CN117477807B - 一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法，涉及电网设备技术领域。硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置包括硬质复合绝缘材料封装体、芯棒和传能模块，芯棒和传能模块封装在硬质复合绝缘材料封装体内，传能模块中的线圈外套在芯棒上，多个线圈沿芯棒的长度方向间隔设置；线圈缠绕的形式为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，线圈的外径从上至下逐渐增大。硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置能有效保证线圈轴向对齐的一致性，达到保证轴向磁场传递效率，从而提高了线圈之间的耦合系数，达到能量传递效率提升的效果。

Description

一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法

技术领域

本发明涉及电网设备技术领域，具体而言，涉及一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法。

背景技术

高压输电线路中，安装在高压侧的电力设备不能直接使用高压输电线为其供电，目前通常采用的方式是：电池供电、太阳能发电、风能发电、配电变压器供电和CT取电方式。但是这些方式都存在难以克服的缺点。

目前，采用绝缘子、无线传能系统、CT取电相结合的方式是一种新颖的无线供能方式，该方式不仅解决了输电线路端到塔端的绝缘问题，还解决了塔端用电设备的供电稳定性问题。但是，目前已有的方法中，主要有绝缘子底部附着型、绝缘子外部安装型和绝缘子内嵌线圈型。已有的这三种装配方案均会涉及到绝缘子的改动，经济成本较高，并且前两种方案在长期工作下存在线圈脱落等严重事故的风险，对输电线路的安全性造成威胁。为了使无线传能线圈能够在输电线路与杆塔之间正常工作，需要对线圈部分进行绝缘一体化封装。目前已有的封装技术至少存在以下缺陷：

1.绝缘子材料为复合材料（如硅橡胶），此类材料在制作的伞裙均质地偏软，工作期间可能存在变形问题，从而导致无线传能线圈变形无法正对齐，不利于无线传能线圈之间位置稳定性的保持，使电能传递效率降低；

2.绝缘子内嵌线圈模块，一方面在绝缘封装的时候，绝缘材料温度较高，采用贴片电容在封装的时候电容元件有概率发生高温损坏的问题，并且当整体设备完成制作投入使用的时候，工作期间发生线圈模块的故障，维修成本高，为了解决伞裙柔软问题，部分发明采用PCB板线圈进行内嵌，该方案中PCB基板占据了绝缘子大量内部可用于安装线圈的空间，并且PCB线圈自感较小，线圈之间的耦合较弱，同等工况下导致传输效率较低；

3.已有的线圈大多为平面结构，经过理论计算以及实验验证发现，在无线传能设计当中，仅仅改变线圈平面的设计对整体传递效率的提升较小。

因此，急需一种新型的封装和安装技术解决无线传能装置挂网问题。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法，硬质复合绝缘材料能保证绝缘伞裙的规则不变形，从而实现线圈轴向对齐的一致性，达到保证轴向的磁场传递效率，从而提高了线圈之间的耦合系数，达到能量传递效率提升的效果。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置，硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置包括硬质复合绝缘材料封装体、芯棒和传能模块，芯棒和传能模块的线圈封装在硬质复合绝缘材料封装体内，线圈外套在芯棒上，多个线圈沿芯棒的长度方向间隔设置；线圈在芯棒上缠绕的形式为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，线圈的外径从上至下逐渐增大。

在可选的实施方式中，硬质复合绝缘材料封装体包括柱状主体和伞裙结构，伞裙结构套设在柱状主体上，多个伞裙结构沿柱状主体的长度方向间隔设置，芯棒与柱状主体同轴设置，线圈延伸到伞裙结构内。

在可选的实施方式中，硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置还包括片状磁芯，片状磁芯为圆环形状，片状磁芯设置在硬质复合绝缘材料封装体内、且套设在芯棒上，片状磁芯设置在相邻两个线圈之间。

在可选的实施方式中，片状磁芯与柱状主体同轴设置，片状磁芯延伸到伞裙结构内，片状磁芯和线圈沿芯棒的长度方向交替布置。

在可选的实施方式中，硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置还包括工字型磁芯，工字型磁芯为圆环形状，工字型磁芯套设在芯棒上，线圈套设在工字型磁芯上，工字型磁芯的外周面上具有凹槽，线圈设置在凹槽内。

第二方面，本发明提供一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的挂网方法，挂网方法包括：

在杆塔上绝缘子的顶端连接上固定横梁；

将前述实施方式的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的顶端连接上固定横梁；

将硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的底端和绝缘子的底端通过下固定横梁连接；

将CT取能装置的输出端连接到硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的底端，将CT取能装置的本体外套到杆塔的输电线上。

本发明实施例提供的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置及其挂网方法的有益效果包括：

1、相较于已有的平面线圈改进，本发明实施例可以有效保证线圈轴向对齐的一致性，达到保证轴向的磁场传递效率，从而提高了线圈之间的耦合系数，达到能量传递效率提升的效果；

2、采用硬质复合绝缘材料封装体对芯棒和线圈进行封装，在满足输电线到杆塔的绝缘要求的情况下，使线圈始终处于最佳工作状态；

3、通过本发明实施例的绝缘一体化封装后，将无线传能装置与绝缘子并列安装于电网上，无需替换现有挂网的绝缘子即可实现安装，安装便捷，并且便于设备后期的维护和更新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的电网塔架的结构示意图。

图标：100-硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置；200-电网塔架；1-硬质复合绝缘材料封装体；2-柱状主体；3-伞裙结构；31-斜面；32-平面；4-芯棒；5-线圈；6-片状磁芯；7-工字型磁芯；71-凹槽；8-杆塔；9-绝缘子；10-上固定横梁；11-下固定横梁；12-CT取能装置；13-输电线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

第一实施例

请参考图1，本实施例提供了一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100，硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100包括硬质复合绝缘材料封装体1、芯棒4、传能模块、片状磁芯6和工字型磁芯7。

硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100采用硬质复合材料进行绝缘一体化封装，然后将整个无线传能装置与绝缘子并列安装，无线传能装置的顶端通过一个横梁与杆塔连接，无线传能装置的底端通过另一个横梁与绝缘子的底端连接。通过该方式安装无线传能装置，在满足整体设备的绝缘要求下便于后期设备的维护。

具体的，芯棒4、传能模块的线圈5、片状磁芯6和工字型磁芯7均封装在硬质复合绝缘材料封装体1内，硬质复合绝缘材料封装体1的材料可以是环氧树脂，例如脂环族环氧树脂。硬质复合绝缘材料封装体1包括柱状主体2和伞裙结构3，伞裙结构3套设在柱状主体2上，多个伞裙结构3沿柱状主体2的长度方向间隔设置。芯棒4与柱状主体2同轴设置。

线圈5外套在芯棒4上，多个线圈5沿芯棒4的长度方向间隔设置，线圈5延伸到伞裙结构3内。工字型磁芯7为圆环形状，工字型磁芯7套设在芯棒4上，线圈5套设在工字型磁芯7上，工字型磁芯7的外周面上具有凹槽71，线圈5设置在凹槽71内。这样，在线圈5中加入工字型磁芯7，对线圈5之间的磁场形成一定的汇聚作用，进一步提高线圈5之间的耦合系数，从而提高整体的传递效率。

伞裙结构3内部的上表面为斜面31、且从上至下逐渐远离柱状主体2，线圈5的外周面与斜面31相适配。伞裙结构3内部的下表面为平面32，线圈5的底面支撑在平面32上。

片状磁芯6为圆环形状，片状磁芯6设置在硬质复合绝缘材料封装体1内、且套设在芯棒4上，片状磁芯6设置在相邻两个线圈5之间。片状磁芯6与柱状主体2同轴设置，片状磁芯6延伸到伞裙结构3内，片状磁芯6和线圈5沿芯棒4的长度方向交替布置。

本实施例的主要创新点在于：线圈5在芯棒4上缠绕的形式为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，线圈5的外径从上至下逐渐增大。也就是说，每个线圈5从上至下具有多层导线，而且从上至下每层导线缠绕的圈数逐渐增加。底层高匝数的导线确保了接收上一级线圈5发射的磁场的效率。梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式的线圈5，一方面提高了中心轴线上的磁场，另一方面在一定程度上缩短了两个线圈5之间的距离，从而提高了线圈5之间的传递效率。

在无线传能技术中，主要采用的工作模式是磁谐振方式，提高谐振效率和耦合系数两方面可以进行改进。在多中继无线传能系统中，为了降低中继的损耗，中继线圈模块往往只包含线圈和谐振电容两部分，因此在中继线圈中改进谐振电路并不可行。影响线圈之间的耦合系数的因素大致分为轴向距离和偏移两种，通过改进线圈的平面绕制方式，可以提升线圈之间偏移的容错率，从而提高整体效率，但是当线圈之间超过一定距离后，此类改进方式提升效率则不太明显，因此为了提高远距离的无线传能需要从轴向提升入手。

已有的线圈中，大多为平面结构改进，经过理论计算以及实验验证发现，在无线传能设计当中，仅仅改变线圈平面的设计对整体传递效率的提升较小。影响线圈之间的传递效率的最大因素还是线圈之间的距离。

因此，本实施例中，通过将线圈5在芯棒4上缠绕的形式设计为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，可以提升轴向磁场传递的距离，同时可以契合硬质复合绝缘材料封装体1内部的斜面31，使硬质复合绝缘材料封装体1不易堆积污染物。

线圈5在芯棒4上缠绕的形式设计为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，在轴线方向加强了磁场的汇聚作用，并且在一定程度上缩小了两个线圈5之间的距离，从而提高线圈5之间的耦合系数，电能传输效率得到提升。其中，线圈5可采用整体绕制的方式形成，也可通过多层外径不同的线圈5沿轴向堆叠连接而成。

线圈之间具有一定距离，会使耦合系数较低，主要是因为线圈产生的磁场在一定距离外呈现快速发散状态，从而导致相邻线圈接收的磁场较少，因此加入磁芯对磁场的分别产生一定的收束作用，从而提高线圈之间的耦合系数。因此，本实施例中，在线圈5内部加入工字型磁芯7，在线圈5处进行第一次磁场汇聚。在线圈5之间加入片状磁芯6，在磁场传递中呈接力作用。

本实施例中，芯棒4确保线圈5均处于同一轴线上，并起到本体结构的支撑作用。以芯棒4为轴线，逐级安放线圈5，完成线圈5的布置后，对整体进行绝缘一体化封装，采用的封装材料为硬质复合材料，该材料具有优异的抗老化性能，并且具有高机械强度，相较于已有的绝缘封装材料，更适合于高压输电线13长距离无线取能装置的绝缘封装。对于绝缘封装的外形，主要依据不同的输电线13路环境进行设计，根据实际线路的爬电距离要求，制作对应的绝缘封装外形，绝缘外形不限于传统绝缘子9构型，其它满足输电线13路高压外绝缘规范的构形均可。

本实施例中，没有明确线圈5的具体绕制匝数，实际绕制中需要根据不同的电网环境进行调整，最终绕制的线圈5均呈现为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式。绝缘封装中，也是如此，根据不同的电压等级，绝缘封装的外形也随着调整。

本实施例的另一个创新点在于：加入了磁芯结构，包括片状磁芯6和工字型磁芯7。具体的，线圈距离较远时，其耦合系数较低主要是因为发射线圈产生的磁场在一定距离外呈现快速发散状态，从而导致接收线圈接收的磁场较少，因此加入磁芯对磁场产生一定的收束作用，从而提高线圈之间的耦合系数。磁芯的加入主要包含线圈内部和线圈之间，线圈5内部采用工字型磁芯7，在发射线圈处进行第一次磁场汇聚。另一种磁芯在线圈5之间安装，该位置采用片状磁芯6，在磁场传递中呈接力作用。

本实施例的另一个创新点在于：采用硬质复合材料进行绝缘一体化封装。具体的，芯棒4确保线圈5均处于同一轴线上并起到本体结构的支撑作用。以芯棒4为轴线，逐级安放线圈5，除发射线圈和接收线圈，其余所有中继线圈模块均为线圈部分和谐振补偿电容组成。完成线圈5的布置后，对整体进行绝缘一体化封装，采用的封装材料为硬质复合材料。该材料具有优异的抗老化性能，并且具有高机械强度，相较于已有的绝缘封装材料，更适合于高压输电线长距离无线取能装置的绝缘封装。对于绝缘封装的外形，主要依据不同的输电线路环境进行设计，根据实际线路的爬电距离要求，制作对应的绝缘封装外形，绝缘外形不限于传统绝缘子构型，其,它满足输电线路高压外绝缘规范的构形均可。

本实施例提供的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的有益效果包括：

1、相较于已有的平面线圈改进，本发明实施例能够有效保证线圈5轴向对齐的一致性，达到保证轴向的磁场传递效率，从而提高了线圈5之间的耦合系数，达到能量传递效率提升的效果；

2、在线圈5中加入磁芯，对线圈5之间的磁场形成一定的汇聚作用，进一步提高线圈5之间的耦合系数，从而提高整体的能量传递效率；

3、采用硬质复合绝缘材料封装体1对芯棒4和线圈5进行封装，在满足输电线13到杆塔8的绝缘要求的情况下，硬质复合绝缘材料封装体1不会因为高温而变形损坏，使线圈5之间的相对位置稳定，能够使无线传能装置工作始终处于稳定状态，通过本发明实施例的绝缘一体化封装后，将无线传能装置与绝缘子9并列安装于电网上，对电网运行影响较小，并且便于设备后期的维护和更新。

第二实施例

请参考图2，本实施例提供了一种电网塔架200，电网塔架200包括杆塔8、绝缘子9、上固定横梁10、下固定横梁11、CT取能装置12、输电线13和第一实施例的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100。

绝缘子9和输电线13设置在杆塔8上；硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的顶端和绝缘子9的顶端通过上固定横梁10连接；硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的底端和绝缘子9的底端通过下固定横梁11连接；绝缘子9和硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100均竖直设置。CT取能装置12的输出端连接到硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的底端，CT取能装置12的本体外套在输电线13上。

本实施例还提供一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的挂网方法，挂网方法包括：

S1：在杆塔8上绝缘子9的顶端连接上固定横梁10。

S2：将前述实施方式的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的顶端连接上固定横梁10。

S3：将硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的底端和绝缘子9的底端通过下固定横梁11连接。

S4：将CT取能装置12的输出端连接到硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的底端，将CT取能装置12的本体外套在杆塔8的输电线13上。

本实施例提供的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置100的挂网方法的有益效果包括：

1、金字塔形线圈5的构建。具体的，线圈的金字塔型绕制方法。线圈5底层的导线到顶层的导线匝数依次递减，底层高匝数线圈确保了接收上一级线圈发射的磁场的效率。逐层递减的金字塔形上层线圈，一方面提高了中心轴线上的磁场，另一方面在一定程度上缩短了两个线圈5之间的距离，从而提高了线圈5之间的传递效率。

2、磁芯的安装，进一步提高整体系统的传递效率，在线圈内部和线圈之间安装不同的磁芯。线圈内部安装磁芯用于汇聚线圈产生的磁场，提高轴向磁场传递的距离。线圈之间安装磁芯提高线圈之间磁场传递的收束作用。

3、绝缘一体化封装，采用硬质复合材料对无线传能线圈模块进行绝缘一体化封装。相较于已有的封装技术，本实施例所采用的硬质复合材料具有优异的抗老化性能、主体材料为耐候性环氧树脂等优点，并且封装后的整体设备机械强度高，可轻松承载一个成年人的踩踏。根据输电线路的等级进行绝缘外壳设计，使整体线圈封装模块满足爬电距离要求。诸多优异性能确保工作期间线圈之间始终处于正对位置，从而确保整体系统传递效率的稳定性。本实施例区别于已有绝缘封装结构，绝缘外形不限于传统绝缘子构形，其它满足输电线路高压外绝缘规范的构形均可用于线圈的绝缘一体化封装。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置，其特征在于，所述硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置包括硬质复合绝缘材料封装体（1）、芯棒（4）和传能模块，所述芯棒（4）和所述传能模块的线圈（5）封装在所述硬质复合绝缘材料封装体（1）内，所述线圈（5）外套在所述芯棒（4）上，多个所述线圈（5）沿所述芯棒（4）的长度方向间隔设置；所述线圈（5）在所述芯棒（4）上缠绕的形式为梯形堆叠形式或金字塔堆叠形式，所述线圈（5）的外径从上至下逐渐增大；

所述硬质复合绝缘材料封装体（1）包括柱状主体（2）和伞裙结构（3），所述伞裙结构（3）套设在所述柱状主体（2）上，多个所述伞裙结构（3）沿所述柱状主体（2）的长度方向间隔设置，所述芯棒（4）与所述柱状主体（2）同轴设置，所述线圈（5）延伸到所述伞裙结构（3）内；

所述硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置还包括片状磁芯（6），所述片状磁芯（6）为圆环形状，所述片状磁芯（6）设置在所述硬质复合绝缘材料封装体（1）内、且套设在所述芯棒（4）上，所述片状磁芯（6）设置在相邻两个所述线圈（5）之间。

2.根据权利要求1所述的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置，其特征在于，所述片状磁芯（6）与所述柱状主体（2）同轴设置，所述片状磁芯（6）延伸到所述伞裙结构（3）内，所述片状磁芯（6）和所述线圈（5）沿所述芯棒（4）的长度方向交替布置。

3.根据权利要求1所述的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置，其特征在于，所述硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置还包括工字型磁芯（7），所述工字型磁芯（7）为圆环形状，所述工字型磁芯（7）套设在所述芯棒（4）上，所述线圈（5）套设在所述工字型磁芯（7）上，所述工字型磁芯（7）的外周面上具有凹槽（71），所述线圈（5）设置在所述凹槽（71）内。

4.一种硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的挂网方法，其特征在于，所述挂网方法包括：

在杆塔（8）上绝缘子（9）的顶端连接上固定横梁（10）；

将权利要求1所述的硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的顶端连接所述上固定横梁（10）；

将所述硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的底端和所述绝缘子（9）的底端通过下固定横梁（11）连接；

将CT取能装置（12）的输出端连接到所述硬质复合绝缘材料封装的无线传能装置的底端，将所述CT取能装置（12）的外套到所述杆塔（8）的输电线（13）上。