，输出传感電(diàn)信号，或通过对压電(diàn)材料受電(diàn)场作用(yòng)产生的形变进行测量来反映電(diàn)场大小(xiǎo)（压電(diàn)電(diàn)压传感器）。
声波信号可(kě)较好地实现与電(diàn)信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压電(diàn)声传感器可(kě)分(fēn)為(wèi)压電(diàn)超声传感器、声表面波传感器、電(diàn)声脉冲传感器、压力波传感器等。
根据传感器耦合方式，超声传感器可(kě)分(fēn)為(wèi)接触式和非接触式，如图1所示。接触式超声传感器主要用(yòng)于变压器、组合電(diàn)器等大型電(diàn)力设备监测，非接触式超声传感器则主要用(yòng)于電(diàn)力電(diàn)缆、开关柜等電(diàn)力设备检测。
根据國(guó)家電(diàn)网企业标准《Q/GDW 11061—2017 局部放電(diàn)超声波检测仪技术规范》要求，对于接触式超声传感器（不含前置增益），其峰值灵敏度一般不小(xiǎo)于30dB(V/(m/s))，均值灵敏度一般不小(xiǎo)于40dB(V/(m/s))，可(kě)以测到不大于40dB的传感器输出信号；对于非接触式超声传感器，在距离声源1m时，可(kě)以测到声压级不大于35dB的超声波信号。
图1 超声传感器的两种检测形式
由于受制造工艺限制、安装不当等因素的影响，電(diàn)力设备难免会产生表面附着物(wù)、内部气泡、表面裂纹等缺陷，进而导致局部放電(diàn)的发生。在電(diàn)网运维周期中，主要通过超声传感器进行電(diàn)力设备局部放電(diàn)检测。
当電(diàn)力设备内部绝缘发生局部放電(diàn)时，会相应产生超声波信号，超声波信号沿绝缘介质和金属导體(tǐ)传导至外壳，并通过介质向外界传播。通过在電(diàn)力设备外壳或设备附近安装如图2所示的压電(diàn)超声传感器，可(kě)以耦合收集到局部放電(diàn)产生的超声信号，进而判断電(diàn)力设备放電(diàn)情况。
图2 压電(diàn)超声传感器
黎大健等以220kV的气體(tǐ)金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）母線(xiàn)腔體(tǐ)為(wèi)研究对象，模拟了金属突起和金属悬浮等缺陷，使用(yòng)谐振频率30kHz的压電(diàn)超声传感器，通过对比超声信号时域波形、频谱、PRPD图谱中特征量，实现对产生局部放電(diàn)的缺陷类型的判断，检测灵敏度达到10pC。
另针对電(diàn)力变压器局部放電(diàn)的精准定位问题，李继胜等基于超声波相控阵理(lǐ)论，研制了16×16阵元的平面超声波相控阵压電(diàn)传感器阵列，传感器中心频率為(wèi)150kHz，带宽达到100kHz。使用(yòng)压電(diàn)声源和油间隙放電(diàn)等模拟实验对传感器阵元的性能(néng)进行了实测，结果表明，该传感器能(néng)够对变压器局部放電(diàn)产生的超声波信号进行灵敏接收和定位。但具體(tǐ)应用(yòng)时，仍需对超声波传播时会产生的反射、折射等复杂问题开展进一步研究。
此外，压電(diàn)超声传感器也广泛应用(yòng)于電(diàn)力设备内部缺陷检测，其原理(lǐ)為(wèi)通过检测超声导波在试件中的传播特性，实现对各种材料试件的宏观缺陷、组织结构、力學(xué)性能(néng)变化进行检测和表征，具有(yǒu)灵敏度高、衰减小(xiǎo)、可(kě)定位的优点，受到研究者密切关注。
马君鹏等基于压電(diàn)超声导波理(lǐ)论，提出了一种盆式绝缘子缺陷检测及定位方法。检测装置如图3a所示，包括超声导波检测仪、上位机和7个压電(diàn)超声传感器（1个谐振频率為(wèi)100kHz用(yòng)于产生激励导波信号的发射型传感器，6个进行导波信号接收的接收型传感器）。
通过分(fēn)析Lamb波在盆式绝缘子中的传播特性（见图3b、图3c），实现对绝缘子内部气泡、外部附着物(wù)及裂纹等缺陷的检测，且能(néng)够在微小(xiǎo)缺陷引起局部放電(diàn)等其他(tā)故障前及时预警，并精确定位缺陷位置，為(wèi)盆式绝缘子损伤机理(lǐ)的研究和材料、工艺及安装方法的改进提供数据基础。
图3 基于压電(diàn)超声导波检测绝缘子缺陷
另有(yǒu)研究者同样基于超声导波技术，设计了如图4所示的PZT—5压電(diàn)超声传感器件组，用(yòng)于输電(diàn)線(xiàn)杆塔拉線(xiàn)棒缺陷的无损检测。通过对拉線(xiàn)棒中超声导波传播特性分(fēn)析后，选取L(0,1)模态研究了不同截面损失率下缺陷和端面回波幅值的对应关系，实现了对拉線(xiàn)棒缺陷的准确识别。
图4 检测拉線(xiàn)棒缺陷的压電(diàn)超声传感器
本文(wén)编自2021年第7期《電(diàn)工技术學(xué)报》，论文(wén)标题為(wèi)“压電(diàn)材料与器件在電(diàn)气工程领域的应用(yòng)”，作者為(wèi)姚睿丰、王妍 等。