CN110506379B - 用于低电位与高电位之间的无线功率传递的系统、以及高压断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于无线功率传递的系统(1)，该系统包括功率传递设备(2)，该功率传递设备(2)包括电容器单元(6)和电感器单元(4)，电容器单元(6)和电感器单元(4)串联连接以形成LC谐振电路。电感器单元(4)被设计为形成具有环形形状的包络(5)，该包络形成了具有至少一匝的电感线圈，其在包络外部生成了用于无线功率传递的振荡磁场。每一匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘，并且通过包络内部的导线而适当地连接。在包络内部配置电容器单元(6)，使得包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线。

Description

用于低电位与高电位之间的无线功率传递的系统、以及高压 断路器

技术领域

本发明涉及一种用于无线功率传递的系统，该系统包括至少一个功率传递设备，该功率传输设备包括串联连接以形成LC谐振电路的电容器单元和电感器单元。特别地，本发明涉及一种适用于在高压环境中功率传递的系统。本发明还涉及一种使用这种系统的高压断路器。

背景技术

在高压系统中，在通常位于离地面一定高度、相对于地面电位很高(高达几百kV)的区域，需要辅助电源的情况并不少见。这是操作各种设备所必需的，其中一些设备涉及基本功能，诸如为断路器供电、为电池充电或维护用于状态监测的通信。例如，致动高压断路器的一种标准方法是利用电机充能弹簧结构(位于地面电位)与绝缘杆一起操作。通常，电机较为庞大，机构较为复杂，并且绝缘杆在一定时间内只传输单个机械脉冲。将电力无线传递到处于高电位的系统的部分、以容易地操作断路器(例如，通过处于高电位的电机或致动器、以及其他设备)将是非常方便的。因此，需要能够无线供电的设备，诸如位于高电位的断路器、传感器和能源存储装置等等。

这里的高电位是指相对于地面1kV以上的电压。为了避免闪络，高电位区域通常位于离地面电位一定距离的地方，最高可达几米。电压越高，需要离地的距离越远，例如，在空气中150kV需要1.2m的间隙。因此，问题在于如何在如此大的距离从地面传递功率以便到达要供电的设备。

进行这样的功率传递的已知方法原理上是通过使用磁耦合的LC谐振器的磁感应。然而，在高压环境下，尖锐的边缘和金属部件的细节可能发生严重问题，诸如，部分由放电引起的问题，并且最坏的情况是由于尖锐的边缘周围的电场梯度过大而产生电弧。为了将能量带上高电位区域，必须解决该问题。CN205355968公开了一种使用LC谐振电路的、用于在高压环境中的无线功率传输的系统。该功率传输系统包括发射线圈、接收线圈和重复线圈。发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位。重复线圈设置在发射线圈与接收线圈之间。重复线圈具有沿着等电位表面的曲线形状，以在发射线圈与接收线圈之间形成平滑的电场分布。该文件中没有提到电容器在系统中的使用。在高压环境下使用电容器的问题是，除非采取适当的屏蔽措施，否则电容器的导电内部结构和连接导线可能有尖锐的边缘，这导致上述电场梯度过大。因此，这种屏蔽措施是任何可接受的设计解决方案的必要组成部分。

US2016/284459A1公开了一种空气磁芯装置，其具有由在螺旋形状中包裹的板状结构形成的第一环形，并且包括空气芯。该装置进一步具有第二环形，该第二环形以同心方式包络第一环形。本文件描述了一个实施例，其中该装置用于传递功率。然后，该环形被两个地方的绕组环绕，其中一个绕组将功率传递给环形，并且另一个绕组将该功率接收。由于绕组的存在，该装置不能用于高压环境下不同电位之间的功率传递。此外，由于绕组环绕着环形，不能认为功率传递是无线的，因为发射器和接收器像传统的变压器那样是物理上分离的实体。

发明内容

本发明的目的是至少部分地克服上述问题，并提供一种适合于在高压环境下的无线功率传递的系统。

该目的通过权利要求1所定义的用于无线功率传递的系统来实现。

该系统包括功率传递设备，该功率传递设备包括串联连接的电容器单元和电感器单元，以形成适用于无线功率传递的LC谐振电路。根据本发明，电感器单元被设计为形成具有环形形状的包络，该包络形成了具有至少一匝的电感器线圈，并且每一匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘。在包络内部配置电容器单元，使得包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线。

形成具有至少一匝的线圈的包络生成了用于无线功率传递的振荡磁场。本发明通过将电感器单元设计成平滑的环形、更具体地说是环形体，并将电容器单元置于该环形体内部，解决了由于尖锐的边缘引起的电场梯度过大的问题。因此，实现了具有环形外形的LC谐振器。该环形具有平滑的表面并且没有尖锐的边缘，因此将电场梯度过大的问题最小化。LC谐振器的环形将确保LC谐振器周围的电场分布平滑，这意味着最小的电应力。电容器单元由具有环形形状的包络包围。因此，具有环形形状的包络形成了电容器单元周围的屏蔽，并且由此防止了电容器处的电场梯度过大，并且由此防止了电容器损坏。

本发明的想法是将环形几何应用到功率传递设备，以使得在高压环境中的平滑电场力和电应力。高压环境可以是AC或DC。根据本发明，该系统能够实现位于不同电位处的设备之间可靠的功率传递。电位差可以相当大，即从1kV直到几百kV。

电感器的环形形状还确保了电感器中的电流分布良好，以避免电感器中的热点，该热点否则会造成过大的损耗并且可能对电感器造成损坏。

包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线，由此向系统提供电感，并且同时将系统内部与高强度磁场屏蔽。此外，这将由于外部高电场带来的应力最小化。

电感器单元与电容器单元串联连接。由于电感器单元具有环形形状，所以由于电流通过LC谐振电路而产生的磁场将会穿过该环形的中间孔，并且在该环形的外部周围。

根据本发明的实施例，绝缘间隙从包络的内部周缘向外部周缘径向地延伸，使得形成了至少一个电感器匝，该至少一个电感器匝从绝缘间隙的一侧延伸到绝缘间隙的另一侧。绝缘间隙是在环形形状包络周围以径向方向延伸的沟或槽，以提供每匝端部之间的电气绝缘，使得匝没有被短路。由于绝缘间隙，包络形成了具有至少一匝的电感器线圈，并且每匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘。环形包络因此提供LC谐振器中的电感，并且其可以由串联连接的一个、两个或多个电感器匝组成。

根据本发明的实施例，绝缘间隙填充有绝缘材料，以提供电感器单元的端部之间的电气绝缘并且提供机械稳定性。

根据本发明的实施例，电感器单元包括串联连接的多个电感器匝，以形成电感器绕组。例如，这是通过将包络分成多个部分而实现的，该多个部分从绝缘间隙的一侧延伸到绝缘间隙的另一侧，并且在包络内部的部分之间添加了合适的导线连接。然后，包络的每个部分形成了完整电感器绕组的一个电感器匝，并且各匝通过绝缘间隙而彼此电气绝缘。多于一个匝导致了更高的电感器电压，并且因此需要更低的电容值。匝数的选择是一个优化问题，取决于电容器可用的特性，诸如能量密度、额定电压、损耗和价格。

包络并且因此导体由导电材料制成，诸如铝或铜。导电材料有两个用途。第一，导电材料在LC谐振器电路中形成一匝或多匝电感器。第二，导电材料可以将电容器单元电气屏蔽和磁屏蔽，并且因此保护电容器免受外部高电压应力和环形外部由谐振器自身产生的强磁场的影响。

根据本发明的实施例，包络由铜制成。铜既是良好的电导体又是良好的热导体。包络的环形形状显示了相对较大的表面，并且因为铜具有高的导热性，所以包络最优地耗散了由电容器和连接导线在内部生成的热量。该实施例因此实现了设备的有效冷却。

根据本发明的实施例，包络具有对称轴线，并且该包络跨对称轴线被分成了第一和第二半包络，第一和第二半包络中的每一个半包络被设计为形成电感器的一匝，在下文称为电感器匝。电感器匝串联连接。在本实施例中，包络由两个区段组成，即上半部分和下半部分。通过将包络分为两个半部分，将电容器单元插入包络内部变得容易了。半包络中的每个半包络形成一个电感器匝，并且电感器匝串联连接。半包络是对称的。半包络关于环形形状包络的对称轴线同轴地布置。

根据本发明的实施例，功率传递设备包括布置在第一与第二半包络之间的绝缘材料，以提供半包络之间的电气绝缘并且增强机械稳定性。半包络彼此间隔一定距离被布置，以允许电气绝缘材料被设置在半包络之间。每个半包络都具有内部圆边缘和外部圆边缘，并且绝缘材料被布置在边缘之间。

根据本发明的实施例，第一半包络具有从第一半包络的内部周缘向第一半包络的外部周缘延伸的第一绝缘间隙，并且第二半包络具有从第二半包络的内部周缘内部周缘向第二半包络的外部周缘外部周缘延伸的第二绝缘间隙，并且功率传递设备包括连接在第一与第二半包络之间的至少一个导线。由此，每个半包络形成电感器的一匝，并且两个电感器匝串联连接。

根据本发明的实施例，功率传递设备包括电气连接在第一与第二半包络之间的多个第一导线，每个第一导线的一个端部在第一连接点处连接到第一半包络，并且相对的端部在第二连接点处连接到第二半包络，并且第一连接点沿着第一绝缘间隙分布且第二连接点沿着第二绝缘间隙分布。术语“连接点”是指导线与包络表面之间的连接的点。本实施例导致了包络表面上的均匀电流分布。适当地，连接点沿着间隙边缘均匀分布，即，相邻连接点之间的距离大致相同。

第一连接点布置在第一绝缘间隙附近的第一区域内，并且第二连接点布置在第二绝缘间隙附近的第二区域内。因此，半包络是串联连接的。例如，在绝缘间隙附近的第一和第二区域距离绝缘间隙小于20mm，并且优选小于10mm，以便减少由于包络中的屏蔽电流而造成的额外损耗。

根据本发明的实施例，电容器单元包括并联连接的多个电容器，并且这些电容器与包络串联。通过具有并联连接并且串联到包络的多于一个电容器，实现了更平均的电流分布。适当地，每个电容器具有相同的电容。一组电容器可以通过其与包络的连接而形成内部彼此并联互连、并且与包络串联连接的阵列。

根据本发明的实施例，电容器单元包括并联连接的至少5个电容器、并且优选为至少10个电容器。适当地，电容器单元包括并联连接的10个与20个之间的电容器。电容器的大量数目引起电容器与包络之间大量的连接点，由此在包络中提供了平均的电流分布，并且因此将包络的导电材料中的损耗最小化。

根据本发明的实施例，功率传递设备包括连接在电容器与第一半包络之间的多个第二导线，每个第二导线的一个端部在第三连接点处连接到第一半包络，并且第三连接点沿着第一绝缘间隙分布。这使得电流分布均匀并因此减少了损耗。第三连接点布置在第一绝缘间隙附近的第三区域中。

根据本发明的实施例，功率传递设备包括连接在电容器与第二半包络之间的多个第三导线，并且每个第三导线的一个端部在第四连接点处连接到第二半包络，并且第四连接点沿着第二绝缘间隙分布。这使得电流分布均匀并因此减少了损耗。第四连接点布置在第二绝缘间隙附近的第四区域中。例如，在绝缘间隙附近的第三和第四区域距离绝缘间隙小于20mm，并且优选小于10mm。

根据本发明的实施例，第一区域布置在第一绝缘间隙的一侧并且第三区域布置在第一绝缘间隙的相对的一侧，以及第二区域布置在第二绝缘间隙的一侧并且第四区域布置在第二绝缘间隙的相对的一侧。

根据本发明的实施例，第一和第二导线彼此成对地绞合。本实施例实现了第一导线间平均的电流分布。使用连接两个半包络的双绞线，引起互感分布，这有利于这些导线之中的电流分布更均匀。作为结果，在包络边缘处进入和离开包络的电流分布变得更均匀，并且因此减少了包络以及连接导线中的损耗。

根据本发明的实施例，该系统包括优选地以等距的方式布置的、同轴布置的多个功率传递设备使得它们分阶段传输功率。功率传递设备包括发送设备、接收设备和可选的多个中间传递设备。优选地，各设备具有相同或相似的设计。该系统可以作为多阶段系统进行缩放和构建，从而实现所需的距离。用这种方法，可以达到一到几米的距离。该系统包括具有环形形状的多个LC谐振器，该多个LC谐振器被布置使得它们分阶段将功率从地传递到高电位电平。该设备的环形形状确保了无线功率系统周围电场分布平滑，这意味着最小的电应力。其中一个功率传递设备可以连接到为系统供电的高频变换器，并且另一个功率传递设备可以连接到高电位的负载、或者具有高电位的后续负载的整流器。该系统可以将电力从地面带到高电位处的指定高度，无论是在开放空间或是通过绝缘体内部，该绝缘体可以充满具有较高介电强度的气体，例如SF6。用这种方法，可以达到一至几米的距离。该系统能够无线地为重要设备供电，诸如位于高电位的断路器、传感器和储能装置。例如，每个环形都可以利用环氧树脂密封和涂敷，从而确保系统的长持续时间且无磨损，从而使维护最少化。

功率传递设备产生磁场，该磁场流过环形的中间孔，并通过外部空间回流，该外部空间用于将功率传递到第二个类似的设备。功率传递设备是一种LC谐振电路，其中电感部分为环形导体结构。例如，可以通过直接连接到电源或将电源置于处于谐振频率的驱动线圈的磁场中，来激励功率传递设备。然后，在功率传递设备中感应通过LC电路的谐振电流。由于LC谐振，该设备产生一个强磁场，该强磁场可以用于在另一功率传递设备中感应谐振电流，该另一功率传递设备位于距离第一设备一定距离处。

根据本发明的实施例，该系统包括电源单元，该电源单元被配置为以10kHz到100kHz之间的频率向LC谐振电路供应AC功率。取决于其设计，该系统能够在10kHz到100kHz的范围内某些特定的频率下工作。该系统能够以商用设备使用的频率工作，例如20kHz。因此，该系统是经济有效的，因为电源和标准电容器的完整的解决方案在市场上是可用的。

根据本发明的实施例，包络的壁的厚度为0.5到1.5mm。包络的壁的厚度应该大于0.5mm，以提供足够的机械稳定性。从导体损耗的角度看，包络的壁的厚度不需要大于所选导体材料在所选频率下的磁趋肤深度。

本发明的另一个目的是提供一种高压断路器，该高压断路器能够将功率从位于地面区域的电源传递到位于高压区域的断续器单元。

本目标是由高压断路器实现的，该高压断路器包括根据本发明的系统，该系统被布置用于在地面区域与高压区域之间进行无线功率传递。

根据本发明的实施例，高压断路器包括：至少一个断续器单元，该断续器单元位于高压区域并且包括可移动触头，该可移动触头被布置为在断开与闭合位置之间可移动；操作机构，被布置以在断开与闭合位置之间移动可移动触头，其中操作机构位于高压区域；以及根据本发明的系统，该系统被布置用于在电源与操作机构之间进行无线功率传递。

该系统还可以在内部嵌入包含绝缘气体(例如，SF6)的支撑绝缘体。

根据本发明，该系统可以适用于低电位(例如，地面)与高电位(即从1kV到几百kV的电位)之间的无线功率传递。根据本发明，该系统可以适用于将功率从低电位无线传递到位于高电势的设备。

附图说明

现在将通过本发明不同实施例的描述并且参考附图来更详细地解释本发明。

图1示出了根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统，该系统包括以透视图和径向横截面图示出的功率传递设备。

图2示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括电容器和具有一个电感器匝的电感器单元。

图3示出了对应于图2所示设备的LC谐振器电路的电气方案。

图4示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括两个电感器匝。

图5示出了图4所示的功率传递设备，其中绝缘间隙中设置有绝缘材料。

图6示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括四个电感线圈。

图7示出了电容器单元的示例，该电容器单元包括多个电容器。

图8示出了功率传递设备的接线示例，该功率传递设备包括两个电感器匝和一个电容器单元，该电容器单元包括多个电容器。

图9示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括两个电感器匝和两个电容器单元。

图10示出了对应于图9所示设备的LC谐振器电路的电气方案。

图11示出了根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统，该系统包括多个功率传递设备。

图12示出了高压断路器的示例，该高压断路器包括根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统。

图13示出了根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统，该系统包括多个功率传递设备。

图14示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括电容器和电感器单元，其中指示了电流i和磁场。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统1的发送部分。在该实施例中，发送部分包括功率传递设备2。图1的左侧示出了功率传递设备2的透视图，并且图1的右侧示出了功率传递设备2的横截面A-A。功率传递设备2包括电感器单元4，该电感器单元4设计为具有带有对称轴线S1的环形形状的包络5。包络5具有在中间带有通孔10的旋转表面，像甜甜圈、或者像高压屏蔽环。对称轴线S1穿过通孔10并且不与包络5的表面相交。功率传递设备生成的振荡磁场穿过该孔10并且大致沿着对称轴线S1取向。电感器单元4可以包括一匝或多匝导体，下文表示为电感器线圈。功率传递设备2进一步包括电容器单元6，该电容器单元6包括布置在包络5 4内部的一个或多个电容器。例如，该电容器可以是标准的金属化聚丙烯箔式电容器。电容器单元6和电感器单元4串联连接以形成LC谐振电路。

包络5具有带有平滑表面的环形的形状，以将高压环境下的电应力最小化。包络5具有中心通孔10、圆形内部周缘11a和圆形外部周缘11b。优选地，包络5具有圆形横截面，并因此如图1所示成形为环形。包络5提供从包络的内部周缘11a到外部周缘11b径向地延伸的绝缘间隙8，使得形成了包括一个或多个电感器匝的电感器单元4。电感器单元4从绝缘间隙8的一侧12延伸到绝缘间隙的相对侧13。绝缘间隙8径向地切割包络5，使得电感器单元的相对的端部14、15彼此电气绝缘。电感器单元4是圆形的，并且在对称轴线S1的周围从绝缘间隙8的一侧12延伸到相对侧14。电感器单元4是弧形的，并且具有布置在绝缘间隙8的相对侧上两个端部14、15。电感器单元4可以包括一个或多个电感器匝，从而形成了线圈。因此，包络形成具有至少一匝的线圈，该线圈生成用于无线功率传递的振荡磁场。绝缘间隙适合在1-5mm之间，以便提供电感器单元的端部14、15之间的电气绝缘。绝缘间隙8可以设置有绝缘材料，以便密封包络。

本发明的基本想法是用导电材料(例如，铜板)构建环形表面形状的电感器单元，其具有较小的匝数N(例如，在1匝到10匝之间)，并且将电容器单元6放置在电感器单元的内部。因此，整个功率传递设备2具有平滑、导电的环形外表面。设备2因此理想地适合于放置在强的外部电场中，因为其造成的电场失真最小，并且因此呈现出对于造成电晕放电或甚至电气击穿的最小风险。

例如，包络5由固态导电材料制成，诸如被成形为环形形状的金属板。例如，包络的材料可以是铜、银、铝或任何其他良导体，包括例如碳基纳米结构，其需要特殊框架和专用触点。备选地，可以由利兹配置中的薄漆包线制成，这最小化在HF处的损耗。电感器单元的电感可以通过选择适当的匝数的解决方案而根据任何要求进行定制。

包络5定义了用于容纳电容器单元6和导线的内部空间。包络5并且因此电感器单元4的壁16具有适当的一致厚度t。包络5的壁16的厚度t优选地大于0.5mm以提供足够的机械稳定性。包络5的壁的厚度t适合在0.5到1.5mm之间。然而，厚度t不需要大于所选频率的趋肤深度，因为损耗与更厚的壁相同。例如，如果电流的频率是65Hz，则厚度t不需要大于0.8mm。

系统1进一步包括电源单元18，该电源单元18被配置为向LC谐振电路供应AC功率。电源单元18借助于电缆20而电气连接到电感器单元4。优选地，电源单元18被配置为以大约10kHz到100kHz的频率被供电。电源单元可以包括高频变换器，该高频变换器被配置为将常规电源的频率转换到适当频率。

电感器单元4可以包括一个或多个电感器匝。图2-图6公开了电感器单元的示例，该电感器单元包括不同数目的电感器匝。通过将包络分为从绝缘间隙8的一侧延伸到绝缘间隙8的另一侧的多个部分，可以提供两个或更多个电感器匝。备选地，环形形状的电感器单元可以由许多匝的导线形成。应该优选地使用利兹线以最小化涡流损耗。在这种情况下，不需要径向的绝缘间隙8。

图2示出了功率传递设备2’的第一示例，其包括电感器单元，该电感器单元被设计为具有环形形状的包络5，从而形成具有一个电感器匝的电感器L。对于一个电感器L，如图2左侧所示，需要打开包络，将电容器单元6放置在包络内部，然后关上包络并将其接合，例如通过在水平方向上焊接，但是如图2左侧所示，在竖直方向留下狭窄的绝缘间隙8。电感器L在包络的对称轴线周围延伸，并且具有位于绝缘间隙8一侧的第一端部21，以及位于绝缘间隙8相对侧的第二端部22。电容器单元6被连接在电感器L的第一端部21与电感器L的第二端部22之间。

图3示出了对应于图2所示设备2’的LC谐振器电路的电气方案。该电路包括串联连接的电感器L和电容器C。该电路可以连接到电源以给出通过电路的电流，或者可以通过提供将在电路中感应电流的、穿过电感器单元线圈的磁场而被供电。LC谐振电路的功能是产生强振荡电流，该强振荡电流转而创建强振荡磁场。

图4和图5示出了功率传递设备2”的第二示例，其包括两个电感器匝L1和L2。包络5”垂直于对称轴线C1被分为第一和第二半包络5a-b。半包络5a-b关于环形形状包络的对称轴线C1对称且同轴布置。第一和第二半包络5a-b中的每一个半包络被设计为形成电感器绕组的一个电感器匝L1、L2。电感器匝L1、L2串联连接。因此，在该实施例中电感器单元具有串联连接的两个电感器匝。包络5”具有绝缘间隙，该绝缘间隙分为第一绝缘间隙8a和第二绝缘间隙8b，以便分离线圈L1、L2的端部并且提供这些端部之间的电气绝缘。第一绝缘间隙8a从中心通孔10径向地延伸到第一半包络5a的外部周缘，并且第二绝缘间隙8b从中心通孔10延伸到第二半包络5b的外部周缘。半包络5a-6被布置在距彼此有一定距离的位置，使得在半包络5a-6之间形成第二绝缘间隙24，以提供在一个水平面的半包络之间的电气绝缘。第二绝缘间隙24在包络周围的圆周方向上延伸，并且被配置为垂直于第一和第二绝缘间隙8a-b。适当地，绝缘材料被布置在半包络5a-b之间的第二绝缘间隙24中，以便密封包络并形成如图5所示的均匀的包络5”。

功率传递设备2”包括至少一个第一导线26，该至少一个第一导线26电气连接在第一与第二半包络5a-b之间，使得半包络5a-b串联连接。导线26在第一绝缘间隙8a附近的第一区域30a中具有第一连接点26a，并且在第二绝缘间隙8b附近的第二区域30b中具有第二连接点26b。电容器单元6连接在第一与第二半包络5a-b之间，使得电容器单元6与第一和第二电感器匝L1、L2串联连接。功率传递设备2”包括至少一个第二导线28，该至少一个第二导线28电气连接在电容器单元6与第一半包络5a之间。导线28在第一绝缘间隙8a附近的第三区域30c中具有第三连接点28a。电容器单元6也在第二绝缘间隙8b附近的第四区域30d连接到第四连接点28b。第一区域30a和第二区域30b布置在第一半包络5a的第一绝缘间隙8a的相对侧上，并且第三区域30c和第四区域30d布置在第二半包络5b的第二绝缘间隙8b的相对侧上。绝缘间隙8a-b之间的距离以及连接点26a-b与28a-b的距离优选地小于20mm，更优选地小于10mm。

图6示出了功率传递设备2”’的第三示例，其包括四个电感器匝L1-L4。在本实施例中，包络5”’被分为四个部分，这些部分从绝缘间隙8的一侧延伸到绝缘间隙8的另一侧，使得每个部分形成一个电感器匝L1-L4。这些部分是由在圆周方向上并且垂直于第一绝缘间隙8延伸的第二绝缘间隙24分成的。适当地，绝缘材料被布置在第一绝缘间隙8以及第二绝缘间隙24中，以便机械地稳定并密封这些部分并形成均匀的包络5”’。每个电感器匝L1-L4都是圆形的，并且在对称轴线S1周围从绝缘间隙8的一侧延伸到绝缘间隙的相对侧。绝缘间隙8径向地切割包络5”’，使得电感器L1-L4相对端部彼此电气绝缘。电感器匝L1-L4串联连接。因此，电感器线圈具有四个绕组。当各区段之间进行连接时，导线的取向应该优选地使得各区段中的电流在相同的方向上流动。为避免内部区段L1、L4与外部区段L2、L3之间的路径长度差以及电阻率过大，在多绕组解决方案中，将绞线添加到导线中。

图7示出了电容器单元6a的示例，该电容器单元6a包括并联连接的多个电容器C，更精确地说，每个电容器单独和独立连接到在环形包络内部相同的连接区域(图8中标记为42和44)。在本示例中，电容器单元6a包括七个电容器C。具有在区域42和44之间并联连接的大量数目的电容器是有利的，因为分布在区域42和44中的大量数目的连接点在包络中提供了平均的电流分布，并且因此将包络的导电材料中的损耗最小化。适当地，例如电容器单元6a可以包括10个到20个之间的并联连接的电容器。例如，这些电容器是标准的轴向聚丙烯箔电容器。然而，也可以使用其他类型的低损耗AC电容器。

图8示出了功率传递设备32合适的接线示例，该功率传递设备32包括串联连接的两个电感器匝L1、L2和电容器单元6a，该电容器单元6a包括并联连接的多个电容器。该设备包括大量数目的连接在第一和第二电感器匝L1、L2之间的第一导线34。每个第一导线34在第一绝缘间隙8a附近的第一区域中具有第一连接点38，并且在第二绝缘间隙8b附近的第二区域中具有第一连接点40。第一连接点38沿第一绝缘间隙8a分布，并且第二连接点40沿第二绝缘间隙8b分布。优选地，第一和第二连接点38、40沿第一和第二绝缘间隙8a-b平均分布。在电感器L1、L2之间大量数目的连接点38、40在包络中提供了平均的电流分布，并且因此将连接导线以及包络的导电材料中的损耗最小化。

功率传递设备32包括在电容器单元6a的电容器C与第一电感器匝L1之间连接的多个第二导线36。每个第二导线36在第一绝缘间隙8a附近的第三区域中具有第三连接点42，并且第三连接点42沿第一绝缘间隙8a分布。功率传递设备32包括在电容器单元6a的电容器C与第二电感器匝L2之间连接的第三导线37。每个第三导线37在第二绝缘间隙8b附近的第四区域中具有第四连接点44，并且第四连接点44沿第二绝缘间隙8b分布。优选地，第四连接点44沿第二绝缘间隙8b均匀地分布。术语“在绝缘间隙附近”是指距离绝缘间隙的距离优选地小于20mm，更优选地小于10mm。

第一和第三区域布置在第一绝缘间隙8a的不同侧上，以及第二和第四区域布置在第二绝缘间隙8b的相对侧上。第一和第二导线34、36中的电流方向是相反的。适当地，第一和第二导线34、36彼此成对绞合，以便实现第一导线34之中的平均的电流分布；第二导线36或等效地第三导线37之中平均的电流分布由电容器来保证。

图9示出了功率传递设备50的另一个示例，该功率传递设备50包括两个电感器匝L1和L2以及位于绝缘间隙8的相对侧上的两个电容器单元C1、C2。例如，由于环形形状包络内部电容器的可用空间受限制、并且需要保持第二和第三连接导线尽可能短，这可能是必要的。每个电容器单元C1、C2可以有利地包括多个电容器。为了简单起见，图中只示出了几个导线。图10示出了对应于图9所示的功率传递设备50的LC谐振器电路的电气方案，其具有带有两个电感器匝L1、L2的电感器单元L。

图11示出了根据本发明的另一个实施例的用于无线功率传递的系统1’，该系统1’包括同轴且均匀间隔的多个功率传递设备，使得它们分阶段传输功率。在本实施例中，该系统包括四个功率传递设备2a-d。然而，功率传递设备的数目可以依据功率要传递的距离确定。功率传递设备2a-d之间的分离距离应该至多为环形设备的直径的数量级或更少，以确保可接受的传递效率(分离距离越小，效率越高)。最下方的功率传递设备2a由包括高频变换器的电源单元18供电。适当地，为系统1’供电的功率的频率在10kHz到100kHz之间，以便保持功率传递期间的损失在可接受极限内，并同时允许简单和经济有效的解决方案。最上方的功率传递设备2d经由电缆而连接到整流器和/或负载。

在一个示例中，系统1’的功率传递设备2a-d包括由铜制成且外径为150mm的包络。该包络的壁厚度为1mm。要传递的功率的频率约为60kHz。壁的厚度(1mm)的选择是基于在10-100kHz的频率范围内铜的趋肤深度(δ)范围，分别是0.64-0.20mm。在本示例中，电容器单元包括28个电容器，每一个电容器为3.3μF。该系统1’被配置为通过支撑绝缘体的SF6内部环境来传递功率，以用于在145kV下操作带电罐式断路器(LTB)。本实施例的主要要求是应当能够将100瓦特传递到距离地面电位1.4m的高度。

图12示出了高压断路器60的示例，该高压断路器60包括根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统1’。断路器是自动操作的电气开关，该电气开关被设计为保护电路免受由于故障引起的过电流的损坏。断路器的基本功能是在保护传感器检测到故障之后中断电流流动。断路器60包括断续器单元62，该断续器单元62包括固定触头63a和可移动触头63b，可移动触头被布置为能够关于固定触头在断开与闭合位置之间移动。断续器单元62进一步包括绝缘外壳64，绝缘外壳64包围固定和可移动触头63a-b，并且在一端具有电气输入端子65a，在相对端具有电气输出端子65b。断续器单元62被布置在上部的高电位区域，即在1kV以上的电位，位于与下部的地面区域一定距离的位置。断路器60进一步包括被布置为在断开与闭合位置之间移动可移动触头63b的操作机构72。操作机构72位于高电位区域。该系统1’被布置用于在电源18与操作机构72之间进行无线功率传递。

断路器60还包括用于支撑断续器单元62并使中断单元与地面保持安全距离的支撑架66。该支撑架66包括布置在地面区域(即处于地面电位的区域)中的基础部分68，以及在基础部分68与断续器单元62之间延伸的支撑绝缘体70。支撑绝缘体中填充绝缘介质，例如，SF6。支撑绝缘体70在地面电位的基础部分68与高电位的断续器单元62之间提供电气绝缘。

用于无线功率传递的系统1’包括一系列位于彼此上方的连续的功率传递设备2。在本实施例中，功率传递设备2的数目为4。然而，功率传递设备2的数目可能取决于应用而变化。最下方的功率传递设备2从电源单元18接收功率，并将功率无线传输到下一个功率传递设备2。上方的功率传递设备2从先前的功率传递设备无线地接收功率，并且经由电缆而被电气连接到操作机构72，以向操作机构供电。支撑绝缘体70是空心的，并且系统1’位于空心的支撑绝缘体70中。功率传递设备2依次位于空心支撑绝缘体中。在备选的实施例中，系统1’可以部分或全部位于支撑绝缘体70的外部。

图13示出了根据本发明的实施例的用于无线功率传递的系统，该系统包括如图11所示的多个功率传递设备。在本图中，指示了磁场。并且，在该图的右侧示出了环形的电路图。该磁场是功率传递设备设计的直接结果。如图11所示的相同，最下方的功率传递设备2a由电源单元18供电，该电源单元18包括高频变换器。电源单元为最下方的功率传递设备2a提供电流，该最下方的功率传递设备2a通过如图所示的环形而创建磁场。因此，电源单元18为最下方的功率传递设备馈送电流，该最下方的功率传递设备通过其中心创建磁场。另一个功率传递设备2b放置在最下方的功率传递设备的上方，并且与最下方的设备有一定距离。第二功率传递设备2b受第一功率传递设备2a的磁场的影响，使得感应电流，从而创建其自己的磁场。感应的电流和产生的磁场较强，因为功率传递设备是LC谐振电路。在本图中，第三功率传递设备2c和第四功率传递设备2d放置在第二功率传递设备的上方。第三功率传递设备2c具有与第二功率传递设备2b相同的功能，并且第四功率传递设备2d经由电缆而被连接到整流器和/或负载。换言之，第四功率传递设备具有连接用于系统1’的功率输出的电缆。应当注意的是，功率传递设备在系统1’中的数目只是一个示例，使用的功率传递设备的数目取决于使用系统时的系统设计者。根据一些方面，有至少两个功率传递设备，一个设备位于另一个设备上方。从电源到第一功率传递设备的连接、或者从最后的功率传递设备到负载的连接可以各自以不同的方式实现，或者通过图13所示的两种方法之一直接连接、或者通过到一个单独的驱动或拾取线圈的电感耦合。关键点在于，功率被注入到第一个谐振器并从最后一个谐振器流出。注意在所有情况下，电容器和电感器单元都是串联连接的，因为在LC谐振电路中流动的主电流都是相同的。

图14示出了功率传递设备的示例，该功率传递设备包括电容器和电感器单元，其中指示了电流i和磁场。如上所讨论的，在功率传递设备是如图13所示的最下方的设备2a的情况下，电流i由电源18驱动。在其他情况下，电流将由下方功率传递设备的磁场感应。电流和磁场的方向由物理规律指定；如图所示，逆时针方向的电流，将给出根据图中的箭头的磁场。在图14的右边，示出了环形的电路图。如前所述，电感器单元L是环形形状的包络，并且电容器单元C位于包络内部。

本发明不限于公开的实施例，但可以在以下权利要求的范围内进行变更和修改。例如，可以改变电感器匝和电容器的数目，以及它们的类型、组成材料和精确的几何布置。功率传递设备的大小和数目可以根据应用而改变。

在本发明的另一个实施例中，形成电感器单元的环形包络不仅被分为若干部分，还可以包括彼此电气绝缘的若干层，并且因此可以形成单独的电感器匝。这种设计是有利的，例如，在包络是由利兹线构成而不是由大量导体材料构成的情况下。

在本发明的另一个实施例中，形成电感器单元的环形包络由某种导线的许多匝形成，该导线优选为利兹线。

Claims (15)

1.一种用于高压环境中的无线功率传递的系统（1；1’），所述系统（1；1’）包括功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’），所述功率传递设备包括电容器单元（6；6a）和电感器单元（4），所述电容器单元（6；6a）和所述电感器单元（4）串联连接以形成LC谐振电路，其特征在于，所述电感器单元（4）被设计为形成具有环形形状的包络（5；5’；5’’；5’’’），所述环形具有平滑的表面并且没有尖锐的边缘，使得过大的电场梯度被最小化，所述包络（5；5’；5’’；5’’’）具有从所述包络的内部周缘（11a）径向地延伸到外部周缘（11b）的绝缘间隙（8；8a-b），使得形成具有至少一匝（L、L1、L2、L3、L4）的电感器线圈、并且每匝的端部借助于所述绝缘间隙而彼此电气绝缘，所述至少一匝（L、L1、L2、L3、L4）从所述绝缘间隙的一侧延伸到所述绝缘间隙的另一侧，并且所述电容器单元（6；6a）被布置在所述包络的内部，使得所述包络包裹所述电容器单元、以及所述电容器单元与所述电感器单元之间的导线。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述包络（5；5’；5’’；5’’’）被分为多个部分，所述多个部分从所述绝缘间隙的一侧延伸到所述绝缘间隙的另一侧，并且每个部分被设计为形成电感器匝（L；L1、L2、L3、L4）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述包络（5’’）具有对称轴线（S1）并且所述包络跨所述对称轴线被分为第一半包络（5a）和第二半包络（5b），所述第一半包络和所述第二半包络中的每个半包络被设计为形成至少一个电感器匝（L1、L2），并且所述电感器匝串联连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一半包络（5a）具有第一绝缘间隙（8a），所述第一绝缘间隙（8a）从所述第一半包络的内部周缘径向地延伸到所述第一半包络的外部周缘，并且所述第二半包络（5b）具有第二绝缘间隙（8b），所述第二绝缘间隙（8b）从所述第二半包络的内部周缘径向地延伸到所述第二半包络的外部周缘，并且所述功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’）包括连接在所述第一半包络与所述第二半包络之间的至少一个导线（34）。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个导线包括多个第一导线（34），所述多个第一导线（34）的一端在第一连接点（38）处连接到所述第一半包络（5a），并且所述多个第一导线（34）的相对端在第二连接点（40）处连接到所述第二半包络（5b），以及所述第一连接点沿所述第一绝缘间隙（8a）分布，并且所述第二连接点沿所述第二绝缘间隙（8b）分布。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电容器单元（6a）包括并联连接的多个电容器（C）。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电容器单元（6a）包括至少5个电容器（C）。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述电容器单元（6a）包括至少10个电容器（C）。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’）包括多个第二导线（36），所述多个第二导线（36）连接在所述电容器（C）与所述第一半包络（5a）之间，所述第二导线中的每个第二导线的一端在第三连接点（42）处连接到所述第一半包络，并且所述第三连接点沿所述第一绝缘间隙（8a）分布。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一导线（34）和所述第二导线（36）彼此成对绞合。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述包络（5；5’；5’’；5’’’）由铜制成。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括多个所述功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’），多个所述功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’）被同轴布置，并且使得多个所述功率传递设备（2；2’；2’’；2’’’）分阶段传递功率。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括电源单元（18），所述电源单元（18）被配置为：以10kHz到100kHz之间的频率向所述LC谐振电路供应AC功率。

14.一种高压断路器（60），包括位于高电位区域中的断续器单元（62）以及处于地面电位的电源（18），其特征在于，所述断路器包括根据权利要求1-13中任一项所述的系统（1’），所述系统（1’）被布置用于在地面区域与所述高电位区域之间进行无线功率传递。

15.一种根据权利要求1-13中任一项所述的系统在低电位与高电位之间进行无线功率传递的用途。

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