同世界上大部分国家一样，我国的铁路发展趋势是电气化和大功率化。电力机车的保有量与占有比例逐年提高，随之而来的是电力机车运行中暴露出的各种问题。高压电压互感器是电力机车上重要的高压电气设备，实现牵引网电压的监测、电能计量和保护控制等功能。当前电力机车基本使用传统的电磁式电压互感器，但受传感机理的限制，传统电压互感器具有动态范围小、容易产生铁磁谐振和输出不能短路等缺点，且在机车车顶长期处在多变环境下使用时，由于油浸式结构和谐振过电压的原因，可能烧损、开裂甚至爆炸。这已成为电力机车安全运行的一个隐患，亟需新的检测方法来替代传统方式。基于现状，本文对故障概率最高的电力机车过电分相电压互感器绝缘损坏的过程进行了分析研究，有针对性的提出了一种新检测方法。有别于传统的电磁感应原理，该方法使用不含铁芯的电容分压，可有效抑制过电分相时的过电压，大大提高绝缘可靠性。电容分压器采用同轴结构，本文研究了材料结构对绝缘强度和准确度的影响，给出了设计原则。在高压电路供能方面，本文提出了一种全新的气动供能方式，并进行了相关的实验研究，该方式具有安全可靠、电气隔离等突出优点。本文研究的电力机车用电压互感器用光纤传递信号，结合气动供能，实现了高低压侧完全的电隔离，保证了车载设备和工作人员的安全。试验结果显示，设计性能优良，可满足电力机车需求，相较于传统互感器，在体积、绝缘、安全、准确度方面均有明显优势。