所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器，用于以光學(xué)方法測(cè)量電壓，特別是以光學(xué)方法測(cè)量高壓交流輸電網(wǎng)線路的電壓；其中所測(cè)量電壓既可以是高壓交流輸電線路的電壓，也可以是其它高電壓設(shè)備或高壓環(huán)境中的交直流電壓。

屬于光電與電力技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，在電力工業(yè)中常規(guī)的電壓互感器有電磁式電壓互感器、電容分壓式電壓互感器和阻容分壓式電壓互感器等等。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了性能更為優(yōu)越的光學(xué)電壓互感器，以其抗雜散電場(chǎng)干擾、無鐵磁振蕩、優(yōu)異的電氣絕緣性能、高低壓側(cè)電氣隔離、更大的帶寬、更快的響應(yīng)速度、更大的動(dòng)態(tài)范圍、重量輕、體積小、全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)更高的精度、抗快速暫態(tài)過電壓(vfto)干擾性能、不需電容或電阻分壓、暫態(tài)特性好、集成度高、光纖輸入及輸出信號(hào)、安全的運(yùn)行條件、保護(hù)環(huán)境和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，使得光學(xué)方法精確測(cè)量高電壓環(huán)境中電壓量的技術(shù)已發(fā)展成為電力工業(yè)中智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。

然而目前所研究以及試制的幾類光學(xué)電壓互感器中，有的利用了特殊定制的電極結(jié)構(gòu)，有的將復(fù)雜的導(dǎo)體構(gòu)件放置于高低壓電極之間的強(qiáng)電場(chǎng)中，并且需要使用絕緣氣體或者絕緣固體，如六氟化硫或環(huán)氧樹脂等填充；這些都使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性下降、安全性減低、成本明顯增加和維護(hù)昂貴困難，并且六氟化硫氣體對(duì)環(huán)境保護(hù)不利；整體結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性和臃腫性導(dǎo)致了光學(xué)電壓互感器實(shí)際應(yīng)用的可行性降低，穩(wěn)定性降低，可靠性難以保證。

近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，已出現(xiàn)了一些光學(xué)電壓互感器的技術(shù)方案，從理論上使光學(xué)電壓互感器克服了上述缺點(diǎn)，達(dá)到以下效果：

-不需要任何依賴應(yīng)用條件而定做的電極結(jié)構(gòu)、特殊絕緣以及分壓或均壓裝置，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；增加了可靠性，并且降低了制造成本；，

-不需要加壓六氟化硫氣體絕緣，也不需要油-紙、聚合物等固體材料作為絕緣物質(zhì)，由此降低了制造成本和維修費(fèi)用，增加了可靠性，減少了對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；

-將高電位部分與地電位部分被足夠?qū)挼姆指糸_，在絕緣子兩個(gè)電極之間的區(qū)域內(nèi)就不會(huì)存在特別高的電場(chǎng)強(qiáng)度，在高低壓電極之間不允許存在任何導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所以僅用干燥的氮?dú)饣蛘吒稍锟諝獬涮罹涂蓾M足絕緣需求，使得電氣絕緣的安全性可靠性都得以增加；

-由于利用干燥氮?dú)饣蛘吒稍锟諝獬涮钤谥锌战^緣子兩端高低壓電極當(dāng)中作為絕緣物質(zhì)，其電氣等性質(zhì)穩(wěn)定，不依賴內(nèi)外環(huán)境而變化，便于監(jiān)控，所以增加了電氣絕緣可靠性，且穩(wěn)定性較高；

-通過增多微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器的數(shù)量就可以增加待測(cè)電壓的測(cè)量精確度，使得光學(xué)電壓互感器的精度易于提高；

-利用介電屏蔽納米復(fù)合材料構(gòu)成對(duì)外界雜散電場(chǎng)的充分屏蔽，使得光學(xué)電壓互感器在具有復(fù)雜外部電場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，例如變電站中，能夠不受外界的強(qiáng)雜散電場(chǎng)干擾而正常，穩(wěn)定，準(zhǔn)確的連續(xù)運(yùn)行。

上述技術(shù)方案中均需利用高介電常數(shù)的介電屏蔽材料。但由于具有足夠高介電常數(shù)而又滿足實(shí)用要求的介電屏蔽材料曾經(jīng)難以獲得，因此這些技術(shù)方案在實(shí)際中所采用的介電屏蔽材料只能是電阻型的，這就導(dǎo)致在實(shí)際中應(yīng)用光學(xué)電壓互感器的技術(shù)方案遇到下列重大障礙：

(一)、在額定電壓條件下正常運(yùn)行時(shí)，這種材料制成的介電屏蔽結(jié)構(gòu)因有漏電流通過而會(huì)發(fā)熱，且所生成熱量不可忽略。盡管設(shè)計(jì)中已經(jīng)在允許條件下盡量降低此漏電流數(shù)值，但是因所用介電屏蔽材料本身特性和制備工藝所限，仍會(huì)有不可忽略的發(fā)熱，這就使得：

-光學(xué)組件以及絕緣材料易于老化，甚至損壞；

-密封用干燥氣體的壓強(qiáng)增加并且不穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性都下降；

-測(cè)量精度變差，因?yàn)闇囟鹊臏y(cè)量以及補(bǔ)償都受到較大干擾；

-造成光學(xué)電壓互感器運(yùn)行中額外的電能損失；

-在環(huán)境溫度較高條件下運(yùn)行時(shí)可能因過熱造成光學(xué)電壓互感器運(yùn)行發(fā)生故障。

(二)、在高于額定電壓條件下進(jìn)行各類試驗(yàn)或檢測(cè)時(shí)，介電屏蔽管會(huì)因高電壓引起的較大漏電流通過而過度發(fā)熱，這會(huì)使得：

-光學(xué)電壓互感器無法進(jìn)行及完成必不可少的產(chǎn)品耐高壓絕緣性能等必要的測(cè)試；

-光學(xué)電壓互感器無法進(jìn)行和通過模擬自然環(huán)境中出現(xiàn)的高電壓條件的測(cè)試；

-光學(xué)電壓互感器某些部件無法正常運(yùn)行；

-嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)光學(xué)電壓互感器受到損壞；

假如采用更大電阻率的電阻型介電屏蔽材料，則上述發(fā)熱問題可以減輕，甚至基本克服掉；但是因下述關(guān)系所限而須降低介電常數(shù)ε2：

ρ＝(ε0ε2ω)^-1

式中：

ρ-測(cè)試交流電壓頻率上所對(duì)應(yīng)的電阻率；

ε0-真空介電常數(shù)；

ε2-測(cè)試交流電壓頻率上相對(duì)介電常數(shù)虛部；

ω-所測(cè)交流電壓的頻率；

這就等于要求介電材料具有很低的介電損耗因數(shù)，很高的電阻率，同時(shí)保持足夠介電屏蔽效果，但是這樣的材料實(shí)際中很難找到。如果利用現(xiàn)有的具有很低ε2材料，則對(duì)外界雜散電場(chǎng)的介電屏蔽效果必會(huì)降低，使得光學(xué)電壓互感器的性能受到下列影響：

-測(cè)量精度顯著降低；

-測(cè)量精度不穩(wěn)定，易受外界導(dǎo)電體等雜散電場(chǎng)的干擾；

-易受各種外界環(huán)境因素變化的干擾；

這些重大障礙最終使得電阻型介電屏蔽電子式光學(xué)電壓互感器性能無法滿足實(shí)際應(yīng)用要求，盡管電阻型屏蔽材料的一些性質(zhì)可以起輔助作用。這樣的困境使得新型光學(xué)電壓互感器必須克服這些重大障礙后才能夠在工程中得到實(shí)際的應(yīng)用。

鑒于上述現(xiàn)有的光學(xué)電壓互感器技術(shù)存在的難題，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品研發(fā)試制多年的豐富經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)，積極研究創(chuàng)新一種納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器，使其滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明中提供了一種納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器，通過采用納米材料實(shí)現(xiàn)介電屏蔽，使得光學(xué)電壓互感器無論是在額定電壓下正常運(yùn)行或是在高于額定電壓的情況下進(jìn)行各類試驗(yàn)或檢測(cè)時(shí)，都既能以充分的介電屏蔽效果減弱各種因素造成的外界雜散電場(chǎng)干擾，又能有效地將介電屏蔽結(jié)構(gòu)的發(fā)熱降低到允許程度，使得安置在納米材料介電屏蔽區(qū)域中的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元可以準(zhǔn)確而穩(wěn)定地測(cè)出所在處的電場(chǎng)值，再通過光電及信號(hào)處理單元精確地計(jì)算出待測(cè)電壓值。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器，包括由內(nèi)至外依次設(shè)置的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元、介電屏蔽單元和高壓電氣絕緣單元，以及與微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元通過光纖連接，且設(shè)置在高壓電氣絕緣單元外部的光電及信號(hào)處理單元。

微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元用于檢測(cè)其所在處電場(chǎng)，并通過光纖輸出至光電及信號(hào)處理單元，由光電及信號(hào)處理單元計(jì)算待測(cè)電壓v的精確值；

介電屏蔽單元包括納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)，介電屏蔽單元設(shè)置在高壓電氣絕緣單元兩電極間的區(qū)域內(nèi)，與兩電極做電氣與機(jī)械連接形成介電屏蔽區(qū)域，以消除或減少此區(qū)域內(nèi)的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元因外界雜散電場(chǎng)所受的干擾。

進(jìn)一步地，介電屏蔽單元還可以包括與納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)結(jié)合，安置在高低壓電極之間的絕緣支架。

進(jìn)一步地，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元為基于電光效應(yīng)的光學(xué)電場(chǎng)傳感器、光纖光學(xué)電場(chǎng)傳感器或集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器。

進(jìn)一步地，高壓電氣絕緣單元包括上端電極、下端電極、中空高壓電氣絕緣子、和上下法蘭盤；也可以包括實(shí)芯高壓電氣絕緣子。

上端電極和下端電極分別固定設(shè)置在兩塊法蘭盤與中空高壓電氣絕緣子所圍成的密閉空間內(nèi)的上部和下部，其中上端電極與高壓輸電線電位連接，下端電極與大地電位連接。

進(jìn)一步地，密閉空間內(nèi)填充干燥氮?dú)?、干燥空氣或絕緣材料。

進(jìn)一步地，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元沿待測(cè)電場(chǎng)中軸線方向設(shè)置有至少一個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器由處在縱向方位的電光晶體bi4ge3o12構(gòu)成。

進(jìn)一步地，各個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器中電光晶體bi4ge3o12沿電場(chǎng)方向的長度總和與高壓電氣絕緣單元的兩電極間距離的比值小于2％。

進(jìn)一步地，納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)為以聚合物為基質(zhì)的納米/微米電介質(zhì)復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，聚合物基質(zhì)納米/微米電介質(zhì)復(fù)合材料以納米/納米和微米混合/微米尺度的陶瓷、金屬導(dǎo)體、氧化物、碳納米管、石墨烯、聚合物及對(duì)應(yīng)各類纖維物等材料之中的一種或幾種材料作為聚合物基質(zhì)的功能添加組分摻入所構(gòu)成。

通過采取本技術(shù)方案中給出的納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器方案，達(dá)到以下技術(shù)效果：

1、顯著降低光學(xué)電壓互感器在額定電壓正常運(yùn)行時(shí)介電屏蔽結(jié)構(gòu)的發(fā)熱程度，使發(fā)熱量可以忽略不計(jì)，從而有效降低了光學(xué)組件以及絕緣材料的老化速度和損壞率，緩解密閉空間內(nèi)干燥氣體因溫度升高而導(dǎo)致的壓強(qiáng)增加，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高測(cè)量精度，降低溫度的測(cè)量以及補(bǔ)償所受到得干擾；

2、使得光學(xué)電壓互感器能夠在進(jìn)行高于額定電壓的更高電壓檢測(cè)時(shí)，防止介電屏蔽結(jié)構(gòu)過熱，從而保證光學(xué)互感器可以完成必不可少的產(chǎn)品耐高壓絕緣性能等必要的測(cè)試，包括通過模擬自然環(huán)境中出現(xiàn)的高電壓條件的測(cè)試，保證光學(xué)電壓互感器各部件的正常工作，防止因溫度過高而造成的部件損壞；

3、減少因介電屏蔽結(jié)構(gòu)發(fā)熱而造成的額外的電能損失，防止能量損耗浪費(fèi)；

4、利用了納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)，有效保證了光學(xué)電壓互感器在有雜散電場(chǎng)存在的條件下仍能夠保持足夠高的測(cè)試精度；

5、技術(shù)改進(jìn)帶來上述良好的技術(shù)效果，但制造成本并未顯著增加，且利用現(xiàn)有設(shè)備、工藝和材料等即可進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，使得技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)。

本技術(shù)方案的構(gòu)成要點(diǎn)：納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)

本技術(shù)方案的關(guān)鍵之處就在于利用納米材料作為主要功能成份來構(gòu)成納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)。

為使微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器測(cè)出的信號(hào)成為高壓端電極和接大地電極之間電場(chǎng)的穩(wěn)定而精確的唯一量度，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器必須很好的介電屏蔽于外界各類因素產(chǎn)生的各向雜散電場(chǎng)干擾，同時(shí)應(yīng)保證上述兩個(gè)電極之間生成的待測(cè)電場(chǎng)不會(huì)因?yàn)榇私殡娖帘谓Y(jié)構(gòu)的存在而被畸變。上述納米材料介電屏蔽管的應(yīng)用就可以很好的滿足此要求。

納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)被用于降低外界雜散電磁場(chǎng)的干擾，這些干擾起源于：附近的非待測(cè)電流，設(shè)備表面積聚的靜電荷，附近外部環(huán)境里的固定的或移動(dòng)的導(dǎo)電物體，導(dǎo)電流體，周圍的電氣設(shè)備，以及在高壓電氣絕緣子上污染物質(zhì)沉積引起的雜散電場(chǎng)等各類干擾效果。由于介電屏蔽結(jié)構(gòu)的作用，即使存在著附近外部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形狀的變化或移動(dòng)等嚴(yán)重的雜散電場(chǎng)干擾，仍然可以用很少幾個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器去精確而穩(wěn)定地測(cè)量上述兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)。介電屏蔽結(jié)構(gòu)并不增大電場(chǎng)強(qiáng)度，反而將它減低。這樣就取消了為耐受強(qiáng)電場(chǎng)所必需的昂貴的絕緣結(jié)構(gòu)。

當(dāng)高壓電氣絕緣單元內(nèi)部兩個(gè)電極之間空間區(qū)域內(nèi)由介電屏蔽結(jié)構(gòu)所圍而使外界雜散電場(chǎng)干擾被消除，則被圍屏蔽區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)和兩個(gè)電極之間的電壓兩者間就存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而放置在此區(qū)域中的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器就能給出對(duì)應(yīng)于兩電極之間的電場(chǎng)測(cè)量值。

當(dāng)外界雜散電場(chǎng)干擾未被全部消除但卻被減弱時(shí)，利用數(shù)值積分算法，若干個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器以分列的形式聯(lián)合應(yīng)用就可以精確而穩(wěn)定地測(cè)量電場(chǎng)，而納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)的存在允許用較少的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器就能夠安全地獲得足夠精確而穩(wěn)定的電壓數(shù)值。

同時(shí)如上所述，納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)的應(yīng)用避免了電子式光學(xué)電壓互感器在額定電壓或更高電壓下介電屏蔽結(jié)構(gòu)的發(fā)熱問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明中未設(shè)置絕緣支架的介電屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中設(shè)置絕緣支架的介電屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中未設(shè)置絕緣支架且中空高壓電氣絕緣子密閉空間內(nèi)填充干燥氣體的納米材料介電屏蔽型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中設(shè)置絕緣支架且中空高壓電氣絕緣子密閉空間內(nèi)填充干燥氣體的納米材料介電屏蔽型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器方位圖；

圖6為圖5的剖視圖；

圖7為本發(fā)明微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器方位圖；

圖8為圖7的剖視圖；

圖9為本發(fā)明中未設(shè)置絕緣支架且高壓電氣絕緣子密閉空間內(nèi)填充絕緣材料的實(shí)芯納米材料介電屏蔽型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明中設(shè)置絕緣支架且高壓電氣絕緣子密閉空間內(nèi)填充絕緣材料的實(shí)芯納米材料介電屏蔽型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖中標(biāo)記含義：1微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元、11微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器、12光纖、13電光晶體bi4ge3o12、2介電屏蔽單元、21介電屏蔽結(jié)構(gòu)、22絕緣支架、23介電屏蔽區(qū)域、3高壓電氣絕緣單元、31上端電極、32下端電極、33中空高壓電氣絕緣子、35法蘭盤、4光電及信號(hào)處理單元。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1至圖8所示，一種納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器，包括由內(nèi)至外依次設(shè)置的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1、介電屏蔽單元2和高壓電氣絕緣單元3，以及與微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1通過光纖12連接，且設(shè)置在高壓電氣絕緣單元3外部的光電及信號(hào)處理單元4；光電及信號(hào)處理單元4中的光源發(fā)出探測(cè)所用的光束，經(jīng)過調(diào)制處理后進(jìn)入微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11測(cè)出的所在處電場(chǎng)值以光信號(hào)方式傳到光電及信號(hào)處理單元4，光電及信號(hào)處理單元4將微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)之后，通過特定數(shù)值積分方法求出待測(cè)高壓輸電線路的電壓的精確值，所用光纖12可以是普通單模光纖，也可以是保偏光纖，待測(cè)電壓可以是交流電壓，也可是直流電壓。

介電屏蔽單元2包括納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21，介電屏蔽單元2設(shè)置在高壓電氣絕緣單元3兩電極之間，在所述中空高壓電氣絕緣子(33)和介電屏蔽結(jié)構(gòu)(21)兩者內(nèi)部共同空腔區(qū)域形成抗外界雜散電場(chǎng)干擾的介電屏蔽區(qū)域(23)；以消除或降低處于此區(qū)域內(nèi)部的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1因外界雜散電場(chǎng)所受的干擾，由此降低所在處待測(cè)電場(chǎng)受到外界雜散電場(chǎng)擾動(dòng)而造成的誤差；其中微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1所在處既有待測(cè)高電壓形成的待測(cè)電場(chǎng)，主要在與中空高壓電氣絕緣子33中軸線的縱向及近鄰區(qū)域；又存在光學(xué)電壓互感器附近各類固定或移動(dòng)的導(dǎo)電物體、導(dǎo)電流體、高壓電氣設(shè)備以及在中空高壓電氣絕緣子33上污染物質(zhì)沉積引起的各類雜散電場(chǎng)，它們相對(duì)于中軸線既有平行也有橫向的分量，是從外部進(jìn)入的干擾；由介電屏蔽單元2實(shí)現(xiàn)對(duì)于這些雜散電場(chǎng)的屏蔽，使微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11測(cè)出的信號(hào)成為高壓端電極和接大地電極之間電場(chǎng)的穩(wěn)定而精確的唯一量度，這樣就取消了為耐受強(qiáng)電場(chǎng)所必需的昂貴的絕緣結(jié)構(gòu)。

通過利用介電屏蔽單元2的納米介電屏蔽材料特性，使得光學(xué)電壓互感器無論是在額定電壓下正常運(yùn)行或是在高于額定電壓的情況下進(jìn)行各類試驗(yàn)或檢測(cè)時(shí)，都能夠既降低介電屏蔽結(jié)構(gòu)的發(fā)熱程度，徹底防止過熱的風(fēng)險(xiǎn)；又克服各種電氣因素與環(huán)境因素造成的雜散電場(chǎng)干擾，發(fā)揮電子式光學(xué)電壓互感器的優(yōu)越特性，始終保持在安全運(yùn)行狀態(tài)下的高測(cè)量精度。

微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1為基于電光效應(yīng)的光學(xué)電場(chǎng)傳感器、光纖光學(xué)電場(chǎng)傳感器或集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器；微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1的組成元器件可以是分立的光學(xué)器件、微光學(xué)器件、全光纖器件或集成光學(xué)器件；高壓電氣絕緣單元3包括上端電極31、下端電極32、中空高壓電氣絕緣子33、法蘭盤35，其上端電極31和下端電極32分別固定設(shè)置在兩塊法蘭盤35與中空高壓電氣絕緣子33所圍成的密閉空間內(nèi)的上端和下端，中空高壓電氣絕緣子內(nèi)填充干燥氮?dú)?、干燥空氣或絕緣材料。其中上端電極31與高壓輸電線電位連接，下端電極32與大地電位連接，兩個(gè)導(dǎo)體電極間生成待測(cè)電壓v，其中中空高壓電氣絕緣子33主要由絕緣材料和金屬構(gòu)成；兩法蘭盤35間隔距離為l，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感單元1沿電場(chǎng)方向設(shè)置有若干個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11，各微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11組成基于線性電光效應(yīng)的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器組，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11由處在縱向方位的電光晶體bi4ge3o1213構(gòu)成，微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11中電光晶體bi4ge3o1213沿電場(chǎng)方向的長度總和與高壓電氣絕緣單元3的兩電極間距離l的比值小于2％。

納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)具備下列特性：

-一般情形中，介電屏蔽結(jié)構(gòu)與高絕緣電阻的適當(dāng)聚合物絕緣支架組合在一起，取作較實(shí)用的管狀組合；

-介電屏蔽管在所有實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)所都能足夠有效地屏蔽外界各類雜散電場(chǎng)，確保電場(chǎng)測(cè)量精度；

-介電屏蔽管在所有實(shí)際應(yīng)用要求的運(yùn)行以及檢測(cè)電壓等級(jí)上都可以安全，可靠，長期的承擔(dān)光學(xué)電壓互感器的運(yùn)行以及檢測(cè)；

-通過電流的發(fā)熱量，以及因此導(dǎo)致的介電屏蔽管溫度升高都嚴(yán)格地被控制在許可的范圍內(nèi)；

-光學(xué)電壓互感器的運(yùn)行以及檢測(cè)期間，在各種測(cè)試以及運(yùn)行條件下，介電屏蔽管都不允許出現(xiàn)任何超過要求的工頻介質(zhì)損耗；電暈；電腐蝕；電痕；局部放電；電樹枝化，甚至擊穿；等現(xiàn)象；

-在規(guī)定的溫度區(qū)間內(nèi)長期承受高溫和低溫條件運(yùn)行，其電氣性能和機(jī)械，熱性能指標(biāo)都保持在規(guī)定范圍內(nèi)；

-允許牢靠，穩(wěn)定，準(zhǔn)確地在介電屏蔽管內(nèi)部選定位置處分別安放并固定一組若干個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器，以及它們各自分別連帶的輸入輸出光纖；

-允許將這些光纖束牢固而可靠地從介電屏蔽管外部引入和引出，再對(duì)應(yīng)地聯(lián)通到電氣絕緣子單元之外的光電及信號(hào)處理單元；

納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21為聚合物基納米/微米電介質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括利用聚合物材料作為納米介電屏蔽材料的基質(zhì)載體。聚合物基納米/微米電介質(zhì)復(fù)合材料以納米/納米和微米混合/微米尺度的陶瓷、金屬導(dǎo)體、氧化物、碳納米管、石墨烯、聚合物及對(duì)應(yīng)各類纖維物等材料之中的一種或幾種材料作為添加組分所構(gòu)成；納米材料與聚合物基質(zhì)形成的介電屏蔽復(fù)合材料的低介電損耗及高的絕緣電阻性質(zhì)可以避免高電壓運(yùn)行與測(cè)試時(shí)納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)的發(fā)熱。

介電屏蔽單元2利用具有高電氣絕緣強(qiáng)度、足夠大的工頻介電常數(shù)、足夠高的絕緣電阻；低工頻介電損耗、高機(jī)械強(qiáng)度、高的熱耐受力、高化學(xué)穩(wěn)定性以及低漏電流的聚合物材料作為納米/納米和微米混合/微米介電屏蔽材料的基質(zhì)載體，例如聚偏氟乙烯、聚乙烯及其衍生物、環(huán)氧樹脂或其它聚合物等，同納米介電屏蔽材料結(jié)合以構(gòu)成聚合物基質(zhì)納米/納米和微米混合/微米電介質(zhì)復(fù)合材料；其中，基質(zhì)滿足：全部運(yùn)行溫度區(qū)間(-40℃～+70℃)內(nèi)長期具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度；在受熱狀態(tài)(＜+85℃)中具有足夠強(qiáng)的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性；基質(zhì)材料的軟化點(diǎn)：～200℃；在全部運(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi)和干燥及潮濕環(huán)境中都具有足夠高的電氣絕緣強(qiáng)度以及足夠低的工頻介電損耗值；具有易加工性；低成本，易于獲??；與所摻入的納米/納米和微米混合/微米材料都具有很好的粘結(jié)性、結(jié)合性、穩(wěn)定性、安全性、低熱脹系數(shù)和低吸水性；可以含有不同的納米材料含量，也可以同時(shí)含有納米及不同粒徑的微米材料以獲得高密度填充的高介電常數(shù)復(fù)合材料。

所摻入的介電屏蔽材料為以納米(僅含納米)/納米和微米混合材料共存/微米(僅含微米)尺度的陶瓷，如batio3、cacu3ti4o12(分別記作bt、ccto)等；金屬導(dǎo)體，如al、ag、zn等；氧化物，如tio2、sio2、al2o3等；納米碳管、石墨烯類的碳化物；及對(duì)應(yīng)各類纖維物等材料之中的一種或幾種材料作為添加組分，用于構(gòu)成納米、納米以及微米材料共用、微米材料介電屏蔽的功能成份，與聚合物基質(zhì)結(jié)合制備出具有較高介電常數(shù)、高電氣絕緣強(qiáng)度、低漏電流和低工頻介電損耗的納米介電屏蔽復(fù)合聚合物材料和器件；即在全部運(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi)和干燥及潮濕環(huán)境中都具有足夠高的電氣絕緣強(qiáng)度、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性以及高化學(xué)穩(wěn)定性的納米介電屏蔽材料；在受熱狀態(tài)(＜+85℃)中具有足夠強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性；可以均勻的分散混合到復(fù)合聚合物基質(zhì)中；低成本、易于獲取、與聚合物基質(zhì)具有很好的粘結(jié)強(qiáng)度、高結(jié)合性、好的分散性、低吸水性、穩(wěn)定性好和安全性高；可以在聚合物基質(zhì)中達(dá)到不同的納米材料含量；其中當(dāng)所用介電屏蔽結(jié)構(gòu)利用納米和微米混合尺度的上述各種材料可以取兩類不同粒徑的顆粒共同摻入基質(zhì)，用于獲得高密度填充的納米和微米混合共用高介電常數(shù)復(fù)合材料，在聚合物基質(zhì)中達(dá)到上述各種材料不同的含量。

應(yīng)當(dāng)利用納米材料介電屏蔽型復(fù)合聚合物材料來確定電子式光學(xué)電壓互感器內(nèi)所用納米、納米和微米混合或者微米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)時(shí)，納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21可以取內(nèi)外管壁都圓滑筆直的空心長圓管形狀，也可以取成其它形狀，納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21兩端可以與上端電極31和下端電極32分別作電氣連接并且機(jī)械固定，也可以不作連接而與絕緣支架22結(jié)合，再由絕緣支架22與兩個(gè)電極連接并固定；納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21全部長度與中空高壓電氣絕緣子33和兩個(gè)電極形成的空腔長度可以作匹配，也可以僅考慮微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器11的尺寸而確定；納米材料介電屏蔽結(jié)構(gòu)21的壁厚、內(nèi)徑、外徑以及截面積的選擇都應(yīng)使得具有下列特點(diǎn)：足夠強(qiáng)的介電屏蔽效應(yīng)、高擊穿電場(chǎng)、低漏電流、低工頻介電損耗，且其工頻阻抗盡量高；在全部運(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi)(-40℃～+70℃)和干燥及潮濕環(huán)境中都具有足夠高的電氣絕緣耐壓強(qiáng)度、長期具有高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性以及高化學(xué)穩(wěn)定性；在受熱狀態(tài)(＞+85℃)中具有足夠強(qiáng)的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性；易加工且低成本。

絕緣支架22的材料及結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：高的電氣絕緣強(qiáng)度；高的工頻阻抗值；低的介電損耗值；足夠高的機(jī)械強(qiáng)度；溫度濕度變化時(shí)穩(wěn)定性高；保證整機(jī)組裝的方便；結(jié)構(gòu)的牢固；以及光纖組的妥當(dāng)安置；

介電屏蔽管的安放條件應(yīng)滿足：介電屏蔽管與絕緣支架結(jié)合置放于中空的高壓電氣絕緣子內(nèi)部，置于兩個(gè)導(dǎo)體電極之間；也可以不用絕緣支架，僅用介電屏蔽管置放于中空的高壓電氣絕緣子內(nèi)部，置于兩個(gè)導(dǎo)體電極之間；介電屏蔽管中軸線與中空管型高壓電氣絕緣子的中軸線重合安置；在這兩個(gè)粗細(xì)不同的中空管件共同的內(nèi)部空腔區(qū)域就是對(duì)外界雜散電場(chǎng)等干擾具有介電屏蔽效果的區(qū)域；要考慮到光學(xué)電壓互感器整機(jī)組裝的方便和結(jié)構(gòu)的牢固；

微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器在介電屏蔽管內(nèi)部的安置；若干個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器分別放在中空高壓電氣絕緣子里的與絕緣支架結(jié)合的介電屏蔽管內(nèi)部區(qū)域的共同中軸線上；按照高斯積分算法確定各個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器位置；積分算法給定各微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器在中軸線上的軸向位置坐標(biāo)和每個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器的權(quán)重，各微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器都按照分別給定的權(quán)重置放于相應(yīng)的軸向位置坐標(biāo)處；適合于輸入輸出光纖組的安放及運(yùn)行；每個(gè)微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器的安裝取向方位則如圖1，圖2及圖5，圖6，圖7，圖8所示。以此電光晶體縱向方位置放的微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器組用于分別精確測(cè)量其各自所在處的電場(chǎng)。

應(yīng)用于實(shí)芯類型高壓電氣絕緣子：

可以在內(nèi)部填充絕緣物質(zhì)的實(shí)芯類型高壓電氣絕緣子內(nèi)部中軸線上安置與絕緣支架結(jié)合的介電屏蔽管；使得介電屏蔽管中軸線與實(shí)芯類型高壓電氣絕緣子的介電屏蔽管置于上述兩個(gè)導(dǎo)體電極之間中軸線重合地安置，處在兩者共同的中軸線上；并且將；其它各部件的特點(diǎn)與安置方式都與用于空心類型的高壓電氣絕緣子內(nèi)時(shí)的特點(diǎn)和方式相同。

應(yīng)用于高壓氣體絕緣開關(guān)：

將納米材料介電屏蔽管(也可以與絕緣支架結(jié)合)安置于高壓氣體絕緣開關(guān)的輸電網(wǎng)高電位及大地電位的兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)之間，并使納米材料介電屏蔽管的中軸線與兩電極結(jié)構(gòu)之間的徑向連線重合，在納米材料介電屏蔽管內(nèi)部形成介電屏蔽區(qū)域，用以放置微型光學(xué)電場(chǎng)傳感器組以及光纖組。

納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器位于中空高壓電氣絕緣子33上部的法蘭盤35無電極的一面能夠用于安置電子式全光纖電流互感器部份高壓器件，并且兩類互感器的光電模塊可以集成于一體，由此構(gòu)成組合電子式光學(xué)電力互感器；也可以將類似的方式用于實(shí)芯高壓絕緣子的納米材料介電屏蔽型光學(xué)電壓互感器；在高壓電氣開關(guān)(gis)中可以利用電子式全光纖電流互感器與納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器共同集成于高壓電氣開關(guān)中而構(gòu)成電子式光學(xué)電力互感器與高壓電氣開關(guān)組合。

具備抗各向雜散外電場(chǎng)干擾能力的介電屏蔽待測(cè)電場(chǎng)的仿真計(jì)算：

為實(shí)現(xiàn)本技術(shù)方案所提出的關(guān)鍵改進(jìn)，需要采用納米介電屏蔽型材料制作介電屏蔽管。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，就必須利用適當(dāng)選取的可靠的有限元數(shù)學(xué)工具對(duì)納米材料特性參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行足夠精確而周密的電場(chǎng)仿真計(jì)算。

利用電場(chǎng)仿真計(jì)算出所需要的納米材料特性參數(shù)

-針對(duì)具體的納米材料介電屏蔽型電子式光學(xué)電壓互感器所利用的全部導(dǎo)體，全部電氣絕緣材料的結(jié)構(gòu)與電氣特性參數(shù)，以及介電屏蔽管所采用納米材料的特定電介質(zhì)參數(shù)，并考慮對(duì)應(yīng)的介電損耗，確定所計(jì)算的電磁場(chǎng)中各類參數(shù)的選擇范圍和輸入數(shù)值；

-在嚴(yán)格確認(rèn)類型和評(píng)估程度數(shù)量的前提下，考慮電力系統(tǒng)長期連續(xù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和條件中可能遇到的各類雜散電場(chǎng)干擾和其它復(fù)雜而多變形式下的雜散干擾；

-結(jié)合作為電力設(shè)備的各類電壓互感器在實(shí)際運(yùn)行工況中的所獲取的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮進(jìn)包含各種非常規(guī)運(yùn)行條件下會(huì)遇到的偶發(fā)情況導(dǎo)致的特殊參數(shù)；

-計(jì)入作為電力設(shè)備的各類電壓互感器在安裝，檢修，維護(hù)，施工，試運(yùn)行，以及鄰近電力，機(jī)械，工程設(shè)備可能會(huì)造成的干擾因素的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

-還應(yīng)考慮到難以絕對(duì)避免的值守，施工，維護(hù)，檢修，試驗(yàn)等各類人員可能會(huì)帶來的種人為操作失誤，人為誤差因素等造成的后果；

-也需計(jì)入無法完全避免的非人力能抵抗的自然災(zāi)害，如地震，冰雪，沙塵，風(fēng)暴，洪澇，等后果的影響；

-人為破壞等意外事件造成惡劣后果的影響；

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。