中國西部科技創新港高端電纜制造與應用協同創新中心

高端電纜制造與應用協同創新中心隸屬于西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室及電氣工程學院電氣絕緣研究中心。在中心主任鐘力生教授的帶領下，形成了穩定的研發團隊，并積極推進與電力行業相關企業深度合作實現協同發展。中心主要研究領域包括電纜絕緣設計基礎、電纜料與電纜系統制備關鍵技術、電纜試驗與應用技術等。

作者介紹

姚睿豐，博士研究生，研究方向為功能電介質器件及其在電纜等電力設備中的傳感機理研究。

高景暉，教授，博士生導師，擔任中國電工技術學會青年工作委員會委員、中國儀表功能材料學會電子元器件關鍵材料與技術委員會委員、中國復合材料學會高分子復合材料與應用專業委員會委員。主要從事功能電介質基礎理論及高電壓絕緣技術方面的研究。承擔國家自然科學基金、國家重點研發計劃、省部級基金、橫向課題等多項科研課題，發表多篇高水平研究論文。

本文總結了功能電介質壓電材料的發展概況，介紹了壓電傳感技術在電力設備狀態感知中的應用，分析了壓電傳感器在電力設備中實現振動監測、放電檢測、探傷、溫度測量、電壓傳感等方面的典型案例。

在此基礎上，指出當前壓電傳感器仍存在精確度較低、穩定性差、環境適應性弱和誤判率高等顯著問題，難以滿足能源互聯網對電力設備傳感的要求，亟需從高性能材料快速開發、傳感器拓撲設計、智能化補償等方面發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網的持續建設，對電網自動化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先進的電力設備傳感量測方法為電網多場景應用提供信息支撐，以保證智能電網在復雜工況下的安全可靠運行。

傳感器作為電力物聯網中設備狀態感知的關鍵元件，決定了電力系統安全運行的總體技術水平。其中，壓電材料及其傳感器件廣泛應用于電力設備振動、聲、電壓傳感領域，為能源互聯網智能感知、泛在互聯提供保障。

論文方法及創新點

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

而隨著壓電材料應用需求和應用場景的增加，對高性能壓電材料的需求日益迫切，現有基于試錯方法開發的材料體系已經發展至瓶頸期，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，是進一步提升壓電材料性能、開發高性能壓電器件的關鍵，無機壓電材料即將迎來第三階段發展，如下圖所示。

圖1 無機壓電陶瓷性能發展示意圖

隨后，概述了壓電振動傳感器、壓電聲傳感器、壓電電壓傳感器的實現原理，重點對壓電傳感器件在電力設備振動監測、放電檢測、探傷、溫度測量、電壓傳感等電氣工程領域的實際應用進行了介紹，如下圖所示。

圖2 壓電傳感器件在電氣領域中的應用

最后，指出壓電傳感技術還面臨精確度、穩定性、環境適應性、環境友好等方面的挑戰，亟需從新型壓電材料開發、新型壓電傳感器拓撲設計、智能化補償等方面出發，突破高性能智能傳感器關鍵技術，實現能源互聯網電力設備狀態感知應用。

總結與展望

壓電材料及其傳感器件廣泛應用于電力設備振動、聲、電壓傳感領域，為能源互聯網智能感知、泛在互聯提供保障。而特定應用場景需要壓電材料實現壓電系數、居里溫度、機電耦合系數等壓電性能協同提升，新材料開發面臨制備周期長、試錯成本高等難題。基于機器學習人工智能方法，結合高通量批量化制備和表征手段，實現高性能環境友好型壓電材料組分快速尋優，是未來壓電材料發展的趨勢。

此外，現有壓電器件制造與電力設備應用需求仍存在脫節，如何針對電力設備復雜運行環境，開發新穎有效的傳感器拓撲，提出壓電傳感器件智能化制造和補償方法，是未來相關技術研發過程中需著重考慮的關鍵問題。

引用本文

姚睿豐， 王妍， 高景暉， 陳川， 郭經紅. 壓電材料與器件在電氣工程領域的應用[J]. 電工技術學報， 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.