西安交通大学姚睿丰、王妍 等：压电材料与器件在电气工程领域的应用
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中国西部科技创新港高端电缆制造与应用协同创新中心
高端电缆制造与应用协同创新中心隶属于西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室及电气工程学院电气绝缘研究中心。在中心主任钟力生教授的带领下，形成了稳定的研发团队，并积极推进与电力行业相关企业深度合作实现协同发展。中心主要研究领域包括电缆绝缘设计基础、电缆料与电缆系统制备关键技术、电缆试验与应用技术等。
姚睿丰，博士研究生，研究方向为功能电介质器件及其在电缆等电力设备中的传感机理研究。
高景晖，教授，博士生导师，担任中国电工技术学会青年工作委员会委员、中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术委员会委员、中国复合材料学会高分子复合材料与应用专业委员会委员。主要从事功能电介质基础理论及高电压绝缘技术方面的研究。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、省部级基金、横向课题等多项科研课题，发表多篇高水平研究论文。
本文总结了功能电介质压电材料的发展概况，介绍了压电传感技术在电力设备状态感知中的应用，分析了压电传感器在电力设备中实现振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等方面的典型案例。
在此基础上，指出当前压电传感器仍存在精确度较低、稳定性差、环境适应性弱和误判率高等显著问题，难以满足能源互联网对电力设备传感的要求，亟需从高性能材料快速开发、传感器拓扑设计、智能化补偿等方面发展新一代智能化压电传感器件。
研究背景
随着能源革命的不断深入和能源互联网的持续建设，对电网自动化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先进的电力设备传感量测方法为电网多场景应用提供信息支撑，以保证智能电网在复杂工况下的安全可靠运行。
传感器作为电力物联网中设备状态感知的关键元件，决定了电力系统安全运行的总体技术水平。其中，压电材料及其传感器件广泛应用于电力设备振动、声、电压传感领域，为能源互联网智能感知、泛在互联提供保障。
论文方法及创新点
首先，从无机压电材料和有机压电材料两类压电传感器件常用材料出发，介绍压电材料的发展及其在电气工程中的应用。指出传统压电材料开发基于试错方法，可以解决组分较少的单一成分（第一阶段，如BT、PT）及准同型相界（第二阶段，如PZT、PMN-PT、BCT-BZT）压电材料体系的开发。
而随着压电材料应用需求和应用场景的增加，对高性能压电材料的需求日益迫切，现有基于试错方法开发的材料体系已经发展至瓶颈期，逐渐难以满足精密传感要求。
开展新型压电材料智能化多元寻优，是进一步提升压电材料性能、开发高性能压电器件的关键，无机压电材料即将迎来第三阶段发展，如下图所示。
图1 无机压电陶瓷性能发展示意图
随后，概述了压电振动传感器、压电声传感器、压电电压传感器的实现原理，重点对压电传感器件在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等电气工程领域的实际应用进行了介绍，如下图所示。
图2 压电传感器件在电气工程领域中的应用
最后，指出压电传感技术还面临精确度、稳定性、环境适应性、环境友好等方面的挑战，亟需从新型压电材料开发、新型压电传感器拓扑设计、智能化补偿等方面出发，突破高性能智能传感器关键技术，实现能源互联网电力设备状态感知应用。
总结与展望
压电材料及其传感器件广泛应用于电力设备振动、声、电压传感领域，为能源互联网智能感知、泛在互联提供保障。而特定应用场景需要压电材料实现压电系数、居里温度、机电耦合系数等压电性能协同提升，新材料开发面临制备周期长、试错成本高等难题。基于机器学习人工智能方法，结合高通量批量化制备和表征手段，实现高性能环境友好型压电材料组分快速寻优，是未来压电材料发展的趋势。
此外，现有压电器件制造与电力设备应用需求仍存在脱节，如何针对电力设备复杂运行环境，开发新颖有效的传感器拓扑，提出压电传感器件智能化制造和补偿方法，是未来相关技术研发过程中需着重考虑的关键问题。
引用本文
姚睿丰, 王妍, 高景晖, 陈川, 郭经红. 压电材料与器件在电气工程领域的应用[J]. 电工技术学报, 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.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201350