全球第四次工業(yè)革命正極大地改變電力能源生產(chǎn)和傳輸方式，引發(fā)了電力能源行業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)深度融合，使得能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成為我國(guó)新基建的迫切需求。能源互聯(lián)網(wǎng)是建立在傳感器全面感知電網(wǎng)中源、網(wǎng)、儲(chǔ)、荷電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)基礎(chǔ)上的智能互聯(lián)，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活等特征，是應(yīng)對(duì)外部數(shù)字經(jīng)濟(jì)、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)變革和電網(wǎng)復(fù)雜程度增大等內(nèi)部電網(wǎng)形態(tài)變革的核心舉措。
隨著電網(wǎng)形態(tài)逐漸由建設(shè)周期轉(zhuǎn)向維護(hù)周期，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)除了構(gòu)建靈活、穩(wěn)定、安全的能源網(wǎng)絡(luò)，更加重要的在于電網(wǎng)狀態(tài)量的實(shí)時(shí)測(cè)量與反饋調(diào)整，進(jìn)而結(jié)合后續(xù)分析算法實(shí)現(xiàn)信息的智能感知和故障的智能自愈。通過(guò)先進(jìn)的傳感和量測(cè)技術(shù)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行感知，是構(gòu)建泛在能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)。
而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。隨著電網(wǎng)自動(dòng)化、智能化程度不斷提高，電力傳感器數(shù)字化、小型化、便捷化的需求日益迫切，其核心在于高性能材料的開(kāi)發(fā)及其與器件的配合。
作為與設(shè)備高度融合的傳感器件，壓電傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，具備無(wú)源、小型化、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是感知電力設(shè)備振動(dòng)、放電等狀態(tài)的關(guān)鍵器件，在壓電振動(dòng)傳感器、超聲傳感器、聲表面波傳感器等方面得到了廣泛應(yīng)用。此外，還有基于物理量耦合與轉(zhuǎn)換的諸如壓電溫度傳感器、電壓傳感器等新型壓電傳感器件，將溫度、電壓、電流等物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)或聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換后的物理量進(jìn)行測(cè)量反推出原信號(hào)值。
然而，受制于材料性能、器件封裝、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，壓電傳感器實(shí)際運(yùn)行時(shí)仍存在精確度較低、穩(wěn)定性差、誤判率高等顯著問(wèn)題，逐漸難以適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，亟需在新材料快速開(kāi)發(fā)、新型傳感器拓?fù)湓O(shè)計(jì)、傳感器穩(wěn)定性和壽命提升、智能化補(bǔ)償?shù)确矫嫒〉猛黄啤?/span>
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備傳感準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性等提出了越來(lái)越高的要求，壓電傳感技術(shù)面臨著以下幾方面的挑戰(zhàn)：
（1）精確度。當(dāng)前傳感器件在頻帶寬度、靈敏度、結(jié)構(gòu)體積等因素之間存在矛盾，分辨率和靈敏度仍存在不足，在復(fù)雜工況下誤判率較高。
（2）穩(wěn)定性。壓電傳感關(guān)鍵參數(shù)依賴(lài)壓電材料極化狀態(tài)，而壓電材料在長(zhǎng)期機(jī)電耦合作用下會(huì)發(fā)生老化、疲勞等導(dǎo)致性能降低，嚴(yán)重影響壓電傳感器件的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。
（3）環(huán)境適應(yīng)性。壓電傳感設(shè)備多運(yùn)行在戶(hù)外環(huán)境，關(guān)鍵壓電材料受溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大，帶來(lái)較大的量測(cè)誤差，加之結(jié)構(gòu)熱適配、電路匹配等因素綜合影響，傳感器不可避免地存在溫度、頻率漂移等問(wèn)題。
（4）環(huán)境友好。能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中大量應(yīng)用傳感器件，對(duì)傳感材料的環(huán)境友好性提出了更高要求。PZT等含鉛材料仍是目前壓電器件特別是商用傳感器的主流材料，鉛元素的過(guò)度使用已對(duì)環(huán)境造成了潛在威脅。盡管無(wú)鉛材料壓電系數(shù)已經(jīng)可以同含鉛材料媲美，但仍存在穩(wěn)定性差、退極化等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
要解決上述問(wèn)題，亟需從以下幾方面取得突破：
（1）新型壓電材料開(kāi)發(fā)。針對(duì)電網(wǎng)多應(yīng)用場(chǎng)景，需要壓電材料實(shí)現(xiàn)壓電系數(shù)、居里溫度和機(jī)電耦合系數(shù)等壓電性能的協(xié)同提升。結(jié)合人工智能方法發(fā)展環(huán)境友好先進(jìn)壓電材料，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，是壓電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
（2）新型壓電傳感器拓?fù)湓O(shè)計(jì)。針對(duì)電力設(shè)備傳感應(yīng)用的傳感器件、材料一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳感材料和器件的高度配合、傳感器與設(shè)備的高度融合已成為未來(lái)智能壓電器件的發(fā)展趨勢(shì)。亟需開(kāi)發(fā)新型傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升傳感器綜合性能。
（3）智能化補(bǔ)償。在盡可能提升壓電材料和器件壓電性能和穩(wěn)定性的同時(shí)，還需針對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行特定補(bǔ)償（如進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)修正），以消除誤差和環(huán)境因素影響。此外，在密集電力設(shè)備強(qiáng)電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電磁兼容也是確保壓電傳感器件安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。
本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用，作者為姚睿豐、王妍 等。
