CN106602745B - 一种高压在线监测设备无线供电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高压在线监测设备无线供电方法及装置，用于解决现有的高压在线监测设备无线供电方法供电可靠性不足，在供电距离，供电功率及效率，供电的稳定性与可靠性，供电成本等方面存在或多或少的问题。本发明实施例一种高压在线监测设备无线供电方法包括：步骤一：取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，将50Hz的交流电转换成高频率的交流电；步骤二：高频率的交流电通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量进行定向传递，接收端收到能量；步骤三：接收端收到能量后，进行电能变换处理，供给蓄电池和负载使用。

Description

一种高压在线监测设备无线供电方法及装置

技术领域

本发明涉及在线监测领域，尤其涉及一种高压在线监测设备无线供电方法及装置。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，区域电网的互联互通，使得电力系统的运行和控制复杂程度越来越高，高压输电线路作为电能远距离传递的重要通道，其运行安全直接关系到电厂生产出来的电能能否被负荷顺利接收，而一般高压输电线路所处户外环境复杂，所跨地域大，气候多变，输电线路中的绝缘子，避雷器等固件的故障，都可能会引发大面积的停电，造成很大的社会经济损失。因此，对高压输电线路进行在线监测，提早发现故障并预警，可有效避免停电故障的发生。

目前，各式各样的架空线路监测系统已在线运行，主要包括在线故障诊断，预警，状态检修以及风险评估四个方面，如视频监测仪，杆塔倾斜监测仪，导线风偏监测仪，气象监测仪等。其供电主要方式有：新能源(如太阳能，风能)供电，电压/电流互感器在线取能，超声波，激光等。这些现有的供电方式，供电可靠性不足，新能源供电受天气影响严重；备用蓄电池使用频率高，寿命短，后期电池维护更换需耗费大量的人力物力；超声波供电距离短，能量转换效率低，目前还有待深入研究，以提高实用性；而基于共振磁耦合的无线供电方式本身就具有高压输电线路所要求的高低压侧电气隔离方面的优势，在米级供电距离内，能够很好地保证供电功率，同时可大大降低备用蓄电池的使用频率，供能的可靠性可以得到很大的提高。

发明内容

本发明实施例提供了一种高压在线监测设备无线供电方法及装置，解决了现有的高压在线监测设备无线供电方法供电可靠性不足，在供电距离，供电功率及效率，供电的稳定性与可靠性，供电成本等方面存在或多或少的问题。

本发明实施例提供的一种高压在线监测设备无线供电方法包括：

步骤一：取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，将50Hz的交流电转换成高频率的交流电；

步骤二：高频率的交流电通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量进行定向传递，接收端收到能量；

步骤三：接收端收到能量后，进行电能变换处理，供给蓄电池和负载使用。

本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电装置，包括：

取能线圈、整流单元、高频逆变单元、发射线圈、中继线圈、绝缘棒、接收端线圈、高频整流单元、稳压单元、蓄电池、负载；

所述取能线圈与所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

其中在电源输入一侧的所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

所述发射线圈与所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

所述发射线圈、所述中继线圈、所述接收端线圈内嵌在所述绝缘棒内部；

所述中继线圈在所述发射线圈、所述接收端线圈之间；

所述高频整流单元、所述稳压单元与在线监测设备连接；

所述高频整流单元与所述稳压单元连接；

所述接收端线圈与所述高频整流单元、所述稳压单元连接；

所述高频整流单元、所述稳压单元与所述蓄电池、所述负载连接。

优选地，

还包括：发射端磁芯；所述发射端磁芯在所述发射线圈内部。

优选地，

还包括：接收端磁芯；所述接收端磁芯在所述接收端线圈内部。

优选地，

还包括：绝缘伞裙；所述绝缘伞裙为高分子聚合物；所述绝缘伞裙和所述绝缘棒通过粘合剂注塑的方式连接。

优选地，

所述中继线圈自配一个谐振电容。

优选地，

所述发射线圈、所述接收端线圈、所述中继线圈谐振电容参数相同。

优选地，

所述中继线圈相互平行内嵌固定在所述绝缘棒内部。

优选地，

所述绝缘棒由环氧玻璃纤维构成。

优选地，

所述发射线圈、所述中继线圈、所述接收端线圈为竖直螺旋状。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电方法及装置，其中一种高压在线监测设备无线供电方法包括：步骤一：取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，将50Hz的交流电转换成高频率的交流电；步骤二：高频率的交流电通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量进行定向传递，接收端收到能量；步骤三：接收端收到能量后，进行电能变换处理，供给蓄电池和负载使用。本实施例中，通过提出的高压在线监测设备供能方法，首先是在供电距离方面可以满足一般线路需求，增加的多米诺中继线圈以及设计在发射端与接收端的磁芯可以更加高效的聚集能量，减少能量的对外辐射，提高无线能量的传输效率，并且，由于在线监测设备的功率多为毫瓦或者瓦级，经磁共振耦合传输给负载的功率可以满足在线监测设备对功率的要求；整个无线能量传输系统，虽是高压取电，在母线电流比较小时，取到的能量可能不足以传递足够的功率，但是此时，备用的蓄电池可以发挥其作用，相比于新能源，蓄电池的充放电频率大大降低，使用寿命延长，同时设计将线圈内置于复合空心绝缘子中，得到一种新型的复合绝缘子内部结构设计，整个能量无线传输单元处于相对封闭的环境中，受周围多变气候环境的影响小，供电可靠稳定性高，解决了现有的高压在线监测设备无线供电方法供电可靠性不足，在供电距离，供电功率及效率，供电的稳定性与可靠性，供电成本等方面存在或多或少的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电方法的一个实施例的流程示意图；

图2本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电装置的一个实施例的结构示意图；

图3本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电装置的另一个实施例的结构示意图；

图4本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电装置在杆塔上的安装示意图；

图示说明：1整流单元；2高频逆变单元；3发射线圈；4发射端磁芯；5绝缘伞裙；6中继线圈；7绝缘棒；8接收端线圈；9接收端磁芯；10高频整流单元；11稳压单元。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高压在线监测设备无线供电方法及装置，用于解决现有的高压在线监测设备无线供电方法供电可靠性不足，在供电距离，供电功率及效率，供电的稳定性与可靠性，供电成本等方面存在或多或少的问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电方法的一个实施例包括：

101、取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，将50Hz的交流电转换成高频率的交流电；

102、高频率的交流电通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量进行定向传递，接收端收到能量；

103、接收端收到能量后，进行电能变换处理，供给蓄电池和负载使用。

请参阅图2，本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电装置，包括：

取能线圈、整流单元1、高频逆变单元2、发射线圈3、中继线圈6、绝缘棒7、接收端线圈8、高频整流单元10、稳压单元11、蓄电池、负载；

所述取能线圈与所述整流单元1、所述高频逆变单元2连接；

其中在电源输入一侧的所述整流单元1、所述高频逆变单元2连接；

所述发射线圈3与所述整流单元1、所述高频逆变单元2连接；

所述发射线圈3、所述中继线圈6、所述接收端线圈8内嵌在所述绝缘棒7内部；

所述中继线圈6在所述发射线圈3、所述接收端线圈8之间；

所述高频整流单元10、所述稳压单元11与在线监测设备连接；

所述高频整流单元10与所述稳压单元11连接；

所述接收端线圈8与所述高频整流单元10、所述稳压单元11连接；

所述高频整流单元10、所述稳压单元11与所述蓄电池、所述负载连接。

进一步地，

还包括：发射端磁芯4；所述发射端磁芯4在所述发射线圈3内部。

进一步地，

还包括：接收端磁芯9；所述接收端磁芯9在所述接收端线圈8内部。

进一步地，

还包括：绝缘伞裙5；所述绝缘伞裙5为高分子聚合物；所述绝缘伞裙5和所述绝缘棒7通过粘合剂注塑的方式连接。

进一步地，

所述中继线圈6自配一个谐振电容。

进一步地，

所述发射线圈3、所述接收端线圈8、所述中继线圈6谐振电容参数相同。

进一步地，

所述中继线圈6相互平行内嵌固定在所述绝缘棒7内部。

进一步地，

所述绝缘棒7由环氧玻璃纤维构成。

进一步地，

所述发射线圈3、所述中继线圈6、所述接收端线圈8为竖直螺旋状。

本发明提供的一种基于磁共振耦合的无线电能传输方法，请参阅图3，无线电能传输的基本结构主要由三个部分组成，即电能输入单元，电能传输单元，电能输出单元。对于本发明中的工程应用场景，是高压输电线路上的在线监测设备，电能输入单元主要是高压母线，取能线圈，经过高频电源，将能量变换为高频的电磁场，由发射线圈3发射到周围空间中，通过多米诺中继线圈的能量传递，接收端的接收线圈接收到能量，再经过电能变换，整流稳压，供给蓄电池及负载使用。本发明采用的是目前在中距离范围内传能效率最高的共振磁耦合方式，实现了能量的高效率传输。传统无中继线圈的无线电能传输方式因传能距离的限制一般只考虑用于110KV线路，而本发明采用多米诺中继线圈通过规则排列，一级一级放大和承接磁场，减少能量在传输介质中的衰减，将能量高效地传递至接收端，使得该无线能量传输的功率与距离可满足更高电压等级线路设备的要求。多米诺线圈在共振的情况下，绝大部分的能量将只会在共振体之间交换，而与非共振体之间能量的交换非常少，因此相对于非共振的中距离能量传输方式，采用多米诺中继线圈磁共振耦合的方式可以使得能量在介质中集中、定向与高效传输。

本实施例中，通过将电能从高压导线导出再传送到高压铁塔上，解决了高压线路在线监测设备大多数都安装在铁塔上，只有较少设备是直接悬挂在线路上而导致在线监测设备的供电问题。

如图1所示，首先，取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，可将50Hz的交流电转换成高频率的交流电(一般为MHz)，再通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量的定向传递，接收端收到能量，经过电能变换处理，负载装置即可以使用。

请参阅图3，对于线路参数，电容C1为L1的匹配电容，电容C2为L2的匹配电容，另每个多米诺中继线圈都自配一个谐振电容，以实现线圈谐振，并且发射线圈L1，多米诺中继线圈Ln与接收线圈L2参数相同，线圈谐振电容参数相同。为了保证系统始终稳定在谐振频率，本发明同时采用自适应频率跟踪算法，以保证能量的高效率传输。为了保证对设备的可靠持续供电，在本系统中，同样采用了蓄电池储能。与传统太阳能+蓄电池的方式相比，蓄电池的使用寿命可以得到很大的延长，太阳能光伏电池只有在白天或者光线足的情况下工作，而在晚上或者其它光线不足的天气，需要蓄电池来提供能量。而在本发明中，高压母线作为供能电源，一般情况下，能给负载提供源源不断的能量，只有在母线电流过小，取能线圈取不到足够能量的情况下，备用电源蓄电池才会启用，因此，其使用频率大大降低，整个系统的供电可靠性得到很大的提高，后期维修，更换电池的成本也会大大降低。

另一方面，对于多米诺中继线圈在高压输电线上的放置问题，本发明创新性地提出将复合绝缘子作为线圈的载体，即线圈都设计内嵌在绝缘子内部，内嵌的线圈位置固定，相互平行放置，在实际传能过程中，不会产生角度上或者正对面积上的错位，同时可不受外界气候环境影响，可实现定向的高效率能量传输，接收到的高频交流电再通过整流稳压，一路直接供给在线监测设备，一路经过蓄电池的充电保护单元，输出到储能电池，作能量的备用。

传统的绝缘子在高压输电线路中主要起到对线路的支撑以及电气绝缘的作用，为了实现就近取能给高压在线监测设备供电，同时又保证高低压侧良好的电气绝缘，高压母线作为能量源再通过无线传能的方式将能量送给负载使用是很理想的方式。在能量传输效率，功率还有绝缘性能可以保证的情况下，能量的无线传递自身就具有良好的电气绝缘特性，绝缘子作为高压线路与地之间的绝缘设备，充当了电气绝缘的中介，而无线能量传输通道也需要跨越这个中介距离，因此，将无线能量传输与绝缘子结合来组成一种新型的复合绝缘子是非常有意义的。

本发明提供的内嵌多米诺中继线圈的新型复合绝缘子内部结构包括：整流单元1、高频逆变单元2、发射线圈3、发射端磁芯4、绝缘伞裙5、中继线圈6、绝缘棒7、接收端线圈8、接收端磁芯9、高频整流单元10、稳压单元11，如图2所示。

多米诺中继线圈在其它工程应用中，能量的无线传输体现出诸多不便性，本身并没有彻底摆脱“有线”的属性，但在本发明所提出的工程应用中，多米诺中继线圈本身的缺点却可以得到非常好的应用，通过和绝缘子的结合，可以在空间节省，集成美观，线圈固定，电气绝缘以及传能效率等方面都有很好的体现。其无线电能传输理论上可以满足高压输电线路对传能距离、功率及效率要求。从生产工艺上来说，内嵌线圈的新型绝缘子可通过在绝缘子成型初期，将线圈浸在绝缘子模具内部，同时采用可以常温固化的液态硅橡胶，在生产制造上保证在该新型绝缘子制造过程当中，没有高温高压对线圈造成损坏；从绝缘角度上来说，为了提高爬电距离，绝缘子的长度在成本允许的情况下可以适当做长，这样可以减少后期绝缘处理难度，同时，因为有多米诺中继线圈的存在，能量的传输距离与效率可以得到保证；从电磁场干扰的角度上来说，因为共振频率一般为高频MHz，与交流电频率50Hz相比，磁场频率差别明显，基本不会相互干扰。

本实施例中，线圈采用利兹线，其具体参数可根据线路要求设计；线圈形状设计为竖直螺旋状，而非平面螺旋状，以减少线圈之间的杂散电容，两端的绝缘磁芯棒可以聚集磁力线，减少磁场能量在空间中的发散损耗，中间的绝缘棒7可以加强电气绝缘距离，其长度可以按绝缘需求设计和调节。芯棒和伞裙之间可以采用粘合剂注塑的方式紧密结合，同时固定线圈；伞裙可以增加爬电距离，更好的实现电气隔离。芯棒可采用环氧玻璃纤维来生产制造，具有极高抗张与抗拉强度，质量轻，起内绝缘的作用；伞裙为高分子聚合物，具有强憎水性，表面电阻高，泄漏电流小，有较高的污闪电压，同时抗腐蚀、抗老化性能好，为外绝缘提供保障。为了保证高压输电线上的电气绝缘，本发明中线圈设计在伞裙当中。多米诺中继线圈的具体个数可以根据传能需求与传能距离来设计，以便适合具体运行场合。在线路电压等级高时，该新型复合绝缘子甚至可以作为一种类似真实“复合绝缘子”的结构而存在，以完全保证高压线路的绝缘性能，即在高压线路上，采用双绝缘子并列安装的结构，(实际复合绝缘子+本发明新型绝缘子并列安装)，这样，本发明的新型绝缘子只作为无线传能的设备，而高压线路的电气绝缘则由其并列的真实绝缘子来实现。因此，其作用具有可扩展性。

图4给出了一种高压在线监测设备无线供电装置在杆塔上的安装示意图，实现从电源母线到负载的能量供应。

本发明实施例中提供的一种高压在线监测设备无线供电方法及装置，通过利用多米诺中继线圈磁共振耦合无线传能技术来解决高压输电线上在线监测设备的可靠供电问题；通过在无线电能发射端与接收端均内置磁芯，实现能量的聚集发射与收集，减少能量的外向辐射；通过新型绝缘子伞裙内嵌入多米诺中继线圈，实现了能量的定向传输，充分利用了中继线圈无线传能的优点以及绝缘子实现电气绝缘的优点，实现了更大距离、更高效率的能量传输，本实施例中，中继线圈的具体数量可以根据实际线路功率、绝缘，传能效率需求来个性确定；多米诺中继线圈的形状采用垂直螺旋形，减少了线圈之间杂散电容的影响，同时更好地与伞裙结合，便于生产制造以及参数的稳定；通过利用可以在常温下固化的液态硅橡胶作为绝缘子制造的复合材料，以避免其它生产方式高温高压对线圈本身产生的影响，在生产工艺上保证将线圈内嵌于绝缘子中的可行性；因无线传能频率与交流市电频率数量级相差大，因此，采用该方式对输电线路的电磁干扰较小；绝缘子内部芯棒采用具有强抗拉、抗张的环氧玻璃纤维来制造，以保证绝缘子本身对输电线路的支撑作用以及良好的内绝缘作用。本发明采用自适应频率跟踪算法，以保证共振线圈在动态运行过程当中，始终运行在共振频率点，保证能量高效率传输；在电压等级较高的情况下，该新型复合绝缘子也可只作为无线电能传输装置使用，其功能具有可扩展性；提供了备用蓄电池，通过高效的能量管理控制，极大的降低了蓄电池的充放电频率，大大的降低了更换电池及后期维护的成本。

现有实际的高压在线监测设备供能系统中，常采用的方式就是利用新能源发电外加备用蓄电池的方式，新能源发电供电的不稳定性使得备用电源的使用次数增加，严重的减少了蓄电池的使用寿命；而本发明中基于多米诺中继线圈磁共振耦合的无线电能传输方式在供电可靠性方面大大提高，备用电池只有在母线电流很小，取能线圈取不到足够能量时才启用，因此，整个系统可以运行较长时间，极大地减少了系统的后期维修以及电池更换的费用；另外，通过多米诺中继线圈的使用，该无线电能传输系统的实际工程应用范围可以得到扩展，为其从传统的110KV、220KV线路到更高电压等级线路的应用提供了可能；本发明将无线传能与绝缘子结合，充分利用了两者的优势，来解决在线监测设备的可靠供电问题，别的方案如采用激光传输的方式来实现高压在线监测设备的供电目前实际应用中存在一定的难度，光电转换效率较低，现有应用的方案也是采用激光从低压侧向高压侧供电，而非就地取能从高压侧向低压侧供电，本发明实现了更长无线电能传输距离，更高能量传输效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种高压在线监测设备无线供电装置，其特征在于，包括：

取能线圈、整流单元、高频逆变单元、发射线圈、中继线圈、绝缘棒、接收端线圈、高频整流单元、稳压单元、蓄电池、负载、发射端磁芯、接收端磁芯、绝缘伞裙；

所述取能线圈与所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

其中在电源输入一侧的所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

所述发射线圈与所述整流单元、所述高频逆变单元连接；

所述发射线圈、所述中继线圈、所述接收端线圈内嵌在所述绝缘棒内部；

所述中继线圈在所述发射线圈、所述接收端线圈之间；

所述高频整流单元、所述稳压单元与在线监测设备连接；

所述高频整流单元与所述稳压单元连接；

所述接收端线圈与所述高频整流单元、所述稳压单元连接；

所述高频整流单元、所述稳压单元与所述蓄电池、所述负载连接；

所述发射端磁芯在所述发射线圈内部；

所述接收端磁芯在所述接收端线圈内部；

所述绝缘伞裙为高分子聚合物；所述绝缘伞裙和所述绝缘棒通过粘合剂注塑的方式连接；

所述中继线圈自配一个谐振电容；

所述发射线圈、所述接收端线圈、所述中继线圈谐振电容参数相同；

所述中继线圈相互平行内嵌固定在所述绝缘棒内部；

其中，取能线圈通过电磁感应的方式从高压母线上取出能量，通过AC/DC,DC/AC电压变换，将50Hz的交流电转换成高频率的交流电；

高频率的交流电通过发射线圈，将能量散发至周围空间，在空间中形成高频的电磁场，经过多米诺中继线圈对能量进行定向传递，接收端收到能量；

接收端收到能量后，进行电能变换处理，供给蓄电池和负载使用。

2.根据权利要求1所述的高压在线监测设备无线供电装置，其特征在于，所述绝缘棒由环氧玻璃纤维构成。

3.根据权利要求2所述的高压在线监测设备无线供电装置，其特征在于，所述发射线圈、所述中继线圈、所述接收端线圈为竖直螺旋状。