以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统

1.一种以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统，其特征在于：该系统包括输电线安装部分和铁塔安装部分，其中：
输电线安装部分为输电线路综合监测装置，该装置包括壳体（1），壳体（1）外侧安装太阳能电池板（3），该壳体顶部安装高压电磁感应取电器（2），取电器上设置监测传感器（6）；
所述壳体（1）内部设有一层隔热材料层（4），形成保温腔体，腔体内安装电子制冷器（9），制冷器内安装超级电容器组（7）、单片机（8）、无线通信模块或ZigBee模块（10）和充电控制器（11）；所述太阳能电池板（3）和高压电磁感应取电器（2）经充电控制器（11）为超级电容器组（7）充电，该超级电容器组为单片机（8）、无线通信模块或ZigBee模块（10）和监测传感器（6）供电，高压电磁感应取电器（2）直接为电子制冷器（9）供电，单片机（8）采样监测传感器（6）信号并由无线通信模块或ZigBee模块（10）发送；
铁塔安装部分包括无线通信接收模块或ZigBee接收模块以及GPRS/GSM移动通讯模块，无线通信接收模块或ZigBee接收模块接收所述无线通信模块或ZigBee模块（10）发出的信号，并经GPRS/GSM移动通讯模块发送至地面监控中心。
2.根据权利要求1所述的综合监测系统，其特征在于：所述超级电容器组（7）由若干个超级电容器串接而成，所述超级电容器为双电层超级电容器或是电化学超级电容器，容量为超过1法拉以上，所述电化学超级电容器为金属氧化物电容器、导电聚合物超级电容器或混合型超级电容器。
3.根据权利要求2所述的综合监测系统，其特征在于：每个超级电容器上均接有均压保护电路（12），所述均压保护电路（12）为由电压比较器电路或由TL431实现的电路或由高增益放大器驱动互补射极跟随器所组成的动态均压保护电路。
4.根据权利要求1所述的综合监测系统，其特征在于：所述高压电磁感应取电器（2）为一种罗氏线圈原理结构的电流互感器，以输电线充当电流互感器的一次侧线圈，在电流互感器的二次感应出电能，对其进行整流滤波处理实现隔离稳压输出。
5.根据权利要求1所述的综合监测系统，其特征在于：所述监测传感器（6）包括温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、加速度传感器、角度传感器和测距传感器。
6.根据权利要求1所述的综合监测系统，其特征在于：所述充电控制器（11）为精准电压控制元件KA431（13）和DC/DC升压模块（14）构成的充电控制电路。
7.根据权利要求1或4所述的综合监测系统，其特征在于：所述输电线路综合监测装置通过设于高压电磁感应取电器（2）上的可带电安装的夹具（5）固定在输电线上。
8.根据权利要求1所述的综合监测系统，其特征在于：所述电子制冷器散热板（9-1）置于壳体（1）底部。

以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种输电线路综合监测系统，尤其是一种以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统。适用于电力监测技术领域。 \n背景技术\n[0002] 我国幅员辽阔，供电区域范围广，至2005年，我国已建成投运220kv线路16.1万公里，500kv线路近5.5万公里。对交叉跨越、自然灾害区域等地的线路危险点的观察又是必不可少的，目前大多情况仍采用的是定期人工巡视手段，一般巡视周期为一个月，巡视期外线路及周边的环境情况是不得而知的，这就为输电线路的运行埋下了巨大的安全隐患。\n[0003] 现有技术中将输电线现场信息传输到地面监控中心，同时收集对微气象条件的监测（如温湿度、风速、风向、雨雪以及气压等），实现对高压线路现场和环境参数的全天候监测，使管理人员可及时了解现场信息，从而有效地减少由于导线覆冰、洪水、电力线、通道树木长高、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等因素引起的电力线路事故。\n[0004] 然而，对于变电站、输配电线路的状态进行在线监测，高压侧电子设备的电源供给问题成为阻碍该技术发展的一大障碍。目前应用较多的高压侧供电方式主要包括：蓄电池供电、电容分压取电与激光取电，以及太阳能供电等。对于蓄电池供电，由于常规在野外的寿命一般为二年，要定期更换蓄电池而造成维护困难，而对于太阳能供电来说，由于目前的太阳能在长时间的阴雨天气，其续航能力得不到保障。\n发明内容\n[0005] 本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、制造方便的以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统，实时监测输电线状态，并延长储能元件及其它元器件的使用寿命，降低维护更换的运行维护成本。 [0006] 本实用新型所采用的技术方案是：以超级电容器储电充电的接触式输电线路综合监测系统，其特征在于：该系统包括输电线安装部分和铁塔安装部分，其中：\n[0007] 输电线安装部分为输电线路综合监测装置，该装置包括壳体，壳体外侧安装太阳能电池板，该壳体顶部安装高压电磁感应取电器，取电器上设置监测传感器；所述壳体内部设有一层隔热材料层，形成保温腔体，腔体内安装电子制冷器，制冷器内安装超级电容器组、单片机、无线通信模块或ZigBee模块和充电控制器；所述太阳能电池板和高压电磁感应取电器经充电控制器为超级电容器组充电，该超级电容器组为单片机、无线通信模块或ZigBee模块和监测传感器供电，高压电磁感应取电器直接为电子制冷器供电，单片机采样监测传感器信号并由无线通信模块或ZigBee模块发送；\n[0008] 铁塔安装部分包括无线通信接收模块或ZigBee接收模块以及GPRS/GSM移动通讯模块，无线通信接收模块或ZigBee接收模块接收所述无线通信模块或ZigBee模块发出的信号，并经GPRS/GSM移动通讯模块发送至地面监控中心。\n[0009] 所述超级电容器组由若干个超级电容器串接而成，所述超级电容器为双电层超级电容器或是电化学超级电容器，容量为超过1法拉以上，所述电化学超级电容器为金属氧化物电容器、导电聚合物超级电容器或混合型超级电容器。\n[0010] 每个超级电容器上均接有均压保护电路，所述均压保护电路为由电压比较器电路或由TL431实现的电路或由高增益放大器驱动互补射极跟随器所组成的动态均压保护电路。\n[0011] 所述高压电磁感应取电器为一种罗氏线圈原理结构的电流互感器，以输电线充当电流互感器的一次侧线圈，在电流互感器的二次感应出电能，对其进行整流滤波处理实现隔离稳压输出。\n[0012] 所述监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、加速度传感器、角度传感器和测距传感器。\n[0013] 所述充电控制器为精准电压控制元件KA431和DC/DC升压模块构成的充电控制电路。\n[0014] 所述输电线路综合监测装置通过设于高压电磁感应取电器上的可带电安装的夹具固定在输电线上。\n[0015] 所述电子制冷器散热板置于壳体底部。 \n[0016] 本实用新型的有益效果是：本实用新型以超级电容器作为储能元件，相比于蓄电\n3 4\n池，超级电容器具有以下特点：（1）功率密度高，超级电容器的功率密度可达10 ～10W/kg,远高于目前蓄电池的功率密度；（2）循环寿命长，超级电容器在几秒钟内高速深度循环50万次至100万次后，特性变化非常小，电容量和内阻仅降低10%～20%。常温下工作寿命可达\n10年；（3）工作温度范围宽，超级电容器在低温下的离子吸附和脱附速度变化很小，其电容量变化远小于蓄电池，目前商业化超级电容器的工作温度范围达-40～70℃；（4）免维护，超级电容器的充放电效率高，耐过充电和过放电的能力强，可以稳定地反复充放电，基本不需要进行维护；（5）绿色环保，超级电容器在生产过程中不使用重金属和其它有害的化学物质，而且自身寿命长，对环境不造成污染。\n[0017] 本实用新型将超级电容器及其它电子器件置于电子式制冷器中，电子制冷器设置了电源转换开关，当温度传感器采集到环境温度高于20℃时，由CPU控制将电子制冷器在制冷档位运行，电子制冷器产生冷源。当温度传感器采集到环境温度低于-10℃时，CPU将控制电子制冷器开关运行在制热的档位运行，这样使超级电容器等元件一直在15℃～\n20℃的容器中运行，有效延长电子元器件的工作寿命，一般可达5-7年。\n[0018] 本实用新型在输电线路综合监测装置中安装有各类监测传感器，经无线通讯传输，可在地面监控中心实时监控输电线路的度状态。\n附图说明\n[0019] 图1为实施例中输电线路综合监测装置的剖视图。\n[0020] 图2为实施例中输电线路综合监测装置的俯视图。\n[0021] 图3为实施例中输电线路综合监测装置的原理框图。\n[0022] 图4为实施例中充电控制器的电路原理图。\n[0023] 图5为实施例中高压电磁感应取电器原理示意图。\n[0024] 图6、图7为实施例中均压保护电路的电路原理图。\n具体实施方式\n[0025] 本实施例为一种超容储电充电的接触式输电线路综合监测系统，该系统包括输电线安装部分和铁塔安装部分。\n[0026] 输电线安装部分为输电线路综合监测装置，如图1、图2所示，本实施例中输电线路综合监测装置包括壳体1，壳体1外侧安装固定太阳能电池板3，壳体1顶部安装高压电磁感应取电器2，高压电磁感应取电器2上安装有带电安装夹具5和监测传感器6，输电线路综合监测装置通过带电安装夹具5固定在输电线上，监测传感器6包括温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、加速度传感器、角度传感器和测距传感器（测距传感器，超声波测距传感器利用超声波技术对输电线周边树木长高进行在线监测）等，可根据监测需要设置不同类型的传感器。\n[0027] 壳体1内部设有一层隔热材料层4，形成保温腔体，腔体内安装电子制冷器9，电子制冷器散热板9-1置于壳体底部。电子制冷器9上安装超级电容器组7（作为该输电线路综合监测装置的储能元件）、单片机8、ZigBee发送模块10和充电控制器11，电子制冷器9将保温腔体内温度控制在15℃～20℃范围内，以延长超级电容器等电子元器件的使用寿命。\n[0028] 本例中超级电容器组7由若干个超级电容器串接而成，超级电容器为双电层超级电容器或是电化学超级电容器，容量为超过1法拉以上，所述电化学超级电容器包括：金属氧化物电容器、导电聚合物超级电容器、混合型超级电容器。本实施例中超级电容器外部由环氧树脂或沥青或石蜡进行隔绝空气的密封再封装。\n[0029] 超级电容器的额定电压很低，常需要大电流充、放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。如果不采取必要的均压措施，会引起个别单体电容器上电压较大，而引起损坏。因此超级电容器串联应用中必须考虑并解决均压问题，本实施例中在超级电容器上并联均压保护电路12。均压保护电路12为由三端可调分流基准源TL431实现的均压电路（见图6）或是由高增益放大器驱动互补射极跟随器组成的动态均压保护电路（见图7）。\n[0030] 如图6所示，本例中超级电容器电压经电阻R5、R6分压送到三端可调分流基准源V1（TL431）的R端，这个分压值在2.5V以下时，V1的K端相当于开路，在电阻R1上基本不产生附加压降。这样，由电阻R1、R2、R3在三极管Q1基极上的分压不能使三极管Q1导通，因此三极管Q2不导通，电路处于静止（高阻）状态；当电阻R5、R6分压点等于2.5V时，由于三极管Q1内部比较放大器的作用，使三极管Q1的K端电压下降，将在电阻R1上产生最大值为Vc-2V的压差，通常这时对应的Vc为2.7V，使三极管Q1导通进入放大状态，并驱动三极管Q2导通进入放大状态。由于该电路的VR端电压和三极管Q2集电极电流的跨导非常大，当三端可调分流基准源V1的R端所接的分压网络与三极管Q2集电极所接的电阻R9连于同一点时，电路的特性类似稳压二极管特性，在一定程度上将端电压限制在“稳压值”以下，保证了超级电容器在充电时不至于过电压。本均压保护电路的生产厂家为长沙巨力电子公司生产。\n[0031] 本实施例中太阳能电池板3和高压电磁感应取电器2经充电控制器11为超级电容器组7充电，该超级电容器组为单片机8、ZigBee发送模块10和监测传感器6供电，高压电磁感应取电器2直接为电子制冷器9供电，单片机8采样监测传感器6信号并由ZigBee发送模块10发送，见图3。\n[0032] 图4为充电控制器11的电路原理图。本例中充电控制器11为由精准电压控制元件KA431 13和DC/DC升压模块14构成的充电控制电路。\n[0033] 本实施例中铁塔安装部分包括ZigBee接收模块和GPRS/GSM移动通讯模块，两者均由铁塔供电电源供电。其中ZigBee接收模块接收输电线安装部分中ZigBee发送模块10发出的信号，并经GPRS/GSM移动通讯模块发送至地面监控中心，故地面监控中心可以实时的监测输电线的线路及其周边的状态。\n[0034] 如图5所示，本例中高压电磁感应取电器2是一种以罗氏线圈原理结构的电流互感器，从输电线上获取电能，即以输电线充当电流互感器的一次侧线圈，在互感器的二次感应出电能的特殊变压器。然后输入取能模块，取能模块对其进行整流滤波处理并实现隔离稳压输出。本实施例所用高压电磁感应取电器2为武汉泰伦特世纪科技公司生产的TLTP100 ，TLTP高压感应取电装置为分体式安装方式，由开启式取能互感器（TLTP-CT）和感应取能电源模块（TLTP-PM）两部分组成，开启式取能互感器可以直接悬挂在输电线路上。\n[0035] 关于超级电容器置于电子制冷器的原因，由于超级电容器的工作寿命与温度有关，环境工作温度越低使用寿命越长。本装置的设计寿命要七至十年，同时，电源由于采取了高压电磁感应取电器2，可谓“用之不尽”。本实施例中所述电子制冷器9运用半导体制冷技术（珀尔帖Peltier电致冷热效应），采用由台州托泰机电有限公司制造，型号为LT819型电子制冷器。