CN115149663A - 高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法 - Google Patents

高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法 Download PDF

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Abstract

高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法，该机构主体包括发射端及接收端；发射端和接收端皆包括螺旋式圆形线圈及磁芯；其中，磁芯由均匀分布的支撑架和间距相同的磁芯环构成，高度均与线圈高度一致；最小磁芯环的内侧固定于绝缘子金具上，最大磁芯环的外侧紧贴线圈内壁；根据仿真结果选取支撑架和磁芯环的最优个数；验证该耦合机构的加入不会破坏高压输电线路的绝缘性能。本发明应用于高压线路上跨绝缘子距离的无线电能传输系统，可将线圈固定于绝缘子两端，同时线圈互感得到显著增加，有效提升系统的传输性能。

Description

高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法。
背景技术
随着科技的不断进步、电力体制的不断改革、国家对电网发展的大力支持，各等级高压输电线路的建设也不断推进和发展。但其通常直接暴露在野外，分布范围广，环境复杂多变，极易遭受破坏。因此需要搭建智能运检系统，在电力杆塔上安装多种传感器，例如覆冰监测、线路舞动与风偏监测、雷电监测、杆塔倾斜监测等。对输电线路的工作状态及其周围环境进行全方位、多功能的实时监测，做到快速、准确判断电力设备存在的安全隐患，对潜在风险提前预警，降低设备故障带来的损失。
高压杆塔上电力监测设备的传统供电方式如锂电池、新能源发电等均存在换电工作繁琐、供电稳定性受环境因素影响大等缺点，已经越来越不能满足智能化在线监测节点快速增容的发展趋势。相对于传统导线式电力传输而言，无线电能传输技术是电力领域的一项新型电能传输技术。磁耦合谐振式无线电能传输技术是无线电能传输领域较为特殊的一种方式，它通过能量发射谐振器将传统电能转化为谐振交变电磁场，将电能隔空传递至接收谐振器中。磁耦合谐振式无线电能传输技术因其传输距离范围广以及能量传输的功率等级高而被应用于电动汽车无线充电等中远距离大功率需求的充电领域中。因此，为解决稳定不间断供电问题，可以直接从高压输电线路获取稳定的电能，并通过磁耦合式的无线传输方式跨越绝缘距离为监测设备供电。
现有技术1(CN114123535A)“特高压输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构”机构主体包括：发射端和接收端；发射端包括串联连接的第一线圈和第二线圈和发射端磁芯，接收端包括接收线圈和接收端磁芯；该发明通过优化发射端的内部结构，提升磁通密度分布的均匀性，从而使得无线电能传输耦合机构的磁芯利用率显著提高，更加适合于远距离大电流的无线电能传输。现有技术文件1的不足之处在于没有设计方便安装于高压线路或杆塔上的固定机构，且绕制的线圈尺寸具有局限性。该机构采用的磁芯块为长方体铁氧体条，线圈为扁平螺线管，导致其空间磁场呈非对称分布，磁感应强度分布不均匀，距离磁芯较远处的磁场容易泄露，造成无线电能传输的耦合系数下降。同时梳齿状的磁芯片容易积雪积灰，检修维护较为困难。本申请能直接安装固定于绝缘子两端，不需再考虑如何在高空中稳固线圈位置，并且该机构可以应用于不同电压等级杆塔上的不同线圈尺寸。此外，本申请在线圈内侧环绕的磁芯结构呈中心对称分布，环网状结构可增大自耦区磁阻，将磁场有效地约束在传能区域，增强传能区域的磁场耦合，保证无线电能传输的稳定性。该结构采用镂空设计，避免积水积雪积污，更加适合高压环境下的无线电能传输。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构及制作方法，应用于高压线路上跨绝缘子距离的无线电能传输系统，可将线圈固定于绝缘子两端，同时线圈互感得到显著增加，有效提升系统的传输性能。
本发明采用如下的技术方案：
高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，机构包括：发射端及接收端；发射端包括发射线圈和发射端磁芯，接收端包括接收线圈和接收端磁芯，其中，
发射线圈和接收线圈皆为螺旋式绕制的圆形线圈；
发射端磁芯和接收端磁芯均包括支撑架和同心但不同半径的磁芯环，发射端支撑架和接收端支撑架呈放射性均匀分布，连接最内侧至最外侧的磁芯环，支撑架和磁芯环一体成型制成，发射端支撑架和发射端磁芯环垂直连接，接收端支撑架和接收端磁芯环垂直连接；
优选地，支撑架和磁芯环的制成材料相同，由铁氧体材料制成。
优选地，最内侧磁芯环的内侧与绝缘子金具焊接，最外侧磁芯环与线圈内壁粘合。
发射端磁芯环和接收端磁芯环均以绝缘子金具的截面中心为环心，相邻磁芯环之间距离相等，呈等距分布。
优选地，发射端磁芯，接收端磁芯，发射线圈和接收线圈的高度一致。
优选地，发射端支撑架和接收端支撑架的数量均为6。
优选地，发射端磁芯环和接收端磁芯环的数量均为4。
优选地，磁芯环和支撑架的高度均为0.1m。
优选地，发射线圈直径为0.5m，接收线圈直径为0.6m。
高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构的制作方法，包括以下步骤，
步骤1，根据高压线路电压等级，确定线圈结构；
步骤2，通过电磁仿真，进一步确定线径、线圈匝数和线圈尺寸，并确定利兹线的型号和股数；
步骤3，制作两个磁芯，沿最外侧磁芯环分别绕制发射线圈和接收线圈，最内侧磁芯环固定于绝缘子两端的金具处；
步骤4，系统工作后，高压端的电能经过转换后，通过发射线圈将能量以无线传输的方式，跨越绝缘距离传输给低压端的接收线圈，为位于杆塔上的检测设备供电。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
1)本发明将磁芯和支撑架作为支架，磁芯和支撑架的材料属性及设计结构都较为牢固，可固定线圈于绝缘子两侧，且对高压输电线路的绝缘性能和电能质量影响较小；
2)本发明在线圈内侧环绕的磁芯结构呈中心对称分布，环网状结构可增大自耦区磁阻，将磁场有效地约束在传能区域，增强传能区域的磁场耦合，保证无线电能传输的稳定性。该结构采用镂空设计，避免积水积雪积污，更加适合高压环境下的无线电能传输；
3)本发明可以增加发射线圈和接收线圈间的互感值，进一步提升传输性能，适用于远距离的无线电能传输系统。
附图说明
图1为本发明的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构的示意图；
图2为本发明设计的多种磁芯结构的模型及仿真结果；
图3为本发明设计的不同磁芯数量的模型及仿真结果；
图4为本发明设计的不同磁芯数量的互感差分曲线；
图5为本发明优选实例中绝缘子及线圈周围的电场强度分布云图；
图6为本发明优选实例中绝缘子伞裙边缘的电场强度曲线；
图1中的附图标记说明如下：
1-发射线圈；2-发射端支撑架；3-发射端磁芯环；4-接收端支撑架；5-接收线圈；6-接收端磁芯环。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
实施例1。
如图1，高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，包括：发射端及接收端；发射端包括发射线圈1和发射端磁芯，接收端包括接收线圈5和接收端磁芯，其中，
发射线圈1和接收线圈5皆为螺旋式绕制的圆形线圈；
发射端磁芯和接收端磁芯均包括支撑架和同心但不同半径的磁芯环，发射端支撑架2和接收端支撑架4呈放射性均匀分布，连接最内侧至最外侧的磁芯环，支撑架和磁芯环一体成型制成，发射端支撑架2和发射端磁芯环3垂直连接，接收端支撑架4和接收端磁芯环6垂直连接；
最内侧磁芯环的内侧固定套接于绝缘子金具上，最外侧磁芯环的外侧紧贴圆形线圈内壁，磁芯作为支架将线圈固定于绝缘子两端。其中，发射端固定于绝缘子高压端，接收端固定于绝缘子低压端。
本实施例优选地，最内侧磁芯环的内侧与绝缘子金具焊接，最外侧磁芯环与线圈内壁粘合。
本实施例优选地，支撑架和磁芯环的制成材料相同，由可以增强磁场耦合的铁氧体材料制成。
发射端支撑架2和接收端支撑架4呈放射性均匀分布，连接最内侧至最外侧的磁芯环。
发射端磁芯环3和接收端磁芯环6以绝缘子金具的截面中心为环心，相邻磁芯环之间距离相等，呈等距分布。
发射端磁芯，接收端磁芯，发射线圈1和接收线圈5的高度一致。
支撑架和磁芯环的厚度和高度均一致。
实施例2。
本实施例针对跨500kV绝缘子距离的无线电能传输系统，复合绝缘子两端金具间的传输距离L＝4.01m。以发射线圈直径d＝0.5m、接收线圈直径D＝0.6m、线圈及磁芯高度h＝0.1m为例，展开分析论证。
如图2，设计了5种可固定线圈的不同样式的磁芯结构，包括实心的柱状磁芯、上下空心的盘状磁芯、底部空心的盖状磁芯、支撑架数量M分别为6和12时的环形网状磁芯。通过有限元计算，得到此时接收线圈、发射线圈的电感以及两线圈间的互感和耦合系数，并计算磁芯体积。分析发现，当磁芯体积越大，线圈互感越高，但也意味着磁芯重量和制造成本的增加。因此取互感与体积的比值作为参考对象，计算后发现该比值在M＝6的环形网状磁芯结构时相对最大，说明此时线圈互感较高，且磁芯体积相对较小，且镂空设计不利于积水积雪积污，适合应用于跨高压绝缘子的无线电能传输系统上。
如图3，针对M＝6的环形网状磁芯结构，搭建环形磁芯数量2≤N≤11情况下的模型。通过有限元计算，得到此时接收线圈、发射线圈的电感以及两线圈间的互感和耦合系数。此时磁芯的体积与环形磁芯数量N约成等比例增长，因此计算各N值下的线圈互感差分曲线如图4所示，N环的差分是指N环时的互感值与(N-1)环时的互感值之差。根据曲线得到随着环数N的增加，互感也在不断增加，其中N＝4时互感差分最大，说明在磁芯体积增加值近似一样的情况下，此时互感增加的速度最快，且磁芯重量和制造成本相对较低，综合各方面考虑，适合应用于工程之中。若对系统的无线传输性能要求较高，可依据实际选择5≤N≤7的环形磁芯数量，该范围下的互感差分也相对较大。
本实施例优选N＝4，此时线圈互感为7.0769μH，较无磁芯结构时(4.7228μH)提升了49.85％，说明该耦合机构能较大幅度地提升系统传输性能。该发明中还需考虑无线电能传输系统的加入是否会影响500kV输电线路绝缘子的绝缘性能、破坏高压输电线路的安全运行。根据有限元计算结果，得到系统截面的电场强度分布云图，如图5所示。绝缘子两端金具处的电场强度较高，中部位置处的相对均匀，变化趋势平稳。系统的电场强度最高值约为6.23×106V/m，远小于绝缘子硅橡胶伞裙的击穿场强。同时，仿真得到绝缘子大伞裙外侧边缘的电场强度曲线，如图6所示。该曲线反映的电场强度变化趋势与云图一致，曲线处场强均小于空气击穿场强(3×106V/m)，因此该耦合机构的加入不会破坏高压输电线路的绝缘性能，可在实际场景中得到安全应用。
实施例3。
高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构的制作方法，包括以下步骤，
步骤1，根据高压线路电压等级，确定线圈结构；
步骤2，通过电磁仿真，进一步确定线径、线圈匝数和线圈尺寸，并确定利兹线的型号和股数；
步骤3，制作两个磁芯结构，沿最外侧磁芯环分别绕制发射线圈和接收线圈，最内侧磁芯环固定于绝缘子两端的金具处；
步骤4，系统工作后，高压端的电能经过转换后，通过发射线圈将能量以无线传输的方式，跨越绝缘距离传输给低压端的接收线圈，为位于杆塔上的检测设备供电。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
1)本发明将磁芯和支撑架作为支架，磁芯和支撑架的材料属性及设计结构都较为牢固，可固定线圈于绝缘子两侧，且对高压输电线路的绝缘性能和电能质量影响较小；
2)本发明在线圈内侧环绕的磁芯结构呈中心对称分布，环网状结构可增大自耦区磁阻，将磁场有效地约束在传能区域，增强传能区域的磁场耦合，保证无线电能传输的稳定性。该结构采用镂空设计，避免积水积雪积污，更加适合高压环境下的无线电能传输；
3)本发明可以增加发射线圈和接收线圈间的互感值，进一步提升传输性能，适用于远距离的无线电能传输系统。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，机构包括：发射端及接收端；发射端包括发射线圈(1)和发射端磁芯，接收端包括接收线圈(5)和接收端磁芯，其特征在于，
发射线圈(1)和接收线圈(5)皆为螺旋式绕制的圆形线圈；
发射端磁芯和接收端磁芯均包括支撑架和同心但不同半径的磁芯环，发射端支撑架(2)和接收端支撑架(4)呈放射性均匀分布，支撑架和磁芯环一体成型制成，发射端支撑架(2)和发射端磁芯环(3)垂直连接，接收端支撑架(4)和接收端磁芯环(6)垂直连接。
2.根据权利要求1所述的一种可固定于高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射端磁芯和接收端磁芯均由铁氧体材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种可固定于高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
最内侧磁芯环的内侧与绝缘子金具焊接，最外侧磁芯环与线圈内壁粘合。
4.根据权利要求3所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射端磁芯环(3)和接收端磁芯环(6)均以绝缘子金具的截面中心为环心，相邻磁芯环之间距离相等，呈等距分布。
5.根据权利要求4所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射端磁芯，接收端磁芯，发射线圈(1)和接收线圈(5)的高度一致。
6.根据权利要求1所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射端支撑架(2)和接收端支撑架(4)的数量均为6。
7.根据权利要求1所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射端磁芯环(3)和接收端磁芯环(6)的数量均为4。
8.根据权利要求1所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
磁芯环和支撑架的高度均为0.1m。
9.根据权利要求1所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构，其特征在于，
发射线圈(1)直径为0.5m，接收线圈(5)直径为0.6m。
10.高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构的制作方法利用权利要求1至9所述的高压线路绝缘子上的无线电能传输耦合机构而实现，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤，
步骤1，根据高压线路电压等级，确定线圈结构；
步骤2，通过电磁仿真，确定线径、线圈匝数和线圈尺寸，并确定利兹线的型号和股数；
步骤3，制作两个磁芯，沿最外侧磁芯环分别绕制发射线圈和接收线圈，最内侧磁芯环固定于绝缘子两端的金具处；
步骤4，系统工作后，高压端的电能经过转换后，通过发射线圈将能量以无线传输的方式，跨越绝缘距离传输给低压端的接收线圈，为位于杆塔上的检测设备供电。
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