在线监测装置感应微波供电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种在线监测装置感应微波供电系统，该供电系统包括导线端发射端和铁塔接收换能端，所述导线端发射端包括：导线共振耦合线圈组，升压发射震荡器，发射换能控制器和蜂窝矩阵天线。所述铁塔接收换能端包括：聚焦接收模块和整流稳压模块。该微波供电系统充分满足设备对供能在全天候方面和长期稳定性方面的要求，以较低的维护成本解决高压输电线路上难以普及实现在线实时监控问题。
【专利说明】在线监测装置感应微波供电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及在线供电系统，特别是涉及一种在线监测装置感应微波供电系统。
【背景技术】
[0002]随着智能电网的不断发展、深入，工作在高压输电线路上的电气设备越来越多，如电力线路各类在线监测装置、线路设备防盗装置、巡线机器人、带电作业机器人等，由于大多的输电线路地处偏远，难以按常规办法解决电源供给问题，因而这些设备的供电一般采用太阳能供电。太阳能供电由于受能量转换率、气候环境及成本等因素限制，无法充分满足设备对供能在全天候方面和长期稳定性方面的要求，不得不加入蓄电池以存储电能。但由于蓄电池本身的寿命与工作温度问题使得设备的维护成本大大增加，导致在各种气象条件下长期可靠稳定工作。目前需要一种可以在适应各种恶劣天气、全天候稳定可靠供电、长期免维护运行、低成本的供电系统。
[0003]电力行业架空输电线路设备供电技术主要有太阳能电池板供电、风光互补供电、导线引流取电等几种，经挂网实践证明太阳能电池板供电、风光互补供电等几项技术均是通过在自然能转化电能装置，通过将自然界太阳光能、风能应用太阳能电池板、风力发电机进行回收转化为电能，该种供电技术形式，因受其电能获取原理所限，受到外界环境影响极大，在气象条件不理想的情况下很难发挥作用，而在线监测装置恰恰是在这时最需要发挥作用。超高压感应微波在线供电系统是解决在线监测装置全天候工作的有效措施之一。超高压感应微波在线供电系统通过超高压导线电场回收技术与无线近场电能传输技术，将架空输电线路导线周围的辐射电场回收、传输并转化为在线监测装置可以使用的电能。超高压感应微波在线供电系统由于在取能-换能方式和设计理念上的独到之处，使其具有适应各种恶劣天气、全天候稳定可靠供电、长期免维护运行、低成本等特点，从而克服了太阳能电池板供电、风光互补供电、导线引流取电的不足之处，并回收导线辐射电能，成为解决在线监恻设备供能难题的绝佳选择。
【发明内容】
[0004]针对以上现有技术的不足，本实用新型提供一种在线监测装置感应微波供电系统，以回收-微波输送结为技术手段，实现导线电场能量回收利用，转化为在线监测装置可用的电能。同时通过采用微波共振原理在空气中有效传输电能，从而提供了回收取电的绝缘间隙解决了导线电场电位差问题。
[0005]本实用新型的技术方案如下:
[0006]一种在线监测装置感应微波供电系统，供电系统包括导线端发射端和铁塔接收换能端，所述导线端发射端包括相互连接的导线共振耦合线圈组，升压发射震荡器，发射换能控制器和蜂窝矩阵天线；所述铁塔接收换能端包括相互连接的聚焦接收模块和整流稳压模块。[0007]进一步，所述导线共振耦合线圈组包括一组共振频点和导线相符的线圈。
[0008]进一步，所述导线共振耦合线圈组的输出端与升压发射震荡器的电源输入端连接，将获得的电能升压调制为高频振荡信号送至蜂窝矩阵天线，进行信号发射。
[0009]进一步，所述发射换能控制器通过独立耦合方式将控制信号传送至蜂窝矩阵天线，由蜂窝矩阵天线完成电能与控制信号的传送功能。
[0010]工作原理:
[0011]本实用新型将依据电磁波共振能量转换原理最终实现为在线监测设备提供有效、可靠、安全的电能供应。电磁波是电磁场的一种运动形态，电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场(即电流会产生磁场),变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了 一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=EXH,其中s为坡印庭矢量，E为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是W / m~2 ;电磁波同时可理解成为一种物质且具有能量。
[0012]在线监测装置感应微波供电系统使用成熟的电磁波共振能量转换原理，通过专用装置实现从导线截获辐射能量将其转化为电磁波共振能量。即将导线正常向外辐射的能量经过处理，将其转化为稳定的电磁波共振能量再由发射装置发射到铁塔上安装的在线监测装置电能接收端，然后使用聚焦天线模组获取的能量，经过降压、整流、滤波、稳压后输出稳定的电能。
[0013]该实用新型实践依据电磁波共振原理实现，物体在特定频率下会比较容易振动，在其他频率下则不然，这些特定频率称为固有频率或共振频率。有着相同共振频率的物体，彼此交换能量的效率比较高。如同乐器的共振实验:两个相同的音叉，敲其中一个，另一个也会抖动发声。电磁波也是具有能量的波，具有相同共振频率特性的线圈，可高效的传输能量。
[0014]将共振原理应用于电力并不是首创。18世纪特斯拉的无线输电构想，就是在地球和电离层之间建立约8赫兹的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波传输能量。在地球和电离层构成的天地谐振腔里，电磁波能量损耗很少。目前的超短波跨洋电台就是该设想的具体实现，可使用较低的能量向足够远的距离传送信号，这里信号也是一种能量。电磁波共振原理在一定条件下可起到自激作用，大大提供电能电场强度，特斯拉线圈就是一种体现。
[0015]本实用新型的优点为:
[0016]在线监测装置感应微波供电系统的成功推广将使输电线路上的电气设备，做到真正的全天候、全日制工作，排除太阳能供电由于受能量转换率、气候环境及成本等因素限制。充分满足设备对供能在全天候方面和长期稳定性方面的要求，以较低的维护成本解决高压输电线路上难以普及实现在线实时监控问题。
[0017]该系统将以在线监测设备结合，如:“输电线路防外力隐患在线监测系统”等，为输电线路的全天候、全日制在线实时监控提供了可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1:导线端发射端结构示意图；[0019]图2:铁塔接收换能端结构示意图；
[0020]图3:导线端发射端与整流稳压模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1-3所示，一种在线监测装置感应微波供电系统包括导线端发射端、铁塔接收换能端两大部分:
[0022]导线端发射端分为如下几个部分；
[0023](I)导线共振耦合线圈组1，共振耦合感应线圈组在输电线路输送电能时，将导线周围向外辐射的电场转化为电磁能量，使得无用的线损电场加以利用。该线圈组由一组共振频点与导线相符的线圈组成，分别适应不同电压等级与工况的导线。由于输电线路输送电能不是一成不变的，其变化幅度有时可以非常剧烈，此设计在保证35kV至500kV宽电压等级工作的同时，也保证了对导线工况的容忍度，增加了系统的可靠度。
[0024]( 2 )升压发射震荡器2，设备箱中，在共振耦合感应线圈组获得能量后，遵循电磁波共振原理，电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=EXH,其中S为坡印庭矢量，E为电场强度，H为磁场强度。电场强度依赖无线电波震荡幅度，所以较大的震幅将有效提供换能效率。升压发射震荡器使用经过以磁控管为核心的特殊结构，将电磁波震幅放大200-300倍，以共振频率发射。
[0025](3)发射换能控制器3，设备箱中，该控制器为自供电式智能控制器，是整个导线端发射端的神经控制中枢。它将实时监视共振耦合感应线圈组工作状态，动态切换送往升压发射震荡器的能量。同时，将实时监测大气的湿度变化，控制升压发射震荡器的共振点与工作方式，最大限度提高换能效率。同时，在必要时采取措施防止整个导线端发射端损害，造成不必要的损失，并通过无线数据通讯将监测数据发出，相应系统可直接了解供电系统状态。
[0026](4)蜂窝矩阵天线4，为了满足大距离范围的无线电能传输的要求，同时又具有足够的抗风能力。该蜂窝矩阵天线系统同时满足了抗风与距离的要求。
[0027]导线端发射端的导线共振耦合线圈组输出端与升压发射震荡器电源输入端连接，将获得的电能升压并调制为高频振荡信号由天线接口送至蜂窝矩阵天线，进行信号发射。发射换能控制器通过独立耦合方式将控制信号传送至蜂窝矩阵天线，由蜂窝矩阵天线完成电能与控制信号的传送功能。
[0028]铁塔接收换能端分为如下几个部分；
[0029]( I)聚焦接收模块5，该模块使用电磁波共振原理接收能量，并通过自激电磁场聚焦技术将能量聚焦于一个较小的范围内。通过线圈换能得到高频交流电。
[0030](2)整流稳压模块6，从聚焦接收模块获得高频交流电能后，将由整流稳压模块的肖特基整流桥进行整流，经过高压电容滤波得到相对稳定的直流电能。此时直流电能为高压、弱电流，该直流电能通过直流-直流转换变为稳定的低压、大电流直流电源，供在线监测设备使用。
[0031]铁塔接收换能端由聚焦接收模块接收发射端的电能信号，由输出端连接到整流稳压模块。整流稳压模块将接收到的信号转换为稳定直流电源输出到用电设备。
[0032]本实用新型在实施过程中，将分为3大部分:[0033]( I)小规模试验阶段，该阶段主要验证技术原理实现，解决可能遇到的技术原理问题。拟使用民用市电进行试验，在市电导线外围安装缩小的导线感应取电线圈组，通过加载用电设备模拟电网导线输电。依据市电参数设计实现各个模块，系统输出端使用万用表测量电能传输电量。
[0034](2)原型试制试验阶段，该阶段将进行实际系统个部分的开发、试制工作。并在试制工作完成后进行模拟线路试验。
[0035](3)系统整合联调阶段，该阶段将进行系统的塔上安装作业，并与现有“输电线路防外力隐患在线监测系统”设备端连接，为其提供电能。
[0036]在线监测装置感应微波供电系统属于能量辐射换能系统，对于系统的安全与可靠尤其重要。该系统利用电磁波共振原理进行能量传输，这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同。由于电磁波共振原理的自激效应，当没有与之共振频率相同的电力接收端时，发射机只与天地谐振腔交换无功能量，整个系统只有很少的有功损耗，而如果是一般的无线电广播，发射的能量则全部在空间中损耗掉了。也就是说在无接收端的情况下，由于无法形成共振，能量是无法传递的。即使发射端能量非常巨大但对于铁塔、人体、周围环境的影响等于零，其无法与发射端共振的物体根本不会获得任何形式的能量。而且由于其共振特性，能量是以近乎直线的形式向外辐射的，可达到很高的传输效率。
[0037]考虑到人员上塔施工以及设备长年户外工作，对于发射端和接收端的安全性与可靠性是至关重要的。但对于本系统而言，其危险性还不及带电作业时手握铁质扳手危险。这主要表现在两个方面:
[0038]1、前面提到系统利用电磁波的共振偶合原理进行能量传输，除接收端外，其它任何物体(包括人体、铁塔、工具等)根本无法实现共振，也自然无法进行能量获取；
[0039]2、发射端和接收端天线系统并不是普通的无线电天线，而是一组具有相同共振特性的线圈。发射端使用IOkV绝缘导线绕制，接收端使用IkV绝缘漆包线绕制，同时天线外层具有保护外罩，以保护设备在恶劣天气环境下长期可靠工作。即使人体直接接触天线也不会有任何危险。在极端条件下，如绝缘层和保护外罩同时损坏，也仅会影响一定的传输效率。对于人体，其发射端和接收端天线均属于高压微电流系统，发射端工作电流6mA，接收端工作电流8mA，由于人体本身的阻抗特性基本不会对人体有影响。
[0040]同时，在线监测装置感应微波供电系统应用成熟的原理理论与完备的保护外壳，可保证系统可靠有效工作，并以太阳能-蓄电池(光伏)系统的1/10的成本与维护费用达到了 200%-500%的供电能力，与不可比拟的抗击恶劣气象条件的能力。
[0041]结构特征:
[0042]I电场回收装置，回收导线辐射电能
[0043]有效利用超高压导线电磁特性，采用电磁感应线圈将导线周围的电磁能有效回收，并转换为电能。应用等电位工作原理，使回收装置的电磁感应线圈可以工作在110kV-220kV导线环境下，而不被高压击穿。通过这个装置同时解决了装置取电和能源浪费问题，并不受任何外界因素影响。
[0044]2无线感应输电装置，在保证绝缘间隙的前提下有效传输电能
[0045]由于导线上电场回收装置处于等电位状态工作，无法使用导线将电能传输到塔上在线监测设备。为了解决这个问题本实用新型使用了电磁共振耦合原理，设计实现了无线感应输电装置。该装置通过共振耦合，将电能以电磁波形式传输到塔上设备，从而解决了等电位绝缘间隙的问题，并为电能传输开辟了新思路。该无线感应输电装置由于没有导线，在解决绝缘间隙问题的同时还大大加强了整个实用新型的可靠性与安全性。
【权利要求】
1.一种在线监测装置感应微波供电系统，其特征在于，该供电系统包括导线端发射端和铁塔接收换能端，所述导线端发射端包括相互连接的导线共振耦合线圈组，升压发射震荡器，发射换能控制器和蜂窝矩阵天线；所述铁塔接收换能端包括相互连接的聚焦接收模块和整流稳压模块。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测装置感应微波供电系统，其特征在于，所述导线共振耦合线圈组包括一组共振频点和导线相符的线圈。
3.根据权利要求1所述的一种在线监测装置感应微波供电系统，其特征在于，所述导线共振耦合线圈组的输出端与升压发射震荡器的电源输入端连接，将获得的电能升压调制为高频振荡信号送至蜂窝矩阵天线，进行信号发射。
4.根据权利要求1所述的一种在线监测装置感应微波供电系统，其特征在于，所述发射换能控制器通过独立耦合方式将控制信号传送至蜂窝矩阵天线，由蜂窝矩阵天线完成电能与控制信号的传送功能。
【文档编号】H02J17/00GK203554078SQ201320658556
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】马进, 张宝华, 丁斌, 徐达 申请人:国家电网公司, 国网冀北电力有限公司张家口供电公司