CN108258780A - 一种高压输电线路用电设备无线供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压输电线路用电设备无线供电系统，所述无线供电系统包括：取能电流互感器CT，用于从高压侧获取电能；发射端电能变换装置用于将获取的电能转换为单一频率高频交流电；电能发射线圈，接收所述单一频率高频交流电，并通过共振磁耦合将电能传送至电能接收线圈；电能接收线圈，将接收到的交流电能送至接收端电能变换装置；接收端电能变换装置，接收的交流电能变换为直流电能，输出到直流侧为高压线路用电设备供电；所述接收端电能变换装置包括整流模块、储能模块、过压保护模块、DC/DC稳压模块和电源管理模块；所述储能模块包括超级电容和锂电池。本发明中超级电容的使用，使得能量密度大，转换效率高，在任何环境下都能可靠供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种供电系统，具体涉及一种高压输电线路用电设备无线供电系统。
背景技术
无线供电是指通过非物理接触的电能传输方式，是继无线通讯、无线网络之后的第三次无线革命，是一项具有基础应用性意义的前沿科技，其跨产品应用范围广，有望推动全国乃至世界通信、电子、物联网、新能源等产业的突破和创新。实现无线输电的方法大致有两种，一种是两个线圈的电磁感应方法，另一种是将电能以激光或者微波的形式，发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后，作用于负载。
目前广泛应用的无线供电主要有以下4种方式：电磁耦合、光电耦合、电磁共振、微波方式。
长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机当中得到了运用，近年来，无线供电受到了热捧，给移动设备进行无线供电技术(Wireless PowerTechnology)，简称WPT，成为人们越来越关心的课题，无线供电技术(WPT)是一种新型的电能传输技术，其具备两大优点：一是让电器与电源完全隔离，使电器的灵活性、美观性、安全性、密封性的完美展现；二是WPT可以通过非导体来传播电能，如水、空气、土壤、玻璃等，因此可以实现隔物供电。
高压输电线路用电设备所处环境复杂，其供能问题是制约高压输电线路在线监测发展的瓶颈之一。相对于传统的锂电池供能、太阳能供能、分压电容取能、激光供能等方式，电流互感器CT取能具有适用电压范围广，绝缘封装简单、体积小、成本低等优点。但现有的电流互感器取能电源存在效率低、铁芯易饱和、输出电压不稳定、存在供电死区等缺陷。
为克服上述缺陷本发明提供一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型的高压输电线路用电设备无线供电系统，利用高压线路CT取能与超级电容、锂电池相结合的方法，基于共振磁耦合无线传能理论，建立一套新型高压输电线路用电设备无线供电系统。
本发明提供的一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统，包括取能电流互感器CT，用于从高压侧获取电能；
发射端电能变换装置用于将获取的电能转换为单一频率高频交流电；
电能发射线圈，接收所述单一频率高频交流电，并通过共振磁耦合将电能传送至电能接收线圈；
电能接收线圈，将接收到的交流电能送至接收端电能变换装置；
接收端电能变换装置，将接收的交流电能变换为直流电能，输出到直流侧为高压线路用电设备供电；
所述取能电流互感器CT的铁芯开有V型气隙。
所述发射端电能变换装置包括依次连接的整流模块、滤波模块、调压模块和大功率高频模块。
所述发射端电能变换装置将获取的电能经整流模块进行AC-DC-AC变换和分频、经滤波模块进行高通滤波和低通滤波，经调压模块和大功率高频模块进行推挽放大处理。
所述发射端电能变换装置悬挂于高压输电线路上，通过线缆与电能发射线圈相连；所述接收端电能变换装置设于杆塔上，通过线缆与接收线圈相连。
所述电能发射线圈位于绝缘子串与输电线路相连的一侧；所述电能接收线圈位于绝缘子串与杆塔相连的一侧。
所述接收端电能变换装置包括整流模块、储能模块、DC/DC稳压模块和电源管理模块；
所述整流模块、DC/DC稳压模块和电源管理模块依次连接，所述DC/DC稳压模块和电源管理模块分别与所述储能模块连接；
所述储能模块包括超级电容和锂电池。
所述超级电容包括：第一超级电容器和第二超级电容器，所述DC/DC稳压模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。
所述接收端电能变换装置进一步包括：过压保护模块，所述的过压保护模块的输入端与整流模块的输出端连接，过压保护模块的一路输出端与所述锂电池的充电端连接，另一路输出端与DC/DC稳压模块输入端连接。
所述电源管理模块包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路；所述DC/DC稳压模块通过超级电容充电控制电路给第一超级电容充电，同时DC/DC稳压模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案利用共振磁耦合实现高压用电设备的无线供电，可保证高压侧和低压侧之间无直接的电气联系，实现电能从高压线路向用电设备的可靠高效地传送；
本发明提供的技术方案能实现高压输电线路在线取电以给用电设备供电，超级电容的使用，使得能量密度大，转换效率高，在任何环境下都能可靠供电。此外，当高压输电线路用电设备有数据远传装置时，超级电容的瞬时大功率放电特性可很好地满足发送数据瞬间的大功率需求，而不会引起大幅压降；
本发明的储能模块采用锂电池与超级电容结合的方式能给用电设备同时提供高比能量和高比功率，使得供电更加高效可靠；
本发明的取能CT的铁芯采取开V型气隙，更能满足稳压模块最小输入电压的要求；同时在母线大电流阶段感压电压变化较缓慢，对后续电路冲击更小。
附图说明
图1是本发明一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统的整体功能示意图；
图2是本发明一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统的接收端电能变换装置及其与用电设备连接示意图；
图3是本发明一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统的电能发射线圈与接收线圈安装示意图；
图4是本发明一种用于高压输电线路用电设备的无线供电系统的取能CT铁芯开口方式示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明一种高压输电线路用电设备无线供电系统做进一步详细的说明。
本发明利用超级电容能够被多次快速充放电的性能特点，结合锂电池作为续能电源，设计了一套基于共振磁耦合无线电能传输理论的，取能效率高、防CT饱和性能好、无供电死区、具有瞬时大功率的新型高压输电线路无线供电系统。
如图1所示，本发明一种高压输电线路用电设备无线供电系统，包括取能CT、发射端电能变换装置、发射线圈、接收线圈和接收端电能变换装置。其中，发送端电能变换转置包括冲击保护模块、整流模块、滤波模块、调压模块、大功率高频模块；接收端电能变换装置包括整流模块、过压保护模块、稳压模块、锂电池与超级电容及电源管理模块。系统工作过程为：通过取能CT从高压侧获取电能，再将工频电源经AC-DC-AC变换和分频、高通滤波、低通滤波、推挽放大处理后获得的单一频率高频交流电送入电能发射线圈，电能发射线圈通过电磁耦合装置将电能传送至电能接收线圈，电能接收线圈将接收到的交流电能送至交直流变换电路变换为直流后为高压线路用电设备供电，通过利用共振磁耦合原理，实现电能由高压线路向用电设备的可靠传送，可保证高压侧和低压侧之间没有直接的电的联系。
为了防止雷电冲击电流和瞬时故障大电流时烧毁电源电路，在发射端电能变换装置的整流桥前使用了双向瞬变抑制二极管(TVS)(即冲击保护电路)，TVS限制了感应线圈输出的冲击电压。即所述的电流互感器输出端接至冲击保护电路的输入端，所述冲击保护电路的输出端则接至整流电路的输入端。
系统采用6个单相桥式整流贴片MB10S并联组成整流模块，可持续通过5A电流，反向耐压上kV，瞬时可承受电流上百A，满足取能电源的需求。
电能发射线圈是紧密缠绕的漆包线，通过高频电源激磁，并由共振磁耦合原理使发送的磁场能量最大程度地传送到接收侧线圈处；最后通过电能接收线圈接收产生的高频磁场，依电磁感应定理在低压侧感应电动势，并由后续电路处理后获得稳定的直流电压输出。
所述过压保护模块的输入端接至接收端电能变换装置整流电路的输出端，过压保护模块一路输出端接至锂电池的充电端，另一路输出端则接至DC/DC模块输入端系统电源。过电压保护模块采用可耐受600W瞬时功率，击穿电压约为20V的P6KE20CA型双向TVS。
DC-DC稳压模块采用美国泰德公司生产的TD7590型DC-DC降压芯片。并且在EN端增加电源自启停控制电路，避免输出电压不稳定导致各电路模块不能正常工作。
如图2所示，直流侧采用超级电容与锂电池结合构成储能模块，能给用电设备同时提供高比能量和高比功率，使得供电更加高效可靠。超级电容包括第一、第二超级电容器，所述稳压模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。由于高压取电不同于其他形式电源，其输出功率容易受负载大小影响，母线电流一定的情况下，负载只要超出一定范围，输出功率就会不足，因为稳压芯片都有一定的电压输入下限，电压低于下限时，芯片无法正常启动，无输出或输出不稳定。为尽量减小母线电流死区，在使用双电容的情况下，对第一超级电容充电作为缓冲，然后以断续的形式供给第二超级电容，再输出给负载，则负载电压可在合理范围内波动，从而减小电流死区，在输出功率稍不足时可使电器正常工作。所述的电源管理单元包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路，稳压模块通过超级电容充电控制电路给第一超级电容充电，第二超级电容为负载供电，同时稳压模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电。
如图3所示，系统发射端电能变换装置悬挂于高压输电线路上，将输电线路的电能取出并进行高频逆变，发射端电能变换装置通过线缆与发射线圈相连，发射线圈位于绝缘子串与输电线路相连的一侧，接收线圈位于绝缘子串与杆塔相连的一侧，接收端电能变换装置位于杆塔上，通过线缆与接收线圈相连。发射线圈与接收线圈安装在绝缘子同一侧，以保证无线供电装置不会对绝缘子绝缘性能造成影响。
如图4所示，所述系统为安装方便，取能CT采用两个C型铁芯，并在铁芯上开了多个小的空气气隙来弱化边缘效应减少磁泄漏。由于硅钢片材料质地脆，不易在上面开复杂的空气气隙，本发明经试验验证采用如图4所示的V型开口的CT铁芯，更能满足DC-DC模块最小输入电压的要求；同时在母线大电流阶段感压电压变化较缓慢，对后续电路冲击更小。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述系统包括：
取能电流互感器CT，用于从高压侧获取电能；
发射端电能变换装置用于将获取的电能转换为单一频率高频交流电；
电能发射线圈，接收所述单一频率高频交流电，并通过共振磁耦合将电能传送至电能接收线圈；
电能接收线圈，将接收到的交流电能送至接收端电能变换装置；
接收端电能变换装置，将接收的交流电能变换为直流电能，输出到直流侧为高压线路用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述取能电流互感器CT的铁芯开有V型气隙。
3.根据权利要求1所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述发射端电能变换装置包括依次连接的整流模块、滤波模块、调压模块和大功率高频模块。
4.根据权利要求3所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，发射端电能变换装置将获取的电能经整流模块进行AC-DC-AC变换和分频、经滤波模块进行高通滤波和低通滤波，经调压模块和大功率高频模块进行推挽放大处理。
5.根据权利要求1所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述发射端电能变换装置悬挂于高压输电线路上，通过线缆与电能发射线圈相连；所述接收端电能变换装置设于杆塔上，通过线缆与接收线圈相连。
6.根据权利要求1所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述电能发射线圈位于绝缘子串与输电线路相连的一侧；所述电能接收线圈位于绝缘子串与杆塔相连的一侧。
7.根据权利要求1所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述接收端电能变换装置包括：整流模块、储能模块、DC/DC稳压模块和电源管理模块；
所述整流模块、DC/DC稳压模块和电源管理模块依次连接，所述DC/DC稳压模块和电源管理模块分别与所述储能模块连接；
所述储能模块包括：超级电容和锂电池。
8.根据权利要求7所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述超级电容包括：第一超级电容器和第二超级电容器，所述DC/DC稳压模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。
9.根据权利要求7所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述接收端电能变换装置进一步包括：过压保护模块，所述的过压保护模块的输入端与整流模块的输出端连接，过压保护模块的一路输出端与所述锂电池的充电端连接，另一路输出端与DC/DC稳压模块输入端连接。
10.根据权利要求7所述的一种高压输电线路用电设备无线供电系统，其特征在于，所述电源管理模块包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路；所述DC/DC稳压模块通过超级电容充电控制电路给第一超级电容充电，同时DC/DC稳压模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，所述锂电池为负载供电。
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