CN107147221B - 六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统，解决了现有的无线能量传输技术需要对每个输电杆塔单独设计能量传输路径和方向，对完全暴露在自然条件下的输电线路适用性差的技术问题。本发明实施例包括：基板，基板的前表面及后表面均为一曲面，曲面为凹面设计；基板的介电常数为正；基板的前表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；基板的后表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；基板外形和螺旋线圈绕线形状均为六边形；将左手材料集成在绝缘子伞裙。

Description

六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统

技术领域

本发明涉及输电线路监测设备能量传输技术领域，尤其涉及一种六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统。

背景技术

我国的输电线路距离长，跨度大，常常分布在偏远地区，这种地理上的特点给巡线工作带来了不便，因此输电线路在线监测设备正在被广泛应用。为给监测设备提供持续可靠的电源，近年来国内外工程师们利用无线传能技术，实现了用输电线路本身的能量给监测设备供电。但是，现有成熟的无线传能技术，主要采用磁耦合的形式来实现无线能量的传递，其能量传输效率与无线传能的距离相关性很大。对于高压导线，其安全绝缘距离大，通常需要数米的传输距离。在米级的有效传输距离条件下，现有技术采用中继线圈磁耦合谐振或高频微波级传输两种方法，效率低成本高，在满足安全绝缘距离的条件下，无法保证无线传输的有效距离和效率；且现有技术需要在输电杆塔上额外安装多个无线传输装置，自然条件下经过风吹雨打，很难保证能量传输过程中方向的准确，所以这些缺点阻碍了目前无线传能给输电线路给杆塔在线监测装置供电方案的实用化。

现有的无线能量传输技术，为保证在安全绝缘距离之外的有效传输距离，通常有两种方案。一是采取增加数个中继线圈的方案，这种方案利用中继线圈的谐振维持电磁场，需要根据实际情况对若干个中继线圈进行严格的匹配设计，尺寸较大且结构复杂，不利于产品化，而且传输效率低，无法独立给监测设备供能，此外，在输电杆塔额外架设多个中继线圈，这些线圈将暴露在自然条件中，传输方向和位置将受到影响；中继线圈存在阻尼且当中继线圈方向有偏差时阻尼将变大，因而多个中继线圈激发磁场的过程中，大部分能量都无法传输到接收端。因而采用多个中继线圈的磁谐振方式在传能距离方面不具备优势；二是采取高频微波能量传输，这种方案传输距离较远，但是输送功率有限且需要对收发两端进行精准的定位，且对电力通讯造成了干扰。这两种方法均需要对每个输电杆塔单独设计能量传输路径和方向才能投入使用，这对完全暴露在自然条件下的输电线路而言并不适用。

发明内容

本发明实施例公开了一种六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统，解决了现有的无线能量传输技术需要对每个输电杆塔单独设计能量传输路径和方向，对完全暴露在自然条件下的输电线路适用性差的技术问题。

本发明实施例提供了一种六边形凹面螺旋式左手材料，包括：

基板，基板的前表面及后表面均为一曲面，曲面为凹面设计；

基板的介电常数为正；

基板的前表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；

基板的后表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈。

基板为六边体结构，前表面的外边的形状为正六边形，后表面的外边的形状为正六边形；

线圈的每一层均为六边形形状。

可选地，基板的介电常数为4.4。

可选地，前表面的内凹深度不大于1mm，后表面的内凹深度不大于1mm，基板的中心厚度为3mm。

本发明实施例提供的一种输电线路能量传输系统，包括：

场能感应装置、发射线圈、如本发明实施例提供的任意一种六边形凹面螺旋式左手材料、接收线圈、监测设备；

场能感应装置套于输电线路上，场能感应装置与发射线圈连接，发射线圈与接收线圈感应连接，接收线圈还与监测设备连接；

六边形凹面螺旋式左手材料集成于绝缘子伞裙中且六边形凹面螺旋式左手材料设置于发射线圈与接收线圈之间，用于对发射线圈产生的磁力线进行负折射。

可选地，发射线圈嵌入设置于邻近输电线路侧的绝缘子伞裙中。

可选地，接收线圈嵌入设置于绝缘子串顶部邻近杆塔侧的绝缘子伞裙中。

可选地，复数个六边形凹面螺旋式左手材料集成于中空的圆形绝缘板的内部表面上，圆形绝缘板设置于绝缘子伞裙底部。

可选地，还包括升频装置、电源；

升频装置连接于场能感应装置与发射线圈之间，用于对场能感应装置感应的能量升频处理；

电源设置于接收线圈与监测设备之间，用于储存电能。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统，六边形凹面螺旋式左手材料包括：基板，基板的前表面及后表面均为一曲面，曲面为凹面设计；基板的介电常数为正；基板的前表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；基板的后表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈。本实施例中通过对左手材料的结构进行凹面设计，并在前凹面和后凹面镀制了螺旋式的线圈，能够将谐振频率限制在MHZ兆赫兹级，并且能够延长了磁力线汇集距离，能够在保证能量传输效率的同时，延长无线能量传输的距离，同时将左右材料集成于绝缘子串的绝缘子伞裙底下，保证传输方向的准确，又避免了无线传能装置暴露在风吹雨打的自然环境中，提高了能量传输的可靠性，解决了现有的无线能量传输技术需要对每个输电杆塔单独设计能量传输路径和方向，对完全暴露在自然条件下的输电线路适用性差的技术问题。

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为本发明实施例中提供的左手材料负折射示意图；

图2（a）为本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的立体结构示意图；

图2（b）为本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的正视图；

图2（c）为本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的侧视图；

图2（d）为本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的底面图；

图3为本发明实施例中提供的一种输电线路能量传输系统的结构示意图；

图4（a）为本发明实施例中提供的一种集成圆形绝缘板的绝缘子伞裙示意图；

图4（b）为本发明实施例中提供的一种集成左手材料的圆形绝缘板的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的六边形凹面螺旋式左手材料对磁力线的远距离汇聚作用示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种六边形凹面螺旋式左手材料及输电线路能量传输系统，解决了现有的无线能量传输技术需要对每个输电杆塔单独设计能量传输路径和方向，对完全暴露在自然条件下的输电线路适用性差的技术问题。

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。

为了便于理解，首先对左手材料的理论基础进行详细的介绍。

在介电常数ε<0、磁导率μ<0的介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系，所以这种介质被称为左手材料。而在自然界中由原子和分子构成的物质中，大部分磁性材料的磁导率大于零，因此需要人工设计磁性结构单元去实现负磁导率。

左手材料与电磁波的相互作用主要体现负折射现象上。在ε<0,μ<0的情况下,MAXWELL方程仍然允许电磁波在材料中传播,从一种介质入射到另一种介质时，在交界处需要满足如下条件：

；

即在分界面处，电场强度和磁场强度的切向分量连续，电位移矢量和磁感应强度的法向方向分量连续。由以上四式可以看出，对于一侧为常规媒质另一侧为双负媒质的情况，电磁波的电场强度和磁场强度在分界面两侧的切向分量相同，而法向分量方向相反；且由于双负媒质中电场强度和磁场强度，波矢量构成左手螺旋关系，所以在分界面处，电磁波波矢量的切向分量同向，法向分量反向，因此折射波和入射波位于交界面法线的同侧，从而形成了负折射，如图1所示。

然而，传统的左手材料单元的设计采用金属开口谐振环结构来实现负磁导率，这种设计主要针对的是高频微波段的电磁波，因此谐振频率常常在GHZ频段。而在输电线路无线能量传输中，对于左手材料单元有两点不同的需求：1.通常需要将谐振频率控制在MHZ兆赫兹频段，以避免对电力通讯的干扰。2.为了减小杆塔负担，需要减小厚度，而且要保证较长的传输距离。因此，为了在输电杆塔有限的空间内加强能量传输效率，需要对材料单元的外形进行独特化设计，以增大空间利用率。

根据针对左手材料单元的研究可以知道：对谐振频率的控制主要是针对耦合电感的控制，而材料单元的尺寸是决定耦合电感大小的主要因素之一；对于电磁波垂直入射实现负磁导率的左手材料单元，上下平面的间距对谐振频率的影响较小；材料单元的外形与谐振频率之间没有必然联系，且在GHZ频段的左手材料单元已经被设计成各种形状。

请参阅图2（a），本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的一个实施例包括：

基板1，基板1的前表面2及后表面3均为一曲面，曲面为凹面设计；且基板1的介电常数为正；基板1的前表面2顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈4；基板1的后表面3顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈4。基板1为六边体结构，前表面2的外边的形状为正六边形，后表面3的外边的形状为正六边形。线圈4的每一层均为六边形形状。

本发明实施例中通过利用螺旋式的线圈4的磁耦合特性制作了左右材料的前表面结构和后表面结构，中间的基板部分为介电常数为正的材料，具体的可使用环氧材料作为基板。前后两个表面用铜线镀制了螺旋结构，后表面3与前表面2在水平面上保持对称，外围尺寸可设计为30mm，通过增大电感实现频率限制；同时将左手材料设计为双凹面，将绕线之间的环氧材料制成深度和中心厚度一定的双凹面材料，将铜线顺着凹面进行螺旋式地绕制，得到了凹面螺旋式的左手材料。

以上为对本发明提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的一个实施例的详细描述，以下将对本发明提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2（a）-（d），本发明实施例中提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的另一个实施例包括：

基板1，基板1的前表面2及后表面3均为一曲面，曲面为凹面设计；且基板1的介电常数为正；基板1的前表面2顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈4；基板1的后表面3顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈4。基板1为六边体结构，前表面2的外边的形状为正六边形，后表面3的外边的形状为正六边形。线圈4的每一层均为六边形形状。

进一步地，基板1的介电常数为4.4。

进一步地，前表面2的内凹深度不大于1mm，后表面3的内凹深度不大于1mm，基板1的中心厚度为3mm。

本发明实施例中通过利用螺旋式的线圈4的磁耦合特性制作了左右材料的前表面结构和后表面结构，中间的基板部分为介电常数为正的材料，具体的可使用介电常数为4.4的环氧材料作为基板，以取得更好的汇集磁感线的效果。前后两个表面用铜线镀制了螺旋结构，后表面3与前表面2在水平面上保持对称，外围尺寸设计为30mm，通过增大电感实现频率限制；同时将左手材料设计为双凹面，将绕线之间的环氧材料制成深度在1mm之内的，中心厚度为3mm的双凹面材料，将铜线顺着凹面进行螺旋式地绕制，得到了凹面螺旋式的左手材料。

此外，本发明实施例中设计了正六边形结构的外边，六边形外边的优点是能够以最少的材料利用最多的空间，因为六边形的内角为120度，3个六边形围在一起刚好可以围成360度，极大地利用了空间，n个六边形结构能够对某个平面实现极大的面积覆盖。因此，本发明实施例中的螺旋式线圈的每层均为六边形，外围尺寸设计为30mm，通过增大电感实现频率限制；同时将材料单元设计为双凹面，将绕线之间的环氧材料制成深度在1mm之内的，中心厚度为3mm的双凹面材料，将铜线顺着凹面进行六边形螺旋式地绕制，得到了六边形凹面螺旋式的左手材料单元，能够在保证左手材料单元较小厚度的同时，实现电磁波较远距离汇集的功能，并且能够保证多个左手材料拼接围起来的时候能够对某一个平面实现极大的面积覆盖，极大地利用了空间。

以上为对本发明提供的一种六边形凹面螺旋式左手材料的另一个实施例的详细描述，以下将对本发明提供的一种输电线路能量传输系统的一个实施例进行详细的描述。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种输电线路能量传输系统，包括：

场能感应装置、发射线圈、如本发明提供的任意一种六边形凹面螺旋式左手材料、接收线圈、监测设备；

场能感应装置套于输电线路上，场能感应装置与发射线圈连接，发射线圈与接收线圈感应连接，接收线圈还与监测设备连接；

六边形凹面螺旋式左手材料集成于绝缘子伞裙中且六边形凹面螺旋式左手材料设置于发射线圈与接收线圈之间，用于对发射线圈产生的磁力线进行负折射。

进一步地，发射线圈嵌入设置于邻近输电线路侧的绝缘子伞裙中。

进一步地，接收线圈嵌入设置于绝缘子串顶部邻近杆塔侧的绝缘子伞裙中。

进一步地，复数个六边形凹面螺旋式左手材料集成于中空的圆形绝缘板的内部表面上，圆形绝缘板设置于绝缘子伞裙底部。

进一步地，还包括升频装置、电源；

升频装置连接于场能感应装置与发射线圈之间，用于对场能感应装置感应的能量升频处理；

电源设置于接收线圈与监测设备之间，用于储存电能。

以上为对本发明提供的一种输电线路能量传输系统的详细描述，以下将对六边形凹面螺旋式左手材料在输电线路能量传输系统中的具体应用场景进行详细描述。

由于六边形凹面螺旋式左手材料具有尺寸小，厚度薄，空间利用率高且能远距离汇聚磁力线的特点，因此可以在保证传输距离和传输效率的同时避免了过大的线圈尺寸。请参阅图4（a）-（b），在高压输电中，绝缘子伞裙的半径为30cm左右，其内部能容纳19个边长为3cm厚度为5mm的六边形凹面螺旋式左手材料，基本将绝缘子伞裙的面积覆盖，最大地利用了空间，增大了左手材料负折射作用面积，使无线能量传输集成在绝缘子内部的方案能够完全实现。因此本发明实施例中将左手材料的磁场汇聚特性作为无线能量传输的中继方式，将其集成到绝缘子的伞裙中。在输电杆塔上不增加额外设备的条件下，很好地保障了无线能量传输的可靠性。为方便绝缘子串联钩挂，伞裙中心为中空圆形，因此实际中，19个六边形左手材料单元方阵将扣除中心的单元，如图4（b），将18个最大厚度为5mm的六边形凹面螺旋左手材料，集成到30cm直径的圆形绝缘板内部，绝缘板材料为硅橡胶或者其他材料，比如陶瓷材料或玻璃材料，与绝缘子串的材料对应，再将圆形绝缘板组合到绝缘子的伞裙底部，如图4（a）所示。由图可以看出，圆形板上的六边形材料单元既能极大地利用了伞裙圆面的空间，又很好地被绝缘子伞裙保护，避免了自然条件下的风力对材料单元能量传输方向的影响，和雨水对材料单元的侵蚀。

输电线路能量传输系统中，场能感应装置套在输电线路上，在经过升频处理后，MHZ兆赫兹级的电磁波被传输到发射线圈上，发射线圈嵌入靠近输电线路侧的绝缘子伞裙中，从而保证了能量发射方向与绝缘子串方向保持一致。在绝缘子串中部，串联上集成了六边形凹面螺旋式左手材料的绝缘子，在绝缘子串方向上，较大面积内有效地对发射线圈产生的磁力线进行负折射，从而在接收端汇聚了磁力线。在绝缘子串顶部靠近杆塔侧的绝缘子中嵌入接收线圈，这样从底部发射的磁力线能够较好地汇聚到接收端，然后引到杆塔上的降频电源中，给在线监测设备提供稳定的直流电源或者工频电源。

本方案中，磁力线汇聚的距离可以灵活调整，因为集成了六边形凹面螺旋式左手材料的绝缘子不影响绝缘子的外形和结构，因此可以和非集成的绝缘子进行任意替换，这样就能够在绝缘子串上的能量传输中实现集成六边形凹面螺旋式左手材料的绝缘子多个串联，组成多米诺形式的传输，从而将磁力线汇聚的距离变得灵活可调。

如图5所示，为绝缘子无线能量传输方案下左手材料磁力线汇聚作用的示意图，可以看出，在发射端发出的磁力线（图中的实线）在经过六边形凹面螺旋式左手材料的负折射效应后，能够在远处的接收端汇聚，并感应出谐振频率的电磁场。而未加左手材料时，磁力线（图中的虚线）在发射端产生后，会向外部发散，几乎无法传输到接收端。采用普通中继线圈的方案可以使接收端感应少量磁力线，但是普通中继线圈采用的是磁谐振方式，产生新的磁力线以维持磁场传递，普通线圈固有的阻尼会极大地衰减这种方案所传递的能量。而经过六边形凹面螺旋式左手材料的传输，在1.5m的距离，从发射端到接收端的能量传输效率可以达到30%。

本发明中对左手材料基于输电线路环境进行了创新性设计，得到了六边形凹面螺旋式左手材料，能够将谐振频率限制在MHZ兆赫兹级，并且能够延长了磁力线汇集距离，能够在保证能量传输效率的同时，延长无线能量传输的距离。并且将六边形凹面螺旋式左手材料集成到绝缘子伞裙，并给出了左手材料集成到绝缘子伞裙的具体实施方案，为绝缘子串垂直方向上实现能量无线传输奠定了基础。且左手材料集成在硅橡胶或其他复合材料制成的圆形板内，使左手材料能够被很好地绝缘保护，以保证输电导线的绝缘安全。

此外，无线传能的发射端，接收端也集成到绝缘子串的伞裙中，然后将绝缘子串中间部分的绝缘子替换成集成了左手材料的绝缘子，这样既能够保证传输方向的准确，又避免了无线传能装置暴露在风吹雨打的自然环境中，提高了能量传输的可靠性，且适用于批量化生产。将多个集成左手材料的绝缘子任意替换到绝缘子串中，更是实现多米诺式的无线传输方式，实现对磁力线汇聚距离的可调控制。

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 (7)

1.一种六边形凹面螺旋式左手材料，其特征在于，包括：

基板，所述基板的前表面及后表面均为一曲面，所述曲面为凹面设计；

所述基板的介电常数为正；

所述基板的前表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；

所述基板的后表面顺着凹面的弧度镀制有复数层螺旋式的线圈；

所述基板为六边体结构，所述前表面的外边的形状为正六边形，所述后表面的外边的形状为正六边形；所述前表面的内凹深度不大于1mm，所述后表面的内凹深度不大于1mm，所述基板的中心厚度为3mm；所述后表面与所述前表面在水平面上保持对称；所述六边形凹面螺旋式左手材料将谐振频率限制在MHZ兆赫兹级；

所述线圈的每一层均为六边形形状。

2.根据权利要求1所述的六边形凹面螺旋式左手材料，其特征在于，所述基板的介电常数为4.4。

3.一种输电线路能量传输系统，其特征在于，包括：

场能感应装置、发射线圈、如权利要求1至权利要求2任意一项所述的六边形凹面螺旋式左手材料、接收线圈、监测设备；

所述场能感应装置套于输电线路上，所述场能感应装置与所述发射线圈连接，所述发射线圈与所述接收线圈感应连接，所述接收线圈还与所述监测设备连接；

所述六边形凹面螺旋式左手材料集成于绝缘子伞裙中且所述六边形凹面螺旋式左手材料设置于所述发射线圈与所述接收线圈之间，用于对所述发射线圈产生的磁力线进行负折射。

4.根据权利要求3所述的输电线路能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈嵌入设置于邻近所述输电线路侧的绝缘子伞裙中。

5.根据权利要求4所述的输电线路能量传输系统，其特征在于，所述接收线圈嵌入设置于绝缘子串顶部邻近杆塔侧的绝缘子伞裙中。

6.根据权利要求3所述的输电线路能量传输系统，其特征在于，复数个所述六边形凹面螺旋式左手材料集成于中空的圆形绝缘板的内部表面上，所述圆形绝缘板设置于绝缘子伞裙底部。

7.根据权利要求6所述的输电线路能量传输系统，其特征在于，还包括升频装置、电源；

所述升频装置连接于所述场能感应装置与所述发射线圈之间，用于对场能感应装置感应的能量升频处理；

所述电源设置于所述接收线圈与所述监测设备之间，用于储存电能。

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