CN205489820U - 一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，结合无线电能传输的原理，针对高铁输电线路在线监测设备电源供给难的问题，利用输电线搭建无线电能传输系统，获得长期稳定的功率。免去了从固定工作站拉线送电的麻烦，保障了铁路运行的安全可靠。采用电磁屏蔽层减小了传输过程中对外界环境的影响，开关和控制系统的引入使得无线电能传输系统的智能化程度大大提高，具有广阔的市场前景。

Description

一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置。

背景技术

随着近年来铁路运输的不断提速及高速列车的快速发展，对于铁路以及列车运行的安全要求随之提高。因此，对列车运行各部的参数安全检测显得极为重要，如铁路轨道的各类参数，包括：铁轨温度、应力、沉降、变形等，对准确判断铁轨状态，控制列车运行速度都有着重要的意义；又如列车输电线路的在线检测，大电流、高电压的输电线路一旦发生断电事故将对人们的生命财产安全造成极大的危害。在此背景下，输电线的在线监测技术得到了广泛的应用，其监测范围包括高压开关的触点和电缆接头测温、导线覆冰状态、绝缘子污闪等。而受到输电线路现场地理环境、绝缘安全和电气隔离要求等的限制，高铁输电线的在线检测设备的供电电源不能由低压端直接供给，同时监测设备距离供电站的距离又过于远，从供电站引线提供电源的方案也不现实。因此，优质电源供给成为制约输电线路在线监测系统完善发展的重要因素，急需一种能保证供电长期性和功率稳定性的功能方式和措施。

目前比较常用的输电线路监测设备供电方式有：太阳能电池板供电、激光供电和母线供电等。

1.太阳能电池板供电：在有太阳光照时，太阳能接收板一边为在线监测设备供电，另一部分对蓄电池充电，以便在阴天或是雨天时备用。这种方法存在以下弊端：1.输出功率受到太阳能板面积的制约，且面积大不易安装。2.在南方雨雪天较多的情况下，太阳能电池的利用率不高。

2.激光供电：在发射站通过大功率的激光发生器发光，并采用光纤将光能传输到接收端，通过接收端的光电池进行能量转化(光能转化为电能)，为监测设备进行供电。然而这种方法适用于平坦广阔的平地，而对于林木繁茂和高低不平的山地来说就毫无意义。

3.母线供电：目前大多有关母线供电的研究均为电流互感器取能。由于输电线上通的是大电流的交流电，所以在周围空间会产生交变的磁场。通过在输电线外套加上磁导体固定磁路，并根据电磁感应的原理获得能量，这也是一种新提出的供电方法。

然而这种取能方式也存在着弊端：1.安装不方便，需要在高压母线周围套上磁芯，磁芯的固定难且成本高；2.输电线电流波动大，当电流小时，会造成能量获取不够，存在“取能死区”；当电流过大时，会造成尖脉冲电流对元器件的损坏。

同时，目前的研究大多是在互感器的结构、材料方面的改进，从而使得传输效率提高。但目前这些研究的输出能量很低，远不能满足监测设备所需的功率等级。

针对以上问题，本文提出了基于无线电能传输、利用输电母线对监测设备直接供电的一种方案。

无线电能传输主要有三种：

1.微波激光传输式，即直接采用微波或者激光进行无线电能传输。这种技术的优点就是可以实现大功率，远距离的无线电能传输；但其缺点也显而易见，激光和微波的方向难以精确控制，且在传输过程中不能有任何的障碍物，此外，微波激光传输传输效率相对较低且对人体和其他生物会造成影响。

2.磁感应耦合式，利用法拉第电磁感应原理，对目标实现近距离的无线电能传输。即当有两个线圈放置于相对较近位置时，一个线圈中的交变电流通过交变磁场的耦合作用，会在另一个线圈中产生感应电动势，从而实现无线电能的传输。这类技术在便携式设备中得到应用较多，如手机充电等等。

3.磁耦合谐振式，当两个物体的谐振频率相同时，其之间可以通过磁耦合方式实现电能的无线传输，同时对周围其他非谐振物体的影响又非常小，因而可以实现更远距离的传输。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对高铁输电线及其他参数在线检测设备的供电电源，设计无线电能传输系统实现监测设备电源安全、稳定的供给。

由于考虑到高铁输电线中的交变频率为50Hz，而磁耦合谐振式的谐振频率要求均为MHz以上，所以需要加上整流和逆变模块，而这对实际工程应用来说经济性和可操作性不强。因而采用磁感应耦合式方案进行设计。

一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置包括两个取电线夹、发射线圈、电磁屏蔽层、接收线圈、智能开关、开关信号控制系统；

两个取电线夹分别夹在输电线两端，发射线圈与输电线并联，发射线圈正下方设置接收线圈，接收线圈为负载的在线检测设备供能；

所述的智能开关安装在发射线圈和接收线圈电路中，并由开关信号控制系统控制，发射线圈和接收线圈由电磁屏蔽层包覆以降低无线电能传输对外界的影响。

所述的发射线圈由直径为5m、线径为10mm、匝数为50且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈按多层密绕法绕制，线圈的形状为圆形，且在线圈外围涂设有高导磁铁氧体对外围空间的电磁场进行屏蔽，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容，形成了RLC谐振电路。

所述的接收线圈由直径为5m、线径为5mm、匝数为40且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容。

所述的传输装置还包括滤波调谐电路，所述的滤波调谐电路与接收线圈相连，所述的滤波调谐电路中的电阻为可变电阻，电容为可变电容，滤波调谐电路可以滤去接收线圈中的电流高次谐波，保证负载端供电电能的质量。且低通滤波电路中的电阻值和电容值可以自由调节，改变滤波特性，根据负载端所需要的电源频率做调整，达到最好的滤波效果。

所述的发射线圈和接收线圈内均设有磁芯固定磁路。发射线圈和接收线圈均采用圆形结构，且直径大小相同，二者正对放置，增大了耦合磁场的有效接触面积，提高了传输的效率。且非接触式的发射装置与接收装置之间不存在电击穿，过热烧毁绝缘层，机械磨损等潜在危险，可靠性高，且结构简单，易实现。

所述的装置还包括中继线圈，所述的中继线圈位于发射线圈和接收线圈中间，并与发射线圈和接收线圈正对，由直径为6m、线径为10mm、匝数为20且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成,并串联有可变电容和可变阻抗。

所述无线能量传输装置的能量传输方法是：

两个取电线夹分别夹持在输电线的两端，从输电线上取电，通过取电线夹将电压施加于发射线圈上，发射线圈内阻、发射线圈电感和串联的耐高压可变金属薄膜电容形成RLC谐振电路，在发射线圈端电压相同的情况下使得发射线圈中交变电流有效值最大，发射线圈中的交变电流产生的交变强磁场，以磁感应耦合的方式传输给接收线圈，

接收线圈产生的感应电流通过滤波调谐电路滤去高次谐波，同时根据负载需要，可通过改变可变电阻和可变电容的大小改变滤波协调电路的滤波特性，滤去不同频率值的高次谐波，并向负载的在线检测设备供能；

发射线圈和接收线圈由电磁屏蔽层包覆以降低无线电能传输对外界的影响，并由磁芯固定磁路；

开关信号控制系统通过智能开关的开闭控制发射线圈和接收线圈。从而使得负载端的检测设备以无线方式获得可靠且稳定的电源，避免了传统从供电站引线的诸多问题，同时也克服了太阳能板、激光供电等对环境地形要求高，普适性差的问题。

两个取电线夹可根据实际需要移动位置，当负载所需功率变大或变小时，可相应增大或减小两线夹之间的距离，从而改变发射线圈中的电流大小以调节功率。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果是：高铁输电线和高压电检测设备的电源难供给，从供电站引线提供电源距离远且不经济。急需一种能保证供电长期性和功率稳定性的功能方式和措施，而本装置采用的基于无线电能传输原理的非接触式供电系统克服了目前太阳能电池供电、激光供电等方式不普适的缺点，结构简单且安全可靠，更具推广性，且目前没有相关的课题研究，独创性。

附图说明

图1是本实用新型的整体系统结构图；

图2是发射线圈与接收线圈构成的无线电能传输系统示意图；

其中：1高铁输电线，2取电线夹，3发射线圈，4电磁屏蔽层，5接收线圈，6智能开关，7开关信号控制系统，8滤波调谐电路，9负载在线监测设备；

图3是本实用新型无线电能传输系统的电路整体等效图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本实用新型的基于高铁输电线供能的无线电能传输系统做详细说明。

如图1所示，一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置包括两个取电线夹2、发射线圈3、电磁屏蔽层4、接收线圈5、智能开关6、开关信号控制系统7，两个取电线夹2分别夹在输电线1两端，发射线圈3与输电线1并联，发射线圈3正下方设置接收线圈5，接收线圈5为负载的在线检测设备9供能，所述的智能开关6安装在发射线圈3和接收线圈5电路中，并由开关信号控制系统7控制，发射线圈3和接收线圈5由电磁屏蔽层4包覆以降低无线电能传输对外界的影响。所述的传输装置还包括滤波调谐电路8，所述的滤波调谐电路8与接收线圈5相连，所述的滤波调谐电路8中的电阻为可变电阻，电容为可变电容，滤波调谐电路8可以滤去接收线圈中的电流高次谐波，保证负载端供电电能的质量。且低通滤波电路中的电阻值和电容值可以自由调节，改变滤波特性，根据负载端所需要的电源频率做调整，达到最好的滤波效果。

如图2所述，所述的发射线圈3由直径为5m、线径为10mm、匝数为50且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈按多层密绕法绕制，线圈的形状为圆形，且在线圈外围涂设有高导磁铁氧体对外围空间的电磁场进行屏蔽，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容，形成了RLC谐振电路。

所述的接收线圈5由直径为5m、线径为5mm、匝数为40且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容。

所述的发射线圈3和接收线圈5内均设有磁芯固定磁路。发射线圈和接收线圈均采用圆形结构，且直径大小相同，二者正对放置，增大了耦合磁场的有效接触面积，提高了传输的效率。且非接触式的发射装置与接收装置之间不存在电击穿，过热烧毁绝缘层，机械磨损等潜在危险，可靠性高，且结构简单，易实现。

优选的，所述的装置还包括中继线圈，所述的中继线圈位于发射线圈3和接收线圈5中间，并与发射线圈3和接收线圈5正对，由直径为6m、线径为10mm、匝数为20且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成,并串联有可变电容和可变阻抗。

所述无线能量传输装置的能量传输方法是：

两个取电线夹2分别夹持在输电线1的两端，从输电线1上取电，通过取电线夹将电压施加于发射线圈上，发射线圈内阻、发射线圈电感和串联的耐高压可变金属薄膜电容形成RLC谐振电路，在发射线圈端电压相同的情况下使得发射线圈中交变电流有效值最大，发射线圈3中的交变电流产生的交变强磁场，以磁感应耦合的方式传输给接收线圈5，

接收线圈5产生的感应电流通过滤波调谐电路8滤去高次谐波，同时根据负载需要，可通过改变可变电阻和可变电容的大小改变滤波协调电路的滤波特性，滤去不同频率值的高次谐波，并向负载的在线检测设备9供能；

发射线圈3和接收线圈5由电磁屏蔽层4包覆以降低无线电能传输对外界的影响，并由磁芯固定磁路；

开关信号控制系统7通过智能开关6的开闭控制发射线圈3和接收线圈5。从而使得负载端的检测设备以无线方式获得可靠且稳定的电源，避免了传统从供电站引线的诸多问题，同时也克服了太阳能板、激光供电等对环境地形要求高，普适性差的问题。

Claims (6)

1.一种高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于包括两个取电线夹(2)、发射线圈(3)、电磁屏蔽层(4)、接收线圈(5)、智能开关(6)、开关信号控制系统(7)；

两个取电线夹(2)分别夹在输电线(1)两端，发射线圈(3)与输电线(1)并联，发射线圈(3)正下方设置接收线圈(5)，接收线圈(5)为负载的在线检测设备(9)供能；

所述的智能开关(6)安装在发射线圈(3)和接收线圈(5)电路中，并由开关信号控制系统(7)控制，发射线圈(3)和接收线圈(5)由电磁屏蔽层(4)包覆以降低无线电能传输对外界的影响。

2.如权利要求1所述的高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于所述的发射线圈(3)由直径为5m、线径为10mm、匝数为50且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈按多层密绕法绕制，线圈的形状为圆形，且在线圈外围涂设有高导磁铁氧体对外围空间的电磁场进行屏蔽，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容，形成了RLC谐振电路。

3.如权利要求1所述的高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于所述的接收线圈(5)由直径为5m、线径为5mm、匝数为40且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，其所有线圈均采用串联结构增大耦合电感，并串联耐高压的可变金属薄膜电容。

4.如权利要求1所述的高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于所述的传输装置还包括滤波调谐电路(8)，所述的滤波调谐电路(8)与接收线圈(5)相连，所述的滤波调谐电路(8)中的电阻为可变电阻，电容为可变电容。

5.如权利要求2或3所述的高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于所述的发射线圈(3)和接收线圈(5)内均设有磁芯固定磁路。

6.如权利要求1所述的高压输电线非接触供电的无线能量传输装置，其特征在于所述的装置还包括中继线圈，所述的中继线圈位于发射线圈(3)和接收线圈(5)中间，并与发射线圈(3)和接收线圈(5)正对，由直径为6m、线径为10mm、匝数为20且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成,并串联有可变电容和可变阻抗。