CN108604486A - 高压电绝缘体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电绝缘体(1)，包括细长的绝缘元件(11)，绝缘元件沿着轴线延伸且具有沿着所述轴线彼此相距一定距离的第一和第二端部(117,118)，并且还包括至少第一和第二谐振电路(122,123)，第一和第二谐振电路通过绝缘元件(11)彼此电流隔离，第一和第二谐振电路各自包括围绕轴线延伸的至少一个绕组，所述绕组沿着轴线彼此相距一定距离并且是磁耦合的。

Description

高压电绝缘体

本发明涉及用于高压网络的设备，特别涉及要连接到高压设施的控制或命令电路的电源。

高压网络中采用的设备，包括输电线、变压器或功率转换器，需要本地电子电路。这些电子电路用于控制电源部件，或用于执行对设备的测量和控制操作。这样的电子电路的电源电压基本上低于地与电子电路连接到的设备的高压电平之间的电势差。

用于这种类型的电子电路的电池电源允许省略地与电路之间的电缆布线，并且仅允许在关于地或高电压的电流隔离的限制条件下，对该电路供电。然而，由于电池的独立操作能力是有限的，需要定期的维护操作。这种类型的维护操作在高电压时是有问题的，或者需要关闭与电子电路相关联的设备，这在经济上可能是不利的。

从连接到地的电源向电子电路供电造成了地与高电压之间的电流隔离的问题，这由于电压的高电平而恶化。然后，对电路的尺寸的限制可能使其成本过高。

已经提出了能量收集器的形式的、用于这种类型的电子电路的电源。然而，这种类型的方案不适用于直流电流，并且如果被分接能量的高压设施没有携带足够的电流，则不允许收集足够的能量以供应电子电路。

文献FR738101描述了一种高压电绝缘体。该绝缘体被设计为从穿过绝缘体的高压导体转移能量。初级绕组沿着其轴线穿过绝缘体，并将其输入端连接到其输出端。初级绕组被封闭在绝缘套管中。次级绕组封闭绝缘套管。

还提出了光纤电源。这种类型的电源基于从基于地的源发射光、通过光纤传输这种光以及通过连接到电子电路的转换器将该光转换成电。然而，这种类型的电源特别昂贵，并且仅传输非常有限的功率。

本发明旨在克服这些缺点中的一个或更多个。因此，需要一种简单且可靠的方案用于从地电势对连接到高电压的电子电路供电，并且没有自主限制。因此，本发明涉及一种如所附权利要求1中所限定的高压电绝缘体。

本发明还涉及所附从属权利要求的对象。从属权利要求的各种特征也能够独立于权利要求1的特征相结合，而不构成中间概括。

可以观察到，各种谐振电路的绕组有利地在绝缘体的轴线上彼此相距一定距离布置。

本发明还涉及一种系统，包括：

-上述类型的绝缘体；

-用于产生相对于地电势的电源电势的AC电源，其中，所述电源连接到第三谐振电路，第三谐振电路配备有用于产生磁通量的绕组，其中，用于产生磁通量的所述绕组位于绝缘元件的第一端部处。

通过以下参照附图示例性而非限制性提供的描述清楚地指出了本发明的其他特征和优点，其中：

-图1示出了根据本发明示例性实施例的绝缘体的示意图；

-图2示出了集成在图1中所示的绝缘体中的示例性能量传输电路的示意图；

-图3示出了用于将谐振电路附接到绝缘元件的第一变体的截面图；

-图4示出了用于将谐振电路附接到绝缘元件的第二变体的截面图；

-图5示出了用于将谐振电路附接到绝缘元件的第三变体的截面图；

-图6示出了用于将谐振电路附接到绝缘元件的第四变体的截面图；

-图7示出了用于将谐振电路附接到绝缘元件的第五变体的截面图。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的包含高压电绝缘体1的电气系统的示意图。举例而言，这里，绝缘体1在应用中被表示为高压线路94的支撑。自然地，根据本发明的绝缘体也能够例如以绝缘套管或避雷器的形式与其他类型的高压设施一起使用，其他类型的高压设施包括变压器或变流器。

电绝缘体1被固定在电线杆91的上端。电线杆91在其上部包括臂92。电绝缘体1借助于所述臂92以悬臂式布置安装到电线杆91。电源电路2附接到电线杆91或臂92或绝缘体1。电源2被配置为在输出接口上产生相对于参考地电势93的交变电压。

以已知的方式，电绝缘体1包括在相对端处的固定支撑件13和14。电绝缘体1还包括以已知的方式沿着轴线延伸的细长的绝缘元件11。固定支撑件13和14附接到绝缘元件11的相应的轴向端部117和118。在这种情况下，固定支撑件13和14是金属部件。固定支撑件13和14以已知的方式借助于绝缘元件11实现电绝缘。特别地，电绝缘体1有利地包括在轴向端部117和118之间的至少一个横向部分，其仅包含电绝缘材料(其中，该横向部分例如仅由绝缘元件11构成，或者由绝缘元件11和空气构成)。因此绝缘体1不包括在轴向端部117和118之间连续延伸的电导体。

固定支撑件13附接到臂92。固定支撑件14包含由高压线94穿过的箍141。电子电路3例如附接到支撑件14。电子电路3连接到高压线94。电子电路3例如被配置为测量高压线94上的电参数，例如流过其中的电流或其电势。

电绝缘体1还包括无线电能传输装置12。能量传输装置12包括连接到电源电路2的输入端和连接到电子电路3的输出端。能量传输装置12包括互相电流隔离并且磁耦合的多个谐振电路。这些谐振电路中的每一个包括围绕元件11的轴线的至少一个相应的绕组。这些绕组沿着所述轴线彼此相距一定距离布置，并且是磁耦合的。电能因此能够沿着绝缘体1的轴线在谐振电路之间传输。

在当前情况下，能量传输装置12包括输入谐振电路121、第一中间谐振电路122、第二中间谐振电路123和输出谐振电路124。谐振电路121至124沿着绝缘体的绝缘元件11的轴线分布。输入谐振电路121连接到电源电路2。输出谐振电路124连接到电子电路3。

图2示出了对应于根据本发明的示例性能量传输装置12的电路图。谐振电路121包括连接到电源电路2的至少一个导体绕组。该绕组位于绝缘元件11的端部117处。该绕组被设计为产生磁通量，其中的一部分穿过相邻谐振电路中的绕组。谐振电路121的绕组包括至少一匝，该至少一匝的轴线与绝缘元件11的轴线基本共线。这里，谐振电路121的绕组的电感和电阻被建模为电感161和电阻171。在这种情况下，谐振电路121包含与电感161串联连接的电容器151。自然地，可以添加分立部件以便调节谐振电路121中的电感和电阻的值。

谐振电路122包括至少一个导体绕组。谐振电路122的绕组包括至少一匝，该至少一匝的轴线与绝缘元件11的轴线基本共线。这里，谐振电路122的绕组的电感和电阻被建模为电感162和电阻172。自然地，可以添加分立部件以便调节谐振电路122中的电感和电阻的值。在这种情况下，谐振电路122是RLC串联型的，并且包含与电感162和电阻172串联连接的电容器152。这里，电容器152是分立部件。

谐振电路123包括至少一个导体绕组。谐振电路123的绕组包括至少一匝，该至少一匝的轴线与绝缘元件11的轴线基本共线。这里，谐振电路123的绕组的电感和电阻被建模为电感163和电阻173。自然地，可以添加分立部件以便调节谐振电路123中的电感和电阻的值。这里，谐振电路123是RLC串联型的，并且包含与电感163和电阻173串联连接的电容器153。这里，电容器153是分立部件。

谐振电路124包括连接到电子电路3的至少一个导体绕组。该绕组位于绝缘元件11的端部118处。该绕组被设计为接收来自相邻谐振电路的绕组的磁通量。这里，电子电路3以电负载的形式示出。谐振电路124的绕组包括至少一匝，该至少一匝的轴线与绝缘元件11的轴线基本共线。这里，谐振电路124的绕组的电感和电阻被建模为电感164和电阻174。自然地，可以添加分立部件，以便调节谐振电路124中的电感和电阻的值。这里，谐振电路124是RLC串联型的，并且包含与电感164和电阻174串联连接的电容器154。这里，电容器154是分立部件。

沿绝缘元件11相邻布置的两个谐振电路的绕组是磁耦合的。各种谐振电路的绕组例如由(例如铜或铝的)导线形成。有利地，由电源电路2产生的电源频率等于谐振电路的谐振频率。

在电源电路2向谐振电路121施加交变电压的情况下，可变电流在所述电路121中流动，其绕组产生可变磁通量。该磁通量的一部分通过互相耦合穿过谐振电路122的绕组。中间谐振电路122的绕组中的可变磁通量在绕组中产生可变感应电压。可变电流出现在该绕组和电容器152中。该电流然后产生另一可变磁通量。电能因此被逐渐传递到谐振电路124。

因此，根据本发明的绝缘体1允许在电流隔离的情况下，在电源电路和电子电路之间以简单的方式在基本上不同的电势处传递电能。这种类型的绝缘体1保持了紧凑的设计，并且对充当谐振电路的支撑件的绝缘元件11的绝缘性能的采用允许减小终端谐振电路之间的距离，从而进一步提高传输的效率。

有利地，中间谐振电路122和123具有相同的谐振频率。有利地，输入谐振电路121和输出谐振电路124具有与中间谐振电路相同的谐振频率。这些各种配置允许提高装置12中的能量传输的效率。在发射器和接收器之间的距离很大的情况下实现良好的效率是特别困难的，假设在高压设施的情况下，为了电流隔离，该距离是很大的。有利的是，谐振电路121至124的谐振频率至少等于5kHz，或者至少等于20kHz，或者至少等于100kHz，例如高达1GHz。此类谐振频率级允许：

-减少谐振电路上的电容器的大小，如果不是完全省略电容器的话；

-减少谐振电路的每个绕组中的匝数。

在所示的示例中，谐振电路121、122、123和124各自包含电容器。这种类型的部件是可选的，因为谐振电路的绕组的杂散电容可以足以允许为所述谐振电路中的每个实现适当的谐振频率。谐振电路的电容器可以优选是薄膜型或陶瓷型的。

为了增加谐振电路121至124的绕组的互相耦合，绕组有利地是同心的，具有与绝缘元件11的轴线一致的轴线。使用具有与绝缘元件11的轴线一致的轴线的同心绕组允许所述绕组保持与等势线平行。因此，绕组不会损害绝缘体1的耐电压。为了进一步提高能量传输装置12的效率，所述绕组中的每个包括围绕绝缘元件11的轴线缠绕的多匝。

在当前情况下，为了简化，传输装置12仅包括两个中间谐振电路。然而，可以设想使用更多数量的中间谐振电路，以便减小两个相邻谐振电路之间的距离，并从而提高所述传输装置12的传输的效率。中间谐振电路的数量例如可以根据绝缘元件11的长度或者根据其几何结构来限定。

绝缘元件11例如由常规绝缘材料形成，例如陶瓷材料、瓷或玻璃。绝缘元件11也可以被配置为组合结构，例如具有玻璃纤维芯和硅树脂覆层的轴。绝缘元件11继续承担绝缘体的常规功能，即对位于基本上不同的电势处的支撑件13和14进行电流隔离。

这里，谐振电路的绕组是圆形的，以便匹配配置有转动对称结构的绝缘元件11。

图3示出了根据本发明的绝缘体的第一变体在纵向平面中的示意性截面图。图3仅表示了能量传输装置12中的一个谐振电路120的详细视图。在这种情况下，绝缘元件11呈现出围绕轴线115的回转体的形式，限定了环形突出部111和凹部112的交替布置。谐振电路120的绕组包括围绕轴线115缠绕并连接到电容器150的多匝160。这里，匝160和电容器150位于凹部112的底部，从而确保了它们优异的机械和电气保护。

凹槽114有利地布置在凹部112中。凹槽114被配置为具有与谐振电路120的绕组的匝160相同的间距。该绕组的匝160被容纳在所述凹槽114中，从而特别确保了对所述匝160的优异的机械保持。

电容器150通过任何适当的手段(例如通过黏合)附接到绝缘元件11。这里，电容器150容纳在相应的凹槽中或凹陷中。有利地，谐振电路120的绕组(以及适当的情况下电容器150)被电绝缘材料18覆盖。在不损害谐振电路120的情况下，通过允许例如喷洒水以防止在绝缘元件11的表面上形成传导路径来相应地促进对绝缘体1的维护。在这种情况下，绝缘材料18形成围绕匝160的覆层。绝缘材料例如是合成绝缘树脂。

图4示出了根据本发明的绝缘体的第二变体在纵向平面中的示意性截面图。图4仅表示出了能量传输装置12中的一个谐振电路120的详细视图。在这种情况下，绝缘元件11呈现出围绕轴线115的回转体的形式，限定了环形突出部111和凹部112的交替布置。谐振电路120的绕组包括围绕轴线115缠绕并连接到电容器150的多匝160。这里，匝160和电容器150位于环形突出部111的外围处，因此增加了相邻谐振电路之间的互相耦合。

凹槽114布置在环形突出部111的外围处。凹槽114被配置为具有与谐振电路120的绕组的匝160相同的间距。该绕组的匝160容纳在所述凹槽114中，因此特别确保了对匝160的优异的机械保持。

电容器150通过任何适当的手段(例如通过黏合)附接到绝缘元件11。这里，电容器150容纳在相应的凹槽中或凹陷中。有利的是，谐振电路120的绕组(以及适当情况下，电容器150)被电绝缘材料18覆盖。在不损害谐振电路120的情况下，通过允许例如喷洒水以防止在绝缘元件11的表面上形成传导路径来相应地促进对绝缘体1的维护。在这种情况下，绝缘材料18形成了围绕匝160的覆层。绝缘材料例如是合成绝缘树脂。

图5示出了根据本发明的绝缘体的第三变体在纵向平面中的示意性截面图。图5仅表示出了能量传输装置12中的一个谐振电路120的详细视图。在这种情况下，绝缘元件11呈现出围绕轴线115的回转体的形式，限定了环形突出部111和凹部112的交替布置。113表示环形突出部111和凹部112之间的连接部。谐振电路120的绕组包括围绕轴线115缠绕并连接到电容器150的多匝160。这里，匝160和电容器150位于环形突出部111和凹部112之间的连接部处。

凹槽114配置在连接部113中。匝160基本上位于同一平面内，并同心地布置。该绕组的匝160容纳在所述凹槽114中，因此特别确保了对所述匝160的优异的机械保持。

电容器150通过任何适当的手段(例如通过黏合)附接到绝缘元件11。这里，电容器150容纳在相应的凹槽中或凹陷中。有利的是，谐振电路120的绕组(以及适当情况下，电容器150)被电绝缘材料18覆盖。在不损害谐振电路120的情况下，通过允许例如喷洒水以防止在绝缘元件11的表面上形成传导路径来相应地促进对绝缘体1的维护。绝缘材料例如是合成绝缘树脂。

也可以设想图5中示出的绝缘体1的另一个变体。由于绕组的匝布置在单个平面中，因此能够将它们并入一个印刷电路中。电容器150因此能够是分立部件，其被焊接到这种印刷电路。

在图示的示例中，谐振电路的绕组被应用到绝缘元件11。然而可以设想，谐振电路的绕组嵌入在绝缘元件11的材料中。

也可以设想图5中示出的绝缘体1的另一个变体。由于绕组的匝布置在同一平面中，因此它们能够配置为单面或双面印刷电路中的印刷导体的形式，或配置为多层印刷电路中的印刷导体。电容器150因此能够是分立部件，其被焊接到这种印刷电路。

图6和图7中示出的变体对应于嵌入绝缘元件11的材料中的谐振电路的绕组的实施例的形式，其中绕组配置为以印刷电路中的印刷导体的形式。

图6示出了根据本发明的绝缘体的第四变体在纵向平面中的示意性截面图。图6仅表示出能量传输装置12中的一个谐振电路120的详细视图。在这种情况下，绝缘元件11呈现出围绕轴线115的回转体的形式，限定了环形突出部111和凹部112的交替布置。谐振电路120的绕组包括多匝160。这里，匝160被配置为以印刷电路衬底19上的印刷导体的形式。在这种情况下，印刷电路19嵌入在绝缘元件11的材料中，并且在环形突出部111中延伸，特别是径向地延伸。匝160围绕轴线115缠绕。在这种情况下，匝160连接到电容器150。电容器150附接到印刷电路19。

图7示出了根据本发明的绝缘体的第五变体在纵向平面中的示意性截面图。图7仅表示出了能量传输装置12中的一个谐振电路120的详细视图。在这种情况下，绝缘元件11呈现出围绕轴线115的回转体的形式，限定了环形突出部111和凹部112的交替布置。谐振电路120的绕组包括多匝160。这里，匝160被配置为以印刷电路衬底19的两个相反表面上的印刷导体的形式。在这种情况下，印刷电路19嵌入在绝缘元件11的材料中，并且在环形突出部111中延伸，特别是径向地延伸。匝160围绕轴线115缠绕。

在图示的示例中，绕组的匝容纳在绝缘体1中的凹槽中。可以设想其中例如匝简单地附接到绝缘元件11的表面的其他变体。

在图示的示例中，绝缘元件11被配置为环形突出部和凹部的交替布置。然而，本发明还可以应用于包括绝缘元件的绝缘体1，绝缘元件的外表面是圆柱形的。

Claims (14)

1.一种高压电绝缘体(1)，包括细长的绝缘元件(11)，所述绝缘元件(11)沿着轴线(115)延伸且具有沿着所述轴线彼此相距一定距离的第一和第二端部(117,118)，其特征在于，所述高压电绝缘体(1)还包括：

-至少第一和第二谐振电路(122,123)，所述第一和第二谐振电路(122,123)通过所述绝缘元件(11)彼此电流隔离，所述第一和第二谐振电路各自包括围绕所述轴线延伸的至少一个相应的绕组(160)，所述绕组沿着所述轴线彼此相距一定距离并且是磁耦合的。

2.根据权利要求1所述的绝缘体(1)，其中，所述绝缘元件(11)呈现出限定环形突出部(111)和凹部(112)的交替布置的回转体的形式，其中所述绕组(160)布置在相应的凹部(114)中。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘体(1)，其中，凹槽(114)配置在所述绝缘元件(11)中，并且其中，所述绕组(160)容纳在所述凹槽中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，其中，所述绕组(160)被电绝缘材料(18)覆盖。

5.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，其中，所述绕组(160)各自包括围绕所述轴线(115)缠绕的多匝，并且其中，所述绕组是同心的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，包括分别附接到所述绝缘元件(117,118)的所述第一和第二端部的两个导体支撑件(13,14)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，其中，所述第一和第二谐振电路(122,123)的谐振频率为50Hz到1GHz。

8.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，其中，所述第一和第二谐振电路(122,123)中的每一个包含与相应的绕组串联连接的电容器(152,153)，其中，所述电容器附接到所述绝缘体的绝缘元件(11)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，还包括第三谐振电路，所述第三谐振电路通过所述绝缘元件与所述第一和第二谐振电路电流隔离，其中，所述第三谐振电路包括围绕所述轴线的至少一个相应的绕组，其中，所述绕组被布置为沿着所述轴线与所述第一和第二谐振电路的绕组相距一定距离并且磁耦合到所述第三谐振电路的绕组。

10.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，包括分别附接到所述绝缘元件(11)的所述第一和第二端部(117,118)的第一和第二固定支撑件(13,14)，其中，所述第一和第二固定支撑件通过所述绝缘元件(11)电隔离。

11.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)，其中，所述绝缘体的至少一个横向部分仅包含电绝缘材料。

12.一种系统，包括：

-如前述权利要求中任一项所述的绝缘体(1)；

-用于产生相对于地电势(93)的电源电势的AC电源(2)，其中，所述电源(2)连接到第四谐振电路(121)，所述第四谐振电路(121)配备有用于产生磁通量的绕组(161)，其中，用于产生磁通量的所述绕组位于所述绝缘元件(11)的第一端部(117)处。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电源(2)以与所述第一、第二和第四谐振电路的谐振频率相同的频率产生电源电势。

14.根据权利要求12或13所述的系统，包括：

-电子电路(3)，其被设计为连接到高压设施(94)，以及连接到第五谐振电路(124)，所述第五谐振电路(124)配备有用于接收磁通量(164)的绕组，其中，所述接收绕组位于所述绝缘元件(11)的第二端部(118)处。