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制造技术

本发明专利技术：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

【技术实现步骤摘要】
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

[0001]本专利技术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。
[0002]属于光电与电力能源


技术介绍

[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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]ε0‑
真空介电常数；
[0027]ε2‑
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，本专利技术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。

技术实现思路

[0037]本专利技术提供一种纳米材料介电屏蔽器件与绝缘器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：湾世伟，湾晓文，
申请(专利权)人：湾晓文，
类型：发明
国别省市：