CN105449874A - 高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，将发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位，所述发射线圈和接收线圈之间形成高压电场分布，将中继线圈设置于所述发射线圈和接收线圈之间；所述中继线圈为薄形曲面形状，其曲面形状与所述高压电场的等位面分布一致。本发明结构简单，易于实现，既能提高无线电能传输的效率又能保证高压侧与低压侧的绝缘。

Description

高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法

技术领域

本发明涉及远距离无线电能传输领域，特别是一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法。

背景技术

高压输电线是电力***的动脉，尤其是220kV及以上电压等级的线路。所以有必要对高压输电线实时保护，在线监控就是其中必不可少的一个环节。高压输电线一般分布在荒郊野外，没有合适的低压电源为监控设备提供电能。目前主要采用太阳能电池板或小型风力发电机供电，但是，它们难免受到自然条件的限制，并且成本高、维护难。为解决监控的电源问题，可以采用远距离无线电能传输的方式实现电能远距离传输。无线电能传输中为了满足高压侧发射线圈和低压侧接收线圈的良好隔离，传输距离需满足“水利水电工程高压配电装置设计规范(SL311-2004)”。由于高电压场合应用的绝缘距离比较远，往往需要通过一个或多个中继线圈来提高电能的传输效率，而中继线圈的引入又会带来高压绝缘问题。

远距离无线电能传输是将发射侧的电能转换成高频交流电，施加在发射线圈上，这个交变电流产生交变磁场，交变磁场耦合到接收线圈，并通过谐振电路和阻抗匹配，将电能传输到接收侧。具体工作流程如说明书附图图1所示。谐振网络和磁耦合结构是无线电能传输***的核心内容。常用的磁耦合结构如串联-串联谐振和串联-并联谐振。串联-串联谐振网络如说明书附图图2所示。在高压场合常用的磁耦合***结构有如下三种。

1.两耦合线圈方案：

磁耦合***(发射和接收线圈)采用两个空心线圈是最常见的方案，线圈结构有集中式环形线圈、平面螺旋线圈、方形线圈等。这种结构质量轻，设计简单，但是体积大。应用在高压输电线在线监控设备供电的示意图如说明书附图图3所示。接收线圈和发射线圈分别通过绝缘棒固定在绝缘子串的两端，两线圈之间的介质是空气，线圈正对排列，其相对距离就是绝缘子串的长度。

2.带绝缘棒的两线圈方案：

针对空心线圈传输效率低、线圈体积大的问题，有学者提出带绝缘棒的方案，如说明书附图图4所示。发射线圈和接收线圈分别缠绕在一个铁氧体磁芯上。中间用弱导磁性的绝缘棒相连。由于绝缘棒带有弱磁性，起到聚磁的作用，可以有效提高耦合系数。针对户内场合，绝缘棒相对空气有更好的绝缘性能，可以有效减小传输距离。另外漏磁通的减少也可以减少电磁干扰的现象。

3.多线圈方案：

要实现电能长距离无线传输和线圈的小型化，多线圈联合使用时有必要的。在专利CN104901437A中采用的是在支柱绝缘子上放置多个线圈。结构如说明书附图图5所示。支柱绝缘子的上下部分是端盖，其材质可以是铝合金等金属，用于连接、固定绝缘子。绝缘子材质为环氧树脂或电瓷。金属导线绕在绝缘子上。线圈可以是只有上下两个收发线圈；也可以在两个收发线圈中加入1个或若干个中继线圈。

如果采用方案一，从标准SL311-2004可知，220kV的带电体至接地体的安全净距不小于1.8m，要实现电能的传输必须有足够大尺寸的线圈。但是，这并不实际，其一是线圈过大安装不方便，维护更不方便；其二，过大的线圈很多时候会破坏原有的绝缘；其三，能够安装线圈的空间是有限的。

方案二比较适合应用在室内场合。但是，大多数高压设备是放在户外，例如高压断路器、高压输电线。这种情况下，绝缘棒会收到粉尘、雨水、覆冰等影响，容易发生污闪、湿闪。所以，要求绝缘棒的距离不得小于输电线或高压设备绝缘子的总长度。因此，效果也并不理想。

方案三是在绝缘子的基础上改造的。但是，绝缘子的外形、尺寸是有严格的国家标准规定。在绝缘子上缠绕线圈不仅破坏了绝缘子的外形；而且直接影响到原有的电场分布，有可能会使绝缘子失效。要实现该方案需要特殊设计的绝缘子。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，结构简单，易于实现，既能提高无线电能传输的效率又能保证高压侧与低压侧的绝缘。

本发明采用以下方案实现：一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，具体将发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位，所述发射线圈和接收线圈之间形成高压电场分布，将中继线圈设置于所述发射线圈和接收线圈之间；所述中继线圈为薄形曲面形状，其曲面形状与所述高压电场的等位面分布一致。即线圈绕组沿着等电位面排列。由于中继线圈导体形成一个电位浮动的等电位体，如其形状与等电位面一致，则中继线圈的引入就不会改变原有电场的分布，不会在线圈导体的边缘形成局部电场强度的尖端效应，也就不改变和影响原有绝缘结构的绝缘性能。

进一步地，所述中继线圈有大于等于1个，各个中继线圈分别排布于不同位置的等电位面上。这样，采用多级中继，将多个中继线圈沿着所在位置的等电位线布置。磁场能量经过多个线圈耦合到接收线圈，既能有效提高传输的效率，又能保证绝缘不受影响。图6是线圈配置的二维剖面示意图，位于首尾两端的是接收线圈和发射线圈，中间3个中继线圈沿着发射线圈和接收线圈形成的电场的等电位线排列。需要指出，中继线圈的个数需要根据传输距离和线圈的尺寸来综合考虑；且线圈结构也不只局限于圆形，方形、六边形等均可。

进一步地，所述发射线圈安装在绝缘子串的底端。

进一步地，所述接收线圈安装在绝缘子串的顶端。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果。

1.本发明线圈布置沿着原来的等电位线排列，不存在因为引入中继线圈引起的绝缘问题。

2.本发明在长距离无线电能传输中，采用多次中继，有效提高传输的效率。

附图说明

图1为远距离无线电能传输工作流程示意图。

图2为本发明背景技术中串联-串联谐振网络示意图。

图3为本发明背景技术中两耦合线圈方案示意图。

图4为本发明背景技术中带绝缘棒的两线圈方案示意图。

图5为本发明背景技术中多线圈方案示意图。

图6为本发明技术方案线圈配置的二维剖面示意图。

图7为本发明实施例220kV高压输电线监控设备无线电能供电线圈布置方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图6所示，本实施例提供了一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，具体将发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位，所述发射线圈和接收线圈之间形成高压电场分布，将中继线圈设置于所述发射线圈和接收线圈之间；所述中继线圈为薄形曲面形状，其曲面形状与所述高压电场的等位面分布一致。即线圈绕组沿着等电位面排列。由于中继线圈导体形成一个电位浮动的等电位体，如其形状与等电位面一致，则中继线圈的引入就不会改变原有电场的分布，不会在线圈导体的边缘形成局部电场强度的尖端效应，也就不改变和影响原有绝缘结构的绝缘性能。

在本实施例中，所述中继线圈有大于等于1个，各个中继线圈分别排布于不同位置的等电位面上。这样，采用多级中继，将多个中继线圈沿着所在位置的等电位线布置。磁场能量经过多个线圈耦合到接收线圈，既能有效提高传输的效率，又能保证绝缘不受影响。图6是线圈配置的二维剖面示意图，位于首尾两端的是接收线圈和发射线圈，中间3个中继线圈沿着发射线圈和接收线圈形成的电场的等电位线排列。需要指出，中继线圈的个数需要根据传输距离和线圈的尺寸来综合考虑；且线圈结构也不只局限于圆形，方形、六边形等均可。

在本实施例中，如图7所示，以220kV的高压输电线为例，发射线圈安装在绝缘子串的底端，线圈上的参考电压是220kV；接收线圈安装在绝缘子串的顶端，线圈上的参考电压是0V。线圈采用平面结构。首先通过计算或仿真得到只有发射和接收线圈时候的电场等电位线分布，然后根据所需要的各个中继线圈的数量和位置，将薄面形中继线圈的形状设计成与所在位置等电位线的形状一致。也通过绝缘杆固定在绝缘子串上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，其特征在于：将发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位，所述发射线圈和接收线圈之间形成高压电场分布，将中继线圈设置于所述发射线圈和接收线圈之间；所述中继线圈为薄形曲面形状，其曲面形状与所述高压电场的等位面分布一致。

2.根据权利要求1所述的一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，其特征在于：所述中继线圈有大于等于1个，各个中继线圈分别排布于不同位置的等电位面上。

3.根据权利要求1所述的一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，其特征在于：所述发射线圈安装在绝缘子串的底端。

4.根据权利要求1所述的一种高电压场合应用远距离无线电能传输线圈配置方法，其特征在于：所述接收线圈安装在绝缘子串的顶端。