在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)包括導(dǎo)線端發(fā)射端和鐵塔接收換能端，所述導(dǎo)線端發(fā)射端包括：導(dǎo)線共振耦合線圈組，升壓發(fā)射震蕩器，發(fā)射換能控制器和蜂窩矩陣天線。所述鐵塔接收換能端包括：聚焦接收模塊和整流穩(wěn)壓模塊。該微波供電系統(tǒng)充分滿足設(shè)備對供能在全天候方面和長期穩(wěn)定性方面的要求，以較低的維護成本解決高壓輸電線路上難以普及實現(xiàn)在線實時監(jiān)控問題。
【專利說明】在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及在線供電系統(tǒng)，特別是涉及一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展、深入，工作在高壓輸電線路上的電氣設(shè)備越來越多，如電力線路各類在線監(jiān)測裝置、線路設(shè)備防盜裝置、巡線機器人、帶電作業(yè)機器人等，由于大多的輸電線路地處偏遠，難以按常規(guī)辦法解決電源供給問題，因而這些設(shè)備的供電一般采用太陽能供電。太陽能供電由于受能量轉(zhuǎn)換率、氣候環(huán)境及成本等因素限制，無法充分滿足設(shè)備對供能在全天候方面和長期穩(wěn)定性方面的要求，不得不加入蓄電池以存儲電能。但由于蓄電池本身的壽命與工作溫度問題使得設(shè)備的維護成本大大增加，導(dǎo)致在各種氣象條件下長期可靠穩(wěn)定工作。目前需要一種可以在適應(yīng)各種惡劣天氣、全天候穩(wěn)定可靠供電、長期免維護運行、低成本的供電系統(tǒng)。
[0003]電力行業(yè)架空輸電線路設(shè)備供電技術(shù)主要有太陽能電池板供電、風(fēng)光互補供電、導(dǎo)線引流取電等幾種，經(jīng)掛網(wǎng)實踐證明太陽能電池板供電、風(fēng)光互補供電等幾項技術(shù)均是通過在自然能轉(zhuǎn)化電能裝置，通過將自然界太陽光能、風(fēng)能應(yīng)用太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機進行回收轉(zhuǎn)化為電能，該種供電技術(shù)形式，因受其電能獲取原理所限，受到外界環(huán)境影響極大，在氣象條件不理想的情況下很難發(fā)揮作用，而在線監(jiān)測裝置恰恰是在這時最需要發(fā)揮作用。超高壓感應(yīng)微波在線供電系統(tǒng)是解決在線監(jiān)測裝置全天候工作的有效措施之一。超高壓感應(yīng)微波在線供電系統(tǒng)通過超高壓導(dǎo)線電場回收技術(shù)與無線近場電能傳輸技術(shù)，將架空輸電線路導(dǎo)線周圍的輻射電場回收、傳輸并轉(zhuǎn)化為在線監(jiān)測裝置可以使用的電能。超高壓感應(yīng)微波在線供電系統(tǒng)由于在取能-換能方式和設(shè)計理念上的獨到之處，使其具有適應(yīng)各種惡劣天氣、全天候穩(wěn)定可靠供電、長期免維護運行、低成本等特點，從而克服了太陽能電池板供電、風(fēng)光互補供電、導(dǎo)線引流取電的不足之處，并回收導(dǎo)線輻射電能，成為解決在線監(jiān)惻設(shè)備供能難題的絕佳選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，以回收-微波輸送結(jié)為技術(shù)手段，實現(xiàn)導(dǎo)線電場能量回收利用，轉(zhuǎn)化為在線監(jiān)測裝置可用的電能。同時通過采用微波共振原理在空氣中有效傳輸電能，從而提供了回收取電的絕緣間隙解決了導(dǎo)線電場電位差問題。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0006]一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)包括導(dǎo)線端發(fā)射端和鐵塔接收換能端，所述導(dǎo)線端發(fā)射端包括相互連接的導(dǎo)線共振耦合線圈組，升壓發(fā)射震蕩器，發(fā)射換能控制器和蜂窩矩陣天線；所述鐵塔接收換能端包括相互連接的聚焦接收模塊和整流穩(wěn)壓模塊。[0007]進一步，所述導(dǎo)線共振耦合線圈組包括一組共振頻點和導(dǎo)線相符的線圈。
[0008]進一步，所述導(dǎo)線共振耦合線圈組的輸出端與升壓發(fā)射震蕩器的電源輸入端連接，將獲得的電能升壓調(diào)制為高頻振蕩信號送至蜂窩矩陣天線，進行信號發(fā)射。
[0009]進一步，所述發(fā)射換能控制器通過獨立耦合方式將控制信號傳送至蜂窩矩陣天線，由蜂窩矩陣天線完成電能與控制信號的傳送功能。
[0010]工作原理:
[0011]本實用新型將依據(jù)電磁波共振能量轉(zhuǎn)換原理最終實現(xiàn)為在線監(jiān)測設(shè)備提供有效、可靠、安全的電能供應(yīng)。電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)，電與磁可說是一體兩面，變化的電場會產(chǎn)生磁場(即電流會產(chǎn)生磁場),變化的磁場則會產(chǎn)生電場。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了 一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。電磁波的能量大小由坡印廷矢量決定，即S=EXH,其中s為坡印庭矢量，E為電場強度，H為磁場強度。E、H、S彼此垂直構(gòu)成右手螺旋關(guān)系；即由S代表單位時間流過與之垂直的單位面積的電磁能，單位是W / m~2 ;電磁波同時可理解成為一種物質(zhì)且具有能量。
[0012]在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)使用成熟的電磁波共振能量轉(zhuǎn)換原理，通過專用裝置實現(xiàn)從導(dǎo)線截獲輻射能量將其轉(zhuǎn)化為電磁波共振能量。即將導(dǎo)線正常向外輻射的能量經(jīng)過處理，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電磁波共振能量再由發(fā)射裝置發(fā)射到鐵塔上安裝的在線監(jiān)測裝置電能接收端，然后使用聚焦天線模組獲取的能量，經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的電能。
[0013]該實用新型實踐依據(jù)電磁波共振原理實現(xiàn)，物體在特定頻率下會比較容易振動，在其他頻率下則不然，這些特定頻率稱為固有頻率或共振頻率。有著相同共振頻率的物體，彼此交換能量的效率比較高。如同樂器的共振實驗:兩個相同的音叉，敲其中一個，另一個也會抖動發(fā)聲。電磁波也是具有能量的波，具有相同共振頻率特性的線圈，可高效的傳輸能量。
[0014]將共振原理應(yīng)用于電力并不是首創(chuàng)。18世紀特斯拉的無線輸電構(gòu)想，就是在地球和電離層之間建立約8赫茲的低頻共振，利用環(huán)繞地球表面的電磁波傳輸能量。在地球和電離層構(gòu)成的天地諧振腔里，電磁波能量損耗很少。目前的超短波跨洋電臺就是該設(shè)想的具體實現(xiàn)，可使用較低的能量向足夠遠的距離傳送信號，這里信號也是一種能量。電磁波共振原理在一定條件下可起到自激作用，大大提供電能電場強度，特斯拉線圈就是一種體現(xiàn)。
[0015]本實用新型的優(yōu)點為:
[0016]在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)的成功推廣將使輸電線路上的電氣設(shè)備，做到真正的全天候、全日制工作，排除太陽能供電由于受能量轉(zhuǎn)換率、氣候環(huán)境及成本等因素限制。充分滿足設(shè)備對供能在全天候方面和長期穩(wěn)定性方面的要求，以較低的維護成本解決高壓輸電線路上難以普及實現(xiàn)在線實時監(jiān)控問題。
[0017]該系統(tǒng)將以在線監(jiān)測設(shè)備結(jié)合，如:“輸電線路防外力隱患在線監(jiān)測系統(tǒng)”等，為輸電線路的全天候、全日制在線實時監(jiān)控提供了可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1:導(dǎo)線端發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖2:鐵塔接收換能端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3:導(dǎo)線端發(fā)射端與整流穩(wěn)壓模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1-3所示，一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)包括導(dǎo)線端發(fā)射端、鐵塔接收換能端兩大部分:
[0022]導(dǎo)線端發(fā)射端分為如下幾個部分；
[0023](I)導(dǎo)線共振耦合線圈組1，共振耦合感應(yīng)線圈組在輸電線路輸送電能時，將導(dǎo)線周圍向外輻射的電場轉(zhuǎn)化為電磁能量，使得無用的線損電場加以利用。該線圈組由一組共振頻點與導(dǎo)線相符的線圈組成，分別適應(yīng)不同電壓等級與工況的導(dǎo)線。由于輸電線路輸送電能不是一成不變的，其變化幅度有時可以非常劇烈，此設(shè)計在保證35kV至500kV寬電壓等級工作的同時，也保證了對導(dǎo)線工況的容忍度，增加了系統(tǒng)的可靠度。
[0024]( 2 )升壓發(fā)射震蕩器2，設(shè)備箱中，在共振耦合感應(yīng)線圈組獲得能量后，遵循電磁波共振原理，電磁波的能量大小由坡印廷矢量決定，即S=EXH,其中S為坡印庭矢量，E為電場強度，H為磁場強度。電場強度依賴無線電波震蕩幅度，所以較大的震幅將有效提供換能效率。升壓發(fā)射震蕩器使用經(jīng)過以磁控管為核心的特殊結(jié)構(gòu)，將電磁波震幅放大200-300倍，以共振頻率發(fā)射。
[0025](3)發(fā)射換能控制器3，設(shè)備箱中，該控制器為自供電式智能控制器，是整個導(dǎo)線端發(fā)射端的神經(jīng)控制中樞。它將實時監(jiān)視共振耦合感應(yīng)線圈組工作狀態(tài)，動態(tài)切換送往升壓發(fā)射震蕩器的能量。同時，將實時監(jiān)測大氣的濕度變化，控制升壓發(fā)射震蕩器的共振點與工作方式，最大限度提高換能效率。同時，在必要時采取措施防止整個導(dǎo)線端發(fā)射端損害，造成不必要的損失，并通過無線數(shù)據(jù)通訊將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)出，相應(yīng)系統(tǒng)可直接了解供電系統(tǒng)狀態(tài)。
[0026](4)蜂窩矩陣天線4，為了滿足大距離范圍的無線電能傳輸?shù)囊?，同時又具有足夠的抗風(fēng)能力。該蜂窩矩陣天線系統(tǒng)同時滿足了抗風(fēng)與距離的要求。
[0027]導(dǎo)線端發(fā)射端的導(dǎo)線共振耦合線圈組輸出端與升壓發(fā)射震蕩器電源輸入端連接，將獲得的電能升壓并調(diào)制為高頻振蕩信號由天線接口送至蜂窩矩陣天線，進行信號發(fā)射。發(fā)射換能控制器通過獨立耦合方式將控制信號傳送至蜂窩矩陣天線，由蜂窩矩陣天線完成電能與控制信號的傳送功能。
[0028]鐵塔接收換能端分為如下幾個部分；
[0029]( I)聚焦接收模塊5，該模塊使用電磁波共振原理接收能量，并通過自激電磁場聚焦技術(shù)將能量聚焦于一個較小的范圍內(nèi)。通過線圈換能得到高頻交流電。
[0030](2)整流穩(wěn)壓模塊6，從聚焦接收模塊獲得高頻交流電能后，將由整流穩(wěn)壓模塊的肖特基整流橋進行整流，經(jīng)過高壓電容濾波得到相對穩(wěn)定的直流電能。此時直流電能為高壓、弱電流，該直流電能通過直流-直流轉(zhuǎn)換變?yōu)榉€(wěn)定的低壓、大電流直流電源，供在線監(jiān)測設(shè)備使用。
[0031]鐵塔接收換能端由聚焦接收模塊接收發(fā)射端的電能信號，由輸出端連接到整流穩(wěn)壓模塊。整流穩(wěn)壓模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電源輸出到用電設(shè)備。
[0032]本實用新型在實施過程中，將分為3大部分:[0033]( I)小規(guī)模試驗階段，該階段主要驗證技術(shù)原理實現(xiàn)，解決可能遇到的技術(shù)原理問題。擬使用民用市電進行試驗，在市電導(dǎo)線外圍安裝縮小的導(dǎo)線感應(yīng)取電線圈組，通過加載用電設(shè)備模擬電網(wǎng)導(dǎo)線輸電。依據(jù)市電參數(shù)設(shè)計實現(xiàn)各個模塊，系統(tǒng)輸出端使用萬用表測量電能傳輸電量。
[0034](2)原型試制試驗階段，該階段將進行實際系統(tǒng)個部分的開發(fā)、試制工作。并在試制工作完成后進行模擬線路試驗。
[0035](3)系統(tǒng)整合聯(lián)調(diào)階段，該階段將進行系統(tǒng)的塔上安裝作業(yè)，并與現(xiàn)有“輸電線路防外力隱患在線監(jiān)測系統(tǒng)”設(shè)備端連接，為其提供電能。
[0036]在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)屬于能量輻射換能系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的安全與可靠尤其重要。該系統(tǒng)利用電磁波共振原理進行能量傳輸，這一系統(tǒng)與現(xiàn)代無線電廣播的能量發(fā)射機制不同。由于電磁波共振原理的自激效應(yīng)，當(dāng)沒有與之共振頻率相同的電力接收端時，發(fā)射機只與天地諧振腔交換無功能量，整個系統(tǒng)只有很少的有功損耗，而如果是一般的無線電廣播，發(fā)射的能量則全部在空間中損耗掉了。也就是說在無接收端的情況下，由于無法形成共振，能量是無法傳遞的。即使發(fā)射端能量非常巨大但對于鐵塔、人體、周圍環(huán)境的影響等于零，其無法與發(fā)射端共振的物體根本不會獲得任何形式的能量。而且由于其共振特性，能量是以近乎直線的形式向外輻射的，可達到很高的傳輸效率。
[0037]考慮到人員上塔施工以及設(shè)備長年戶外工作，對于發(fā)射端和接收端的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。但對于本系統(tǒng)而言，其危險性還不及帶電作業(yè)時手握鐵質(zhì)扳手危險。這主要表現(xiàn)在兩個方面:
[0038]1、前面提到系統(tǒng)利用電磁波的共振偶合原理進行能量傳輸，除接收端外，其它任何物體(包括人體、鐵塔、工具等)根本無法實現(xiàn)共振，也自然無法進行能量獲??；
[0039]2、發(fā)射端和接收端天線系統(tǒng)并不是普通的無線電天線，而是一組具有相同共振特性的線圈。發(fā)射端使用IOkV絕緣導(dǎo)線繞制，接收端使用IkV絕緣漆包線繞制，同時天線外層具有保護外罩，以保護設(shè)備在惡劣天氣環(huán)境下長期可靠工作。即使人體直接接觸天線也不會有任何危險。在極端條件下，如絕緣層和保護外罩同時損壞，也僅會影響一定的傳輸效率。對于人體，其發(fā)射端和接收端天線均屬于高壓微電流系統(tǒng)，發(fā)射端工作電流6mA，接收端工作電流8mA，由于人體本身的阻抗特性基本不會對人體有影響。
[0040]同時，在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)應(yīng)用成熟的原理理論與完備的保護外殼，可保證系統(tǒng)可靠有效工作，并以太陽能-蓄電池(光伏)系統(tǒng)的1/10的成本與維護費用達到了 200%-500%的供電能力，與不可比擬的抗擊惡劣氣象條件的能力。
[0041]結(jié)構(gòu)特征:
[0042]I電場回收裝置，回收導(dǎo)線輻射電能
[0043]有效利用超高壓導(dǎo)線電磁特性，采用電磁感應(yīng)線圈將導(dǎo)線周圍的電磁能有效回收，并轉(zhuǎn)換為電能。應(yīng)用等電位工作原理，使回收裝置的電磁感應(yīng)線圈可以工作在110kV-220kV導(dǎo)線環(huán)境下，而不被高壓擊穿。通過這個裝置同時解決了裝置取電和能源浪費問題，并不受任何外界因素影響。
[0044]2無線感應(yīng)輸電裝置，在保證絕緣間隙的前提下有效傳輸電能
[0045]由于導(dǎo)線上電場回收裝置處于等電位狀態(tài)工作，無法使用導(dǎo)線將電能傳輸?shù)剿显诰€監(jiān)測設(shè)備。為了解決這個問題本實用新型使用了電磁共振耦合原理，設(shè)計實現(xiàn)了無線感應(yīng)輸電裝置。該裝置通過共振耦合，將電能以電磁波形式傳輸?shù)剿显O(shè)備，從而解決了等電位絕緣間隙的問題，并為電能傳輸開辟了新思路。該無線感應(yīng)輸電裝置由于沒有導(dǎo)線，在解決絕緣間隙問題的同時還大大加強了整個實用新型的可靠性與安全性。
【權(quán)利要求】
1.一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，其特征在于，該供電系統(tǒng)包括導(dǎo)線端發(fā)射端和鐵塔接收換能端，所述導(dǎo)線端發(fā)射端包括相互連接的導(dǎo)線共振耦合線圈組，升壓發(fā)射震蕩器，發(fā)射換能控制器和蜂窩矩陣天線；所述鐵塔接收換能端包括相互連接的聚焦接收模塊和整流穩(wěn)壓模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)線共振耦合線圈組包括一組共振頻點和導(dǎo)線相符的線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)線共振耦合線圈組的輸出端與升壓發(fā)射震蕩器的電源輸入端連接，將獲得的電能升壓調(diào)制為高頻振蕩信號送至蜂窩矩陣天線，進行信號發(fā)射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線監(jiān)測裝置感應(yīng)微波供電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射換能控制器通過獨立耦合方式將控制信號傳送至蜂窩矩陣天線，由蜂窩矩陣天線完成電能與控制信號的傳送功能。
【文檔編號】H02J17/00GK203554078SQ201320658556
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】馬進, 張寶華, 丁斌, 徐達 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司