一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置

摘要

本发明提供了一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，该装置包括：悬浮电位导体；导体连接件，其连接在悬浮电位导体上；放电电极，其通过绝缘件与导体连接件相连接；高电位导体，其与放电电极之间具有放电间隙，高电位导体连接在高压架空线路上，利用来自高压架空线路的相电压在高电位导体和放电电极形成放电通道，以基于放电通道所产生的电力对放电电极和导体连接件连接的外接负载进行供电。本发明通过放电电极和高电位导体之间具有放电间隙，二者间的电位差导致放电间隙的气隙击穿，使得放电电极上感应的电荷发生转移，产生宽频电流，该宽频电流经由导体连接件和放电电极输送至外接负载，以对外接负载进行供电。

权利要求

1.一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，包括：悬浮电位导体；

导体连接件，其连接在所述悬浮电位导体上；

放电电极，其通过绝缘件与所述导体连接件相连接；

高电位导体，其与所述放电电极之间具有放电间隙，所述高电位导体连接在高压架空线路上，利用来自高压架空线路的相电压在所述高电位导体和所述放电电极形成放电通道，以基于放电通道所产生的电力对所述放电电极和所述导体连接件连接的外接负载进行供电；其中，基于所述高压架空线路的相电压确定所述放电间隙；

所述放电间隙的气隙长度d利用如下公式计算：

，

其中，U为所述高压架空线路的相电压；k为间隙计算系数，并且，1≤k≤25。

2.根据权利要求1所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述间隙计算系数基于所述悬浮电位导体的对地电容和所述外接负载的所需功率确定。

3.根据权利要求2所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述间隙计算系数k利用如下公式进行计算：，

其中， C1为所述悬浮电位导体的对地电容；P为所述外接负载的所需功率。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述悬浮电位导体和所述高电位导体之间设有绝缘高度调节件，所述绝缘高度调节件用以调节所述悬浮电位导体和所述高电位导体之间的间距，以调节所述放电间隙的气隙长度。

5.根据权利要求4所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述高电位导体或所述放电电极上设有传感器，用以检测所述高电位导体和所述放电电极之间的当前放电间隙；

所述传感器连接有控制器，传感器将当前放电间隙发送给控制器；

所述控制器与所述绝缘高度调节件相连接，用以基于从传感器接收的当前放电间隙确定是否需要调节放电间隙，当确定需要调节放电间隙时，控制器控制所述绝缘高度调节件，以调节所述高电位导体和所述放电电极之间的放电间隙。

6.根据权利要求5所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述控制器包括：输入单元，用以向计算单元输入外接负载所需的功率；

计算单元，与所述输入单元电连接，用以接收所述输入单元输入的外接负载所需的功率，并结合所述高压架空线路的相电压，确定所述高电位导体和所述放电电极之间所需的放电间隙；

控制单元，分别与所述计算单元和所述传感器电连接，用以接收并比较所述计算单元确定的所需的放电间隙和所述传感器检测的当前放电间隙，并基于所需的放电间隙和当前放电间隙的比较结果来控制所述绝缘高度调节件实现对所述悬浮电位导体的调节，从而调节所述高电位导体和所述放电电极之间的放电间隙。

7.根据权利要求1至3任一项所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述高电位导体和所述放电电极之间连接有电流处理模块，所述电流处理模块包括：依次级联的变压器、射频整流单元、电压变换及精细整流单元、滤波单元、输出单元和蓄电池；

所述变压器用于进行能量耦合；

所述射频整流单元用于采用肖特基二极管的串并组合对放电电流进行整流，将经过整流的放电电流经LC电路滤波得到脉动直流；

所述电压变换及精细整流单元用于采用开关电源对脉动直流进行精细整流及电压调整，得到高频脉动直流；

所述滤波单元用于进行对所述高频脉动直流滤波以提供电流稳定且纹波系数小的直流输出；

所述输出单元用于提供电流稳定且纹波系数小的直流输出给所述蓄电池以给所述蓄电池充电，以及用于给外接负载和/或控制模块提供电能；所述控制模块分别与所述变压器、所述射频整流单元、所述电压变换及精细整流单元、所述滤波单元和/或所述输出单元相连接，用以控制所述变压器、所述射频整流单元、所述电压变换及精细整流单元、所述滤波单元和/或所述输出单元的运行状态。

8.根据权利要求7所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述变压器的原边输入引线端子分别与所述导体连接件和所述放电电极相连接。

9.根据权利要求1至3任一项所述的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，其特征在于，所述导体连接件和所述放电电极均设有穿设于所述绝缘件的取能引线端子。

说明书

一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及架空线取电技术领域，具体而言，涉及一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置。

背景技术

[0002] 高压架空线路在线取能有两种方式，一种是利用自然能，一种是从属架空线路抽取电能。利用自然能包括风能、太阳能及其组合。从交流架空线路抽取电能包括利用电压分压原理取能、利用CT从导线取能、从架空地线取能等方法。对于直流架空线路，有基于绝缘子泄漏电流的取能方法。

[0003] 工作在高电位的设备有传感器、在线监测设备、巡检机器人、无人机和带电作业机器人等，交流线路的导线CT取能和架空地线取能体积大，质量重，且受线路运行方式影响，现有技术不支持直流线路在线取能，取能问题大大限制了线路巡检和作业机器人及在线监测设备的应用，机器人的作业效率无法提高。

发明内容

[0004] 鉴于此，本发明提出了一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，旨在解决现有取能方式取能设备重量、受线路运行影响导致机器人使用受限且作业效率低的问题。

[0005] 本发明提出了一种用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，该装置悬浮电位导体；导体连接件，其连接在所述悬浮电位导体上；放电电极，其通过绝缘件与所述导体连接件相连接；高电位导体，其与所述放电电极之间具有放电间隙，所述高电位导体连接在高压架空线路上，利用来自高压架空线路的相电压在所述高电位导体和所述放电电极形成放电通道，以基于放电通道所产生的电力对所述放电电极和所述导体连接件连接的外接负载进行供电；其中基于所述高压架空线路的相电压确定所述放电间隙。

[0006] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述放电间隙的气隙长度d利用如下公式计算：

[0007] ，

[0008] 其中，U为所述高压架空线路的相电压；k为间隙计算系数，并且，1≤k≤25。

[0009] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述间隙计算系数基于所述悬浮电位导体的对地电容和所述外接负载的所需功率确定。

[0010] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述间隙计算系数k利用如下公式进行计算：

[0011] ，

[0012] 其中， C1为所述悬浮电位导体的对地电容；P为所述外接负载的所需功率。

[0013] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述悬浮电位导体和所述高电位导体之间设有绝缘高度调节件，所述绝缘高度调节件用以调节所述悬浮电位导体和所述高电位导体之间的间距，以调节所述放电间隙的气隙长度。

[0014] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述高电位导体或所述放电电极上设有传感器，用以检测所述高电位导体和所述放电电极之间的当前放电间隙；所述传感器连接有控制器，传感器将当前放电间隙发送给控制器；所述控制器与所述绝缘高度调节件相连接，用以基于从传感器接收的当前放电间隙确定是否需要调节放电间隙，当确定需要调节放电间隙时，控制器控制所述绝缘高度调节件，以调节所述高电位导体和所述放电电极之间的放电间隙。

[0015] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述控制器包括：输入单元，用以向计算单元输入外接负载所需的功率；计算单元，与所述输入单元电连接，用以接收所述输入单元输入的外接负载所需的功率，并结合所述高压架空线路的相电压，确定所述高电位导体和所述放电电极之间所需的放电间隙；控制单元，分别与所述计算单元和所述传感器电连接，用以接收并比较所述计算单元确定的所需的放电间隙和所述传感器检测的当前放电间隙，并基于所需的放电间隙和当前放电间隙的比较结果来控制所述绝缘高度调节件实现对所述悬浮电位导体的调节，从而调节所述高电位导体和所述放电电极之间的放电间隙。

[0016] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述高电位导体和所述放电电极之间连接有电流处理模块，所述电流处理模块包括：依次级联的变压器、射频整流单元、电压变换及精细整流单元、滤波单元、输出单元和蓄电池；所述变压器用于进行能量耦合；所述射频整流单元用于采用肖特基二极管的串并组合对放电电流进行整流，将经过整流的放电电流经LC电路滤波得到脉动直流；所述电压变换及精细整流单元用于采用开关电源对脉动直流进行精细整流及电压调整，得到高频脉动直流；所述滤波单元用于进行对所述高频脉动直流滤波以提供电流稳定且纹波系数小的直流输出；所述输出单元用于提供电流稳定且纹波系数小的直流输出给所述蓄电池以给所述蓄电池充电，以及用于给外接负载和/或控制模块提供电能；所述控制模块与所述变压器、所述射频整流单元、所述电压变换及精细整流单元、所述滤波单元、所述输出单元相连接，用以控制所述变压器、所述射频整流单元、所述电压变换及精细整流单元、所述滤波单元、所述输出单元的运行状态。

[0017] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述变压器的原边输入引线端子分别与所述导体连接件和所述放电电极相连接。

[0018] 进一步地，上述用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，所述导体连接件和所述放电电极均设有穿设于所述绝缘件的取能引线端子。

[0019] 本发明提供的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置，通过放电电极和高电位导体之间具有放电间隙，二者间的电位差导致放电间隙的气隙击穿，使得放电电极上感应的电荷发生转移，产生宽频电流，该宽频电流经由导体连接件和放电电极输送至外接负载，以对外接负载进行供电，进而可以为在高电位上工作的传感器、在线监测设备、机器人和无人机等高电位工作设备提供电能，解决传感器、在线监测设备、巡检机器人、无人机器及带电作业机器人的取能问题，提供稳定、持续、功率满足快速充电要求、方便接入的电源，使得传感器、在线监测设备、巡检机器人、无人机器及带电作业机器人不受取能限制，从而使得这些高电位工作设备可广泛应用；还可以对巡检机器人、无人机和作业机器人的蓄电池进行充电，使得巡检机器人、无人机和作业机器人的续航能力得到提升，进而使得其可长期在线工作，即提高工作效率，解决高电位工作设备的电源供电难题；另外，该装置不仅可取能功率比感应取电方式大，可满足设备的快速充电需求。

附图说明

[0020] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0021] 图1为本发明实施例提供的高压架空线路高电位在线取能的装置的结构示意图；

[0022] 图2为本发明实施例提供的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置放电原理图；

[0023] 图3为本发明实施例提供的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置的电路原理图；

[0024] 图4为本发明实施例提供的用于在高压架空线路进行高电位在线取能的装置整体的结构示意图；

[0025] 图5为本发明实施例提供的电能处理模块的结构框图；

[0026] 图6为本发明实施例提供的绝缘高度调节件、传感器和控制器之间的结构框图；

[0027] 图7为本发明实施例提供的控制器的结构框图；

[0028] 附图标记：

[0029] 悬浮电位导体1；导体连接件2；放电电极3；高电位导体4；电能处理模块5；绝缘件6；底板7；绝缘高度调节件100；传感器200；控制器300；输入单元310、计算单元320和控制单元330；变压器51；射频整流单元52；电压变换及精细整流单元53；滤波单元54；输出单元55；
蓄电池56。

具体实施方式

[0030] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0031] 参见图1至图4，其示出了本发明实施例提供的高压架空线路高电位在线取能的装置的优选结构。如图所示，该装置包括：悬浮电位导体1、导体连接件2、放电电极3、高电位导体4和电能处理模块5；其中，

[0032] 导体连接件2设置且连接在所述悬浮电位导体1上；放电电极3，其通过绝缘件6与所述导体连接件2相连接；高电位导体4，其与所述放电电极3之间具有放电间隙，所述高电位导体4连接在高压架空线路上，利用来自高压架空线路的相电压在所述高电位导体4和所述放电电极3形成放电通道，以基于放电通道所产生的电力对所述放电电极3和所述导体连接件2连接的外接负载进行供电；其中基于所述高压架空线路的相电压确定所述放电间隙。具体地，高电位导体4可固定在高压架空线路上，亦可固定底板7上，底板7与高电位设备例如连接在高压架空线路上的机器人的外壳相连，即机器人的外壳相当于导体与高压架空线路同电位，悬浮电位导体1可通过绝缘件6支撑以悬浮在空中，并且，悬浮电位导体1通过导体连接件2相连，导体连接件2、放电电极3上可均设有穿设于绝缘件6的取能引线端子，两个取能引线端子可分别连接在电能处理模块5的两端；为实现放电电极3的固定和悬浮，放电电极3和导体连接件2之间通过绝缘件6相连接，以确保两者的机械支撑固定，使得放电电极
3和高电位导体4之间具有放电间隙，同时，避免两者之间的电流传导；放电电极3和高电位导体4之间具有放电间隙，二者间的电位差导致间隙击穿，电荷发生转移，产生宽频电流，经由电能处理模块5处理后提取电能并变化为所需的电源，以对外接负载等供电。其中，绝缘件6可以为内部中空的绝缘管，其两端分别与导体连接件2、放电电极3相连接。也就是说，机器人在工作时，其始终连接在高压架空线路上，也就是说，机器人在工作时始终沿着高压架空线路进行移动，在此工作状态下，机器人相当于导体，其与高压架空线路均属于高电位，该装置可设置在机器人上，可随机器人同步移动，并在移动的同时，利用来自高压架空线路的相电压，在高电位导体和所述放电电极形成放电通道，基于放电通道所产生的电力对机器人进行供电。

[0033] 参见图5，其为本发明实施例提供的电能处理模块的结构框图。如图所示，电能处理模块5包括：依次级联的变压器51、射频整流单元52、电压变换及精细整流单元53、滤波单元54、输出单元55和蓄电池56，即变压器51、射频整流单元52、电压变换及精细整流单元53、滤波单元54、输出单元55和蓄电池56依次级联；放电电极3和高电位导体4之间产生的放电电流为宽频的脉冲信号，所述变压器51可以为采用镍锌磁环制作的变压器以利用电磁感应的原理进行能量耦合，变压器51的初级和次级之间的绝缘、输出引线与高电位的绝缘要求为：绝缘材料的耐压电压不低于气隙的放电电压，并且，变压器传输带宽包含5-200MHz；所述射频整流单元52用于采用肖特基二极管的串并组合对放电电流进行整流，再经LC电路滤波得到脉动直流；所述电压变换及精细整流单元53用于采用开关电源对脉冲直流进行精细整流及电压调整，得到高频脉动直流；所述滤波单元54用于进行对所述高频脉动直流滤波以提供电流稳定且纹波系数小的直流输出；所述输出单元55用于提供电流稳定且纹波系数小的直流输出给所述蓄电池56以给所述蓄电池56充电，以及用于给外接负载和/或控制模块提供电能，控制模块可以与变压器51、射频整流单元52、电压变换及精细整流单元53、滤波单元54、输出单元55电连接，以控制变压器51、射频整流单元52、电压变换及精细整流单元53、滤波单元54的运行状态。在本实施例中，变压器52的原边两级可分别与导体连接件2、放电电极3连接，以使该宽频带的脉冲电流流经变压器52的原边，副边输出经过射频整流单元52射频整流，电压变换及精细整流单元53进行电压转换及精细整流后，通过滤波单元54去掉高频成分，最后通过输出单元55输出给外部负载、控制模块及蓄电池56。该装置利用高电位导体与悬浮电位导体间的电荷转移过程形成的宽带“高频”电流，通过电磁耦合、射频整流、质量提升、隔离滤波等处理，获得可供电池充电或设备直接使用的直流电源。

[0034] 在本实施例中，放电间隙的气隙长度d可利用如下公式计算：

[0035] ，

[0036] 其中，U为所述高压架空线路的相电压；k为间隙计算系数，并且，1≤k≤25。在本实施例中，可以根据取能电源的空间大小确定悬浮电位导体1的尺寸，悬浮电位导体1的导体尺寸确定后，可根据有限元分析得到悬浮电位导体1的对地电容C1。

[0037] 在本实施例中，k可以根据实际经验确定的常数，亦可基于所述悬浮电位导体的对地电容和所述外接负载的所需功率确定；优选地，间隙计算系数k可以利用如下公式进行计算：

[0038] ，

[0039] 其中， C1为所述悬浮电位导体的对地电容；P为所述外接负载的所需功率。

[0040] 通过所述悬浮电位导体的对地电容和所述外接负载的所需功率可精确地确定间隙计算系数，进而确保气隙长度计算的准确性；通过高压架空线路的相电压以及间隙计算系数k计算放电间隙的气隙长度，可确保放电电极3和高电位导体4之间的放电间隙满足击穿气隙的要求，进而确保宽频电流的产生。

[0041] 由于间隙计算系数k与外接负载的所需功率相关，故在外接负载的所需功率变化时，放电间隙的气隙长度亦需要同步变化；为便于调节放电间隙的气隙长度，优选地，悬浮电位导体1和所述高电位导体4之间设有绝缘高度调节件100，所述绝缘高度调节件用以调节所述悬浮电位导体1和所述高电位导体4之间的间距，以调节所述放电间隙的气隙长度。具体地，绝缘高度调节件可以为电动伸缩结构，其材质为绝缘材质，以避免悬浮电位导体1和所述高电位导体4之间的电连接，同时实现所述悬浮电位导体1和所述高电位导体4之间的间距的调节，进而实现放电电极3和高电位导体4之间间距的调节，即实现放电间隙的气隙长度的调节，从而确保在该装置对外接负载供电的稳定性。

[0042] 参见图6，其为本发明实施例提供的绝缘高度调节件、传感器和控制器之间的结构框图。如图所示，为进一步便于调节放电电极3和高电位导体4之间的实际气隙长度，进一步优选地，所述高电位导体4或所述放电电极3上设有传感器200，用以检测所述高电位导体4和所述放电电极5之间的当前放电间隙；所述传感器200连接有控制器300，所述控制器300还与所述绝缘高度调节件200相连接，用以基于从传感器200接收的当前放电间隙确定是否需要调节放电间隙，当确定需要调节放电间隙时，控制器300控制所述绝缘高度调节件100，以调节所述高电位导体和所述放电电极之间的放电间隙，以使放电间隙满足放电需求。

[0043] 参见图7，其为本发明实施例提供的控制器的结构框图。如图所示，控制器300可以包括：输入单元310、计算单元320和控制单元330；其中，输入单元310用以向计算单元320输入外接负载所需的功率；计算单元320与所述输入单元310电连接，用以接收所述输入单元310输入的外接负载所需的功率，并结合所述高压架空线路的相电压，确定所述高电位导体
4和所述放电电极3之间所需的放电间隙；控制单元330，分别与所述计算单元320和所述传感器200电连接，用以接收并比较所述计算单元320确定的所需的放电间隙和所述传感器
200检测的当前放电间隙，并基于所需的放电间隙和当前放电间隙的比较结果来控制所述绝缘高度调节件100实现对所述悬浮电位导体1的调节，从而调节所述高电位导体4和所述放电电极3之间的放电间隙，使得放电间隙调节至所需的放电间隙。

[0044] 计算单元320根据如下公式计算间隙计算系数k：

[0045] ，

[0046] 其中，C1为所述悬浮电位导体的对地电容；P为所述外接负载的所需功率；U为所述高压架空线路的相电压；

[0047] 并根据间隙计算系数k计算所需气隙长度d：

[0048] 。

[0049] 综上，本实施例提供的高压架空线路高电位在线取能的装置，通过放电电极和高电位导体之间具有放电间隙，二者间的电位差导致放电间隙的气隙击穿，使得放电电极上感应的电荷发生转移，产生宽频电流，该宽频电流经由导体连接件2和放电电极3输送至外接负载，以对外接负载进行供电，进而可以为在高电位上工作的传感器、在线监测设备、机器人和无人机等高电位工作设备提供电能，解决传感器、在线监测设备、巡检机器人、无人机器及带电作业机器人的取能问题，提供稳定、持续、功率满足快速充电要求、方便接入的电源，使得传感器、在线监测设备、巡检机器人、无人机器及带电作业机器人不受取能限制，从而使得这些高电位工作设备可广泛应用；还可以对巡检机器人、无人机和作业机器人的蓄电池进行充电，使得巡检机器人、无人机和作业机器人的续航能力得到提升，进而使得其可长期在线工作，即提高工作效率，解决高电位工作设备的电源供电难题；另外，该装置不仅可取能功率比感应取电方式大，可满足设备的快速充电需求。同时，该装置整体重量小，大大增大了其使用范围。

[0050] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

[0051] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0052] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0053] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0054] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。