关键词：
风速监测
摩擦纳米发电机
电磁发电机
输电线路微风振动
自供电
摘要：
随着人类社会对电力的需求不断增长,对供电系统的可靠性要求也日益提高。电网中输电线路所处环境的不确定性是影响输电线路安全运行的关键因素,输电线路的安全运行与电网的可靠性息息相关。高压输电线路的长度通常跨越数十甚至数百千米,而且需要在各种不同的环境和气候条件下运行。因此,地理环境和气候对高压输电线路的影响极大,每年造成电网停电事故的主要原因之一就是线路故障。微风振动作为一种常见自然灾害,是造成输电线路事故的主要原因之一。主要的预防方式是对输电线周围的风速进行监测,而传统的风速传感器需要人工更换电池,极大损耗了人力和财力,并且多数风速传感器因其测量原理无法适配输电线路环境。因此,迫切需要一种综合策略来稳定监测输电线环境中的风速。
基于以上背景,本文设计了一种基于摩擦-电磁混合发电机的自供电风速监测装置,用于监测引起架空输电线路微风振动的风速信息。通过设计摩擦纳米发电机结构,在合理利用空间的前提下设计电磁发电机结构为中央处理单元、信号处理芯片以及无线传输模块供电,实现输电线路中风速信息的自驱动监测。摩擦纳米发电机采用独立层设计,尽量减少传统摩擦纳米发电机存在的磨损问题。同时复合发电机具有结构简单、成本低廉、材料选择范围宽以及输出性能高等特点。本文设计的自供电风速监测装置不仅可以在没有外部电源的情况下监测风速信息,更重要的是,它为输电线路上的微风振动监测提供了一种新的策略,解决了电网传感器的供电难题。本文具体工作分为以下几点:
（1）复合发电机的机理和样机模型研究,根据法拉第电磁感应定律以及摩擦起电与静电感应耦合原理,设计基于摩擦-电磁混合发电机的自供电风速传感器机械结构。根据实际要求设计独立层模式的摩擦纳米发电机,用于传感风速信号,合理利用空间设计电磁发电机,稳定输出能量为系统进行供电。进一步组装成摩擦-电磁复合发电机,并对复合发电机的结构进行了设计。使用3D打印机打印壳体、定子和转子等部件,螺栓和加工轴为铝合金材质,轴承为陶瓷材质。
（2）自供电风速监测装置整体方案研究,进行摩擦纳米发电机信号处理电路和电磁发电机电源管理电路的设计与开发。首先由于中央处理单元无法直接读取摩擦纳米发电机输出的正弦波信号,根据实际输电线路环境以及摩擦纳米发电机的输出特点,设计摩擦纳米发电机信号处理电路,将原始信号转化成中央处理单元可识别的方波信号,对方波读取处理。然后利用无线传输模块可以实现信号远距离传输,结合电磁发电机结构和输出特点,设计电源管理电路将能量稳定存储在超级电容器中,实现电磁发电机为中央处理单元、信号处理芯片以及无线传输芯片稳定供电,为后续环境应用服役提供技术支撑。针对信号处理电路以及电源管理电路选择合适的电子元件,使用电路仿真软件对其进行仿真,仿真结果与理论分析保持一致,验证所设计电路的可行性。
（3）开展输电线路环境下微风振动在线监测单元的研制与应用实验研究,搭建微风环境模拟测试平台。首先测试电磁发电机的基本输出特性和带负载能力,通过改变磁铁数量等条件测试电磁发电机的输出性能,测试磁感线圈串并联对输出的影响,对不同电容进行充电实验,在不同转速下测试电磁发电机的峰值功率,最大峰值功率为54.3 m W。其次研究摩擦纳米发电机的传感性能以及输出信号与风速之间的规律。摩擦纳米发电机的输出电压频率与风速呈正相关,在3-15 m/s风速范围内可达到的电压频率为7-70 Hz,拟合优度R=0.996。进一步通过耐久性测试,验证摩擦-电磁复合发电机的高效稳定输出。结合设计的信号处理电路和电源管理电路,进一步优化发电机的输出信号。进行系统自供电实验研究,整个系统无需外部电源参与,分析系统自供电过程中电压曲线的变化,将风速信号与商业传感器进行对比,验证传感精度。最后搭建无线传输平台,进行实际输电线路环境中的服役应用测试。实现输电线路中风速在线监测,记录微风振动的持续时间,并在线路被微风破坏之前更换传输线。该工作为利用摩擦纳米发电机技术进行输电线路风振监测提供了一种新的策略,有望长时间在电网中得到应用。
欢迎来到三峡大学图书馆！
