西安交大开发高灵敏度压电薄膜传感器，用于发电机局部放电监测
2025-10-19 17:22:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西安交通大学开发并验证了一种嵌入式高灵敏度PZT压电薄膜超声波传感器，用于精确监测发电机定子绕组的局部放电信号。
发电机定子绕组局部放电（PD）导致的绝缘故障是发电机故障的主要原因。用于检测局部放电超声信号的传统声发射传感器通常由体积较大的压电材料制成，并且仅限于放置在发电机外部。由于这些传感器与局部放电源距离较远，其灵敏度受到了限制。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学高景晖教授和钟力生教授研究团队开发了一种嵌入式压电薄膜超声波传感器，用于发电机定子绕组局部放电引起的超声信号的高灵敏度实时监测。该传感器采用PZT压电薄膜，并通过增大电极面积来提升灵敏度。相关研究成果以“Developing Implantable High-Sensitivity Piezoelectric Thin-Film Sensor to Monitor Partial Discharge of Generator Stator Windings”为题发表于High Voltage期刊。
在这项研究工作中，所开发的传感器采用PZT压电薄膜——其通过溶胶-凝胶法沉积在Pt/Si基底上。该压电薄膜厚度为1.5 μm，并通过磁控溅射工艺制备了直径3 mm的Pt顶电极阵列。在假设超声波信号为均匀压力波的前提下，增大传感器受波面积可提升超声激励下产生的电荷量，从而在使用电荷放大器进行信号放大时提高灵敏度。
高灵敏度嵌入式PZT压电薄膜传感器的制造
为对比灵敏度并优化局部放电监测效果，本研究制备了两种嵌入式PZT压电薄膜传感器：一种具有单点顶部电极（单点传感器），另一种具有两点顶部电极（两点传感器）。最终封装的传感器（以两点传感器为例）是一个2 cm × 2 cm的紧凑正方形，厚度仅1 mm。这种超紧凑的压电薄膜超声波传感器可直接嵌入发电机定子绕组表面，能够在声源附近检测局部放电产生的超声信号。这种能力提高了发电机绝缘状态评估的准确性，为提高电力系统的可靠性与安全性提供了有价值的工具。
在使用聚乙烯板上铅笔芯断裂作为超声源的测试中，两点传感器检测到的峰峰值是单点传感器的近两倍，表明增加电极面积可以有效提高传感器的灵敏度。两点传感器的灵敏度明显高于宽带传感器和柔性聚偏氟乙烯（PVDF）传感器。与宽带传感器和PVDF传感器的30 kHz相比，该嵌入式PZT压电薄膜传感器对铅笔芯断裂信号的频率检测上限为80 kHz。
嵌入式PZT压电薄膜传感器的铅笔芯断裂测试
通过检测铅笔芯断裂事件信号，从（a）时域、（b）频域和（c）峰峰值三个维度对四种传感器进行对比；（d）在10-1000 kHz的频率范围内，单点传感器、两点传感器与宽带传感器的灵敏度对比。
为了证明嵌入式PZT压电薄膜传感器在检测发电机定子绕组局部放电超声信号方面的优越性，研究人员建立了全尺寸实验平台。全尺寸发电机实验验证了该传感器对局部放电信号的高保真检测，突显了其在增强电力系统绝缘状态监测方面的潜力。
发电机定子绕组局部放电实验装置
两点传感器与宽带传感器检测到的绕组局部放电信号，分别在（a）时域和（b）频域下的对比；（c）两点传感器与宽带传感器在半个工频周期内检测到的典型局部放电声信号。
总而言之，研究人员开发并验证了一种嵌入式高灵敏度PZT压电薄膜超声波传感器，用于精确监测发电机定子绕组的局部放电信号。在聚乙烯板上进行的笔芯断裂事件表明，与传统的基于陶瓷和PVDF的超声波传感器相比，这种基于PZT压电薄膜且具有扩展电极面积的传感器，实现了更高的灵敏度和更宽的频率响应。全尺寸实验证实了其能够高保真地检测局部放电诱发的超声波信号，并且不受电磁干扰。这些结果强调了该传感器在提升发电系统绝缘状态评估与故障诊断水平方面的潜力，有助于提高系统运行的可靠性和安全性。
论文链接：https://doi.org/10.1049/hve2.70108
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