六邊形凹面螺旋式左手材料及輸電線路能量傳輸系統的制作方法

本發明涉及輸電線路監測設備能量傳輸技術領域，尤其涉及一種六邊形凹面螺旋式左手材料及輸電線路能量傳輸系統。

背景技術：

我國的輸電線路距離長，跨度大，常常分布在偏遠地區，這種地理上的特點給巡線工作帶來了不便，因此輸電線路在線監測設備正在被廣泛應用。為給監測設備提供持續可靠的電源，近年來國內外工程師們利用無線傳能技術，實現了用輸電線路本身的能量給監測設備供電。但是，現有成熟的無線傳能技術，主要采用磁耦合的形式來實現無線能量的傳遞，其能量傳輸效率與無線傳能的距離相關性很大。對于高壓導線，其安全絕緣距離大，通常需要數米的傳輸距離。在米級的有效傳輸距離條件下，現有技術采用中繼線圈磁耦合諧振或高頻微波級傳輸兩種方法，效率低成本高，在滿足安全絕緣距離的條件下，無法保證無線傳輸的有效距離和效率；且現有技術需要在輸電桿塔上額外安裝多個無線傳輸裝置，自然條件下經過風吹雨打，很難保證能量傳輸過程中方向的準確，所以這些缺點阻礙了目前無線傳能給輸電線路給桿塔在線監測裝置供電方案的實用化。

現有的無線能量傳輸技術，為保證在安全絕緣距離之外的有效傳輸距離，通常有兩種方案。一是采取增加數個中繼線圈的方案，這種方案利用中繼線圈的諧振維持電磁場，需要根據實際情況對若干個中繼線圈進行嚴格的匹配設計，尺寸較大且結構復雜，不利于產品化，而且傳輸效率低，無法獨立給監測設備供能，此外，在輸電桿塔額外架設多個中繼線圈，這些線圈將暴露在自然條件中，傳輸方向和位置將受到影響；中繼線圈存在阻尼且當中繼線圈方向有偏差時阻尼將變大，因而多個中繼線圈激發磁場的過程中，大部分能量都無法傳輸到接收端。因而采用多個中繼線圈的磁諧振方式在傳能距離方面不具備優勢；二是采取高頻微波能量傳輸，這種方案傳輸距離較遠，但是輸送功率有限且需要對收發兩端進行精準的定位，且對電力通訊造成了干擾。這兩種方法均需要對每個輸電桿塔單獨設計能量傳輸路徑和方向才能投入使用，這對完全暴露在自然條件下的輸電線路而言并不適用。

技術實現要素：

本發明實施例公開了一種六邊形凹面螺旋式左手材料及輸電線路能量傳輸系統，解決了現有的無線能量傳輸技術需要對每個輸電桿塔單獨設計能量傳輸路徑和方向，對完全暴露在自然條件下的輸電線路適用性差的技術問題。

本發明實施例提供了一種六邊形凹面螺旋式左手材料，包括：

基板，基板的前表面及后表面均為一曲面，曲面為凹面設計；

基板的介電常數為正；

基板的前表面順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈；

基板的后表面順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈。

基板為六邊體結構，前表面的外邊的形狀為正六邊形，后表面的外邊的形狀為正六邊形；

線圈的每一層均為六邊形形狀。

可選地，基板的介電常數為4.4。

可選地，前表面的內凹弧度不大于1mm，后表面的內凹弧度不大于1mm，基板的中心厚度為3mm。

本發明實施例提供的一種輸電線路能量傳輸系統，包括：

場能感應裝置、發射線圈、如本發明實施例提供的任意一種六邊形凹面螺旋式左手材料、接收線圈、監測設備；

場能感應裝置套于輸電線路上，場能感應裝置與發射線圈連接，發射線圈與接收線圈感應連接，接收線圈還與監測設備連接；

六邊形凹面螺旋式左手材料集成于絕緣子傘裙中且六邊形凹面螺旋式左手材料設置于發射線圈與接收線圈之間，用于對發射線圈產生的磁力線進行負折射。

可選地，發射線圈嵌入設置于鄰近輸電線路側的絕緣子傘裙中。

可選地，接收線圈嵌入設置于絕緣子串頂部鄰近桿塔側的絕緣子傘裙中。

可選地，復數個六邊形凹面螺旋式左手材料集成于中空的圓形絕緣板的內部表面上，圓形絕緣板設置于絕緣子傘裙底部。

可選地，還包括升頻裝置、電源；

升頻裝置連接于場能感應裝置與發射線圈之間，用于對場能感應裝置感應的能量升頻處理；

電源設置于接收線圈與監測設備之間，用于儲存電能。

從以上技術方案可以看出，本發明實施例具有以下優點：

本發明實施例提供了一種六邊形凹面螺旋式左手材料及輸電線路能量傳輸系統，六邊形凹面螺旋式左手材料包括：基板，基板的前表面及后表面均為一曲面，曲面為凹面設計；基板的介電常數為正；基板的前表面順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈；基板的后表面順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈。本實施例中通過對左手材料的結構進行凹面設計，并在前凹面和后凹面鍍制了螺旋式的線圈，能夠將諧振頻率限制在mhz兆赫茲級，并且能夠延長了磁力線匯集距離，能夠在保證能量傳輸效率的同時，延長無線能量傳輸的距離，同時將左右材料集成于絕緣子串的絕緣子傘裙底下，保證傳輸方向的準確，又避免了無線傳能裝置暴露在風吹雨打的自然環境中，提高了能量傳輸的可靠性，解決了現有的無線能量傳輸技術需要對每個輸電桿塔單獨設計能量傳輸路徑和方向，對完全暴露在自然條件下的輸電線路適用性差的技術問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明實施例中提供的左手材料負折射示意圖；

圖2(a)為本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的立體結構示意圖；

圖2(b)為本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的正視圖；

圖2(c)為本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的側視圖；

圖2(d)為本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的底面圖；

圖3為本發明實施例中提供的一種輸電線路能量傳輸系統的結構示意圖；

圖4(a)為本發明實施例中提供的一種集成圓形絕緣板的絕緣子傘裙示意圖；

圖4(b)為本發明實施例中提供的一種集成左手材料的圓形絕緣板的結構示意圖；

圖5為本發明實施例中提供的六邊形凹面螺旋式左手材料對磁力線的遠距離匯聚作用示意圖。

具體實施方式

本發明實施例公開了一種六邊形凹面螺旋式左手材料及輸電線路能量傳輸系統，解決了現有的無線能量傳輸技術需要對每個輸電桿塔單獨設計能量傳輸路徑和方向，對完全暴露在自然條件下的輸電線路適用性差的技術問題。

為使得本發明的發明目的、特征、優點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而非全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為了便于理解，首先對左手材料的理論基礎進行詳細的介紹。

在介電常數ε<0、磁導率μ<0的介質中，電場、磁場和電磁波傳播常數三者之間構成左手螺旋關系，所以這種介質被稱為左手材料。而在自然界中由原子和分子構成的物質中，大部分磁性材料的磁導率大于零，因此需要人工設計磁性結構單元去實現負磁導率。

左手材料與電磁波的相互作用主要體現負折射現象上。在ε<0,μ<0的情況下,maxwell方程仍然允許電磁波在材料中傳播,從一種介質入射到另一種介質時，在交界處需要滿足如下條件：

即在分界面處，電場強度和磁場強度的切向分量連續，電位移矢量和磁感應強度的法向方向分量連續。由以上四式可以看出，對于一側為常規媒質另一側為雙負媒質的情況，電磁波的電場強度和磁場強度在分界面兩側的切向分量相同，而法向分量方向相反；且由于雙負媒質中電場強度和磁場強度，波矢量構成左手螺旋關系，所以在分界面處，電磁波波矢量的切向分量同向，法向分量反向，因此折射波和入射波位于交界面法線的同側，從而形成了負折射，如圖1所示。

然而，傳統的左手材料單元的設計采用金屬開口諧振環結構來實現負磁導率，這種設計主要針對的是高頻微波段的電磁波，因此諧振頻率常常在ghz頻段。而在輸電線路無線能量傳輸中，對于左手材料單元有兩點不同的需求：1.通常需要將諧振頻率控制在mhz兆赫茲頻段，以避免對電力通訊的干擾。2.為了減小桿塔負擔，需要減小厚度，而且要保證較長的傳輸距離。因此，為了在輸電桿塔有限的空間內加強能量傳輸效率，需要對材料單元的外形進行獨特化設計，以增大空間利用率。

根據針對左手材料單元的研究可以知道：對諧振頻率的控制主要是針對耦合電感的控制，而材料單元的尺寸是決定耦合電感大小的主要因素之一；對于電磁波垂直入射實現負磁導率的左手材料單元，上下平面的間距對諧振頻率的影響較小；材料單元的外形與諧振頻率之間沒有必然聯系，且在ghz頻段的左手材料單元已經被設計成各種形狀。

請參閱圖2(a)，本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的一個實施例包括：

基板1，基板1的前表面2及后表面3均為一曲面，曲面為凹面設計；且基板1的介電常數為正；基板1的前表面2順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈4；基板1的后表面3順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈4。基板1為六邊體結構，前表面2的外邊的形狀為正六邊形，后表面3的外邊的形狀為正六邊形。線圈4的每一層均為六邊形形狀。

本發明實施例中通過利用螺旋式的線圈4的磁耦合特性制作了左右材料的前表面結構和后表面結構，中間的基板部分為介電常數為正的材料，具體的可使用環氧材料作為基板。前后兩個表面用銅線鍍制了螺旋結構，后表面3與前表面2在水平面上保持對稱，外圍尺寸可設計為30mm，通過增大電感實現頻率限制；同時將左手材料設計為雙凹面，將繞線之間的環氧材料制成弧度和中心厚度一定的雙凹面材料，將銅線順著凹面進行螺旋式地繞制，得到了凹面螺旋式的左手材料。

以上為對本發明提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的一個實施例的詳細描述，以下將對本發明提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的另一個實施例進行詳細的描述。

請參閱圖2(a)-(d)，本發明實施例中提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的另一個實施例包括：

基板1，基板1的前表面2及后表面3均為一曲面，曲面為凹面設計；且基板1的介電常數為正；基板1的前表面2順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈4；基板1的后表面3順著凹面的弧度鍍制有復數層螺旋式的線圈4。基板1為六邊體結構，前表面2的外邊的形狀為正六邊形，后表面3的外邊的形狀為正六邊形。線圈4的每一層均為六邊形形狀。

進一步地，基板1的介電常數為4.4。

進一步地，前表面2的內凹弧度不大于1mm，后表面3的內凹弧度不大于1mm，基板1的中心厚度為3mm。

本發明實施例中通過利用螺旋式的線圈4的磁耦合特性制作了左右材料的前表面結構和后表面結構，中間的基板部分為介電常數為正的材料，具體的可使用介電常數為4.4的環氧材料作為基板，以取得更好的匯集磁感線的效果。前后兩個表面用銅線鍍制了螺旋結構，后表面3與前表面2在水平面上保持對稱，外圍尺寸設計為30mm，通過增大電感實現頻率限制；同時將左手材料設計為雙凹面，將繞線之間的環氧材料制成弧度在1mm之內的，中心厚度為3mm的雙凹面材料，將銅線順著凹面進行螺旋式地繞制，得到了凹面螺旋式的左手材料。

此外，本發明實施例中設計了正六邊形結構的外邊，六邊形外邊的優點是能夠以最少的材料利用最多的空間，因為六邊形的內角為120度，3個六邊形圍在一起剛好可以圍成360度，極大地利用了空間，n個六邊形結構能夠對某個平面實現極大的面積覆蓋。因此，本發明實施例中的螺旋式線圈的每層均為六邊形，外圍尺寸設計為30mm，通過增大電感實現頻率限制；同時將材料單元設計為雙凹面，將繞線之間的環氧材料制成弧度在1mm之內的，中心厚度為3mm的雙凹面材料，將銅線順著凹面進行六邊形螺旋式地繞制，得到了六邊形凹面螺旋式的左手材料單元，能夠在保證左手材料單元較小厚度的同時，實現電磁波較遠距離匯集的功能，并且能夠保證多個左手材料拼接圍起來的時候能夠對某一個平面實現極大的面積覆蓋，極大地利用了空間。

以上為對本發明提供的一種六邊形凹面螺旋式左手材料的另一個實施例的詳細描述，以下將對本發明提供的一種輸電線路能量傳輸系統的一個實施例進行詳細的描述。

請參閱圖3，本發明實施例提供的一種輸電線路能量傳輸系統，包括：

場能感應裝置、發射線圈、如本發明提供的任意一種六邊形凹面螺旋式左手材料、接收線圈、監測設備；

場能感應裝置套于輸電線路上，場能感應裝置與發射線圈連接，發射線圈與接收線圈感應連接，接收線圈還與監測設備連接；

六邊形凹面螺旋式左手材料集成于絕緣子傘裙中且六邊形凹面螺旋式左手材料設置于發射線圈與接收線圈之間，用于對發射線圈產生的磁力線進行負折射。

進一步地，發射線圈嵌入設置于鄰近輸電線路側的絕緣子傘裙中。

進一步地，接收線圈嵌入設置于絕緣子串頂部鄰近桿塔側的絕緣子傘裙中。

進一步地，復數個六邊形凹面螺旋式左手材料集成于中空的圓形絕緣板的內部表面上，圓形絕緣板設置于絕緣子傘裙底部。

進一步地，還包括升頻裝置、電源；

升頻裝置連接于場能感應裝置與發射線圈之間，用于對場能感應裝置感應的能量升頻處理；

電源設置于接收線圈與監測設備之間，用于儲存電能。

以上為對本發明提供的一種輸電線路能量傳輸系統的詳細描述，以下將對六邊形凹面螺旋式左手材料在輸電線路能量傳輸系統中的具體應用場景進行詳細描述。

由于六邊形凹面螺旋式左手材料具有尺寸小，厚度薄，空間利用率高且能遠距離匯聚磁力線的特點，因此可以在保證傳輸距離和傳輸效率的同時避免了過大的線圈尺寸。請參閱圖4(a)-(b)，在高壓輸電中，絕緣子傘裙的半徑為30cm左右，其內部能容納19個邊長為3cm厚度為5mm的六邊形凹面螺旋式左手材料，基本將絕緣子傘裙的面積覆蓋，最大地利用了空間，增大了左手材料負折射作用面積，使無線能量傳輸集成在絕緣子內部的方案能夠完全實現。因此本發明實施例中將左手材料的磁場匯聚特性作為無線能量傳輸的中繼方式，將其集成到絕緣子的傘裙中。在輸電桿塔上不增加額外設備的條件下，很好地保障了無線能量傳輸的可靠性。為方便絕緣子串聯鉤掛，傘裙中心為中空圓形，因此實際中，19個六邊形左手材料單元方陣將扣除中心的單元，如圖4(b)，將18個最大厚度為5mm的六邊形凹面螺旋左手材料，集成到30cm直徑的圓形絕緣板內部，絕緣板材料為硅橡膠或者其他材料，比如陶瓷材料或玻璃材料，與絕緣子串的材料對應，再將圓形絕緣板組合到絕緣子的傘裙底部，如圖4(a)所示。由圖可以看出，圓形板上的六邊形材料單元既能極大地利用了傘裙圓面的空間，又很好地被絕緣子傘裙保護，避免了自然條件下的風力對材料單元能量傳輸方向的影響，和雨水對材料單元的侵蝕。

輸電線路能量傳輸系統中，場能感應裝置套在輸電線路上，在經過升頻處理后，mhz兆赫茲級的電磁波被傳輸到發射線圈上，發射線圈嵌入靠近輸電線路側的絕緣子傘裙中，從而保證了能量發射方向與絕緣子串方向保持一致。在絕緣子串中部，串聯上集成了六邊形凹面螺旋式左手材料的絕緣子，在絕緣子串方向上，較大面積內有效地對發射線圈產生的磁力線進行負折射，從而在接收端匯聚了磁力線。在絕緣子串頂部靠近桿塔側的絕緣子中嵌入接收線圈，這樣從底部發射的磁力線能夠較好地匯聚到接收端，然后引到桿塔上的降頻電源中，給在線監測設備提供穩定的直流電源或者工頻電源。

本方案中，磁力線匯聚的距離可以靈活調整，因為集成了六邊形凹面螺旋式左手材料的絕緣子不影響絕緣子的外形和結構，因此可以和非集成的絕緣子進行任意替換，這樣就能夠在絕緣子串上的能量傳輸中實現集成六邊形凹面螺旋式左手材料的絕緣子多個串聯，組成多米諾形式的傳輸，從而將磁力線匯聚的距離變得靈活可調。

如圖5所示，為絕緣子無線能量傳輸方案下左手材料磁力線匯聚作用的示意圖，可以看出，在發射端發出的磁力線(圖中的實線)在經過六邊形凹面螺旋式左手材料的負折射效應后，能夠在遠處的接收端匯聚，并感應出諧振頻率的電磁場。而未加左手材料時，磁力線(圖中的虛線)在發射端產生后，會向外部發散，幾乎無法傳輸到接收端。采用普通中繼線圈的方案可以使接收端感應少量磁力線，但是普通中繼線圈采用的是磁諧振方式，產生新的磁力線以維持磁場傳遞，普通線圈固有的阻尼會極大地衰減這種方案所傳遞的能量。而經過六邊形凹面螺旋式左手材料的傳輸，在1.5m的距離，從發射端到接收端的能量傳輸效率可以達到30％。

本發明中對左手材料基于輸電線路環境進行了創新性設計，得到了六邊形凹面螺旋式左手材料，能夠將諧振頻率限制在mhz兆赫茲級，并且能夠延長了磁力線匯集距離，能夠在保證能量傳輸效率的同時，延長無線能量傳輸的距離。并且將六邊形凹面螺旋式左手材料集成到絕緣子傘裙，并給出了左手材料集成到絕緣子傘裙的具體實施方案，為絕緣子串垂直方向上實現能量無線傳輸奠定了基礎。且左手材料集成在硅橡膠或其他復合材料制成的圓形板內，使左手材料能夠被很好地絕緣保護，以保證輸電導線的絕緣安全。

此外，無線傳能的發射端，接收端也集成到絕緣子串的傘裙中，然后將絕緣子串中間部分的絕緣子替換成集成了左手材料的絕緣子，這樣既能夠保證傳輸方向的準確，又避免了無線傳能裝置暴露在風吹雨打的自然環境中，提高了能量傳輸的可靠性，且適用于批量化生產。將多個集成左手材料的絕緣子任意替換到絕緣子串中，更是實現多米諾式的無線傳輸方式，實現對磁力線匯聚距離的可調控制。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。