用于架空高压输电导线的感应取电装置

1.一种用于架空高压输电导线的感应取电装置，包括铁芯(5)，该铁芯(5)上 绕有副边线圈(4)，其特征是：铁芯(5)环内设有位于输电导线(7)上的行走 轮(6)，铁芯(5)环的下端联接着可打开铁芯(5)环下端的活动边(9)，打开 或合拢该活动边(9)的是位于铁芯(5)附近的驱动机构(3)，副边线圈(4) 的输出经开关电源(18)输出到蓄电池(20)及电机(1)和直流-直流转换装置(21)， 还具有电压监测及控制装置(19)，该电压监测及控制装置(19)用于监控蓄电 池(20)电压，当蓄电池(20)电压低于预定值时，处于充电工作状态；当蓄电池 (20)电压大于或等于预定值时，向外部设备供电。
2.根据权利要求1所述的用于架空高压输电导线的感应取电装置，其特征 是：驱动机构(3)包括电机(1)、减速器(2)和由该电机(1)并经减速器(2)驱动 的丝杆螺母机构(15)，在丝杆(14)上往复移动的螺母(13)副与摇杆(11)的 一端构成移动副，摇杆(11)的回转中心(12)与支架(16)铰接，摇杆(11) 的另一端与可动电磁铁支架(10)构成转动副。

技术领域\n本发明涉及一种用于架空高压输电导线的感应取电装置，尤其是将架空高压输电线路 周围的磁能转换为电能，并对蓄电池进行充电或直接为外接负载供电的感应取电装置。\n背景技术\n目前，高压输电导线上的在线检测仪器是由电池供电，输电导线上的巡检或带电作业 移动设备是由蓄电池供电或由燃油机提供动力或由人力驱动。在以上仪器或设备中，由于 电池或燃油容量的限制，每工作一段时间，需要人工带电作业更换新电池或补充燃料，这 不仅极大地增加了仪器设备的非工作时间，也增加了带电作业工作量及其潜在的人身安全 隐患。为了延长这些仪器设备的工作时间，就必须增加能源的容量，从而导致仪器设备重 量的大幅度增加，也就限制了这些仪器设备的实际应用。由于缺乏能源的在线补给装量， 使得这些仪器设备在输电线路上的应用受到了极大限制。\n发明内容\n本发明所要解决的技术问题是提供一种用于架空高压输电导线的感应取电装置，它能 够为架空高压输电导线上的在线检测仪器或移动设备进行在线补给电能，无需人工带电作 业。\n本发明的技术方案是：一种用于架空高压输电导线的感应取电装置，包括铁芯5，该铁 芯5上绕有副边线圈4，其特征是：铁芯5环内设有位于输电导线7上的行走轮6，铁芯5 环的下端联接着可打开铁芯5环下端的活动边9，打开或合拢该活动边9的是位于铁芯5附 近的驱动机构3，在副边线圈4的输出回路上并联有开关电源18、电压监测及控制装置19、 蓄电池20、电机1和直流-直流转换装置21。\n而且，驱动机构3包括电机1、减速器2和由该电机1并经减速器2驱动的丝杆螺母机 构15，在丝杆14上往复移动的螺母13副与摇杆11的一端构成移动副，摇杆11的回转中 心12与支架16铰接，摇杆11的另一端与可动电磁铁支架10构成转动副。\n而且，电压监测及控制装置19包括电压监视电路和蓄电池20自动充电控制电路。\n而且，电压监视电路由稳压二极管D1、三极管Q1、两个光电二极管D3，D2、光电隔离 芯片U2和相应的电阻R1～R7组成，所述电阻R1、稳压二极管D1、电阻R3、R2、光电二极 管D2依次相串联，其中，稳压二极管D1和电阻R3之间接三极管Q1的基极，三极管Q1的 发射极接地并同时接在光电隔离芯片U2的IN-引脚和电阻R2及R3之间，三极管Q1的集电 极依次经光电二极管D3、电阻R5接光电隔离芯片U2的IN1+引脚，蓄电池20自动充电控制 电路包括稳压芯片U1、运算放大器AR2及其电阻组成的施密特触发电路以及由三极管Q3和 继电器K组成的开关电路，稳压芯片U1的Vin和Vout引脚分别经电解电容C1、C2与稳压 芯片U1的GND引脚相连并同时接地且经电阻R8、光电二极管D5接另一光电二极管D4和蓄 电池20的OUT引脚，稳压芯片U1的Vout引脚与运算放大器AR2的控制端C相接并经电阻 R10、R13与稳压芯片U1的正极相接，稳压芯片U1的Vin引脚经电阻R11与放大器AR2的 负极相接，并经电阻R12、R14、R15与放大器AR2的输出端相接，该输出端再经电阻R16 同时与三极管Q3的基极和三极管Q4的集电极相接，三极管Q4的基极接光电隔离芯片U3 的OUT2-，三极管Q4发射极接地，三极管Q3的集电极与继电器K相接，三极管Q2和Q3、 光电隔离芯片U3、继电器K组成给蓄电池20充电的外部控制电路，所述两个三极管Q2和 Q3的集电极和发射极同极相连，三极管Q2的基极与光电隔离芯片U3的OUT2-相接，与此 同时，三极管Q2的集电极经光耦合二极管D7与光电隔离芯片U2的IN2+引脚以及光电隔离 芯片U1的Vin引脚、接线座J、蓄电池20的正极、继电器K相连接，光电隔离芯片U2的 IN2-引脚经电阻R9、光耦合二极管D6与三极管Q2的集电极相连，蓄电池20的负极接地并 与开关电源18的一个输出端相接，接线座J的CONTROL和EN引脚分别与光电隔离芯片U3 的IN1-和IN2-引脚相连，光电隔离芯片U3的IN1+和IN2+引脚之间经电阻R19、R20互连。\n本发明由于采用了上述技术方案，可将输电导线周围的交变磁能转换为交变电能，并 经开关电源整流滤波和隔离后变为直流恒流电源输出，向蓄电池实时充电而无需人工带电 作业更换电源。并且，充电电压的自动监视和控制可由外部对其进行控制。电磁铁可实现 机械开合，开合力由机械力和电磁吸力构成，开合运动时，副边线圈短接，以减少电磁吸 合阻力，合拢后的磁铁受机械力和电磁吸合力共同作用，从而保证电磁铁的可靠接合。本 发明既可用于输电线路在线检测仪器上，又可用于带电作业的移动设备上。\n附图说明\n图1是本发明的电磁感应装置的结构示意图。\n图2是本发明的电源系统的示意框图\n图3是电源及其监控电路原理图。\n图4～图7分别是直流-直流(DC-DC)转换装置的4个DC-DC转换模块。\n图8是图3中稳压芯片U1的的放大图。\n图9是图3中光电隔离芯片U2的放大图。\n图10是图3中光电隔离芯片U3的放大图。\n图11是图3中接线座J的放大图。\n具体实施方式\n参见图1～图7，本发明是一种用于架空高压输电导线的感应取电装置，包括铁芯5，该 铁芯5上绕有副边线圈4，其特征是：铁芯5环内设有位于输电导线7上的行走轮6，铁芯 5环的下端联接着可打开铁芯5环下端的活动边9，打开或合拢该活动边9的是位于铁芯5 附近的驱动机构3，在副边线圈4的输出回路上并联有开关电源18、电压监测及控制装置19、 蓄电池20、电机1和直流-直流转换装置21。\n进一步的技术方案可以是：驱动机构3包括电机1、减速器2和由该电机1并经减速器 2驱动的丝杆螺母机构15，在丝杆14上往复移动的螺母13副与摇杆11的一端构成移动副， 摇杆11的回转中心12与支架16铰接，摇杆11的另一端与可动电磁铁支架10构成转动副。\n建议：摇杆11和支承铁芯5的支架10、17由工程塑料制成，采用该非导磁材料是为 了避免在电磁铁5横截面上形成磁回路和电流回路。\n进一步的技术方案还可以是：电压监测及控制装置19包括电压监视电路和蓄电池20 自动充电控制电路。\n而且，电压监视电路由稳压二极管D1、三极管Q1、两个光电二极管D3，D2、光电隔离 芯片U2和相应的电阻R1～R7组成，所述电阻R1、稳压二极管D1、电阻R3、R2、光电二极 管D2依次相串联，其中，稳压二极管D1和电阻R3之间接三极管Q1的基极，三极管Q1的 发射极接地并同时接在光电隔离芯片U2的IN-引脚和电阻R2及R3之间，三极管Q1的集电 极依次经光电二极管D3、电阻R5接光电隔离芯片U2的IN1+引脚，蓄电池20自动充电控制 电路包括稳压芯片U1、运算放大器AR2及其电阻组成的施密特触发电路以及由三极管Q3和 继电器K组成的开关电路，稳压芯片U1的Vin和Vout引脚分别经电解电容C1、C2与稳压 芯片U1的GND引脚相连并同时接地且经电阻R8、光电二极管D5接另一光电二极管D4和蓄 电池20的OUT引脚，稳压芯片U1的Vout引脚与运算放大器AR2的控制端C相接并经电阻 R10、R13与稳压芯片U1的正极相接，稳压芯片U1的Vin引脚经电阻R11与放大器AR2的 负极相接，并经电阻R12、R14、R15与放大器AR2的输出端相接，该输出端再经电阻R16 同时与三极管Q3的基极和三极管Q4的集电极相接，三极管Q4的基极接光电隔离芯片U3 的OUT2-，三极管Q4发射极接地，三极管Q3的集电极与继电器K相接，三极管Q2和Q3、 光电隔离芯片U3、继电器K组成给蓄电池20充电的外部控制电路，所述两个三极管Q2和 Q3的集电极和发射极同极相连，三极管Q2的基极与光电隔离芯片U3的OUT2-相接，与此 同时，三极管Q2的集电极经光耦合二极管D7与光电隔离芯片U2的IN2+引脚以及光电隔离 芯片U1的Vin引脚、接线座J、蓄电池20的正极、继电器K相连接，光电隔离芯片U2的 IN2-引脚经电阻R9、光耦合二极管D6与三极管Q2的集电极相连，蓄电池20的负极接地并 与开关电源18的一个输出端相接，接线座J的CONTROL和EN引脚分别与光电隔离芯片U3 的IN1-和IN2-引脚相连，光电隔离芯片U3的IN1+和IN2+引脚之间经电阻R19、R20互连。\n所述感应取电装置的结构中，除丝杠14、螺母13、固定电磁铁支架16摇杆11以及可 动电磁铁支架10外，其余均由高强度铝合金材料加工制造，且均进行阳极化处理，这样既 保证了结构的强度，又保证了相对运动表面的硬度，同时能防腐蚀。\n所述开关电源18最好是开关恒流电源，由于它属现有技术，故对其具体电路不作赘述。\n电源及其监控电路的工作原理为：载流输电导线7所产生的交变磁场在电磁铁芯中形 成闭合磁通，并在电磁感应线圈中的两输出端产生感应电势，当外接负载时，则形成交变 电流输出。此交流信号经开关恒流电源变换为直流，并恒流输出为蓄电池20充电。蓄电池 20两端的电压分别引入其电压监视电路、充电控制电路和直流-直流(DC-DC)转换电路21。 引入到电压监视电路的蓄电池20电压经稳压管D1后控制三极管Q1的导通和截止，从而使 发光二极管D3导通或截止，并经光电隔离后给外接控制系统提供相应的TTL电平信号。引 入到充电控制电路的电压信号，与一个基准电压信号进行比较，即当蓄电池20电压低于基 准信号电压时，控制继电器K线圈得电，感应电流经开关恒流电源后给蓄电池20充电，反 之，则继电器K线圈失电，感应线圈的两输出端短路，停止向蓄电池20充电。当外部控制 系统来控制蓄电池20充电时，则只需先输入一个TTL电平信号使内部的控制信号不起作用， 然后再输入一个TTL电平信号，控制继电器K线圈的得电或失电，从而实现对蓄电池20的 充电的外部控制。当蓄电池20电压引入到直流-直流(DC-DC)模块电源时，则各模块为外接 负载和控制系统提供所需的电源。具体工作原理如下：\n充电电路：绕在感应取电铁芯5上的线圈4，将输电导线7周围的磁能转换为交变电能， 经开关恒流电源后输出直流，再经限流二极管D4给蓄电池20充电。电磁铁芯5用硅钢片 冲制成形，截面积为40*25mm2，感应线圈为750匝，输电导线电流为400A时，充电电流为 2.5A。\n蓄电池20电压监视电路：它是由稳压二极管D1、三极管Q1、两个光电二极管D3和D2、 光电隔离芯片U2和相应的电阻组成。稳压二极管的电压为22V，当蓄电池20电压低于22V 时，稳压二极管D1和三极管Q1均截止，光电二极管D3和D2导通发光，光电隔离芯片U2 输出一TTL低电平信号，表示蓄电池20电低于22V，外部设备(负载)应停止作业，处于 充电工作状态；当蓄电池20电压高于22V时，则稳压二极管D1和三极管Q1导通，光电二 极管D3截止不发光，而D2导通发光，光电隔离芯片U2输出一TTL高电平信号，表示蓄电 池20电压大于或等于22V，外部设备(负载)可继续作业。\n蓄电池20自动充电控制电路：其条件是在接线座J上的CONTROLT和EN均接低电平。 它包括由稳压芯片U1组成的稳压电路，由运算放大器AR2及其电阻组成的施密特触发电路， 由三极管Q3和继电器组成的开关电路。由蓄电池20电压经稳压电路后，给施密特触发电 路提供标准的参考电压，经电阻R10、R13和R14分压限流后送入AR2的正极，同时，蓄电 池20电压经电阻R11和R12分压限流后引入到AR2的负极。当蓄电池20电压低，即A点 的电位低于B点电位，运算放大器AR2(芯片型号：CA3140)输出高电平，使三极管Q3正向 导通，继电器K线圈得电，常闭触点断开，即ACN1和ACN2间断开，感应线圈经开关恒流 电源给当蓄电池20充电。随着充电的进行，蓄电池20两端的电压逐渐升高到AR2的A点 电位高于B点电位时，运算放大器AR2输出低电平，使三极管Q3截止，继电器线圈K失电， 常闭触点闭合，即ACN1和ACN2间短路，感应线圈自身形成闭合回路，停止向蓄电池20充 电。以上两种状态经光电隔离芯片U2后给外部控制电路提供相应的TTL电平信号。其中， 施密特触发器的触发阈值电压通过R13调节，滞后电压通过R14调节。\n蓄电池20充电的外部控制电路：它是由光电隔离芯片U3、两个三极管Q2和Q3、继电 器等组成。当外部控制系统需要对蓄电池20充电进行控制时，则首先由外部控制系统给接 线座J的EN端输入TTL电平控制信号，经光电隔离芯片U3输出后，使三极管Q4正向导通， 则三极管Q3反向截止，即来自比较器AR2信号不起控制作用，也即蓄电池20自动充电控 制电路处于无效状态。然后，当外部控制信号给接线座J的CONTROL为TTL低电平时，则 经光电隔离芯片U3输出低电平信号，使三极管Q2截止，继电器线圈K失电，常闭触点闭 合，即ACN1和ACN2间短路，感应线圈自身形成闭合回路，停止向蓄电池20充电；当外部 控制信号给接线座J的CONTROL为TTL高电平时，则经光电隔离芯片U3输出高电平信号， 使三极管Q2导通，继电器线圈K得电，常闭触点断开，即ACN1和ACN2间断开，感应线圈 经开关恒流电源给当蓄电池20充电。\n直流-直流(DC-DC)转换装置21具有4个芯片(见图4～图7)，分别是：24D12、HZD10、 CNK32V、HZD40，它们均与接线座J的24V相接，其功能是分别将24VDC转换为±12VDC、 +5VDC、+12VDC、和+32VDC，以便为巡检机器人提供的除24V直流外的其它直流电源。由于 该装置属现有技术，故对其电路以及原理不作详述。\n所述电磁铁可由硅钢片材料制成，蓄电池20可选用的是24V9000mAh的镍氢可充电蓄 电池20，其它元器件和开关恒流电源等，市场均有售。电路简单，调试和使用方便。\n本发明既可用于固定在输电导线上的检测仪器的电源，又可用于在输电线路上移动作 业设备的电源，并根据仪器设备所需的电源，对电磁铁芯的截面积和感应线圈的匝数、蓄 电池20容量和电压等级、施密特触发器的触发电压阈值、直流-直流(DC-DC)及其它元器 件等作相应的调整，且光电隔离芯片U2输出的TTL电平作为配套的仪器设备控制系统的输 入，而配套仪器设备控制系统中提供两路TTL电平信号到接线座J的CONTROL和EN端，则 可实现一个完整的电源应用系统。\n本发明的应用及工作过程如下：按上述工作原理，将本系统在电器上接入应用系统，并 由固定电磁支架16上的四个安装孔16.1与仪器设备进行定位联接。在应用系统安装在输 电导线7上之前，将感应取电装置上的可动电磁铁芯8完全打开到最大开度，蓄电池20电 量充足；当应用系统安装在输电导线7上后，合上电源总开关SW，且使可动电磁铁芯8完 全合拢，则感应取电装置处于工作状态，电源系统按如下过程进行工作：当接线座J上的 CONTROL和EN均为低电平时，贝则本系统按上述的充电自动监控原理进行工作。当应用系统 需装卸，或应用系统为在输电线路上的移动设备需要感应取电装置作跨越障碍物运动时， 则应用系统给接线座J上的EN送高电平信号，使本系统的充电自动控制功能失效，由应 用系统按如下要求工作：在可动电磁铁8打开和合拢的过程中，接线座J上的CONTROL应 为低电平，继电器K失电，常闭触点闭合，感应线圈经继电器的常闭触点短路，且感应线 圈产生反磁通，从而减少电磁铁接合面的电磁吸力；在可动电磁铁芯8合拢后，接线座J 上的CONTROL应为高电平，继电器K得电，常闭触点断开，感应线圈4经开关恒流电源给 蓄电池20充电，且电磁铁的接合面产生电磁吸合力。