面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统

1.本发明涉及输配电共享杆塔设备的供电技术领域，具体涉及一种面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统。


背景技术：

2.户外杆塔是构成电力系统的重要环节，利用杆塔作为平台布置监测设备是发展智慧输电、智能配电的必要手段。输电杆塔体积巨大，结构稳定，相比于高压母线，更适合承载大量监测设备。然而，在户外环境中，输配电线路传输的能量就地供给杆塔始终存在难题，无法解决对监测设备的稳定可靠供电的痛点。杆塔上光伏/风机加蓄电池方式，可靠性有限；传统ct取能方式只能等电位使用；电磁/电容方式的高低压变送原理，随着电压等级增加，装置的体积重量急剧增大；其它如光纤、激光等方式，同样存在功率弱的不足。因此，如何实现跨电压等级下的高功率能量传输成为一个关键的技术问题。有效解决此问题，将提升户外杆塔的利用效能，极大促进智慧输配电的综合、全面发展。
3.随着无线传能技术的发展与进步，为供电领域提供了更多的技术方案。根据不同的能量传输机理，无线传能技术可分为磁场耦合式、电场耦合式、微波式、激光式以及超声式五类传能技术。这些传能技术相比于传统的导线连接供电方式，它可以在无导体直接接触的情况下传输电能，天然地解决了跨高低电位间能量传输问题，为电气设备的绝缘供能提供了一种新的解决方案。然而，磁场耦合式和电场耦合式传能距离有限，而且大功率的能量传输可能会对周围的用电设备产生强烈的电磁干扰；微波式和激光式虽然传输距离较远，但在相同条件下传输功率与效率较低，同样难以满足传能需求。


技术实现要素：

4.本发明提供一种面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统，用于解决输配电共享杆塔设备的大功率、轻量化供电问题，从而实现从高压母线侧取能并为杆塔设备稳定可靠供能。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统，包括高压母线1-1、电流互感器ct 1-2、功率变换器1-3、超声传能装置1-4以及用电设备1-5；
7.所述功率变换器1-3包括依次连接的保护模块2-1、整流滤波模块2-2、dc/dc模块2-3、高频逆变模块2-4和谐振补偿模块2-5；
8.所述超声传能装置1-4包括发射换能器3-1、接收换能器3-2、传输介质3-3、灌封介质3-4、绝缘套管3-5和绝缘伞裙3-6；发射换能器3-1、接收换能器3-2和传输介质3-3皆通过灌封介质3-4密封并嵌入在绝缘套管3-5内部，绝缘套管3-5外部安装绝缘伞裙3-6；所述发射换能器3-1包括发射换能器外壳3-10，设置在发射换能器外壳3-10内的发射压电陶瓷3-8和发射换能器背衬3-9，与发射压电陶瓷3-8连接的发射输入端口3-7；所述接收换能器3-1包括接收换能器外壳3-14，设置在接收换能器外壳3-14内的接收压电陶瓷3-12和接收换能
器背衬3-13，与接收压电陶瓷3-12连接的接收输入端口3-11；
9.所述电流互感器ct1-2安装在高压母线1-1上感应电能，并将电能传送给功率逆变器1-3；功率逆变器1-3的保护模块2-1保障电路安全运行，电流互感器ct1-2感应的交流电经过整流滤波模块2-2变换为直流电，再经过dc/dc模块2-3变换为所需的幅值，高频逆变模块2-4再将直流电变换为高频交流电，谐振补偿模块2-5一方面调节电路使其处于谐振状态，另一方面变换超声传能装置1-4的输入阻抗，然后输出适配的电压驱动超声传能装置1-4工作；超声传能装置1-4内部的发射换能器3-1在高频电压的激励下利用逆压电效应发射超声波，超声波通过传输介质3-3传输至接收侧，接收换能器3-2利用压电效应将接收的超声波转换为电能并供给用电设备1-5。
10.所述功率变换器1-3同时具备取能控制和驱动控制功能，一方面保证电流互感器1-2安全稳定的从高压母线1-1侧感应电能，另一方面恒定输出谐振频率的交流电，从而驱动超声传能装置1-4正常工作。
11.所述超声传能装置1-4采用了内外绝缘设计，传输介质3-3采用具备良好声学性能的绝缘材料，如石英玻璃和氧化铝陶瓷，一方面降低超声波传输过程中由传输介质3-3引起的声衰减损耗，另一方面保证发射压电陶瓷和接收压电陶瓷之间具备良好的绝缘性能；发射换能器3-1、接收换能器3-2和传输介质3-3皆通过灌封介质3-4密封并嵌入在绝缘套管3-5内部，进一步增强超声传能装置1-4的内绝缘性能；绝缘套管3-5外部安装绝缘伞裙3-6增加超声传能装置1-4的外绝缘性能。
12.所述的发射换能器3-1，专门为发射压电陶瓷3-8设计了发射换能器外壳3-10，并采用空气作为发射换能器背衬3-9的材料，良好的约束了超声波的传输方向，大幅度降低超声波的声扩散损耗；接收换能器3-2采用与发射换能器3-1相同的材料和结构，从而保证了二者的谐振频率相同。
13.所述的发射换能器3-1和接收换能器3-2，通过堆叠发射压电陶瓷3-8和接收压电陶瓷3-12的层数能够提高超声传能系统的传输功率。
14.所述用电设备1-5为安装在输配电共享杆塔的用电设备，如监测设备、通信设备等。
15.与其它技术路线相比，超声传能技术的传输距离和效率适中，功率满足用电需求，并且没有电磁兼容等问题。本发明提出面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统，能够实现电压等级差距较大的母线侧和杆塔侧之间安全、稳定、充足、高效的电能传输，提升户外杆塔的利用效能，打造新型智慧电塔，将极大促进智慧输配电的综合、全面发展。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1)超声传能装置采用了内外绝缘设计，有效解决了无线传能系统中高传能效率和长绝缘距离的问题；
17.2)发射换能器和接收换能器的结构有效约束了超声波的传输方向，降低了声扩散损耗，提高了系统的传输效率；
18.3)超声传能装置内部采用的传输介质不仅绝缘性能良好，还大幅度降低了超声波的声衰减损耗；
19.4)超声传能系统同时实现了大功率、长间距、轻量化、高效率。
附图说明
20.图1是本发明的系统原理框图。
21.图2是本发明功率变换器1-3的原理框图。
22.图3是本发明超声传能装置1-4的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
24.如图1所示，面向输配电共享杆塔就地取能用能的超声传能系统，包括高压母线1-1、电流互感器ct1-2、功率变换器1-3、超声传能装置1-4以及用电设备1-5；所述电流互感器ct1-2安装在高压母线1-1上感应电能，并将电能传送给功率逆变器1-3，功率逆变器1-3将电能变换为幅值、频率适配的电压驱动超声传能装置1-4工作，超声传能装置1-4以电-声-电的能量转换形式将电能绝缘传输至用电设备1-5；
25.如图2所示，所述功率变换器1-3包括依次连接的保护模块2-1、整流滤波模块2-2、dc/dc模块2-3、高频逆变模块2-4和谐振补偿模块2-5；保护模块2-1保障电路安全运行，电流互感器ct1-2感应的交流电经过整流滤波模块2-2变换为直流电，再经过dc/dc模块2-3变换为所需的幅值，高频逆变模块2-4再将直流电变换为高频交流电，谐振补偿模块2-5一方面调节电路使其处于谐振状态，另一方面变换超声传能装置1-4的输入阻抗，然后输出适配的电压驱动超声传能装置1-4工作；
26.如图3所示，所述超声传能装置1-4包括发射换能器3-1、接收换能器3-2、传输介质3-3、灌封介质3-4、绝缘套管3-5和绝缘伞裙3-6；发射换能器3-1、接收换能器3-2和传输介质3-3皆通过灌封介质3-4密封并嵌入在绝缘套管3-5内部，绝缘套管3-5外部安装绝缘伞裙3-6；所述发射换能器3-1包括发射输入端口3-7、发射压电陶瓷3-8、发射换能器背衬3-9、发射换能器外壳3-10；发射压电陶瓷3-8和发射换能器背衬3-9设置在发射换能器外壳3-10内部，发射输入端口3-7连接发射压电陶瓷3-8；所述接收换能器3-1包括接收输入端口3-11、接收压电陶瓷3-12、接收换能器背衬3-13、接收换能器外壳3-14；接收压电陶瓷3-12和接收换能器背衬3-13设置在接收换能器外壳3-14内部，接收输入端口3-11连接接收压电陶瓷3-12。
27.所述超声传能装置1-4内部的发射换能器3-1在高频电压的激励下利用逆压电效应发射超声波，超声波通过传输介质3-3传输至接收侧，接收换能器3-2利用压电效应将接收的超声波转换为电能并供给用电设备1-5。