一种基于压电材料的输电线路取能装置及其取能方法与流程

本发明属于输变电设备状态监测领域，涉及一种基于压电材料的输电线路取能装置。本发明还涉及利用该取能装置的取能方法。

背景技术：

架空输电导线在野外风的激励作用下极易发生微风振动，据不完全统计，导线在一年中发生微风振动的时间约占全年时间的30％～50％，在开阔地带和风速均匀稳定的情况下，振动有时能够持续数天。在实际现场中，导线振动产生的大量机械能通过导线振动的形式直接被消耗掉，没有进行有效地利用，造成能量的白白浪费。

同时，为实时掌握线路的运行状况，输电线路上安装了各类监测装置，这些监测装置需要电能供给支持才能正常工作，而安装位置特殊增加了装置供电电源更换维护的难度，使得装置供电电源形式单一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于压电材料的输电线路取能装置，解决了现有导线在振动过程中存在的能量浪费问题和装置供电电源单一问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于压电材料的输电线路取能装置，其特征在于，包括缸体和包裹在缸体外的屏蔽罩，缸体的上方相连有碗头挂板，缸体的下方设置有悬臂梁基体。

本发明的特点还在于，

悬臂梁基体的下方设置有扣环，悬臂梁基体上设置有压电陶瓷件。

压电陶瓷件黏贴在悬臂梁基体的上下表面。

缸体的外侧设置有供电接口，供电接口位于充放电保护模块的外部。

缸体分为3个部分，从上至下依次是锂电池、充放电保护模块和电能处理模块。

充放电保护模块，包括过充保护电路和过放保护电路，两个电路过充保护电路和过放保护电路分别与锂电池通过电源线连接。

过充保护电路通过电源线和电能处理装置连接，电能处理装置通过电源线与压电陶瓷件连接。

碗头挂板与输电线路中的绝缘子串连接，在连接时，将碗头挂板挂在绝缘子串的下方，悬臂梁基体通过下端的扣环与导线连接在一起，且两者之间紧密接触，缸体下端设置有固定环，在固定环插入螺栓后与悬垂线夹连接。

本发明的另一目的是提供利用该输电线路取能装置的取能方法。

本发明的另一技术方案是，一种利用基于压电材料的输电线路取能装置的取能方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，压电陶瓷通过感应与其接触的导线振动，产生电能，

步骤2，利用电能处理模块对电能进行整流、滤波和稳压，具体为：

将步骤1中压电陶瓷产生的电能经电极引出通过电源线进入电能处理模块，电能处理模块利用硬件电路对流进的电能进行整流、滤波和稳压，使充电电能成为稳定的直流电；

步骤3，利用充放电保护模块监测充电电流是否满足要求，从而控制锂电池充放电，具体方法为：充放电保护模块实时对整流、滤波和稳压后的充电电能进行采集分析，当电流超过设定的上下限时，充放电保护模块中的过充保护电路就会工作，停止对锂电池进行充电，当充电电流恢复到正常设定区间时，充电继续进行；

步骤4，监测充电电流是否满足要求，具体方法为：锂电池通过充放电保护模块中的过放保护电路后经供电接口对外供电，充放电保护模块可对锂电池的放电电流进行实时采集分析，当放电电流超过设定的上下限时，为防止过放对锂电池造成伤害，此时过放保护电路启动工作，当放电电流恢复到正常设定值时，装置继续对外供电。

本发明的特征还在于，

步骤2中的滤波采用的是常用的二阶低通滤波电路，监测芯片采用stm32f103系列单片机。

本发明的有益效果是，本装置安装在输电线路绝缘子串及悬垂线夹之间，当导线发生微风振动时，该取能装置中的压电材料发生形变产生电压，可为在线监测装置提供稳定可靠的电能来源。将导线的振动能量转化为电能并源源不断地提供给监测装置，不仅可以实现对能量的回收利用，同时也为线上监测装置供电电源的选择提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明的基于压电材料的输电线路取能装置的结构示意图；

图2是本发明的基于压电材料的输电线路取能装置的模块结构示意图；

图3是本发明的基于压电材料的输电线路取能装置安装示意图；

图4是本发明的基于压电材料的输电线路取能方法的流程图。

图中，1.缸体，2.压电陶瓷件，3.悬臂梁基体，4.扣环，5.碗头挂板，6.屏蔽罩，7.充放电保护模块，8.电能处理模块，9.锂电池，10.供电接口，11.绝缘子串，12.悬垂线夹，13.导线，14.固定环，15.电源线，16.过放保护电路，17.过充保护电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于压电材料的输电线路取能装置，如图1所示，包括缸体1和包裹在缸体1外的屏蔽罩6，缸体1的上方相连有碗头挂板5，缸体1的下方设置有悬臂梁基体3，

悬臂梁基体3的下方设置有扣环4，悬臂梁基体3上设置有压电陶瓷件2，

缸体1分为3个部分，从上至下依次是锂电池9、充放电保护模块7和电能处理模块8，

缸体1的外侧设置有供电接口10，供电接口10位于充放电保护模块7的外部，

充放电保护模块7，如图2所示，包括过充保护电路17和过放保护电路16，两个电路过充保护电路17和过放保护电路16分别与锂电池9通过电源线连接，

过充保护电路17通过电源线和电能处理装置8连接，电能处理装置8通过电源线与压电陶瓷件8连接。

如图3所示，碗头挂板5与输电线路中的绝缘子串11连接，在连接时，将碗头挂板5挂在绝缘子串11的下方，

悬臂梁基体3通过下端的扣环4与导线13连接在一起，且两者之间紧密接触，屏蔽罩6将缸体1包裹起来，避免线路上的强电磁辐射对充放电保护模块7和电能处理模块8工作造成干扰。

缸体1下端设置有固定环14，在固定环插入螺栓后与悬垂线夹连接，从而进一步的将整个装置与导线固定连接在一起。

所述悬臂梁基体由铍青铜制成，铍青铜具备良好的综合性能，在同等条件下变形较大，这样可以提高压电陶瓷的应变提高发电量，同时，铍青铜耐疲劳抗腐蚀等机械性能也同样优良，这些性能对处于户外的装置设备是极为重要的。

压电陶瓷件2黏贴在悬臂梁基体上下表面，采用多层压电陶瓷发电，有效提高了装置的发电性能。

压电陶瓷单片规格为40×10×0.5mm，当导线发生微风振时，压电陶瓷2利用其正压电效应产生的电压达到5v，充电电流为30-50ma,能够有效满足锂电池的充电功率。

电能处理模块8封装在缸体1中，其具有整流、滤波、稳压功能。由压电陶瓷产生的电压随形变的大小而变化，电能并不稳定，本发明中的电能处理模块8能够将电能处理得相对稳定。

充放电保护模块7设置有过充保护电路和过放保护电路。充放电保护模块7能够实时监测锂电池充放电电流，当充放电电流超出限定值时能够中断锂电池的充放电过程，起到保护锂电池的作用。

本发明装置的工作过程是，基于压电材料的输电线路取能装置安装在绝缘子串及悬垂线夹之间，悬臂梁基体通过扣环紧紧与导线固定，当导线发生微风振动时，缸体与绝缘子串及悬垂线夹构成一个静止的整体，导线上下振动带动悬臂梁发生形变，黏贴在悬臂梁表面的压电陶瓷由于形变产生电荷，在压电陶瓷两端表面形成电压差，此时压电陶瓷两端的电压正负极性及幅值大小随着形变大小和方向都在发生变化，将电能由两端电极引出经过电源线传输到电能处理模块，电能转换模块中设计有整流、滤波、稳压电路，电压经过整流、滤波、稳压电路后变成方向幅值稳定的直流电压，经充放电保护模块供给锂电池进行充电。

在振动过程中，导线的幅值和频率时刻都在变化，有时在一段时间内振动特别剧烈，而在另一段时间振动又特别微弱。振动特别剧烈或微弱产生的电压都不满足充电要求，充电电流过大或过小都容易对锂电池造成伤害，因此，考虑到此种情况，本发明设计了用于保护锂电池的过充保护电路，充放电保护模块监测到充电电流过大或过小时会自动中断充电过程，直到充电电流恢复到正常水平继续对锂电池进行充电。

经过电能处理模块处理后的电能通过电源线传递到锂电池，用于给锂电池充电。同时充放电保护模块实时采集锂电池的放电电流，当电流超出限定值时过放保护电路工作，防止锂电池发生过放现象。最后，电能通过供电接口对线上监测装置进行供电。

本发明利用基于压电材料的输电线路取能装置进行取能的方法，如图4所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，压电陶瓷通过感应与其接触的导线振动，产生电能，

步骤2，利用电能处理模块对电能进行整流、滤波和稳压，具体为：

将步骤1中压电陶瓷产生的电能经电极引出通过电源线进入电能处理模块，电能处理模块利用硬件电路对流进的电能进行整流、滤波和稳压，使充电电能成为稳定的直流电。

步骤3，利用充放电保护模块监测充电电流是否满足要求，从而控制锂电池充放电，具体方法为：

充放电保护模块实时对整流、滤波和稳压后的充电电能进行采集分析，当电流超过设定的上下限时，充放电保护模块中的过充保护电路就会工作，停止对锂电池进行充电，当充电电流恢复到正常设定区间时，充电继续进行。

步骤4，监测充电电流是否满足要求，

锂电池通过充放电保护模块中的过放保护电路后经供电接口对外供电，充放电保护模块可对锂电池的放电电流进行实时采集分析，当放电电流超过设定的上下限时，为防止过放对锂电池造成伤害，此时过放保护电路启动工作，当放电电流恢复到正常设定值时，装置继续对外供电，本发明中涉及到的监测芯片采用stm32f103系列单片机。

方法的部分，最好能写的再详细一些，比如滤波通常采用什么方法进行，采集分析的时候，是不是采用了什么分析方法，这样类似的。

步骤2中的滤波采用的是常用的二阶低通滤波电路，这种电路完全能满足本装置的需求。至于分析方法方面，该模块只是通过采集电路采集电流大小，在程序中对采集到的电流与预先设定的电流进行对比，当采集电流超过设定上下限时利用程序控制放电电路，停止对外供电。