中國西部科技創(chuàng)新港高端電纜制造與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心

高端電纜制造與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心隸屬于西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及電氣工程學(xué)院電氣絕緣研究中心。在中心主任鐘力生教授的帶領(lǐng)下，形成了穩(wěn)定的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并積極推進(jìn)與電力行業(yè)相關(guān)企業(yè)深度合作實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。中心主要研究領(lǐng)域包括電纜絕緣設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、電纜料與電纜系統(tǒng)制備關(guān)鍵技術(shù)、電纜試驗(yàn)與應(yīng)用技術(shù)等。

作者介紹

姚睿豐，博士研究生，研究方向?yàn)楣δ茈娊橘|(zhì)器件及其在電纜等電力設(shè)備中的傳感機(jī)理研究。

高景暉，教授，博士生導(dǎo)師，擔(dān)任中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員、中國儀表功能材料學(xué)會(huì)電子元器件關(guān)鍵材料與技術(shù)委員會(huì)委員、中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)高分子復(fù)合材料與應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)委員。主要從事功能電介質(zhì)基礎(chǔ)理論及高電壓絕緣技術(shù)方面的研究。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、省部級(jí)基金、橫向課題等多項(xiàng)科研課題，發(fā)表多篇高水平研究論文。

本文總結(jié)了功能電介質(zhì)壓電材料的發(fā)展概況，介紹了壓電傳感技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)感知中的應(yīng)用，分析了壓電傳感器在電力設(shè)備中實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、放電檢測(cè)、探傷、溫度測(cè)量、電壓傳感等方面的典型案例。

在此基礎(chǔ)上，指出當(dāng)前壓電傳感器仍存在精確度較低、穩(wěn)定性差、環(huán)境適應(yīng)性弱和誤判率高等顯著問題，難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)電力設(shè)備傳感的要求，亟需從高性能材料快速開發(fā)、傳感器拓?fù)湓O(shè)計(jì)、智能化補(bǔ)償?shù)确矫姘l(fā)展新一代智能化壓電傳感器件。

研究背景

隨著能源革命的不斷深入和能源互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)，對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先進(jìn)的電力設(shè)備傳感量測(cè)方法為電網(wǎng)多場(chǎng)景應(yīng)用提供信息支撐，以保證智能電網(wǎng)在復(fù)雜工況下的安全可靠運(yùn)行。

傳感器作為電力物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備狀態(tài)感知的關(guān)鍵元件，決定了電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的總體技術(shù)水平。其中，壓電材料及其傳感器件廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備振動(dòng)、聲、電壓傳感領(lǐng)域，為能源互聯(lián)網(wǎng)智能感知、泛在互聯(lián)提供保障。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

首先，從無機(jī)壓電材料和有機(jī)壓電材料兩類壓電傳感器件常用材料出發(fā)，介紹壓電材料的發(fā)展及其在電氣工程中的應(yīng)用。指出傳統(tǒng)壓電材料開發(fā)基于試錯(cuò)方法，可以解決組分較少的單一成分（第一階段，如BT、PT）及準(zhǔn)同型相界（第二階段，如PZT、PMN-PT、BCT-BZT）壓電材料體系的開發(fā)。

而隨著壓電材料應(yīng)用需求和應(yīng)用場(chǎng)景的增加，對(duì)高性能壓電材料的需求日益迫切，現(xiàn)有基于試錯(cuò)方法開發(fā)的材料體系已經(jīng)發(fā)展至瓶頸期，逐漸難以滿足精密傳感要求。

開展新型壓電材料智能化多元尋優(yōu)，是進(jìn)一步提升壓電材料性能、開發(fā)高性能壓電器件的關(guān)鍵，無機(jī)壓電材料即將迎來第三階段發(fā)展，如下圖所示。

圖1 無機(jī)壓電陶瓷性能發(fā)展示意圖

隨后，概述了壓電振動(dòng)傳感器、壓電聲傳感器、壓電電壓傳感器的實(shí)現(xiàn)原理，重點(diǎn)對(duì)壓電傳感器件在電力設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)、放電檢測(cè)、探傷、溫度測(cè)量、電壓傳感等電氣工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了介紹，如下圖所示。

圖2 壓電傳感器件在電氣領(lǐng)域中的應(yīng)用

最后，指出壓電傳感技術(shù)還面臨精確度、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境友好等方面的挑戰(zhàn)，亟需從新型壓電材料開發(fā)、新型壓電傳感器拓?fù)湓O(shè)計(jì)、智能化補(bǔ)償?shù)确矫娉霭l(fā)，突破高性能智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)備狀態(tài)感知應(yīng)用。

總結(jié)與展望

壓電材料及其傳感器件廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備振動(dòng)、聲、電壓傳感領(lǐng)域，為能源互聯(lián)網(wǎng)智能感知、泛在互聯(lián)提供保障。而特定應(yīng)用場(chǎng)景需要壓電材料實(shí)現(xiàn)壓電系數(shù)、居里溫度、機(jī)電耦合系數(shù)等壓電性能協(xié)同提升，新材料開發(fā)面臨制備周期長(zhǎng)、試錯(cuò)成本高等難題。基于機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能方法，結(jié)合高通量批量化制備和表征手段，實(shí)現(xiàn)高性能環(huán)境友好型壓電材料組分快速尋優(yōu)，是未來壓電材料發(fā)展的趨勢(shì)。

此外，現(xiàn)有壓電器件制造與電力設(shè)備應(yīng)用需求仍存在脫節(jié)，如何針對(duì)電力設(shè)備復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，開發(fā)新穎有效的傳感器拓?fù)洌岢鰤弘妭鞲衅骷悄芑圃旌脱a(bǔ)償方法，是未來相關(guān)技術(shù)研發(fā)過程中需著重考慮的關(guān)鍵問題。

引用本文

姚睿豐， 王妍， 高景暉， 陳川， 郭經(jīng)紅. 壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(7): 1324-1337. Yao Ruifeng, Wang Yan, Gao Jinghui, Chen Chuan, Guo Jinghong. Applications of Piezoelectric Materials and Devices in Electric Engineering. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1324-1337.