一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型是一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，結(jié)合無線電能傳輸?shù)脑恚槍Ω哞F輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備電源供給難的問題，利用輸電線搭建無線電能傳輸系統(tǒng)，獲得長期穩(wěn)定的功率。免去了從固定工作站拉線送電的麻煩，保障了鐵路運行的安全可靠。采用電磁屏蔽層減小了傳輸過程中對外界環(huán)境的影響，開關(guān)和控制系統(tǒng)的引入使得無線電能傳輸系統(tǒng)的智能化程度大大提高，具有廣闊的市場前景。
【專利說明】
一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年來鐵路運輸?shù)牟粩嗵崴偌案咚倭熊嚨目焖侔l(fā)展，對于鐵路以及列車運行的安全要求隨之提高。因此，對列車運行各部的參數(shù)安全檢測顯得極為重要，如鐵路軌道的各類參數(shù)，包括:鐵軌溫度、應(yīng)力、沉降、變形等，對準(zhǔn)確判斷鐵軌狀態(tài)，控制列車運行速度都有著重要的意義;又如列車輸電線路的在線檢測，大電流、高電壓的輸電線路一旦發(fā)生斷電事故將對人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的危害。在此背景下，輸電線的在線監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其監(jiān)測范圍包括高壓開關(guān)的觸點和電纜接頭測溫、導(dǎo)線覆冰狀態(tài)、絕緣子污閃等。而受到輸電線路現(xiàn)場地理環(huán)境、絕緣安全和電氣隔離要求等的限制，高鐵輸電線的在線檢測設(shè)備的供電電源不能由低壓端直接供給，同時監(jiān)測設(shè)備距離供電站的距離又過于遠(yuǎn)，從供電站引線提供電源的方案也不現(xiàn)實。因此，優(yōu)質(zhì)電源供給成為制約輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)完善發(fā)展的重要因素，急需一種能保證供電長期性和功率穩(wěn)定性的功能方式和措施。
[0003]目前比較常用的輸電線路監(jiān)測設(shè)備供電方式有:太陽能電池板供電、激光供電和母線供電等。
[0004]1.太陽能電池板供電:在有太陽光照時，太陽能接收板一邊為在線監(jiān)測設(shè)備供電，另一部分對蓄電池充電，以便在陰天或是雨天時備用。這種方法存在以下弊端:1.輸出功率受到太陽能板面積的制約，且面積大不易安裝。2.在南方雨雪天較多的情況下，太陽能電池的利用率不高。
[0005]2.激光供電:在發(fā)射站通過大功率的激光發(fā)生器發(fā)光，并采用光纖將光能傳輸?shù)浇邮斩?，通過接收端的光電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化(光能轉(zhuǎn)化為電能)，為監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行供電。然而這種方法適用于平坦廣闊的平地，而對于林木繁茂和高低不平的山地來說就毫無意義。
[0006]3.母線供電:目前大多有關(guān)母線供電的研究均為電流互感器取能。由于輸電線上通的是大電流的交流電，所以在周圍空間會產(chǎn)生交變的磁場。通過在輸電線外套加上磁導(dǎo)體固定磁路，并根據(jù)電磁感應(yīng)的原理獲得能量，這也是一種新提出的供電方法。
[0007]然而這種取能方式也存在著弊端:1.安裝不方便，需要在高壓母線周圍套上磁芯，磁芯的固定難且成本高;2.輸電線電流波動大，當(dāng)電流小時，會造成能量獲取不夠，存在“取能死區(qū)”；當(dāng)電流過大時，會造成尖脈沖電流對元器件的損壞。
[0008]同時，目前的研究大多是在互感器的結(jié)構(gòu)、材料方面的改進(jìn)，從而使得傳輸效率提高。但目前這些研究的輸出能量很低，遠(yuǎn)不能滿足監(jiān)測設(shè)備所需的功率等級。
[0009]針對以上問題，本文提出了基于無線電能傳輸、利用輸電母線對監(jiān)測設(shè)備直接供電的一種方案。
[0010]無線電能傳輸主要有三種:
[0011]1.微波激光傳輸式，即直接采用微波或者激光進(jìn)行無線電能傳輸。這種技術(shù)的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)大功率，遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸;但其缺點也顯而易見，激光和微波的方向難以精確控制，且在傳輸過程中不能有任何的障礙物，此外，微波激光傳輸傳輸效率相對較低且對人體和其他生物會造成影響。
[0012]2.磁感應(yīng)耦合式，利用法拉第電磁感應(yīng)原理，對目標(biāo)實現(xiàn)近距離的無線電能傳輸。即當(dāng)有兩個線圈放置于相對較近位置時，一個線圈中的交變電流通過交變磁場的耦合作用，會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)無線電能的傳輸。這類技術(shù)在便攜式設(shè)備中得到應(yīng)用較多，如手機充電等等。
[0013]3.磁耦合諧振式，當(dāng)兩個物體的諧振頻率相同時，其之間可以通過磁耦合方式實現(xiàn)電能的無線傳輸，同時對周圍其他非諧振物體的影響又非常小，因而可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本實用新型要解決的技術(shù)問題是，針對高鐵輸電線及其他參數(shù)在線檢測設(shè)備的供電電源，設(shè)計無線電能傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備電源安全、穩(wěn)定的供給。
[0015]由于考慮到高鐵輸電線中的交變頻率為50Hz，而磁耦合諧振式的諧振頻率要求均為MHz以上，所以需要加上整流和逆變模塊，而這對實際工程應(yīng)用來說經(jīng)濟性和可操作性不強。因而采用磁感應(yīng)耦合式方案進(jìn)行設(shè)計。
[0016]—種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置包括兩個取電線夾、發(fā)射線圈、電磁屏蔽層、接收線圈、智能開關(guān)、開關(guān)信號控制系統(tǒng)；
[0017]兩個取電線夾分別夾在輸電線兩端，發(fā)射線圈與輸電線并聯(lián)，發(fā)射線圈正下方設(shè)置接收線圈，接收線圈為負(fù)載的在線檢測設(shè)備供能；
[0018]所述的智能開關(guān)安裝在發(fā)射線圈和接收線圈電路中，并由開關(guān)信號控制系統(tǒng)控制，發(fā)射線圈和接收線圈由電磁屏蔽層包覆以降低無線電能傳輸對外界的影響。
[0019]所述的發(fā)射線圈由直徑為5m、線徑為10mm、匝數(shù)為50且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈按多層密繞法繞制，線圈的形狀為圓形，且在線圈外圍涂設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對外圍空間的電磁場進(jìn)行屏蔽，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容，形成了 RLC諧振電路。
[0020]所述的接收線圈由直徑為5m、線徑為5mm、匝數(shù)為40且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容。
[0021]所述的傳輸裝置還包括濾波調(diào)諧電路，所述的濾波調(diào)諧電路與接收線圈相連，所述的濾波調(diào)諧電路中的電阻為可變電阻，電容為可變電容，濾波調(diào)諧電路可以濾去接收線圈中的電流高次諧波，保證負(fù)載端供電電能的質(zhì)量。且低通濾波電路中的電阻值和電容值可以自由調(diào)節(jié)，改變?yōu)V波特性，根據(jù)負(fù)載端所需要的電源頻率做調(diào)整，達(dá)到最好的濾波效果O
[0022]所述的發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)均設(shè)有磁芯固定磁路。發(fā)射線圈和接收線圈均采用圓形結(jié)構(gòu)，且直徑大小相同，二者正對放置，增大了耦合磁場的有效接觸面積，提高了傳輸?shù)男省Ｇ曳墙佑|式的發(fā)射裝置與接收裝置之間不存在電擊穿，過熱燒毀絕緣層，機械磨損等潛在危險，可靠性高，且結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)。
[0023]所述的裝置還包括中繼線圈，所述的中繼線圈位于發(fā)射線圈和接收線圈中間，并與發(fā)射線圈和接收線圈正對，由直徑為6m、線徑為10mm、匝數(shù)為20且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，并串聯(lián)有可變電容和可變阻抗。
[0024]所述無線能量傳輸裝置的能量傳輸方法是:
[0025]兩個取電線夾分別夾持在輸電線的兩端，從輸電線上取電，通過取電線夾將電壓施加于發(fā)射線圈上，發(fā)射線圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和串聯(lián)的耐高壓可變金屬薄膜電容形成RLC諧振電路，在發(fā)射線圈端電壓相同的情況下使得發(fā)射線圈中交變電流有效值最大，發(fā)射線圈中的交變電流產(chǎn)生的交變強磁場，以磁感應(yīng)耦合的方式傳輸給接收線圈，
[0026]接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過濾波調(diào)諧電路濾去高次諧波，同時根據(jù)負(fù)載需要，可通過改變可變電阻和可變電容的大小改變?yōu)V波協(xié)調(diào)電路的濾波特性，濾去不同頻率值的高次諧波，并向負(fù)載的在線檢測設(shè)備供能；
[0027]發(fā)射線圈和接收線圈由電磁屏蔽層包覆以降低無線電能傳輸對外界的影響，并由磁芯固定磁路；
[0028]開關(guān)信號控制系統(tǒng)通過智能開關(guān)的開閉控制發(fā)射線圈和接收線圈。從而使得負(fù)載端的檢測設(shè)備以無線方式獲得可靠且穩(wěn)定的電源，避免了傳統(tǒng)從供電站引線的諸多問題，同時也克服了太陽能板、激光供電等對環(huán)境地形要求高，普適性差的問題。
[0029]兩個取電線夾可根據(jù)實際需要移動位置，當(dāng)負(fù)載所需功率變大或變小時，可相應(yīng)增大或減小兩線夾之間的距離，從而改變發(fā)射線圈中的電流大小以調(diào)節(jié)功率。
[0030]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是:高鐵輸電線和高壓電檢測設(shè)備的電源難供給，從供電站引線提供電源距離遠(yuǎn)且不經(jīng)濟。急需一種能保證供電長期性和功率穩(wěn)定性的功能方式和措施，而本裝置采用的基于無線電能傳輸原理的非接觸式供電系統(tǒng)克服了目前太陽能電池供電、激光供電等方式不普適的缺點，結(jié)構(gòu)簡單且安全可靠，更具推廣性，且目前沒有相關(guān)的課題研究，獨創(chuàng)性。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是本實用新型的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖2是發(fā)射線圈與接收線圈構(gòu)成的無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖；
[0033]其中:I高鐵輸電線，2取電線夾，3發(fā)射線圈，4電磁屏蔽層，5接收線圈，6智能開關(guān)，7開關(guān)信號控制系統(tǒng)，8濾波調(diào)諧電路，9負(fù)載在線監(jiān)測設(shè)備；
[0034]圖3是本實用新型無線電能傳輸系統(tǒng)的電路整體等效圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合實例和附圖對本實用新型的基于高鐵輸電線供能的無線電能傳輸系統(tǒng)做詳細(xì)說明。
[0036]如圖1所示，一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置包括兩個取電線夾
2、發(fā)射線圈3、電磁屏蔽層4、接收線圈5、智能開關(guān)6、開關(guān)信號控制系統(tǒng)7，兩個取電線夾2分別夾在輸電線I兩端，發(fā)射線圈3與輸電線I并聯(lián)，發(fā)射線圈3正下方設(shè)置接收線圈5，接收線圈5為負(fù)載的在線檢測設(shè)備9供能，所述的智能開關(guān)6安裝在發(fā)射線圈3和接收線圈5電路中，并由開關(guān)信號控制系統(tǒng)7控制，發(fā)射線圈3和接收線圈5由電磁屏蔽層4包覆以降低無線電能傳輸對外界的影響。所述的傳輸裝置還包括濾波調(diào)諧電路8，所述的濾波調(diào)諧電路8與接收線圈5相連，所述的濾波調(diào)諧電路8中的電阻為可變電阻，電容為可變電容，濾波調(diào)諧電路8可以濾去接收線圈中的電流高次諧波，保證負(fù)載端供電電能的質(zhì)量。且低通濾波電路中的電阻值和電容值可以自由調(diào)節(jié)，改變?yōu)V波特性，根據(jù)負(fù)載端所需要的電源頻率做調(diào)整，達(dá)到最好的濾波效果。
[0037]如圖2所述，所述的發(fā)射線圈3由直徑為5m、線徑為10mm、匝數(shù)為50且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈按多層密繞法繞制，線圈的形狀為圓形，且在線圈外圍涂設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對外圍空間的電磁場進(jìn)行屏蔽，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容，形成了 RLC諧振電路。
[0038]所述的接收線圈5由直徑為5m、線徑為5mm、匝數(shù)為40且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容。
[0039]所述的發(fā)射線圈3和接收線圈5內(nèi)均設(shè)有磁芯固定磁路。發(fā)射線圈和接收線圈均采用圓形結(jié)構(gòu)，且直徑大小相同，二者正對放置，增大了耦合磁場的有效接觸面積，提高了傳輸?shù)男?。且非接觸式的發(fā)射裝置與接收裝置之間不存在電擊穿，過熱燒毀絕緣層，機械磨損等潛在危險，可靠性尚，且結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)。
[0040]優(yōu)選的，所述的裝置還包括中繼線圈，所述的中繼線圈位于發(fā)射線圈3和接收線圈5中間，并與發(fā)射線圈3和接收線圈5正對，由直徑為6m、線徑為10mm、匝數(shù)為20且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，并串聯(lián)有可變電容和可變阻抗。
[0041 ]所述無線能量傳輸裝置的能量傳輸方法是:
[0042]兩個取電線夾2分別夾持在輸電線I的兩端，從輸電線I上取電，通過取電線夾將電壓施加于發(fā)射線圈上，發(fā)射線圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和串聯(lián)的耐高壓可變金屬薄膜電容形成RLC諧振電路，在發(fā)射線圈端電壓相同的情況下使得發(fā)射線圈中交變電流有效值最大，發(fā)射線圈3中的交變電流產(chǎn)生的交變強磁場，以磁感應(yīng)耦合的方式傳輸給接收線圈5，
[0043]接收線圈5產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過濾波調(diào)諧電路8濾去高次諧波，同時根據(jù)負(fù)載需要，可通過改變可變電阻和可變電容的大小改變?yōu)V波協(xié)調(diào)電路的濾波特性，濾去不同頻率值的高次諧波，并向負(fù)載的在線檢測設(shè)備9供能；
[0044]發(fā)射線圈3和接收線圈5由電磁屏蔽層4包覆以降低無線電能傳輸對外界的影響，并由磁芯固定磁路；
[0045]開關(guān)信號控制系統(tǒng)7通過智能開關(guān)6的開閉控制發(fā)射線圈3和接收線圈5。從而使得負(fù)載端的檢測設(shè)備以無線方式獲得可靠且穩(wěn)定的電源，避免了傳統(tǒng)從供電站引線的諸多問題，同時也克服了太陽能板、激光供電等對環(huán)境地形要求高，普適性差的問題。
【主權(quán)項】
1.一種高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于包括兩個取電線夾(2)、發(fā)射線圈(3)、電磁屏蔽層(4)、接收線圈(5)、智能開關(guān)(6)、開關(guān)信號控制系統(tǒng)(7); 兩個取電線夾(2)分別夾在輸電線(I)兩端，發(fā)射線圈(3)與輸電線(I)并聯(lián)，發(fā)射線圈(3)正下方設(shè)置接收線圈(5)，接收線圈(5)為負(fù)載的在線檢測設(shè)備(9)供能； 所述的智能開關(guān)(6)安裝在發(fā)射線圈(3)和接收線圈(5)電路中，并由開關(guān)信號控制系統(tǒng)(7)控制，發(fā)射線圈(3)和接收線圈(5)由電磁屏蔽層(4)包覆以降低無線電能傳輸對外界的影響。2.如權(quán)利要求1所述的高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于所述的發(fā)射線圈(3)由直徑為5m、線徑為10mm、匝數(shù)為50且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，線圈按多層密繞法繞制，線圈的形狀為圓形，且在線圈外圍涂設(shè)有高導(dǎo)磁鐵氧體對外圍空間的電磁場進(jìn)行屏蔽，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容，形成了 RLC諧振電路。3.如權(quán)利要求1所述的高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于所述的接收線圈(5)由直徑為5m、線徑為5mm、匝數(shù)為40且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，其所有線圈均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)增大耦合電感，并串聯(lián)耐高壓的可變金屬薄膜電容。4.如權(quán)利要求1所述的高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于所述的傳輸裝置還包括濾波調(diào)諧電路(8)，所述的濾波調(diào)諧電路(8)與接收線圈(5)相連，所述的濾波調(diào)諧電路(8)中的電阻為可變電阻，電容為可變電容。5.如權(quán)利要求2或3所述的高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于所述的發(fā)射線圈(3)和接收線圈(5)內(nèi)均設(shè)有磁芯固定磁路。6.如權(quán)利要求1所述的高壓輸電線非接觸供電的無線能量傳輸裝置，其特征在于所述的裝置還包括中繼線圈，所述的中繼線圈位于發(fā)射線圈(3)和接收線圈(5)中間，并與發(fā)射線圈(3)和接收線圈(5)正對，由直徑為6m、線徑為10mm、匝數(shù)為20且相互絕緣的銅質(zhì)漆包線繞制而成，并串聯(lián)有可變電容和可變阻抗。
【文檔編號】H01F38/14GK205489820SQ201620237417
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】方攸同, 朱旻宸, 周晶, 譚平, 黃曉艷, 馬吉恩, 張健
【申請人】浙江大學(xué)