[實用新型]高電壓場合應用遠距離無線電能傳輸線圈裝置

有效

• 申請號: 201620057749.4
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN205355968U
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發明（設計）人: 陳為;鄭心城
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J50/50
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本實用新型涉及遠距離無線電能傳輸領域，特別是一種高電壓場合應用遠距離無線電能傳輸線圈裝置。

背景技術

高壓輸電線是電力系統的動脈，尤其是220kV及以上電壓等級的線路。所以有必要對高壓輸電線實時保護，在線監控就是其中必不可少的一個環節。高壓輸電線一般分布在荒郊野外，沒有合適的低壓電源為監控設備提供電能。目前主要采用太陽能電池板或小型風力發電機供電，但是，它們難免受到自然條件的限制，并且成本高、維護難。為解決監控的電源問題，可以采用遠距離無線電能傳輸的方式實現電能遠距離傳輸。無線電能傳輸中為了滿足高壓側發射線圈和低壓側接收線圈的良好隔離，傳輸距離需滿足“水利水電工程高壓配電裝置設計規范(SL311-2004)”。由于高電壓場合應用的絕緣距離比較遠，往往需要通過一個或多個中繼線圈來提高電能的傳輸效率，而中繼線圈的引入又會帶來高壓絕緣問題。

遠距離無線電能傳輸是將發射側的電能轉換成高頻交流電，施加在發射線圈上，這個交變電流產生交變磁場，交變磁場耦合到接收線圈，并通過諧振電路和阻抗匹配，將電能傳輸到接收側。具體工作流程如說明書附圖圖1所示。諧振網絡和磁耦合結構是無線電能傳輸系統的核心內容。常用的磁耦合結構如串聯-串聯諧振和串聯-并聯諧振。串聯-串聯諧振網絡如說明書附圖圖2所示。在高壓場合常用的磁耦合系統結構有如下三種。

1.兩耦合線圈方案：

磁耦合系統(發射和接收線圈)采用兩個空心線圈是最常見的方案，線圈結構有集中式環形線圈、平面螺旋線圈、方形線圈等。這種結構質量輕，設計簡單，但是體積大。應用在高壓輸電線在線監控設備供電的示意圖如說明書附圖圖3所示。接收線圈和發射線圈分別通過絕緣棒固定在絕緣子串的兩端，兩線圈之間的介質是空氣，線圈正對排列，其相對距離就是絕緣子串的長度。

2.帶絕緣棒的兩線圈方案：

針對空心線圈傳輸效率低、線圈體積大的問題，有學者提出帶絕緣棒的方案，如說明書附圖圖4所示。發射線圈和接收線圈分別纏繞在一個鐵氧體磁芯上。中間用弱導磁性的絕緣棒相連。由于絕緣棒帶有弱磁性，起到聚磁的作用，可以有效提高耦合系數。針對戶內場合，絕緣棒相對空氣有更好的絕緣性能，可以有效減小傳輸距離。另外漏磁通的減少也可以減少電磁干擾的現象。

3.多線圈方案：

要實現電能長距離無線傳輸和線圈的小型化，多線圈聯合使用時有必要的。在專利CN104901437A中采用的是在支柱絕緣子上放置多個線圈。結構如說明書附圖圖5所示。支柱絕緣子的上下部分是端蓋，其材質可以是鋁合金等金屬，用于連接、固定絕緣子。絕緣子材質為環氧樹脂或電瓷。金屬導線繞在絕緣子上。線圈可以是只有上下兩個收發線圈；也可以在兩個收發線圈中加入1個或若干個中繼線圈。

如果采用方案一，從標準SL311-2004可知，220kV的帶電體至接地體的安全凈距不小于1.8m，要實現電能的傳輸必須有足夠大尺寸的線圈。但是，這并不實際，其一是線圈過大安裝不方便，維護更不方便；其二，過大的線圈很多時候會破壞原有的絕緣；其三，能夠安裝線圈的空間是有限的。

方案二比較適合應用在室內場合。但是，大多數高壓設備是放在戶外，例如高壓斷路器、高壓輸電線。這種情況下，絕緣棒會收到粉塵、雨水、覆冰等影響，容易發生污閃、濕閃。所以，要求絕緣棒的距離不得小于輸電線或高壓設備絕緣子的總長度。因此，效果也并不理想。

方案三是在絕緣子的基礎上改造的。但是，絕緣子的外形、尺寸是有嚴格的國家標準規定。在絕緣子上纏繞線圈不僅破壞了絕緣子的外形；而且直接影響到原有的電場分布，有可能會使絕緣子失效。要實現該方案需要特殊設計的絕緣子。

發明內容

有鑒于此，本實用新型的目的是提供一種高電壓場合應用遠距離無線電能傳輸線圈裝置，結構簡單，易于實現，既能提高無線電能傳輸的效率又能保證高壓側與低壓側的絕緣。

本實用新型采用以下方案實現：一種高電壓場合應用遠距離無線電能傳輸線圈裝置，包括發射線圈、接收線圈、中繼線圈；所述發射線圈和接收線圈分別設置在高電位和地電位，所述發射線圈和接收線圈之間形成高壓電場分布，所述中繼線圈設置于所述發射線圈和接收線圈之間；所述中繼線圈為薄形曲面形狀，其曲面形狀與所述高壓電場的等位面分布一致。即線圈繞組沿著等電位面排列。由于中繼線圈導體形成一個電位浮動的等電位體，如其形狀與等電位面一致，則中繼線圈的引入就不會改變原有電場的分布，不會在線圈導體的邊緣形成局部電場強度的尖端效應，也就不改變和影響原有絕緣結構的絕緣性能。