CN117318429A - 一种输电线路智能在线监测装置自取能系统 - Google Patents

一种输电线路智能在线监测装置自取能系统 Download PDF

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CN117318429A CN202311199748.4A CN202311199748A CN117318429A CN 117318429 A CN117318429 A CN 117318429A CN 202311199748 A CN202311199748 A CN 202311199748A CN 117318429 A CN117318429 A CN 117318429A
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王中林
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Abstract

本发明涉及输电线路在线取能技术领域，公开一种输电线路智能在线监测装置自取能系统，在其纳米发电机中，摆动件绕转动轴线在第一工位和第二工位之间摆动的过程中，摆动件外端部集成沙锤型纳米发电机随之振动，可持续收集振动能量并通过沙锤结构抑制振动；中心集成的电磁发电组件的衔铁两端的磁极不断地发生交替转换，衔铁所形成的磁感线不断地切割上述线圈，线圈中产生瞬时强电流；用电装置和纳米发电机均与电源管理电路电连接，沙锤型纳米发电机输出的持续电能和电磁发电组件输出的瞬时强电流可用于航空障碍灯、电力传感器和无线发射组件等输电线路低功耗用电装置的瞬时触发或持续无源自供电运行，以便于相关的警示或报警灯功能。

Description

一种输电线路智能在线监测装置自取能系统
技术领域
本发明涉及输电线路在线取能技术领域，特别涉及一种输电线路智能在线监测装置自取能系统。
背景技术
目前，电网系统的日益智能化导致了对数字监控设备的需求不断增长。作为智能电网系统的关键组件，输电线在远距离能源输送中发挥着至关重要的作用。输电线的传统监控装置大多依靠化学电池和太阳能供电。然而，化学电池相关的频繁更换、高运营成本和环境污染的弊端越来越明显。而太阳能无法实现全天候能力收集，并且取能效率很容易受到雨天和太阳能电池板表面污染物的影响。在长期使用过程中，容易导致某些时段供电不足，以及设备无法稳定工作，影响传感系统的可靠性。
输电线通常设计有大跨度和高架结构，使导线容易受到风作用引起的周期性振动。这些周期性振动是随机且无序发生的，主要表现为垂直方向的微风振动和水平方向的次档距振荡和舞动。这些振动易导致导线断股甚至断线，严重影响输电线的使用性能和工作寿命。因此，如何抑制输电线振动是国内外所有输电线系统长久以来的研究重点之一。随着电力系统分布式数字化监控设备的大量使用，将这些振动能收集起来转换为电能，并将其用于输电线系统中传感和预警装置自供能的实施技术表现出广阔的发展潜力。
如何充分利用上述振动能，用于发电，并减少输电线等装置的振动是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明公开了一种纳米发电机，用于回收振动能进行发电，减小输电线路等装置的振动。
第一方面，提供一种纳米发电机，纳米发电机包括：摆动件和电磁发电组件，所述摆动件绕转动轴线在第一工位和第二工位之间摆动，所述电磁发电组件位于所述摆动件的一端，所述摆动件靠近所述电磁发电组件的一端设有磁化组件，所述磁化组件具有磁性相反的第一磁极和第二磁极；所述电磁发电组件包括衔铁以及环绕所述衔铁的线圈，当所述摆动件位于所述第一工位时，所述衔铁的对应端接触所述第一磁极，此时，衔铁的对应端具有与第一磁极相同的磁性，当所述摆动件位于所述第二工位时，所述衔铁的对应端接触所述第二磁极，此时，衔铁的对应端具有与第一磁极相同的磁性。如此，所述摆动件绕转动轴线在第一工位和第二工位之间摆动的过程中，衔铁两端的磁极不断地发生交替转换，衔铁所形成的磁感线不断地切割上述线圈，线圈中产生瞬时强电流。当将纳米发电机安装于输电线路等装置上时，输电线路等装置的振动带动摆动件摆动，摆动件的振动能不断地转化为线圈中的电能，在进行发电的同时，吸收了摆动件的振动能，减小了振动。
可选地，所述磁化组件包括连接于所述摆动件的第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板相对设置，所述第一挡板靠近所述衔铁的一端形成所述第一磁极，所述第二挡板靠近所述衔铁的一端形成所述第二磁极；所述衔铁的对应端位于所述第一挡板和所述第二挡板之间。
可选地，所述第一挡板和所述第二挡板均为金属板，所述磁化组件还包括设置于所述第一挡板和所述第二挡板之间的永磁组；所述永磁组与所述第一磁极有相同磁性的一端与所述第一挡板接触，与所述第二磁极有相同磁性的一端与所述第二挡板接触。
可选地，所述第一挡板和所述第二挡板均为永磁铁。
可选地，所述电磁发电组件还包括环形金属架，所述环形金属架套设于所述衔铁靠近所述磁化组件的一端。
可选地，所述电磁发电组件还包括支架盒，所述衔铁贯穿所述支架盒，所述线圈缠绕于所述支架盒。
可选地，所述摆动件位于所述转动轴线远离所述电磁发电组件的部分的长度，大于所述摆动件位于所述转动轴线靠近所述电磁发电组件的部分的长度。
可选地，所述纳米发电机还包括基座；所述摆动件包括摆杆和转向支具，所述转向支具包括插接壳，所述插接壳具有背离所述电磁发电组件的插口，所述摆杆插接于所述插口中；所述磁化组件连接于所述插接壳的壳底，所述壳底位于所述插接壳朝向所述电磁发电组件的一端；所述插接壳的两侧连接有与所述摆杆垂直的转轴，所述转轴的轴线形成所述转动轴线，所述转轴与所述基座转动连接。
可选地，所述基座包括封装壳，所述电磁发电组件和所述转向支具均位于所述封装壳内，每个所述转轴通过轴承与所述封装壳连接。
可选地，所述摆动件的自由端连接有质量块。
可选地，所述质量块包括壳体，所述壳体内设有至少一个空腔，所述空腔中分布有多个摩擦球。
可选地，所述壳体内设有多层间隔分布的隔板，每相邻两层所述隔板之间形成一个所述空腔。
可选地，所述摩擦球中还设有子摩擦球。
第二方面，提供一种输电线路智能在线监测装置自取能系统，输电线路智能在线监测装置自取能系统包括：上述任一技术方案所述的纳米发电机、电源管理电路和用电装置，所述用电装置和所述线圈均与所述电源管理电路电连接，所述电源管理电路用于储存所述纳米发电机产生的电能，并用于向所述用电装置供电。
与现有技术相比，所述的输电线路智能在线监测装置自取能系统与所述纳米发电机具有相同的技术优势，在此不再赘述。
可选地，所述用电装置包括障碍灯控制器和航空障碍灯，所述电源管理电路分别用于对所述障碍灯控制器和所述航空障碍灯供电，所述障碍灯控制器用于控制所述航空障碍灯的闪烁；或者，所述用电装置包括传感器组件和无线发射组件，所述电源管理电路分别用于对所述传感器组件和所述无线发射组件供电，所述传感器组件用于获取输电线的自身参数或者环境参数，所述传感器组件与所述无线发射组件信号连接，所述无线发射组件用于将所述传感器组件的传感信号以无线信号的形式发射给终端进行分析和处理；或者，所述用电装置包括无线温控报警组件，所述电源管理电路与所述无线温控报警组件之间通过温控开关连接，当所述温控开关检测到输电线的温度超过阈值范围时，所述温控开关闭合，以控制所述无线温控报警组件上电，将输电线温度超过阈值范围的信号以无线信号的形式发射给报警器。
附图说明
图1为本申请实施例提供的纳米发电机的应用场景示意图；
图2为本申请实施例提供的纳米发电机的结构示意图；
图3为图2中的电磁发电组件210和摆动件120的配合示意图；
图4为图3所示结构去除摆杆121后的结构剖视图；
图5为图2中电磁发电组件210和磁化组件配合的主视图；
图6为图2中电磁发电组件210和磁化组件配合的俯视图；
图7为图1质量块110的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的输电线路智能在线监测装置自取能系统的总体运行策略示意图；
图9为图8所示输电线路智能在线监测装置自取能系统的第一种具体场景下的运行策略示意图；
图10为图8所示输电线路智能在线监测装置自取能系统的第二种具体场景下的运行策略示意图；
图11为图8所示输电线路智能在线监测装置自取能系统的第三种具体场景下的运行策略示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图6，本申请实施例提供的纳米发电机包括：摆动件120和电磁发电组件210，摆动件120绕转动轴线(参考图2中转轴b的轴线)在第一工位和第二工位之间摆动，电磁发电组件210位于摆动件120的一端，摆动件120靠近电磁发电组件210的一端设有磁化组件140，磁化组件140具有磁性相反的第一磁极和第二磁极；电磁发电组件210包括衔铁214以及环绕衔铁214的线圈211，当摆动件120位于第一工位时，衔铁214的对应端接触第一磁极，此时，衔铁214的对应端具有与第一磁极相同的磁性，当摆动件120位于第二工位时，衔铁214的对应端接触第二磁极，此时，衔铁214的对应端具有与第一磁极相同的磁性。如此，摆动件120绕转动轴线在第一工位和第二工位之间摆动的过程中，衔铁214两端的磁极不断地发生交替转换，此时衔铁214在相反方向的磁场之间切换。衔铁214所形成的磁感线不断地切割上述线圈211，线圈211中产生瞬时强电流。在这个过程中，线圈214中穿过的磁场完全相反，可以等效为线圈214内的磁场强度变化了2倍，从而产生瞬时的高输出性能。
当将纳米发电机安装于输电线路等装置上时，输电线路等装置的振动带动摆动件120摆动，摆动件120的振动能不断地转化为线圈211中的电能，在进行发电的同时，吸收了摆动件120的振动能，减小了振动。
在一个具体的实施例中，磁化组件140包括连接于摆动件120的第一挡板141和第二挡板142，第一挡板141和第二挡板142相对设置，第一挡板141靠近衔铁214的一端形成第一磁极，第二挡板142靠近衔铁214的一端形成第二磁极；衔铁214的对应端位于第一挡板141和第二挡板142之间。
摆动件120随风上下摆动，当摆动件120向下摆动至第一工位时，衔铁214的对应端接触上方的第一挡板141的第一磁极，被磁化为与第一磁极相同的磁性，当摆动件120向上摆动至第二工位时，衔铁214的对应端接触下方的第二挡板142的第二磁极，被磁化为与第二磁极相同的磁性。并且，衔铁214的对应端在触碰到第一挡板141后，摆动件120随即停止继续向下摆动，在衔铁214的反作用力下，摆动件120改为向上摆动，衔铁214的对应端触碰到第二挡板142后，摆动件120的摆动方向再次发生反转，如此往复。摆动件120的摆动方向自动发生切换，并且摆动幅度被第一挡板141和第二挡板142限定，可以使纳米发电机持续且稳定地运行下去。
在一个具体的实施例中，第一挡板141和第二挡板142均为金属板，可以是钢板等易于磁化且强度较大的金属材料，便于采用焊接等方式与摆动件120的对应端固定，如与后文金属的插接壳a焊接固定，磁化组件140还包括设置于第一挡板141和第二挡板142之间的永磁组143；永磁组143与第一磁极有相同磁性的一端与第一挡板141接触，以将第一挡板141磁化为与第一磁极相同的磁性，与第二磁极有相同磁性的一端与第二挡板142接触，以将第二挡板142磁化为与第二磁极相同的磁性。第一挡板141和第二挡板142将永磁组143夹在中间，便于对永磁组143的固定。第一挡板141和第二挡板142采用金属材料，结构稳定性更好，在衔铁214反复撞击的情况下不易损坏。
其中，上述附图中的纳米发电机具有两个摆动件120，参考图4，每个摆动件120对应的磁化组件140中，永磁组143位于上方的磁极定义为第一磁极，即左侧磁化组件140的第一磁极为S极，右侧磁化组件140的第一磁极为N极。根据输电线Q的振动特性，两个摆动件120可实现同步的上下运动。设置两个摆动件120，衔铁214同时进行相反磁性的磁化，衔铁214的磁场更强，有利于增加纳米发电机的发电功率，但是，也可以仅保留一个摆动件120，衔铁214两端也可以磁化且具有相反极性。
在一个具体的实施例中，第一挡板141和第二挡板142均为永磁铁，第一挡板141远离摆动件120的一端形成第一磁极，第二挡板142远离摆动件120的一端形成第二磁极，无需再利用永磁组143进一步磁化第一挡板141和第二挡板142，第一挡板141和第二挡板142本身的磁性更强，切割线圈211的磁场强度更大。
在一个具体的实施例中，电磁发电组件210还包括环形金属架213(可以是铜等金属材料)，环形金属架213套设于衔铁214靠近磁化组件140的一端，衔铁214贯穿过环形金属架213，两者可以过盈配合，结合更加稳定；环形金属架213可以与后文的支架盒212相互接触。环形金属架213有利于将衔铁214的磁感线收聚，以便于磁感线能够更多地切割线圈211，有利于充分利用摆动件120的振动能发电。
在一个具体的实施例中，电磁发电组件210还包括支架盒212，支架盒212具体可以呈长方体的空壳结构，衔铁214贯穿支架盒212，以便于对衔铁214固定，线圈211缠绕于支架盒212，以便于为线圈211提供支撑基础。
在一个具体的实施例中，摆动件120位于转动轴线远离电磁发电组件210的部分(称为长杆部)的长度，大于摆动件120位于转动轴线靠近电磁发电组件210的部分(称为短杆部)长度。利用杠杆原理使长杆部一端获得更大的位移，同时使短杆部一端的磁化组件140获得更大的力和初始加速度。这是因为，长杆部一端的位移越大，发电和减振性能越好；而电磁发电组件210采用磁向转换型的电磁发电组件210，更大的力可以实现快速的磁向转换，从而实现瞬时高输出性能。
在一个具体的实施例中，纳米发电机还包括基座300；摆动件120包括摆杆121和转向支具122，转向支具122包括插接壳a，插接壳a具有背离电磁发电组件210的插口，摆杆121插接于插口中；磁化组件140连接于插接壳a的壳底，壳底位于插接壳a朝向电磁发电组件210的一端；插接壳a的两侧连接有与摆杆121垂直的转轴b，转轴b的轴线形成转动轴线，转轴b与基座300转动连接。
在一个具体的实施例中，基座300包括封装壳302，电磁发电组件210和转向支具122均位于封装壳302内，以利用封装壳302进行封装保护，防止雨水冲刷或者尘埃覆盖，导致摆动件120的摆动灵活性下降，每个转轴b通过轴承c与封装壳302连接，如此，转向支具122便可以相对于封装壳302绕转轴b转动。封装壳302的两个相对的垂直端壁设有摆动避让孔K，摆杆121贯穿避让孔K至封装壳302外，以便于摆杆121可以有更大空间摆动，同时可以被外部气流吹动而摆动，以利于发电。电磁发电组件210可以被悬挂支架220悬挂固定于封装壳302的顶壁，基座300还包括固定连接于封装壳302的顶部的连接结构301，连接结构301可以设有横向贯穿孔T，以便于输电线Q贯穿于其中，利用连接结构301将纳米发电机悬挂于输电线Q。
在一个具体的实施例中，摆动件120的自由端连接有质量块110(也可以称为发电减振锤)。摆动件120的自由端是指远离电磁发电组件210的一端。质量块110具有足够的质量，摆动件120整体可以俘获更多的振动能用于发电，利用其惯性可以给磁化组件140更大的力和初始加速度，便于电磁发电组件210实现快速的磁向转换，从而实现瞬时高输出性能。
在一个具体的实施例中，质量块110包括壳体1211，壳体1211内设有至少一个空腔G，空腔G中分布有多个摩擦球1213。摩擦球1213可以选用前文的高分子材料，空腔G的内壁可以选用金属材料，或者其他相互摩擦可以发电的材料，当质量块110在摆动的过程中，摩擦球1213与空腔G内壁摩擦可以产生电荷，实现发电。
在一个具体的实施例中，参考图7，壳体1211内设有多层间隔分布的隔板1212，每相邻两层隔板1212之间形成一个空腔G；利用隔板1212形成空腔G，结构简单，可以1211内部空间利用率高，将隔板1212采用便于导电的材质，即可实现电荷的导出。隔板1212之间的间隙可以略大于摩擦球1213的外径，使摩擦球1213与隔板1212的摩擦可以更充分。壳体1211可以呈圆柱形，且一个圆形表面的一端与摆杆111连接，隔板1212沿着壳体1211的直径方向垂直间隔分布。
在一个具体的实施例中，摩擦球1213中还设有子摩擦球，以便于与摩擦球1213摩擦实现进一步生电。利用内部套球组成一个TENG发电模块，每一个摩擦球1213和子摩擦球组成一个TENG发电单元。
以上，质量块110形成沙锤型纳米发电机，可持续收集振动能量并通过沙锤结构抑制振动。沙锤型纳米发电机输出的持续电能和电磁发电组件210输出的瞬时强电流可用于航空障碍灯、电力传感器和无线发射组件等输电线路低功耗用电装置的瞬时触发或持续无源自供电运行，后文进行具体介绍。
基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种输电线路智能在线监测装置自取能系统，该输电线路智能在线监测装置自取能系统包括：上述实施例提供的纳米发电机、电源管理电路和用电装置，用电装置和线圈均与电源管理电路电连接，电源管理电路用于储存纳米发电机产生的电能，将纳米发电机逐渐发电积累的电能累积起来，并用于向用电装置供电。
参考图8，振动俘能模块(如摆动件120和摩擦球1213)受到输电线振动激励时俘获振动能，发电模块(如电磁发电组件210和沙锤型纳米发电机)利用该振动能发电产生电能，电源管理电路将该电能储存，并在用电装置需要用电时，将电能供应给用电装置，实现输电线路智能在线监测装置自取能系统内对用电装置持续地自供电，无需接入外部电源供电。
下面根据不同的场景，提供了几个输电线路智能在线监测装置自取能系统的具体运行策略。其中的用电装置具体可以是输电线路低功耗用电装置。
参考图9，在一个具体的实施例中，用电装置包括障碍灯控制器和航空障碍灯，障碍灯控制器和航空障碍灯具体可以安装在架空输电线的杆塔上，电源管理电路分别用于对障碍灯控制器和航空障碍灯供电，障碍灯控制器用于控制航空障碍灯的闪烁，实现无源自供电输电线杆塔航空障碍警示。
参考图10，在一个具体的实施例中，用电装置包括传感器组件和无线发射组件，电源管理电路分别用于对传感器组件和无线发射组件供电，传感器组件和无线发射组件可以安装在输电线上，传感器组件用于获取输电线的自身参数或者环境参数，传感器组件可搭载电流、温度、湿度及振动等电力传感器，传感器组件与无线发射组件信号连接，无线发射组件用于将传感器组件的传感信号以无线信号的形式发射给终端进行分析和处理。其中，具体可以由无线接收串口接收无线信号。以上，实现自供电输电线状态在线监测及预警。
参考图11，在一个具体的实施例中，用电装置包括无线温控报警组件，无线温控报警组件可以安装在输电线上，电源管理电路与无线温控报警组件的供电端之间通过温控开关连接，温控开关控制无线温控报警组件的通断，温控开关紧贴输电线以感知输电线温度，当温控开关检测到输电线的温度超过阈值范围时，温控开关闭合，以控制无线温控报警组件上电，将输电线温度超过阈值范围的信号以无线信号的形式发射给报警器。无线温控报警组件具体可以将无线信号发射给无线接收组件，无线接收组件接收信号后控制报警器报警，实现自供电输电线高温无线报警。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种纳米发电机，其特征在于，包括：摆动件和电磁发电组件，所述摆动件绕转动轴线在第一工位和第二工位之间摆动，所述电磁发电组件位于所述摆动件的一端，所述摆动件靠近所述电磁发电组件的一端设有磁化组件，所述磁化组件具有磁性相反的第一磁极和第二磁极；
所述电磁发电组件包括衔铁以及环绕所述衔铁的线圈，当所述摆动件位于所述第一工位时，所述衔铁的对应端接触所述第一磁极，当所述摆动件位于所述第二工位时，所述衔铁的对应端接触所述第二磁极。
2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述磁化组件包括连接于所述摆动件的第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板相对设置，所述第一挡板靠近所述衔铁的一端形成所述第一磁极，所述第二挡板靠近所述衔铁的一端形成所述第二磁极；
所述衔铁的对应端位于所述第一挡板和所述第二挡板之间。
3.根据权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一挡板和所述第二挡板均为金属板，所述磁化组件还包括设置于所述第一挡板和所述第二挡板之间的永磁组；
所述永磁组与所述第一磁极有相同磁性的一端与所述第一挡板接触，与所述第二磁极有相同磁性的一端与所述第二挡板接触。
4.根据权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一挡板和所述第二挡板均为永磁铁。
5.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述电磁发电组件还包括环形金属架，所述环形金属架套设于所述衔铁靠近所述磁化组件的一端。
6.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述电磁发电组件还包括支架盒，所述衔铁贯穿所述支架盒，所述线圈缠绕于所述支架盒。
7.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述摆动件位于所述转动轴线远离所述电磁发电组件的部分的长度，大于所述摆动件位于所述转动轴线靠近所述电磁发电组件的部分的长度。
8.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述纳米发电机还包括基座；
所述摆动件包括摆杆和转向支具，所述转向支具包括插接壳，所述插接壳具有背离所述电磁发电组件的插口，所述摆杆插接于所述插口中；
所述磁化组件连接于所述插接壳的壳底，所述壳底位于所述插接壳朝向所述电磁发电组件的一端；
所述插接壳的两侧连接有与所述摆杆垂直的转轴，所述转轴的轴线形成所述转动轴线，所述转轴与所述基座转动连接。
9.根据权利要求8所述的纳米发电机，其特征在于，所述基座包括封装壳，所述电磁发电组件和所述转向支具均位于所述封装壳内，每个所述转轴通过轴承与所述封装壳连接。
10.根据权利要求1至9任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述摆动件的自由端连接有质量块；
所述质量块包括壳体，所述壳体内设有至少一个空腔，所述空腔中分布有多个摩擦球；
所述壳体内设有多层间隔分布的隔板，每相邻两层所述隔板之间形成一个所述空腔；
所述摩擦球中还设有子摩擦球。
11.一种输电线路智能在线监测装置自取能系统，其特征在于，包括：权利要求1至10任一项所述的纳米发电机、电源管理电路和用电装置，所述用电装置和所述线圈均与所述电源管理电路电连接，所述电源管理电路用于储存所述纳米发电机产生的电能，并用于向所述用电装置供电。
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