CN107144717A - 纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，包括：微型光学电场传感单元，介电屏蔽单元和高压电气绝缘单元，以及与微型光学电场传感单元通过光纤连接的光电及信号处理单元；用于在具有外界杂散电场干扰的实际运行场合中以光学技术精确地测量电压；介电屏蔽单元包括构成介电屏蔽区域的纳米复合材料介电屏蔽结构，用于消除或减弱此区域内来自外界杂散电场的干扰；通过采用纳米材料介电屏蔽材料，使得光学电压互感器无论是在额定电压下正常运行或是在高于额定电压的情况下进行各类试验或检测时，都既能以充分的介电屏蔽效果减弱各种因素造成的外界杂散电场干扰，又能有效地将介电屏蔽结构的发热降低到允许程度，使得安置在纳米材料介电屏蔽区域中的微型光学电场传感单元可以准确而稳定地测出所在处的电场值，再通过光电及信号处理单元精确地求出待测电压值。

Description

纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器

所属技术领域

本发明涉及一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，用于以光学方法测量电压，特别是以光学方法测量高压交流输电网线路的电压；其中所测量电压既可以是高压交流输电线路的电压，也可以是其它高电压设备或高压环境中的交直流电压。

属于光电与电力技术领域。

背景技术

目前，在电力工业中常规的电压互感器有电磁式电压互感器、电容分压式电压互感器和阻容分压式电压互感器等等。随着智能电网的发展，出现了性能更为优越的光学电压互感器，以其抗杂散电场干扰、无铁磁振荡、优异的电气绝缘性能、高低压侧电气隔离、更大的带宽、更快的响应速度、更大的动态范围、重量轻、体积小、全动态范围内更高的精度、抗快速暂态过电压(VFTO)干扰性能、不需电容或电阻分压、暂态特性好、集成度高、光纤输入及输出信号、安全的运行条件、保护环境和可靠性好等优点，使得光学方法精确测量高电压环境中电压量的技术已发展成为电力工业中智能电网的一个关键组成部分。

然而目前所研究以及试制的几类光学电压互感器中，有的利用了特殊定制的电极结构，有的将复杂的导体构件放置于高低压电极之间的强电场中，并且需要使用绝缘气体或者绝缘固体，如六氟化硫或环氧树脂等填充；这些都使得其结构复杂、可靠性下降、安全性减低、成本明显增加和维护昂贵困难，并且六氟化硫气体对环境保护不利；整体结构上的复杂性和臃肿性导致了光学电压互感器实际应用的可行性降低，稳定性降低，可靠性难以保证。

近年来，随着相关技术的不断发展，已出现了一些光学电压互感器的技术方案，从理论上使光学电压互感器克服了上述缺点，达到以下效果：

-不需要任何依赖应用条件而定做的电极结构、特殊绝缘以及分压或均压装置，降低了结构的复杂性；增加了可靠性，并且降低了制造成本；，

-不需要加压六氟化硫气体绝缘，也不需要油-纸、聚合物等固体材料作为绝缘物质，由此降低了制造成本和维修费用，增加了可靠性，减少了对环境污染的风险；

-将高电位部分与地电位部分被足够宽的分隔开，在绝缘子两个电极之间的区域内就不会存在特别高的电场强度，在高低压电极之间不允许存在任何导体结构，所以仅用干燥的氮气或者干燥空气充填就可满足绝缘需求，使得电气绝缘的安全性可靠性都得以增加；

-由于利用干燥氮气或者干燥空气充填在中空绝缘子两端高低压电极当中作为绝缘物质，其电气等性质稳定，不依赖内外环境而变化，便于监控，所以增加了电气绝缘可靠性，且稳定性较高；

-通过增多微型光学电场传感器的数量就可以增加待测电压的测量精确度，使得光学电压互感器的精度易于提高；

-利用介电屏蔽纳米复合材料构成对外界杂散电场的充分屏蔽，使得光学电压互感器在具有复杂外部电场的实际环境，例如变电站中，能够不受外界的强杂散电场干扰而正常，稳定，准确的连续运行。

上述技术方案中均需利用高介电常数的介电屏蔽材料。但由于具有足够高介电常数而又满足实用要求的介电屏蔽材料曾经难以获得，因此这些技术方案在实际中所采用的介电屏蔽材料只能是电阻型的，这就导致在实际中应用光学电压互感器的技术方案遇到下列重大障碍：

(一)、在额定电压条件下正常运行时，这种材料制成的介电屏蔽结构因有漏电流通过而会发热，且所生成热量不可忽略。尽管设计中已经在允许条件下尽量降低此漏电流数值，但是因所用介电屏蔽材料本身特性和制备工艺所限，仍会有不可忽略的发热，这就使得：

-光学组件以及绝缘材料易于老化，甚至损坏；

-密封用干燥气体的压强增加并且不稳定，系统稳定性及可靠性都下降；

-测量精度变差，因为温度的测量以及补偿都受到较大干扰；

-造成光学电压互感器运行中额外的电能损失；

-在环境温度较高条件下运行时可能因过热造成光学电压互感器运行发生故障。

(二)、在高于额定电压条件下进行各类试验或检测时，介电屏蔽管会因高电压引起的较大漏电流通过而过度发热，这会使得：

-光学电压互感器无法进行及完成必不可少的产品耐高压绝缘性能等必要的测试；

-光学电压互感器无法进行和通过模拟自然环境中出现的高电压条件的测试；

-光学电压互感器某些部件无法正常运行；

-严重时甚至出现光学电压互感器受到损坏；

假如采用更大电阻率的电阻型介电屏蔽材料，则上述发热问题可以减轻，甚至基本克服掉；但是因下述关系所限而须降低介电常数ε₂：

ρ＝(ε₀ε₂ω)^-1

式中：

ρ-测试交流电压频率上所对应的电阻率；

ε₀-真空介电常数；

ε₂-测试交流电压频率上相对介电常数虚部；

ω-所测交流电压的频率；

这就等于要求介电材料具有很低的介电损耗因数，很高的电阻率，同时保持足够介电屏蔽效果，但是这样的材料实际中很难找到。如果利用现有的具有很低ε₂材料，则对外界杂散电场的介电屏蔽效果必会降低，使得光学电压互感器的性能受到下列影响：

-测量精度显著降低；

-测量精度不稳定，易受外界导电体等杂散电场的干扰；

-易受各种外界环境因素变化的干扰；

这些重大障碍最终使得电阻型介电屏蔽电子式光学电压互感器性能无法满足实际应用要求，尽管电阻型屏蔽材料的一些性质可以起辅助作用。这样的困境使得新型光学电压互感器必须克服这些重大障碍后才能够在工程中得到实际的应用。

鉴于上述现有的光学电压互感器技术存在的难题，本发明人基于从事此类产品研发试制多年的丰富经验及专业知识，积极研究创新一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，使其满足实际工程应用要求。

发明内容

本发明中提供了一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，通过采用纳米材料实现介电屏蔽，使得光学电压互感器无论是在额定电压下正常运行或是在高于额定电压的情况下进行各类试验或检测时，都既能以充分的介电屏蔽效果减弱各种因素造成的外界杂散电场干扰，又能有效地将介电屏蔽结构的发热降低到允许程度，使得安置在纳米材料介电屏蔽区域中的微型光学电场传感单元可以准确而稳定地测出所在处的电场值，再通过光电及信号处理单元精确地计算出待测电压值。

本发明采取的技术方案为：纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，包括由内至外依次设置的微型光学电场传感单元、介电屏蔽单元和高压电气绝缘单元，以及与微型光学电场传感单元通过光纤连接，且设置在高压电气绝缘单元外部的光电及信号处理单元。

微型光学电场传感单元用于检测其所在处电场，并通过光纤输出至光电及信号处理单元，由光电及信号处理单元计算待测电压V的精确值；

介电屏蔽单元包括纳米材料介电屏蔽结构，介电屏蔽单元设置在高压电气绝缘单元两电极间的区域内，与两电极做电气与机械连接形成介电屏蔽区域，以消除或减少此区域内的微型光学电场传感单元因外界杂散电场所受的干扰。

进一步地，介电屏蔽单元还可以包括与纳米材料介电屏蔽结构结合，安置在高低压电极之间的绝缘支架。

进一步地，微型光学电场传感单元为基于电光效应的光学电场传感器、光纤光学电场传感器或集成光学电场传感器。

进一步地，高压电气绝缘单元包括上端电极、下端电极、中空高压电气绝缘子、和上下法兰盘；也可以包括实芯高压电气绝缘子。

上端电极和下端电极分别固定设置在两块法兰盘与中空高压电气绝缘子所围成的密闭空间内的上部和下部，其中上端电极与高压输电线电位连接，下端电极与大地电位连接。

进一步地，密闭空间内填充干燥氮气、干燥空气或绝缘材料。

进一步地，微型光学电场传感单元沿待测电场中轴线方向设置有至少一个微型光学电场传感器，微型光学电场传感器由处在纵向方位的电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂构成。

进一步地，各个微型光学电场传感器中电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂沿电场方向的长度总和与高压电气绝缘单元的两电极间距离的比值小于2％。

进一步地，纳米材料介电屏蔽结构为以聚合物为基质的纳米/微米电介质复合材料制成的结构。

进一步地，聚合物基质纳米/微米电介质复合材料以纳米/纳米和微米混合/微米尺度的陶瓷、金属导体、氧化物、碳纳米管、石墨烯、聚合物及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种材料作为聚合物基质的功能添加组分掺入所构成。

通过采取本技术方案中给出的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器方案，达到以下技术效果：

1、显著降低光学电压互感器在额定电压正常运行时介电屏蔽结构的发热程度，使发热量可以忽略不计，从而有效降低了光学组件以及绝缘材料的老化速度和损坏率，缓解密闭空间内干燥气体因温度升高而导致的压强增加，保证系统的稳定性和可靠性，提高测量精度，降低温度的测量以及补偿所受到得干扰；

2、使得光学电压互感器能够在进行高于额定电压的更高电压检测时，防止介电屏蔽结构过热，从而保证光学互感器可以完成必不可少的产品耐高压绝缘性能等必要的测试，包括通过模拟自然环境中出现的高电压条件的测试，保证光学电压互感器各部件的正常工作，防止因温度过高而造成的部件损坏；

3、减少因介电屏蔽结构发热而造成的额外的电能损失，防止能量损耗浪费；

4、利用了纳米材料介电屏蔽结构，有效保证了光学电压互感器在有杂散电场存在的条件下仍能够保持足够高的测试精度；

5、技术改进带来上述良好的技术效果，但制造成本并未显著增加，且利用现有设备、工艺和材料等即可进行产品的生产，使得技术方案可以实现。

本技术方案的构成要点：纳米材料介电屏蔽结构

本技术方案的关键之处就在于利用纳米材料作为主要功能成份来构成纳米材料介电屏蔽结构。

为使微型光学电场传感器测出的信号成为高压端电极和接大地电极之间电场的稳定而精确的唯一量度，微型光学电场传感器必须很好的介电屏蔽于外界各类因素产生的各向杂散电场干扰，同时应保证上述两个电极之间生成的待测电场不会因为此介电屏蔽结构的存在而被畸变。上述纳米材料介电屏蔽管的应用就可以很好的满足此要求。

纳米材料介电屏蔽结构被用于降低外界杂散电磁场的干扰，这些干扰起源于：附近的非待测电流，设备表面积聚的静电荷，附近外部环境里的固定的或移动的导电物体，导电流体，周围的电气设备，以及在高压电气绝缘子上污染物质沉积引起的杂散电场等各类干扰效果。由于介电屏蔽结构的作用，即使存在着附近外部导体结构形状的变化或移动等严重的杂散电场干扰，仍然可以用很少几个微型光学电场传感器去精确而稳定地测量上述两个电极之间的电场。介电屏蔽结构并不增大电场强度，反而将它减低。这样就取消了为耐受强电场所必需的昂贵的绝缘结构。

当高压电气绝缘单元内部两个电极之间空间区域内由介电屏蔽结构所围而使外界杂散电场干扰被消除，则被围屏蔽区域内的电场和两个电极之间的电压两者间就存在确定的对应关系。而放置在此区域中的微型光学电场传感器就能给出对应于两电极之间的电场测量值。

当外界杂散电场干扰未被全部消除但却被减弱时，利用数值积分算法，若干个微型光学电场传感器以分列的形式联合应用就可以精确而稳定地测量电场，而纳米材料介电屏蔽结构的存在允许用较少的微型光学电场传感器就能够安全地获得足够精确而稳定的电压数值。

同时如上所述，纳米材料介电屏蔽结构的应用避免了电子式光学电压互感器在额定电压或更高电压下介电屏蔽结构的发热问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。

图1为本发明中未设置绝缘支架的介电屏蔽结构示意图；

图2为本发明中设置绝缘支架的介电屏蔽结构示意图；

图3为本发明中未设置绝缘支架且中空高压电气绝缘子密闭空间内填充干燥气体的纳米材料介电屏蔽型光学电压互感器的结构示意图；

图4为本发明中设置绝缘支架且中空高压电气绝缘子密闭空间内填充干燥气体的纳米材料介电屏蔽型光学电压互感器的结构示意图；

图5为本发明微型光学电场传感器方位图；

图6为图5的剖视图；

图7为本发明微型光学电场传感器方位图；

图8为图7的剖视图；

图9为本发明中未设置绝缘支架且高压电气绝缘子密闭空间内填充绝缘材料的实芯纳米材料介电屏蔽型光学电压互感器的结构示意图；

图10为本发明中设置绝缘支架且高压电气绝缘子密闭空间内填充绝缘材料的实芯纳米材料介电屏蔽型光学电压互感器的结构示意图；

附图中标记含义：1 微型光学电场传感单元、11 微型光学电场传感器、12 光纤、13 电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂、2 介电屏蔽单元、21 介电屏蔽结构、22 绝缘支架、23 介电屏蔽区域、3 高压电气绝缘单元、31 上端电极、32 下端电极、33 中空高压电气绝缘子、35 法兰盘、4 光电及信号处理单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，包括由内至外依次设置的微型光学电场传感单元1、介电屏蔽单元2和高压电气绝缘单元3，以及与微型光学电场传感单元1通过光纤12连接，且设置在高压电气绝缘单元3外部的光电及信号处理单元4；光电及信号处理单元4中的光源发出探测所用的光束，经过调制处理后进入微型光学电场传感器11，微型光学电场传感器11测出的所在处电场值以光信号方式传到光电及信号处理单元4，光电及信号处理单元4将微型光学电场传感单元1输出的光信号转变为电信号之后，通过特定数值积分方法求出待测高压输电线路的电压的精确值，所用光纤12可以是普通单模光纤，也可以是保偏光纤，待测电压可以是交流电压，也可是直流电压。

介电屏蔽单元2包括纳米材料介电屏蔽结构21，介电屏蔽单元2设置在高压电气绝缘单元3两电极之间，在所述中空高压电气绝缘子(33)和介电屏蔽结构(21)两者内部共同空腔区域形成抗外界杂散电场干扰的介电屏蔽区域(23)；以消除或降低处于此区域内部的微型光学电场传感单元1因外界杂散电场所受的干扰，由此降低所在处待测电场受到外界杂散电场扰动而造成的误差；其中微型光学电场传感单元1所在处既有待测高电压形成的待测电场，主要在与中空高压电气绝缘子33中轴线的纵向及近邻区域；又存在光学电压互感器附近各类固定或移动的导电物体、导电流体、高压电气设备以及在中空高压电气绝缘子33上污染物质沉积引起的各类杂散电场，它们相对于中轴线既有平行也有横向的分量，是从外部进入的干扰；由介电屏蔽单元2实现对于这些杂散电场的屏蔽，使微型光学电场传感器11测出的信号成为高压端电极和接大地电极之间电场的稳定而精确的唯一量度，这样就取消了为耐受强电场所必需的昂贵的绝缘结构。

通过利用介电屏蔽单元2的纳米介电屏蔽材料特性，使得光学电压互感器无论是在额定电压下正常运行或是在高于额定电压的情况下进行各类试验或检测时，都能够既降低介电屏蔽结构的发热程度，彻底防止过热的风险；又克服各种电气因素与环境因素造成的杂散电场干扰，发挥电子式光学电压互感器的优越特性，始终保持在安全运行状态下的高测量精度。

微型光学电场传感单元1为基于电光效应的光学电场传感器、光纤光学电场传感器或集成光学电场传感器；微型光学电场传感单元1的组成元器件可以是分立的光学器件、微光学器件、全光纤器件或集成光学器件；高压电气绝缘单元3包括上端电极31、下端电极32、中空高压电气绝缘子33、法兰盘35，其上端电极31和下端电极32分别固定设置在两块法兰盘35与中空高压电气绝缘子33所围成的密闭空间内的上端和下端，中空高压电气绝缘子内填充干燥氮气、干燥空气或绝缘材料。其中上端电极31与高压输电线电位连接，下端电极32与大地电位连接，两个导体电极间生成待测电压V，其中中空高压电气绝缘子33主要由绝缘材料和金属构成；两法兰盘35间隔距离为L，微型光学电场传感单元1沿电场方向设置有若干个微型光学电场传感器11，各微型光学电场传感器11组成基于线性电光效应的微型光学电场传感器组，微型光学电场传感器11由处在纵向方位的电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂13构成，微型光学电场传感器11中电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂13沿电场方向的长度总和与高压电气绝缘单元3的两电极间距离L的比值小于2％。

纳米材料介电屏蔽结构的形状和结构应具备下列特性：

-一般情形中，介电屏蔽结构与高绝缘电阻的适当聚合物绝缘支架组合在一起，取作较实用的管状组合；

-介电屏蔽管在所有实际运行场所都能足够有效地屏蔽外界各类杂散电场，确保电场测量精度；

-介电屏蔽管在所有实际应用要求的运行以及检测电压等级上都可以安全，可靠，长期的承担光学电压互感器的运行以及检测；

-通过电流的发热量，以及因此导致的介电屏蔽管温度升高都严格地被控制在许可的范围内；

-光学电压互感器的运行以及检测期间，在各种测试以及运行条件下，介电屏蔽管都不允许出现任何超过要求的工频介质损耗；电晕；电腐蚀；电痕；局部放电；电树枝化，甚至击穿；等现象；

-在规定的温度区间内长期承受高温和低温条件运行，其电气性能和机械，热性能指标都保持在规定范围内；

-允许牢靠，稳定，准确地在介电屏蔽管内部选定位置处分别安放并固定一组若干个微型光学电场传感器，以及它们各自分别连带的输入输出光纤；

-允许将这些光纤束牢固而可靠地从介电屏蔽管外部引入和引出，再对应地联通到电气绝缘子单元之外的光电及信号处理单元；

纳米材料介电屏蔽结构21为聚合物基纳米/微米电介质复合材料结构，包括利用聚合物材料作为纳米介电屏蔽材料的基质载体。聚合物基纳米/微米电介质复合材料以纳米/纳米和微米混合/微米尺度的陶瓷、金属导体、氧化物、碳纳米管、石墨烯、聚合物及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种材料作为添加组分所构成；纳米材料与聚合物基质形成的介电屏蔽复合材料的低介电损耗及高的绝缘电阻性质可以避免高电压运行与测试时纳米材料介电屏蔽结构的发热。

介电屏蔽单元2利用具有高电气绝缘强度、足够大的工频介电常数、足够高的绝缘电阻；低工频介电损耗、高机械强度、高的热耐受力、高化学稳定性以及低漏电流的聚合物材料作为纳米/纳米和微米混合/微米介电屏蔽材料的基质载体，例如聚偏氟乙烯、聚乙烯及其衍生物、环氧树脂或其它聚合物等，同纳米介电屏蔽材料结合以构成聚合物基质纳米/纳米和微米混合/微米电介质复合材料；其中，基质满足：全部运行温度区间(-40℃～+70℃)内长期具有足够高的机械强度；在受热状态(＜+85℃)中具有足够强的机械和化学稳定性；基质材料的软化点：～200℃；在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够高的电气绝缘强度以及足够低的工频介电损耗值；具有易加工性；低成本，易于获取；与所掺入的纳米/纳米和微米混合/微米材料都具有很好的粘结性、结合性、稳定性、安全性、低热胀系数和低吸水性；可以含有不同的纳米材料含量，也可以同时含有纳米及不同粒径的微米材料以获得高密度填充的高介电常数复合材料。

所掺入的介电屏蔽材料为以纳米(仅含纳米)/纳米和微米混合材料共存/微米(仅含微米)尺度的陶瓷，如BaTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂(分别记作BT、CCTO)等；金属导体，如Al、Ag、Zn等；氧化物，如TiO₂、SiO₂、Al₂O₃等；纳米碳管、石墨烯类的碳化物；及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种材料作为添加组分，用于构成纳米、纳米以及微米材料共用、微米材料介电屏蔽的功能成份，与聚合物基质结合制备出具有较高介电常数、高电气绝缘强度、低漏电流和低工频介电损耗的纳米介电屏蔽复合聚合物材料和器件；即在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够高的电气绝缘强度、高机械强度、高热稳定性以及高化学稳定性的纳米介电屏蔽材料；在受热状态(＜+85℃)中具有足够强的化学稳定性；可以均匀的分散混合到复合聚合物基质中；低成本、易于获取、与聚合物基质具有很好的粘结强度、高结合性、好的分散性、低吸水性、稳定性好和安全性高；可以在聚合物基质中达到不同的纳米材料含量；其中当所用介电屏蔽结构利用纳米和微米混合尺度的上述各种材料可以取两类不同粒径的颗粒共同掺入基质，用于获得高密度填充的纳米和微米混合共用高介电常数复合材料，在聚合物基质中达到上述各种材料不同的含量。

应当利用纳米材料介电屏蔽型复合聚合物材料来确定电子式光学电压互感器内所用纳米、纳米和微米混合或者微米材料介电屏蔽结构的形状、尺寸和结构时，纳米材料介电屏蔽结构21可以取内外管壁都圆滑笔直的空心长圆管形状，也可以取成其它形状，纳米材料介电屏蔽结构21两端可以与上端电极31和下端电极32分别作电气连接并且机械固定，也可以不作连接而与绝缘支架22结合，再由绝缘支架22与两个电极连接并固定；纳米材料介电屏蔽结构21全部长度与中空高压电气绝缘子33和两个电极形成的空腔长度可以作匹配，也可以仅考虑微型光学电场传感器11的尺寸而确定；纳米材料介电屏蔽结构21的壁厚、内径、外径以及截面积的选择都应使得具有下列特点：足够强的介电屏蔽效应、高击穿电场、低漏电流、低工频介电损耗，且其工频阻抗尽量高；在全部运行温度区间内(-40℃～+70℃)和干燥及潮湿环境中都具有足够高的电气绝缘耐压强度、长期具有高机械强度、高热稳定性以及高化学稳定性；在受热状态(＞+85℃)中具有足够强的机械和化学稳定性；易加工且低成本。

绝缘支架22的材料及结构应满足：高的电气绝缘强度；高的工频阻抗值；低的介电损耗值；足够高的机械强度；温度湿度变化时稳定性高；保证整机组装的方便；结构的牢固；以及光纤组的妥当安置；

介电屏蔽管的安放条件应满足：介电屏蔽管与绝缘支架结合置放于中空的高压电气绝缘子内部，置于两个导体电极之间；也可以不用绝缘支架，仅用介电屏蔽管置放于中空的高压电气绝缘子内部，置于两个导体电极之间；介电屏蔽管中轴线与中空管型高压电气绝缘子的中轴线重合安置；在这两个粗细不同的中空管件共同的内部空腔区域就是对外界杂散电场等干扰具有介电屏蔽效果的区域；要考虑到光学电压互感器整机组装的方便和结构的牢固；

微型光学电场传感器在介电屏蔽管内部的安置；若干个微型光学电场传感器分别放在中空高压电气绝缘子里的与绝缘支架结合的介电屏蔽管内部区域的共同中轴线上；按照高斯积分算法确定各个微型光学电场传感器位置；积分算法给定各微型光学电场传感器在中轴线上的轴向位置坐标和每个微型光学电场传感器的权重，各微型光学电场传感器都按照分别给定的权重置放于相应的轴向位置坐标处；适合于输入输出光纤组的安放及运行；每个微型光学电场传感器的安装取向方位则如图1，图2及图5，图6，图7，图8所示。以此电光晶体纵向方位置放的微型光学电场传感器组用于分别精确测量其各自所在处的电场。

应用于实芯类型高压电气绝缘子：

可以在内部填充绝缘物质的实芯类型高压电气绝缘子内部中轴线上安置与绝缘支架结合的介电屏蔽管；使得介电屏蔽管中轴线与实芯类型高压电气绝缘子的介电屏蔽管置于上述两个导体电极之间中轴线重合地安置，处在两者共同的中轴线上；并且将；其它各部件的特点与安置方式都与用于空心类型的高压电气绝缘子内时的特点和方式相同。

应用于高压气体绝缘开关：

将纳米材料介电屏蔽管(也可以与绝缘支架结合)安置于高压气体绝缘开关的输电网高电位及大地电位的两个电极结构之间，并使纳米材料介电屏蔽管的中轴线与两电极结构之间的径向连线重合，在纳米材料介电屏蔽管内部形成介电屏蔽区域，用以放置微型光学电场传感器组以及光纤组。

纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器位于中空高压电气绝缘子33上部的法兰盘35无电极的一面能够用于安置电子式全光纤电流互感器部份高压器件，并且两类互感器的光电模块可以集成于一体，由此构成组合电子式光学电力互感器；也可以将类似的方式用于实芯高压绝缘子的纳米材料介电屏蔽型光学电压互感器；在高压电气开关(GIS)中可以利用电子式全光纤电流互感器与纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器共同集成于高压电气开关中而构成电子式光学电力互感器与高压电气开关组合。

具备抗各向杂散外电场干扰能力的介电屏蔽待测电场的仿真计算：

为实现本技术方案所提出的关键改进，需要采用纳米介电屏蔽型材料制作介电屏蔽管。

为实现上述目标，就必须利用适当选取的可靠的有限元数学工具对纳米材料特性参数以及结构参数进行足够精确而周密的电场仿真计算。

利用电场仿真计算出所需要的纳米材料特性参数

-针对具体的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器所利用的全部导体，全部电气绝缘材料的结构与电气特性参数，以及介电屏蔽管所采用纳米材料的特定电介质参数，并考虑对应的介电损耗，确定所计算的电磁场中各类参数的选择范围和输入数值；

-在严格确认类型和评估程度数量的前提下，考虑电力系统长期连续实际运行环境和条件中可能遇到的各类杂散电场干扰和其它复杂而多变形式下的杂散干扰；

-结合作为电力设备的各类电压互感器在实际运行工况中的所获取的经验数据，考虑进包含各种非常规运行条件下会遇到的偶发情况导致的特殊参数；

-计入作为电力设备的各类电压互感器在安装，检修，维护，施工，试运行，以及邻近电力，机械，工程设备可能会造成的干扰因素的经验数据；

-还应考虑到难以绝对避免的值守，施工，维护，检修，试验等各类人员可能会带来的种人为操作失误，人为误差因素等造成的后果；

-也需计入无法完全避免的非人力能抵抗的自然灾害，如地震，冰雪，沙尘，风暴，洪涝，等后果的影响；

-人为破坏等意外事件造成恶劣后果的影响；

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，它至少包括：由内至外依次设置的微型光学电场传感单元(1)，介电屏蔽单元(2)和高压电气绝缘单元(3)，以及与所述微型光学电场传感单元(1)通过光纤(12)连接，且设置在所述高压电气绝缘单元(3)外部的光电及信号处理单元(4)；

所述微型光学电场传感单元(1)安置于介电屏蔽单元(2)和高压电气绝缘单元(3)内部共同区域，用于检测其所在处电场，并通过光纤(12)输出所测信号至所述光电及信号处理单元(4)，由所述光电及信号处理单元(4)计算出待测电压的精确值；

其特征在于：

所述介电屏蔽单元(2)包含：介电屏蔽结构(21)；所述介电屏蔽结构(21)包含以纳米，或纳米/微米，或者微米尺度的陶瓷，金属导体，氧化物，碳纳米管或石墨烯，聚合物，及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种纳米介电屏蔽材料作为所述介电屏蔽结构(21)的功能成分；

其特征在于：

所述介电屏蔽单元(2)还包括利用聚合物材料作为所述介电屏蔽结构(21)中纳米介电屏蔽材料的基质。

2.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述高压电气绝缘单元(3)包括：接连高压输电线路电位的上端电极(31)，以及接连大地电位的下端电极(32)，中空高压电气绝缘子(33)和法兰盘(35)；所述上端电极(31)和下端电极(32)分别固定安置在上下两块法兰盘(35)与所述中空高压电气绝缘子(33)所围成的密闭空间内的上端和下端。所述密闭空间内可以填充干燥氮气，或干燥空气；

所述高压电气绝缘单元(3)也可以包括：上述密闭空间填充其它绝缘材料而构成的实芯高压电气绝缘子(图9-33，图10-33)；将介电屏蔽结构(图9-21，图10-21)，或与绝缘支架(图10-22)的结合，安置于所述两个电极(图9-31，图9-32；图10-31，图10-32)之间，所述介电屏蔽结构与所述实芯高压电气绝缘子两者的内部共同区域构成抗外界杂散电场等干扰的介电屏蔽区域(图9-23，图10-23)。

3.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述介电屏蔽单元(2)可以包括：置放于上述的高压电气绝缘单元(3)内部的介电屏蔽结构(21)，所述介电屏蔽结构(21)与所述上下两个导体电极(31，32)分别做电气与机械联接，在所述中空高压电气绝缘子(33)和介电屏蔽结构(21)两者内部共同空腔区域形成抗外界杂散电场干扰的介电屏蔽区域(23)；所述微型光学电场传感器组(11)置放于此介电屏蔽区域中检测所在处的电场，使检测时外界杂散电场等干扰造成的误差限制在允许的程度之内；

所述介电屏蔽单元(2)也可以包括：在所述实芯高压电气绝缘子(图9-33，图10-33)和介电屏蔽结构(图9-21，图10-21)两者内部共同区域形成抗外界杂散电场干扰的介电屏蔽区域(图9-23，图10-23)；所述微型光学电场传感器组(图9-11，图10-11)置放于此介电屏蔽区域中检测所在处的电场，使检测时外界杂散电场等干扰造成的误差限制在允许的程度之内。

4.根据权利要求2所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述的介电屏蔽单元(2)还可以包括：绝缘支架(图2-22，图4-22)，所述的绝缘支架(图2-22，图4-22)可以与所述的介电屏蔽结构(21)相互结合后安置在所述高压电气绝缘单元(3)内部两电极之间并做电气和机械连接，构成介电屏蔽区域(23)；

所述的介电屏蔽单元(2)也可以不包含所述绝缘支架(图1，图3)，仅以所述介电屏蔽结构(图1-21，图3-21)安置在所述高压电气绝缘单元(图3-3)内部两电极之间并做电气和机械连接，构成介电屏蔽区域(图1-23，图3-23)。

5.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述微型光学电场传感单元(1)可以是以下之一：基于纵向方位的电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂(图5-13，图7-13)电光效应的微型光学电场传感器(图5-11，图6-11，图7-11，图8-11)，或者是光纤光学电场传感器，或者是集成光学电场传感器；所述的光学微型电场传感单元(1)的组成元器件可以是分立的光学器件，或者是微光学器件，也可以是全光纤器件，或者是集成光学器件。

6.根据权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述介电屏蔽结构(21)包含：利用具有高电气绝缘强度，高工频阻抗，低介电损耗，高机械强度，以及高的热耐受力和高化学稳定性，低漏电流的聚合物构成的纳米或纳米/微米或者微米介电屏蔽复合材料的基质；例如聚偏氟乙烯，聚乙烯及其衍生物，或者环氧树脂，或其它聚合物等，用于同纳米介电屏蔽材料掺入以构成聚合物基质的纳米或纳米/微米或者微米高介电常数复合材料；所述基质还满足：与所掺入的纳米，或纳米/微米，或者微米材料都具有很好的粘结性，结合性，稳定性，安全性；可以含有不同此例的纳米材料含量；也可以同时含有不同此例的纳米及不同粒径的微米介电屏蔽材料，以获得高密度填充的高介电常数复合材料。

7.根据权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述介电屏蔽结构(21)包含：以所述纳米(仅含纳米)尺度的陶瓷(如BaTiO₃；CaCu₃Ti₄O₁₂；分别记作BT；及CCTO)等，金属导体(Al，Ag，Zn)等，氧化物(如TiO₂，SiO₂，Al₂O₃)等，以及纳米碳管或者石墨烯类的碳化合物；及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种材料作为掺入组分构成的复合纳米介电屏蔽材料；与所述聚合物基质结合制备出的具有高介电常数，高电气绝缘强度，以及高绝缘阻抗值，低工频介电损耗的纳米介电屏蔽复合材料和器件；所述复合纳米介电屏蔽材料在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够强的热稳定性和化学稳定性；可以均匀的分散混合到所述基质中；与所述基质具有很好的粘结强度，高结合性以及好的分散性；低吸水性；稳定性好；可以在所述基质中达到不同的纳米材料含量此例。

8.根据权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述介电屏蔽结构(21)包含：所述纳米/微米共存尺度，或者微米尺度材料的陶瓷(如BaTiO₃；CaCu₃Ti₄O₁₂；分别记作BT；及CCTO)等，金属导体(Al，Ag，Zn)等，氧化物(如TiO₂，SiO₂，Al₂O₃)等，以及纳米碳管或者石墨烯类的碳化合物；及对应各类纤维物等材料之中的一种或几种材料作为分别掺入构成的复合介电屏蔽材料；所述介电屏蔽结构(21)利用上述各种材料时可以包含两类不同粒径的颗粒共同掺入基质，用于获得高密度填充的高介电常数复合材料制备出的高介电常数，高绝缘阻抗值，高电气绝缘强度以及低工频介电损耗的纳米/微米共混物介电屏蔽复合材料结构和器件，所述纳米/微米共存尺度，或者微米尺度介电屏蔽材料在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够强的热稳定性和化学稳定性；可以均匀的分散混合到所述基质中；与所述基质具有很好的粘结强度，高结合性以及好的分散性；低吸水性；稳定性好；可以在所述基质中达到不同的含量此例。

9.根据权利要求6所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：利用所述基质，例如聚偏氟乙烯，或其它聚乙烯衍生物，或者环氧树脂，或其它聚合物等为材料；制作安置介电屏蔽结构(21)的绝缘支架(图2-22，图4-22)；所述基质满足：高电气绝缘强度，高绝缘阻抗值以及低工频介电损耗；在全部运行温度区间具有足够强的机械，化学和热稳定性；在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够高的电气绝缘强度；低吸水性。

10.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：利用所述的纳米材料介电屏蔽型复合材料，确定电子式光学电压互感器内所用纳米或纳米/微米或者微米材料介电屏蔽结构(21)的形状，尺寸，结构；所述介电屏蔽结构(21)两端可以与所述高压电极(31)和接地电极(32)分别作电气连接并且机械固定，所述介电屏蔽结构(21)也可以不作上述连接而与所述绝缘支架(图2-22，图4-22)结合，再由所述绝缘支架与两个电极连接并固定；又如所述介电屏蔽结构(21)全部长度与所述高压电气绝缘子(33)和两个电极形成的空腔长度可以作匹配，也可以仅考虑所述微型光学电场传感器(11)的尺寸而确定；所述介电屏蔽结构(21)的壁厚，内径，外径以及截面积的选择都具有特点：高击穿电场，以及低漏电流，低工频介电损耗，并且其工频阻抗尽量高；所述介电屏蔽结构(21)与所述高压电气绝缘单元(3)两电极构成的介电屏蔽区域(23)内具有足够强的介电屏蔽效果；在全部运行温度区间内和干燥及潮湿环境中都具有足够高的电气绝缘耐压强度，具有高机械强度，高热稳定性以及高化学稳定性。

11.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：在应用于测量高压气体绝缘开关(GIS)电压时，所述介电屏蔽结构(21)，可以与所述绝缘支架(22)结合，也可以不利用所述绝缘支架(22)，安置于高压气体绝缘开关的输电网高电位及大地电位的两个所述高低压电极(31，32)的结构之间，并使所述介电屏蔽结构(21)的中轴线与两电极结构之间的径向连线重合，在介电屏蔽结构(21)内部形成的介电屏蔽区域(23)中放置微型光学电场传感器(11)。

12.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器，其特征在于：所述纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器的所述中空高压电气绝缘子(33)的上法兰盘(35)无电极的一面能够用于安置电子式全光纤电流互感器部份高压器件，使两类互感器共用高压电气绝缘单元(3)，并且两类互感器的光电模块可以集成，由此构成组合型电子式光学电力互感器；也可以将类似的方式用于所述实心型高压电气绝缘子(图9-33，图10-33)而构成电子式光学电力互感器；在高压气体绝缘开关(GIS)中可以利用电子式全光纤电流互感器与所述纳米材料介电屏蔽型电子式光学电压互感器共同集成于高压气体绝缘开关中而构成电子式光学电力互感器与高压气体绝缘开关组合。