纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的制作方法

纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器
所属技术领域
1.本发明涉及一种纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，用于在高电压(≥35kv伏-1000kv及以上电压等级)和存在强电场干扰(≥10000v/m)环境中以光学传感技术测量高压交流输电网的高电压；利用交直流微型电场传感器后所测量电压也可以是交直流高电压。
2.属于光电与电力能源技术领域。


背景技术：

3.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，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，使得光学传感技术精确测量高电压的技术已成为电力工业中智能电网的一个不可缺少的关键组成部分。
4.光学电压互(传)感器是在国家大电网的高电压环境中应用，其特点是：高电压(≥35kv伏-1000kv特高压电压等级)；运行环境存在高达(≥10000v/m)数量级的外电场强干扰。
5.然而目前所研制的几类光学电压互(传)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，并且需要使用特种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。
6.近年来已出现了一些光学电压互(传)感器的技术方案，从理论上使光学电压互(传)感器克服了上述缺点，达到以下效果：
[0007]-不用任何定做的电极结构、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；
[0008]-不用加压六氟化硫气体绝缘，也不用油、纸、聚合物等液体、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；
[0009]-将高电位部分与地电位部分间隔开较大距离，这样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存在导体器件，所以仅用干燥的氮气或者干燥空气充填就可满足高低压电极之间的电气绝缘需求，使得电气绝缘的安全性、可靠性都得以增加；
[0010]-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，其电气绝缘等性质稳定，不依赖内外环境而变化，便于监控，且具有自修复功能，所
以增加了可靠性和稳定性；
[0011]-通过增加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；
[0012]-利用纳米复合材料构成对外界杂散电场的介电屏蔽器件，使得光学电压互(传)感器在具有复杂外部电场的实际应用环境中，能够不受外界强杂散电场干扰而正常，稳定，准确的连续运行。
[0013]
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极高绝缘性能要求的介电屏蔽材料无法获得，因此在实际中所采用的介电屏蔽材料只能是电阻型的，这就导致在实际工程中应用光学电压互(传)感器会遇到下列重大障碍：
[0014]
(一)、在额定电压条件下运行时，这种材料制成的介电屏蔽器件因有漏电流通过而会发热，且所生成热量不可忽略。这就使得：
[0015]-光学组件以及绝缘材料易于老化，甚至损坏；
[0016]-绝缘用干燥气体的压强会因温度变化而不稳定，系统稳定性及可靠性都下降；
[0017]-测量精度变差，因为温度的测量以及补偿都受到较大干扰；
[0018]-在环境温度较高条件下运行时可能因介电屏蔽器件过热而造成光学电压互感器运行发生故障。
[0019]
(二)、在高于额定电压条件下进行各类规定的试验或检测时，介电屏蔽器件会因高电压引起的较大漏电流通过而过度发热，这会使得：
[0020]-光学电压互(传)感器无法成功通过产品耐高压绝缘性能等规定测试；
[0021]-严重时甚至出现光学电压互(传)感器受到损坏；
[0022]
若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；但是因下述关系所限而须降低介电常数ε2：
[0023]
ρ＝(ε0ε2ω)-1
[0024]
式中：
[0025]
ρ-测试交流电压频率上所对应的电阻率；
[0026]
ε
0-真空介电常数；
[0027]
ε
2-测试交流电压频率上相对介电常数虚部；
[0028]
ω-所测交流电压的频率；
[0029]
这就要求介电材料具有很低的介电损耗因数，很高的电阻率，同时保持足够的介电屏蔽效果，但是这样的材料实际中无法制作。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变差，使得光学电压互(传)感器的性能受到下列影响：
[0030]-测量精度显著降低；
[0031]-测量精度不稳定，易受外界导电体等杂散电场的干扰；
[0032]
这些重大障碍最终使得利用电阻型介电屏蔽器件电子式光学电压互(传)感器性能无法满足实际应用要求。这样的困境使得新型光学电压传感器必须克服这些重大障碍后才能够得到实际的应用。
[0033]
可供实用的技术方案要求所用的材料必须同时实现两个苛刻的功能：既要达到对极高电压的充分绝缘；又要能够对外界强干扰电场有足够屏蔽。
[0034]
但由于出现、、存在上述的重大技术障碍(发热等)，因此这个技术方案不可行。
[0035]
由此提出了本技术方案，其特点为：以此技术方案能够同时满足两个苛刻的功能：既可达到对极高压的充分绝缘；又能够实现对外界强电场的足够屏蔽。这就要求必须采用介电屏蔽结器件与绝缘器件分别制造再组合应用的结构。
[0036]
鉴于上述已有的光学电压传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创新性地提出新专利方案：纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器。其中高压电气绝缘用的中空绝缘子为外绝缘器件，而安置微型光学电场传感器的绝缘器件简记为：内绝缘器件。该技术方案能够满足实际工程应用苛刻：既可达到对极高压的充分绝缘；又能够实现对外界强电场的足够屏蔽。


技术实现要素：

[0037]
本发明提供一种纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件≥组合型光学电压传(互)感器。
[0038]
由于采取将纳米材料介电屏蔽与内绝缘器件利用不同材料分别制造，然后再组合应用的技术，通过采用纳米材料实现介电屏蔽，并通过采用内绝缘器件达到高低压电极之间的高电气绝缘强度，使得光学电压传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；既能达到对高电压的良好绝缘；又可以实现对外界强干扰电场的足够屏蔽，使得安置在纳米材料介电屏蔽器件与内绝缘器件共同形成空腔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，再通过光电信号处理单元精确地计算出待测电压值。
[0039]
为了解决上述技术问题，本发明是通过下述技术方案实现的：一种运行在高电压(≥35kv伏-1000kv特高压电压等级)与强电场干扰(≥10000v/m)环境中的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器；它至少包括：微型光学电场传感单元(1)，介电屏蔽单元(2)，高压电气绝缘单元(3)，与光电信号处理单元(4)；
[0040]
微型光学电场传感单元(1)包含：基于纵向方位电光晶体bi4ge3o
12
(13)电光效应的微型光学电场传感器(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；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；
[0041]
高压电气绝缘单元(3)包括：作为外绝缘构件的中空高压电气绝缘子(33)，内绝缘器件(22)，以及高压电极(31)，低压电极(32)，上下法兰盘(35)；
[0042]
光电信号处理单元(4)包含：为微型光学电场传感单元(1)提供光纤光束的光源及光纤(12)，对光纤(12)输送进来的电场信号进行处理的光电信号处理模块。参见专利：《分布式光学电压互感器》(专利号2007200005640)。
[0043]
介电屏蔽单元(2)包含：介电屏蔽器件(21)；介电屏蔽器件(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，及对应各类纤维物材料之中的一种或几种纳米介电屏蔽材料作为介电屏蔽器件(21)的功能成分；
[0044]
介电屏蔽单元(2)的介电屏蔽器件(21)和高压电气绝缘单元(3)的内绝缘器件(22)这两个器件依据各自不同功能要求而分别采用不同的材料和形状分别制成、分立安置
并且组合应用，以分别满足各自不同的功能要求；
[0045]
微型光学电场传感单元(1)安置于高压电气绝缘单元(3)与介电屏蔽单元(2)组合形成的存在介电屏蔽的待测电场区域中，光纤(12)输送的光束通过微型光学电场传感器(11)传感检测该处电场，再将所测光信号输出至光电信号处理单元(4)并计算出待测电压的精确值。
[0046]
纳米材料介电屏蔽与绝缘器件组合型光学电压传器，的高压电气绝缘单元(3)包括：电气接连高压输电线路电位的上端电极(31)，以及电气接连大地电位的下端电极(32)，连接高低压上下端电极并机械支撑介电屏蔽单元(2)的内绝缘器件(22)；中空高压电气复合空心绝缘子(33)和法兰盘(35)以及均压环；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；密闭空间内可以填充干燥氮气，干燥空气，或者填充绝缘性能优异的其它材料；介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)均处于这个密闭空间中。
[0047]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的内绝缘器件(22)与介电屏蔽器件(21)这两者安置成空间位置相互分立而不重叠，采用不同材料所分别构成并各自对应于不同功能的要求，并由具有高绝缘强度的内绝缘器件(22)对介电屏蔽器件(21)作机械支撑，在两类构件内部共同空腔形成介电屏蔽区域(23)。
[0048]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的微型光学电场传感器组(1)置放于内绝缘器件(22)与介电屏蔽器件(21)在两个构件内部共同空腔区域形成的存在介电屏蔽的待测电场区域(23)中。
[0049]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的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bi4ge3o
12
(13)电光效应的微型光学电场传感器(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；光学微型电场传感单元(1)的组成元器件可以是分立光学器件，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。
[0050]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的介电屏蔽器件(21)包含：利用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；如聚偏氟乙烯，聚乙烯及其衍生物，或者环氧树脂，或者其它聚合物，用于同纳米介电屏蔽材料掺入以构成聚合物基质。
[0051]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的介电屏蔽器件(21)包含：以纳米-仅含纳米尺度的，或者陶瓷，即batio3，cacu3ti4o
12
，分别记作bt，及ccto，或者金属导体，即al，ag，zn，或者氧化物，即tio2，sio2，al2o3，或者纳米碳管，石墨烯类的碳化物；及对应各类纤维物材料之中的一种或几种材料作为掺入组分构成的纳米介电屏蔽功能材料；并与聚合物基质结合制备出的纳米材料介电屏蔽器件。
[0052]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器的介电屏蔽器件(21)包含：纳米/微米共存尺度，或者微米尺度的材料；或者陶瓷，即batio3，cacu3ti4o
12
，分别记作bt，及ccto，或者金属导体，即al，ag，zn，或者氧化物，即tio2，sio2，al2o3，或者纳米碳管，石墨烯类的碳化物；及对应各类纤维物材料之中的一种或几种材料作为分别掺入构成的介电屏蔽材料；介电屏蔽器件(21)利用上述各种材料可以包含两类不同粒径颗粒共同掺入基质。
[0053]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器利用具有高绝缘电阻、高电气绝缘强度性能的材料，或者聚偏氟乙烯，或者其它聚乙烯衍生物，或者环氧树脂，或者其它高绝缘电阻、高电气绝缘强度的聚合物为材料制作所述内绝缘器件(22)，使得内绝缘器件(22)与介电屏蔽器件(21)依据各自不同功能要求而分别利用不同的材料和构形制作，并且以组合安置方式应用。
[0054]
纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器利用纳米材料介电屏蔽型复合材料，确定光学电压传感器内所用纳米或纳米/微米或者微米材料介电屏蔽器件(21)的形状及尺寸，使得介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)构成的介电屏蔽区域(23)中对外界干扰强电场具有充分的介电屏蔽效果。
[0055]
通过采取本技术方案中给出的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器方案，本发明技术方案的有益效果是：
[0056]
1、显著降低光学电压传感器在额定电压正常运行时介电屏蔽器件的发热程度，使发热量可以忽略不计；
[0057]
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，防止介电屏蔽构件与绝缘构件过热；
[0058]
3、利用了纳米材料介电屏蔽，有效保证了光学电压传感器在杂散电场存在的条件下仍能够保持足够高的测试精度；
[0059]
4、内绝缘器件与介电屏蔽器件两者由不同的材料构成不同形式的器件，组合安置并对应于不同的功能要求：内绝缘器件采用高绝缘电阻、高电气绝缘强度的材料制作，起到高绝缘地机械支持微型光学传感器以及介电屏蔽器件的作用；而介电屏蔽器件则采用可屏蔽外界强干扰电场的材料构成，并可靠地固定于内绝缘器件上，起到屏蔽外界强电场干扰的作用。
[0060]
这样将内绝缘器件与屏蔽器件在材料上依据各自功能要求不同分别制造，分立安置然后组合应用的结果能够同时满足高绝缘电阻、高电气绝缘强度与屏蔽外界强干扰电场这两类要求，使得光学电压传感器在具有复杂外部电场的实际环境中，能够不受外界强杂散电场干扰而正常，稳定，准确地连续运行。
[0061]
本技术方案的创新要点：
[0062]-纳米材料介电屏蔽器件与内绝缘器件各自采用不同材料分别制造，两种器件各自都具有对应要求的功能；
[0063]-纳米材料介电屏蔽器件与内绝缘器件各自分立安置，并组合应用；
[0064]-用纳米介电屏蔽材料作为主要功能成份来实现介电屏蔽效果；
[0065]
本技术方案的关键之处就在于：纳米材料屏蔽器件与内绝缘器件分别采取用不同材料分别制造，分立安置并组合应用；并利用介电屏蔽材料作为主要功能成份来达到介电屏蔽效果。
[0066]
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器件的存在而被畸变。上述纳米材料介电屏蔽器件的应用可以很好的满足此要求。
[0067]
由于介电屏蔽器件的作用，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。这样就取消了为耐受强电场所必需的复杂而昂贵的绝缘结构。
[0068]
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器件所围而使外界杂散电场干扰被消弱，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。
[0069]
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。参见专利：《分布式光学电压互感器》(专利号2007200005640)。
附图说明
[0070]
图1为本发明方案的中空高压电气绝缘子密闭空间内的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器结构剖面示意图；
[0071]
图2为本发明方案纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合安置剖面示意图
[0072]
本发明方案中微型光学电场传感器构造与方位示意图可以参见：《分布式光学电压互感器》(专利号2007200005640)；
[0073]
附图1，图2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、2介电屏蔽单元、21介电屏蔽器件、22内绝缘器件、23介电屏蔽区域、3高压电气外绝缘器件、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光电信号处理单元。
具体实施方式
[0074]
如图1，图2所示，一种纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，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)外部的光电信号处理单元(4)。
[0075]
光电信号处理单元(4)中的光源发出传感所用的光束，经过处理后经过光纤(12)进入微型光学电场传感器(11)，微型光学电场传感器(11)传感测出的所在处电场值以光信号方式经过光纤(12)传到光电信号处理单元(4)，光电信号处理单元(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。
[0076]
介电屏蔽单元(2)包括纳米材料介电屏蔽器件(简记为：介电屏蔽器件)(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)的内绝缘器件(22)和介电屏蔽器件(21)两者具有不同材料及形式的器件作分立安置于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)；可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(平行方向)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间电场稳定而精确的唯一量度。
[0077]
通过：
[0078]-介电屏蔽单元(2)的纳米材料介电屏蔽特性；
[0079]-以及纳米材料介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)采取空间分立安置的形式，各自采用不同材料制成；
[0080]
这两类创新技术的利用，可以使得光学电压传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
[0081]
低介电屏蔽器件(21)的发热程度，彻底杜绝过热的风险；又克服各种电气
[0082]
因素与环境因素造成的杂散电场干扰，发挥光学电压传感器的优越特性，始
[0083]
终保持在安全运行状态下的高测量精度。
[0084]
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；参见：《分布式光学电压互感器》(专利号2007200005640)。
[0085]
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)、内绝缘器件(22)、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(33)内填充干燥氮气、干燥空气或绝缘实芯材料。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；内绝缘器件(22)由高绝缘材料构成，两法兰盘(35)间隔距离为l，微型光学电场传感单元(1)于内绝缘器件(22)内部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。
[0086]
纳米材料介电屏蔽器件介电屏蔽器件(21)的形状和性能应具备下列特性：
[0087]-介电屏蔽器件(21)与具有高绝缘电阻的内绝缘器件(22)二者组合安置应用；
[0088]-介电屏蔽器件(21)在实际运行场所能够有效地屏蔽外界各类杂散电场，确保电场测量精度；
[0089]-介电屏蔽器件(21)在实际应用要求的运行以及检测电压等级上可以安全，可靠，长期的承担光学电压传感器的运行以及检测；
[0090]-高压低压电极之间的内绝缘器件(22)上通过电流的发热量，以及因此导致的介电屏蔽器件(21)温度升高都严格地被控制在许可的范围内；
[0091]-光学电压传感器的运行以及检测期间，在各种测试以及运行条件下，介电屏蔽器件(21)都不允许出现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；
[0092]-在规定的温度区间内长期承受高温和低温条件运行，介电屏蔽器件(21)的电气性能和机械，热性能指标都保持在规定范围内；
[0093]-允许牢靠，稳定，准确地在介电屏蔽器件(21)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(11)，以及它们各自分别连带的输入输出光纤(12)；
[0094]
纳米材料介电屏蔽器件(21)为聚合物基质的纳米/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器件(21)的发热。
[0095]
介电屏蔽单元(2)利用具有高电气绝缘强度、大的工频介电常数、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。
[0096]
所掺入的介电屏蔽材料是：用纳米(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、cacu3ti4o
12
(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，以构成纳米、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。
[0097]
纳米材料介电屏蔽器件(21)与绝缘器件组合型光学电压传感器应利用纳米材料介电屏蔽型复合材料达到介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)构成的介电屏蔽区域(23)中对外界干扰强电场非垂直分量具有充分的介电屏蔽，并以此作为依据确定光学电压传感器内所用纳米或纳米/微米或者微米材料介电屏蔽器件(21)的材料成份，形状，尺寸以及方位。
[0098]
微型光学电场传感器(11)在介电屏蔽器件(21)内部的安置；若干个微型光学电场传感器(11)分别放在中空高压电气绝缘子(33)里的内绝缘器件(22)与介电屏蔽器件(21)内部共同区域(23)的共同中轴线上(参见图2)。
[0099]
内绝缘器件(22)的材料及结构应满足：良好的电气绝缘强度；极高的工频电阻数值；低的介电损耗值；高的机械强度；温度湿度变化时机械和电气稳定性高；保证整机组装的方便；结构的牢固；以及光纤组的妥当安置；
[0100]
介电屏蔽器件(21)的安放条件应满足：介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)分别组合置放于中空的高压电气绝缘子(33)内部，置于两个导体电极(31，32)之间；也可以不用内绝缘器件(22)，仅用介电屏蔽器件(21)置放于中空的高压电气绝缘子(33)内部，置于两个导体电极(31，32)之间；介电屏蔽器件(21)中轴线与中空管型高压电气绝缘子(33)的中
轴线重合安置；介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)构成组合器件的共同内部空腔区域(23)就是对外界强杂散电场等干扰具有介电屏蔽效果的区域。
[0101]
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。

技术特征：
1.一种纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器；包括：微型光学电场传感单元(1)，介电屏蔽单元(2)，高压电气绝缘单元(3)，与光电信号处理单元(4)；所述纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器运行在高电压(35kv伏-1000kv)与强电场(≥10000v/m)干扰环境中；所述微型光学电场传感单元(1)包括：基于纵向方位电光晶体bi4ge3o
12
电光效应的微型光学电场传感器(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，或者是微光学器件，或者是全光纤器件；所述高压电气绝缘单元(3)包括：作为外绝缘构件的中空高压电气绝缘子(33)，内绝缘器件(22)，以及高压电极(31)，接地电极(32)，上下法兰盘(35)，均压环；所述光电信号处理单元(4)包括：为所述微型光学电场传感单元(1)提供并传输光纤光束的光源及光纤(12)，对所述光纤(12)输送进来的电场信号进行处理的光电信号处理模块；所述介电屏蔽单元(2)包括：介电屏蔽器件(21)；所述介电屏蔽器件(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器件(21)的功能成分；其特征在于：所述介电屏蔽单元(2)的所述介电屏蔽器件(21)，与所述高压电气绝缘单元(3)的所述内绝缘器件(22)这两类器件依据各自不同功能要求而各自利用不同的材料和构形分别制成并且以组合安置方式应用，以分别满足各自不同的功能要求；所述微型光学电场传感单元(1)安置于所述高压电气绝缘单元(3)与所述介电屏蔽单元(2)组合形成的存在介电屏蔽的待测电场区域中，所述光纤(12)传输的光束通过微型光学电场传感器(11)传感检测该处电场，再将所测光信号输出至所述光电信号处理单元(4)并计算出待测电压的精确值。2.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，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)，连接高低压上下端电极并机械支撑介电屏蔽单元(2)的内绝缘器件(22)；中空高压电气绝缘子(33)和法兰盘(35)以及均压环；所述上端电极(31)和下端电极(32)分别固定安置在所述上下两块法兰盘(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；所述密闭空间内存在待测电场，所述密闭空间内填充干燥氮气，或者干燥空气，或者填充绝缘性能优异的固体实芯材料；所述介电屏蔽器件(21)与所述的内绝缘器件(22)处于这个密闭空间中。3.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：所述的内绝缘器件(22)与所述的介电屏蔽器件(21)这两者采用不同材料分别制造且对应于各自不同功能的要求，并由具有高绝缘强度和高机械强度的内绝缘器件(22)对介电屏蔽器件(21)作机械支撑，这两个器件的空间位置安置成相互分立的构造，用于在两类构件内部共同空腔中形成存在对外界干扰电场的介电屏蔽区域(23)；或者不用内绝缘器件，仅仅将介电屏蔽器件(22)置放于中空的高压电气绝缘子(33)内部，置于上端导体电
极(31)和下端导体电极(32)之间。4.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：所述微型光学电场传感器组(1)置放于两个导体电极之间的所述内绝缘器件(22)与所述介电屏蔽器件(21)两个构件内部共同空腔中形成的介电屏蔽区域(23)中；介电屏蔽器件的安放条件应满足：介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)分别组合置放于中空的高压电气绝缘子(33)内部，置于两个导体电极之间；也可以不用内绝缘器件(22)，仅将介电屏蔽器件直接安置于中空的高压电气绝缘子内部，置于两个导体电极(31，32)之间；介电屏蔽器件中轴线与中空高压电气绝缘子的中轴线重合安置；介电屏蔽器件(21)与内绝缘器件(22)所构成组合器件的共同内部空腔区域(23)就是对外界杂散电场干扰具有介电屏蔽效果的区域。5.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，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：基于纵向方位电光效应的电光晶体bi4ge3o
12
(13)(或其它具有电光效应的晶体)的微型光学电场传感器(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1或权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：所述介电屏蔽器件(21)包含：利用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；或者聚偏氟乙烯，聚乙烯及其衍生物，或者环氧树脂，或者其它聚合物，用于同纳米介电屏蔽材料掺入以构成聚合物基质。7.根据权利要求1或权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：所述介电屏蔽器件(21)包含：以所述纳米-仅含纳米尺度的，或者陶瓷，即batio3，cacu3ti4o
12
，分别记作bt，及ccto，或者金属导体，即al，ag，zn，或者氧化物，即tio2，sio2，al2o3，或者纳米碳管，石墨烯类的碳化物；及对应各类纤维物材料之中的一种或几种材料作为掺入组分构成的纳米介电屏蔽功能材料；并与所述聚合物基质结合制备的纳米材料介电屏蔽器件。8.根据权利要求3所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：所述介电屏蔽器件(21)包含：所述纳米/微米共存尺度，或者微米尺度的材料；或者陶瓷，即batio3，cacu3ti4o
12
，分别记作bt，及ccto，或者金属导体，即al，ag，zn，或者氧化物，即tio2，sio2，al2o3，或者纳米碳管，石墨烯类的碳化物；及对应各类纤维物材料之中的一种或几种材料作为分别掺入构成的介电屏蔽材料；所述介电屏蔽器件(21)利用上述各种材料可以包含两类不同粒径的颗粒共同掺入基质。9.根据权利要求2所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：利用具有高绝缘电阻、高电气绝缘强度性能以及高机械强度的材料，如聚偏氟乙烯，或者其它聚乙烯衍生物，或者环氧树脂，或者其它聚合物为材料制作所述内绝缘器件(22)，使得所述内绝缘器件(22)与所述介电屏蔽器件(21)依据各自不同功能要求而分别利用不同的材料和构形制作，并且以组合安置方式应用。10.根据权利要求1所述的纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器，其特征在于：利用所述的纳米材料介电屏蔽型复合材料达到介电屏蔽器件(21)与内绝缘器
件(22)构成的介电屏蔽区域(23)中对外界干扰强电场非垂直分量具有充分的介电屏蔽，并以此作为依据确定光学电压传感器内所用纳米或纳米/微米或者微米材料介电屏蔽器件(21)的材料成份，形状，尺寸以及方位。

技术总结
本发明：纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器件组合型光学电压传感器适用于在高电压(35kV-1000kV)与存在强电场干扰(≥10000V/m)环境中长期安全地实现以光学传感技术测量高压交流输电线路的高电压；利用交直流微型电场传感器后还可以测量交直流高电压。本发明技术要点；纳米材料介电屏蔽器件包含以纳米材料介电屏蔽材料作为其介电屏蔽功能成分；将介电屏蔽器件与具有高绝缘电阻、高电气绝缘强度的内绝缘器件利用不同材料分别制造，分立安置，然后组合应用，使得在额定电压下运行或是在高于额定电压检测时，都可以准确测出所在处的电场并算出待测电压值。属于光电传感与电力技术领域。出待测电压值。属于光电传感与电力技术领域。出待测电压值。属于光电传感与电力技术领域。


技术研发人员：湾世伟 湾晓文
受保护的技术使用者：湾晓文
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2023/8/14