CN113241838A - 一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法，通过取能线圈采用高压母线的电源，高压母线能给负载提供源源不断的能量，只有在母线电流过小的情况下，备用蓄电池才会启用，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。并且对于多级多米诺中继线圈在高压输电线上的放置问题，本申请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伞裙内部，内嵌的线圈位置固定，相互平行放置，在实际传能过程中可实现定向的高效率能量传输。进一步地，在无线电能发射端与接收端均内置磁芯，以实现能量的聚集发射与收集，减少能量的外向辐射。从而解决了现有技术可靠性差且效率低的技术问题。

Description

一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法

技术领域

本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法。

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智能在线监测，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智能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。现有实际的高压智能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。

因此，提供一种高可靠性、高效率的高压线路智能监测设备的无线供电装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法，用于解决现有技术可靠性差且效率低的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：取能线圈、无线电能传输单元、蓄电池；

其中，所述无线电能传输单元包括：整流单元、高频逆变单元、发射线圈、发射端磁芯、绝缘伞裙、若干个中继线圈、绝缘棒、接收线圈、接收端磁芯、高频整流单元、稳压单元；

所述绝缘棒的一端连接于所述发射端磁芯，另一端连接于所述接收端磁芯从而构成芯棒；所述发射线圈环绕于所述发射端磁芯，所述接收线圈环绕于所述接收端磁芯；

若干个所述中继线圈分别内嵌于所述绝缘伞裙且环绕于所述绝缘棒上，每个所述中继线圈均有一一对应的谐振电容，所述绝缘伞裙环绕于所述芯棒上；

所述整流单元的输入端连接于所述取能线圈，所述整流单元的输出端连接于所述高频逆变单元的输入端，且所述整流单元的输出端并联第一电容，所述高频逆变单元的输出端通过第一匹配电容与所述发射线圈连接；

所述接收线圈通过第二匹配电容与所述高频整流单元的输入端连接，所述高频整流单元的输出端与所述稳压单元的输入端连接，所述稳压单元的输出端分别与智能监测设备和所述蓄电池连接。

可选地，所述中继线圈、所述发射线圈和所述接收线圈均为竖直螺旋状，且均采用利兹线。

可选地，所述发射端磁芯和所述接收端磁芯均为环氧玻璃纤维。

可选地，所述绝缘伞裙为高分子聚合物。

可选地，所述绝缘伞裙环绕于所述芯棒上，具体为：所述绝缘伞裙通过粘合剂注塑的方式与所述芯棒结合。

可选地，所述中继线圈为多米诺线圈。

可选地，所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈的参数均相同。

可选地，每个所述谐振电容的参数均相同。

本申请第二方面提供了一种高压线路智能监测设备的无线供电方法，应用于上述第一方面中的高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：

在所述无线供电装置运行过程中，采用自适应频率跟踪算法，使得共振线圈运行在共振频率点，所述共振线圈由发射线圈、若干个中继线圈和接收线圈构成。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于：

本申请实施例中，提供了一种高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：取能线圈、无线电能传输单元、蓄电池；其中，无线电能传输单元包括：整流单元、高频逆变单元、发射线圈、发射端磁芯、绝缘伞裙、若干个中继线圈、绝缘棒、接收线圈、接收端磁芯、高频整流单元、稳压单元；绝缘棒的一端连接于发射端磁芯，另一端连接于接收端磁芯从而构成芯棒；发射线圈环绕于发射端磁芯，接收线圈环绕于接收端磁芯；若干个中继线圈分别内嵌于绝缘伞裙且环绕于绝缘棒上，每个中继线圈均有一一对应的谐振电容，绝缘伞裙环绕于芯棒上；整流单元的输入端连接于取能线圈，整流单元的输出端连接于高频逆变单元的输入端，且整流单元的输出端并联第一电容，高频逆变单元的输出端通过第一匹配电容与发射线圈连接；接收线圈通过第二匹配电容与高频整流单元的输入端连接，高频整流单元的输出端与稳压单元的输入端连接，稳压单元的输出端分别与智能监测设备和蓄电池连接。

本申请的高压线路智能监测设备的无线供电装置，通过取能线圈采用高压母线的电源，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；并且对于多级多米诺中继线圈在高压输电线上的放置问题，本申请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伞裙内部，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。进一步地，在无线电能发射端与接收端均内置磁芯，以实现能量的聚集发射与收集，减少能量的外向辐射。从而解决了现有技术可靠性差且效率低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种无线电能传输单元的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种高压线路智能监测设备的无线供电装置结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种高压线路智能监测设备的无线供电装置安装示意图。

标号：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、接收线圈；9、接收端磁芯；10、高频整流单元；11、稳压单元；C、第一电容；C₁、第一匹配电容；L₁、发射线圈；L₂、接收线圈；C₂、第二匹配电容。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，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。对于本申请中的工程应用场景，是高压输电线路上的智能在线监测设备，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，由发射线圈发射到周围空间中，通过多级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。

为了实现能量的高效率传输，本申请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。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，而本申请采用多级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。多级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，采用多级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。

高压线路智能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，因此，将电能从高压导线导出再传送到高压铁塔上，可以解决大多数智能在线监测设备的供电问题。

请参阅图1和2，图1为本申请实施例提供的一种无线电能传输单元的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种高压线路智能监测设备的无线供电装置结构示意图。

其中，图2中的AC/DC变换器即图1的整流单元1，DC/AC高频逆变器即图1的高频逆变单元2，L₃、L₄、L_n、L_n+1即图1的若干个个中继线圈6，高频AC/DC即图1的高频整流单元10，稳压直流输出即图1的稳压单元11。

如图2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，经过多级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。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L_n与接收线圈L₂参数相同，线圈谐振电容参数相同。

本申请实施例提供了一种高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：取能线圈、无线电能传输单元、蓄电池；

其中，无线电能传输单元包括：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、接收线圈8、接收端磁芯9、高频整流单元10、稳压单元11。

绝缘棒7的一端连接于发射端磁芯4，另一端连接于接收端磁芯9从而构成芯棒；发射线圈3环绕于发射端磁芯4，接收线圈8环绕于接收端磁芯9；若干个中继线圈6分别内嵌于绝缘伞裙5且环绕于绝缘棒7上，每个中继线圈6均有一一对应的谐振电容，绝缘伞裙5环绕于芯棒上；整流单元1的输入端连接于取能线圈，整流单元1的输出端连接于高频逆变单元2的输入端，且整流单元1的输出端并联第一电容C，高频逆变单元2的输出端通过第一匹配电容C₁与发射线圈3连接；接收线圈7通过第二匹配电容C₂与高频整流单元10的输入端连接，高频整流单元10的输出端与稳压单元11的输入端连接，稳压单元11的输出端分别与智能监测设备和蓄电池连接。

可以理解的是，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智能在线监测设备供电，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。

需要说明的是，本实施例的中继线圈为多米诺线圈；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。

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，但在本申请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(无线电能传输单元，即采用多级多米诺中继线圈)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。

本申请的高压线路智能监测设备的无线供电装置，通过取能线圈采用高压母线的电源，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；并且对于多级多米诺中继线圈在高压输电线上的放置问题，本申请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伞裙内部，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。进一步地，在无线电能发射端与接收端均内置磁芯，以实现能量的聚集发射与收集，减少能量的外向辐射。从而解决了现有技术可靠性差且效率低的技术问题。

在一个具体的实施例方式中，本申请的中继线圈、发射线圈和接收线圈均为竖直螺旋状，且均采用利兹线。

需要说明的是，本申请的中继线圈、发射线圈和接收线圈采用利兹线，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.

在一个具体的实施例方式中，本申请的发射端磁芯和接收端磁芯均为环氧玻璃纤维。

需要说明的是，本实施例的芯棒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。

在一个具体的实施例方式中，本申请的绝缘伞裙为高分子聚合物。

需要说明的是，本实施例的绝缘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。

在一个具体的实施例方式中，本申请的绝缘伞裙环绕于芯棒上，具体为：绝缘伞裙通过粘合剂注塑的方式与芯棒结合。

需要说明的是，本实施例芯棒和绝缘伞裙之间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。

如图3所示，图3为图3为本申请实施例提供的一种高压线路智能监测设备的无线供电装置安装示意图。

通过取能线圈穿过母线连续获取母线的能量，再通过本申请的无线供电装置实现从电源母线到负载的能量供应。

本申请实施例还提供了一种高压线路智能监测设备的无线供电方法，该方法应用于上述装置实施例的高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：

在无线供电装置运行过程中，采用自适应频率跟踪算法，使得共振线圈运行在共振频率点，共振线圈由发射线圈、若干个中继线圈和接收线圈构成。

需要说明的是，为了保证系统始终稳定在谐振频率，本申请同时采用自适应频率跟踪算法，以保证能量的高效率传输。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，包括：取能线圈、无线电能传输单元、蓄电池；

其中，所述无线电能传输单元包括：整流单元、高频逆变单元、发射线圈、发射端磁芯、绝缘伞裙、若干个中继线圈、绝缘棒、接收线圈、接收端磁芯、高频整流单元、稳压单元；

所述绝缘棒的一端连接于所述发射端磁芯，另一端连接于所述接收端磁芯从而构成芯棒；所述发射线圈环绕于所述发射端磁芯，所述接收线圈环绕于所述接收端磁芯；

若干个所述中继线圈分别内嵌于所述绝缘伞裙且环绕于所述绝缘棒上，每个所述中继线圈均有一一对应的谐振电容，所述绝缘伞裙环绕于所述芯棒上；

所述整流单元的输入端连接于所述取能线圈，所述整流单元的输出端连接于所述高频逆变单元的输入端，且所述整流单元的输出端并联第一电容，所述高频逆变单元的输出端通过第一匹配电容与所述发射线圈连接；

所述接收线圈通过第二匹配电容与所述高频整流单元的输入端连接，所述高频整流单元的输出端与所述稳压单元的输入端连接，所述稳压单元的输出端分别与智能监测设备和所述蓄电池连接。

2.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述中继线圈、所述发射线圈和所述接收线圈均为竖直螺旋状，且均采用利兹线。

3.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述发射端磁芯和所述接收端磁芯均为环氧玻璃纤维。

4.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述绝缘伞裙为高分子聚合物。

5.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述绝缘伞裙环绕于所述芯棒上，具体为：所述绝缘伞裙通过粘合剂注塑的方式与所述芯棒结合。

6.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述中继线圈为多米诺线圈。

7.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈的参数均相同。

8.根据权利要求1所述的高压线路智能监测设备的无线供电装置，其特征在于，每个所述谐振电容的参数均相同。

9.一种高压线路智能监测设备的无线供电方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任意一种高压线路智能监测设备的无线供电装置，包括：

在所述无线供电装置运行过程中，采用自适应频率跟踪算法，使得共振线圈运行在共振频率点，所述共振线圈由发射线圈、若干个中继线圈和接收线圈构成。

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