对应的凹槽，且其另一端设置有与所述复位按钮配合的翘台，所述第二连杆的中部开孔且插接在所述壳体的固定杆上，并且在该固定杆上还插接有翻转扭簧，所述第二连杆在所述翻转扭簧的弹力作用下保持挤压第一连杆的趋势。

进一步的，所述信息采集电路板的一端设置有外接端口，所述外接端口延伸至所述壳体外，所述信息采集电路板与其导线连接的其他控制机构的电源供应均通过所述外接端口，与空气开关的内的导线不连通。

进一步的，所述温度检测机构包括温度传感器，所述温度传感器有两个，且分别设置于两个所述接线端子导电片的一侧，通过非接触式测温传感器检测导电片的当前温度。

具体的，所述电流采样机构包括电流互感器，所述电流互感器穿接在所述接线端子导电片上。

进一步的，所述安全保护罩包括罩体、设置于所述罩体一端且插接在所述壳体上的转轴、设置于所述罩体另一端且可以将罩体固定在所述壳体上的倒扣、固定于所述壳体内部且靠近罩体所在位置的触点开关、固定在所述罩体的内表面上用于按压触点开关的压块，所述罩体在关闭状态时会通过所述压块始终触碰所述触点开关，当所述罩体在打开状态时，所述压块会随所述罩体脱离所述触点开关。

具体的，所述罩体透明，所述转轴上设置有处于压缩状态用于自动弹开罩体的开盖扭簧，所述罩体上且与所述倒扣同侧的位置固定有便于拨动倒扣使其与所述壳体分离的拨动块。

进一步的，所述手柄状态显示机构包括设置于所述手柄外侧壁上的透明标识、设置于所述手柄内且与所述透明标识的位置相对应的灯座、设置于灯座上的LED灯，其中，所述透明标识与所述灯座均为两个且一一对应，所述灯座在同一时间有且只有一个点亮。

优选的，两个所述透明标识或所述LED灯的颜色不同用于区分不同的显示状态，所述手柄的回转中心轴为非圆形，所述手柄的端面外侧设置有固定于所述壳体上用于为所述LED灯供电的接线块，所述接线块的数量为一个，所述手柄转动时，两个所述灯座的其中一个与所述接线块接触从而将该所述LED灯点亮。

其有益效果在于，1.通过在两个接线端子的一侧分别设置温度传感器，能够实时监测导线的温度温升情况。采用非接触式温度传感器能够将线缆当前的温度信号转变为电信号，从而通过外接设备实时的了解线缆温度，当线缆过载产热增加时，能够及时得知线缆温升，还可以将两个接线端子线缆的温度比较，判断空气开关是否电路异常，因为传感器设置在空气开关内部，导线温度检测结果更加精确，而且不会占用过多空间。

2.在手柄上设置有手柄状态显示机构，通过LED灯使透明标识发光从而更加醒目。常规的标识是通过一个颜色框来区分手柄状态，但是一方面标识小，不容易看见，另一方面颜色标识的含义非大众所知，普通人难以正确判断。而本实用新型的手柄状态显示机构，在透明标识上可以涂布或镂刻成开闸与合闸的文字，通过红色或绿色的LED灯使透明标识发光，文字清晰可见的同时即使在弱光的场合下也能明确识别手柄的当前状态。

3.在电磁脱扣器的一侧设置短路故障检测机构，当短路时，磁芯动作，第二连杆会触碰行程开关，从而通过行程开关将短路的信号发送到外部设备，使工作人员明确的知道电路发生短路。电路短路会引起磁芯动作，磁芯尾部的T型卡头会通过方槽带动第一连杆转动，随即第二连杆在翻转弹簧的作用下转动，触碰行程开关的同时凸块与凹槽扣搭在一起，行程开关一旦被触碰，则外界就会收到电路短路的信号，并且由于第一连杆的凸块与第二连杆的凹块扣搭在一起，还能避免在电路故障排除之前，合闸开关被无意触碰，引发电路危险。

4.在接线端子的导电片位置设置电流互感器，从而检测电路中的电流值，电流传输过程中会在电流互感器的线圈中互感出互感电流，通过测量互感电流值，即可推测出电路当前电流值的大小，便于人们了解电路当前的电流强度，并且通过电流电压值测算负载消耗的功率。

5.在壳体的外部设置安全保护罩，保护手柄不会无意碰触的同时能够用于判断电路是否发生过载故障。罩体在关闭状态时，触点开关始终与压块触碰，触点开关持续产生信号，即通过判断触点开关是否有信号产生即可判断罩体是否被打开；当电路断电时，说明手柄被人为断开或电路发生故障自动断电，此时先判断罩体是否被打开，如果没有打开，说明是电路故障自动断电，再判断是因为什么故障，如果短路信号不存在，即行程开关没有被触碰，则可以确定是电路过载故障，为了进一步确定判断结果，可以观察电路温升情况，如果电路发生明显温升或导线温度较高，则可以判断当前电路发生过载故障。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是本实用新型的正视结构示意图；

图3是本实用新型拆除空气开关现有结构之后的结构示意图；

图4是图3的另一视角结构示意图；

图5是本实用新型的温度检测机构结构布置示意图；

图6是本实用新型的电流采样机构结构示意图；

图7是本实用新型的电流采样机构结构爆炸图；

图8是本实用新型除短路故障检测机构外，拆除其他结构的示意图；

图9是图8的短路故障检测机构动作状态一的结构示意图；

图10是图8的短路故障检测机构动作状态二的结构示意图；

图11是图8的短路故障检测机构动作状态三的结构示意图；

图12是本实用新型的安全保护罩闭合状态结构示意图；

图13是本实用新型的安全保护罩开启状态结构示意图；

图14是本实用新型的手柄状态显示机构结构示意图；

图15是本实用新型的手柄结构示意图；

图中，1、接线端子；2、电磁脱扣器；201、螺线圈；202、磁芯；2021、T型卡头；3、热双金属片；4、合闸机构；5、壳体；6、温度检测机构；601、温度传感器；7、电流采样机构；701、电流互感器；8、短路故障检测机构；801、第一连杆；8011、方槽；8012、凸块；802、复位按钮；8021、复位扭簧；803、第二连杆；8031、凹槽；8032、翘台；8033、翻转扭簧；804、行程开关；9、安全保护罩；901、罩体；902、转轴；903、倒扣；904、触点开关；905、压块；906、开盖扭簧；907、拨动块；10、手柄状态显示机构；101、透明标识；102、灯座；103、LED灯；104、两个触点；105、接线块；11、信息采集电路板；111、外接端口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行具体描述，如图1-15所示，一种智能监测空气开关，包括与外部线缆连接的接线端子1、用于短路保护的电磁脱扣器2、用于过载保护的热双金属片3、作为开关使用的合闸机构4、快速灭弧机构和承装所有零部件的壳体5，还包括：温度检测机构6，电流采样机构7，短路故障检测机构8，安全保护罩9，手柄状态显示机构10和信息采集电路板11。

如图8-11所示，所述短路故障检测机构8设置于所述电磁脱扣器2的靠近所述壳体5的一端通过判断电磁脱扣器2当前动作状态从而判断是否发生短路；所述电磁脱扣器2包括用于导电的螺线圈201和插接于螺线圈201中心位置的磁芯202，所述短路故障检测机构8包括设置于所述磁芯202尾部且与其接触的第一连杆801、设置于所述壳体5内且可以通过壳体5外部按压的复位按钮802、设置于第一连杆801与复位按钮802之间的第二连杆803、设置于第二连杆803头部位置的行程开关804，所述第二连杆803转动时会触碰行程开关804。

如图9-11所示，所述磁芯202的尾部设置有T型卡头2021，所述第一连杆801的一端设置有与所述T型卡头2021对应的方槽8011，且其另一端设置有凸块8012，所述第一连杆801的中部开孔且插接在所述壳体5的固定杆上并可沿该固定杆自由转动，所述磁芯202沿其轴线方向动作时会通过所述T型卡头2021带动所述方槽8011，进而使所述第一连杆801转动，所述复位按钮802的一侧设置有复位扭簧8021，所述复位按钮802被按压后会在所述复位扭簧8021的作用下回弹，所述第二连杆803的一端且与所述第一连杆801接触的位置开设有与所述凸块8012对应的凹槽8031，且其另一端设置有与所述复位按钮802配合的翘台8032，所述第二连杆803的中部开孔且插接在所述壳体5的固定杆上，并且在该固定杆上还插接有翻转扭簧8033，所述第二连杆803在所述翻转扭簧8033的弹力作用下保持挤压第一连杆801的趋势。

需要说明的是，短路故障检测机构8设计的初衷有二，第一，常规的空气开关无法在电路断开时辨别是电路过载还是电路短路，也就无法对电路故障进行及时的应对排查；第二，现有的部分空气开关有自动合闸的功能，当电路短路故障时，空气开关在一定时间后会尝试自动合闸，从而保证电力的正常使用，但是这会存在一个隐患，如果此时工作人员正在对电路或设备进行检修，电路突然导通，必然会发生危险；所以，基于上述两点，如图9-11所示，对所述短路故障检测机构8的具体工作过程进行说明：图9所示状态为没有短路时的动作状态，当电路短路时，电磁脱扣器2动作(其动作方式与常规空气开关的短路保护机制相同)，磁芯202连同T型卡头2021向右移动，T型卡头2021拨动第一连杆801的方槽8011，使第一连杆801逆时针转动，由于第二连杆803在翻转弹簧的作用下始终下压第一连杆801，所以在第一连杆801转动时，第二连杆803会随之逆时针转动，直至第一连杆801的凸块8012与第二连杆803的凹槽8031搭在一起，在第二连杆803转动过程中，其头部会接触并拨动行程开关804，行程开关804将该信号送至信息采集电路板11，说明电路发生了短路，同时在结构上由于第一连杆801被第二连杆803卡住，第一连杆801无法顺时针回转，也就使得磁芯202无法自动回弹，从而保证在短路情况下空气开关不会自动合闸，至此，完成短路保护机制(即图9至图10所示状态)；当短路故障排除，需要恢复供电时，人手在壳体5的外部按压复位按钮802，复位按钮802下落按压第二连杆803的翘台8032，使第二连杆803顺时针回转，第二连杆803回转的过程中会再次拨动行程开关804，使外部设备收到短路保护解除的信号，同时第一连杆801的转动不受限制(至此，为图11所示状态)，磁芯202回弹(常规电磁脱扣器2的磁芯202中设置有弹簧，磁芯202回弹过程由该弹簧完成)，完成短路解锁(回到图9所示状态)。

关于设置短路故障检测机构8，通过机械结构完成短路信号的产生，而非通过电流互感器701观测电流峰值从而推断短路的情况进行说明：原因有二：1.电流峰值。在短路发生的瞬间，电路中的电流会瞬间升高，该电流值已经远远超过电流互感器701的测量范围，因此通过电流互感器701的电流值无法推断短路；2.反应时间。现有的空气开关，在短路发生时，会在2～8ms的短时间做出反应，切断电路，而在该时间段内，电流互感器701无法做出响应，等其响应出结果时，电路已经断开，此时检测结果是电路中无电流，电路断路，无法推断是过载还是短路引起的断路。所以本实用新型中短路故障检测机构8的设置是十分有必要的。

其中，如图3-5所示，所述温度检测机构6设置于所述接线端子1的一侧用于监测通电导线当前温度温升，之所以要对空气开关的导线温度进行检测，是因为在工业火灾中，由于过载或短路引起的电力火灾占很大的比重，而电力火灾发生前必然会引起导线温度升高，所以通过监测导线的温度，在温升过高时发出提醒，可以预防大多数电力火灾的发生；所述温度检测机构6包括温度传感器601，所述温度传感器601有两个，且分别设置于两个所述接线端子1导电片的一侧，通过非接触式测温传感器检测导电片的当前温度，并将该温度信号以电流的形式通过导线传递到所述信息采集电路板11上，出于实际位置分布的考虑，为方便叙述，参考图5所示方位，左侧的温度传感器601可以直接焊接在电路板上，右侧的温度传感器601由于距离较远可以通过导线连接在电路板上，需要说明的是，采用非接触式测温传感器是为了避免在电路过载时，导线迅速升温损坏该测温传感器。

如图3、4、6、7所示，所述电流采样机构7设置于所述接线端子1与所述快速灭弧机构之间，通过通电导线的电流互感从而确定通电导线当前电流大小；所述电流采样机构7包括电流互感器701，所述电流互感器701穿接在所述接线端子1导电片上，电流传输过程中会在电流互感器701的线圈中互感出互感电流，通过测量互感电流值，即可推测出电路当前电流值的大小，同时将该电流信号输送到所述信息采集电路板11中，进而传输至外部设备中显示，为了便于固定，避免电流互感器701在使用时晃动影响测量结果，可以用环氧树脂将电流互感器701与其所在的导电片封装在一起。

如图12-13所示，所述安全保护罩9设置于所述壳体5外部且与所述合闸机构4对应的位置，保护手柄不会被无意触碰的同时能够检测罩体901是否被打开；所述安全保护罩9包括罩体901、设置于所述罩体901一端且插接在所述壳体5上的转轴902、设置于所述罩体901另一端且可以将罩体901固定在所述壳体5上的倒扣903、固定于所述壳体5内部且靠近罩体901所在位置的触点开关904、固定在所述罩体901的内表面上用于按压触点开关904的压块905，所述罩体901在关闭状态时会通过所述压块905始终触碰所述触点开关904，当所述罩体901在打开状态时，所述压块905会随所述罩体901脱离所述触点开关904。所述罩体901透明，可以透过罩体901观察手柄的显示状态，所述转轴902上设置有处于压缩状态用于自动弹开罩体901的开盖扭簧906，所述罩体901上且与所述倒扣903同侧的位置固定有便于拨动倒扣903使其与所述壳体5分离的拨动块907。

所述安全保护罩9的作用除了保护手柄不会被无意触碰的同时能够检测罩体901是否被打开外，还能配合其他机构推断电路是否发生过载故障，其过程是，罩体901在关闭状态时，触点开关904始终与压块905触碰，触点开关904持续产生信号，即通过判断触点开关904是否有信号产生即可判断罩体901是否被打开；当电路断电时，说明手柄被人为断开或电路发生故障自动断电，此时先判断罩体901是否被打开，如果没有打开，说明是电路故障自动断电，再判断是因为什么故障，如果短路信号不存在，即行程开关804没有被触碰，则可以确定是电路过载故障，为了进一步确定判断结果，可以观察电路温升情况，如果电路发生明显温升或导线温度较高，则可以判断当前电路发生过载故障。

为便于说明，现通过表格的形式表达其判断过程：表1为电路状态推断显示表，其中，“√”表示该过程发生，“×”表示该过程没有发生，“-”表示不需要该状态。

表1.为电路状态推断显示表

设计图

一种智能监测空气开关论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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