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)建設成為我國新基建的迫切需求。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、荷電力設備的運行狀態(tài)信號基礎上的智能互聯(lián)，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活等特征，是應對外部數(shù)字經(jīng)濟、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟等社會經(jīng)濟形態(tài)變革和電網(wǎng)復雜程度增大等內(nèi)部電網(wǎng)形態(tài)變革的核心舉措。
隨著電網(wǎng)形態(tài)逐漸由建設周期轉向維護周期，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)除了構建靈活、穩(wěn)定、安全的能源網(wǎng)絡，更加重要的在于電網(wǎng)狀態(tài)量的實時測量與反饋調整，進而結合后續(xù)分析算法實現(xiàn)信息的智能感知和故障的智能自愈。通過先進的傳感和量測技術對電力設備狀態(tài)進行感知，是構建泛在能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)資源的基礎。
而傳感器作為電力物聯(lián)網(wǎng)中設備狀態(tài)感知的關鍵元件，決定了電力系統(tǒng)安全運行的總體技術水平。隨著電網(wǎng)自動化、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發(fā)及其與器件的配合。
作為與設備高度融合的傳感器件，壓電傳感器實現(xiàn)了機械-電信號轉換，具備無源、小型化、抗干擾能力強等優(yōu)勢，是感知電力設備振動、放電等狀態(tài)的關鍵器件，在壓電振動傳感器、超聲傳感器、聲表面波傳感器等方面得到了廣泛應用。此外，還有基于物理量耦合與轉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、電流等物理信號轉換為振動信號或聲信號，通過對轉換后的物理量進行測量反推出原信號值。
然而，受制于材料性能、器件封裝、拓撲結構等，壓電傳感器實際運行時仍存在精確度較低、穩(wěn)定性差、誤判率高等顯著問題，逐漸難以適應復雜的電網(wǎng)運行環(huán)境，亟需在新材料快速開發(fā)、新型傳感器拓撲設計、傳感器穩(wěn)定性和壽命提升、智能化補償?shù)确矫嫒〉猛黄啤?/span>
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對電力設備傳感準確性、可靠性和穩(wěn)定性等提出了越來越高的要求，壓電傳感技術面臨著以下幾方面的挑戰(zhàn)：
（1）精確度。當前傳感器件在頻帶寬度、靈敏度、結構體積等因素之間存在矛盾，分辨率和靈敏度仍存在不足，在復雜工況下誤判率較高。
（2）穩(wěn)定性。壓電傳感關鍵參數(shù)依賴壓電材料極化狀態(tài)，而壓電材料在長期機電耦合作用下會發(fā)生老化、疲勞等導致性能降低，嚴重影響壓電傳感器件的長期運行可靠性。
（3）環(huán)境適應性。壓電傳感設備多運行在戶外環(huán)境，關鍵壓電材料受溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大，帶來較大的量測誤差，加之結構熱適配、電路匹配等因素綜合影響，傳感器不可避免地存在溫度、頻率漂移等問題。
（4）環(huán)境友好。能源互聯(lián)網(wǎng)建設中大量應用傳感器件，對傳感材料的環(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，鉛元素的過度使用已對環(huán)境造成了潛在威脅。盡管無鉛材料壓電系數(shù)已經(jīng)可以同含鉛材料媲美，但仍存在穩(wěn)定性差、退極化等問題，難以實現(xiàn)實際應用。
要解決上述問題，亟需從以下幾方面取得突破：
（1）新型壓電材料開發(fā)。針對電網(wǎng)多應用場景，需要壓電材料實現(xiàn)壓電系數(shù)、居里溫度和機電耦合系數(shù)等壓電性能的協(xié)同提升。結合人工智能方法發(fā)展環(huán)境友好先進壓電材料，增強其穩(wěn)定性和環(huán)境適應性，是壓電領域的發(fā)展趨勢。
（2）新型壓電傳感器拓撲設計。針對電力設備傳感應用的傳感器件、材料一體化設計，實現(xiàn)傳感材料和器件的高度配合、傳感器與設備的高度融合已成為未來智能壓電器件的發(fā)展趨勢。亟需開發(fā)新型傳感器拓撲結構，提升傳感器綜合性能。
（3）智能化補償。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，還需針對傳感器的動態(tài)特性進行特定補償（如進行動態(tài)補償網(wǎng)絡修正），以消除誤差和環(huán)境因素影響。此外，在密集電力設備強電磁環(huán)境下實現(xiàn)電磁兼容也是確保壓電傳感器件安全穩(wěn)定運行的重要因素。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為壓電材料與器件在電氣工程領域的應用，作者為姚睿豐、王妍 等。
