西安交大科研团队在高压电缆局放声学传感领域取得重要进展

电力的安全高效输送离不开高压电缆系统的可靠运行。电缆局部放电往往引起绝缘性能劣化，因此局部放电的准确检测对保障电缆等电力设备的安全与稳定运行具有重要意义。

针对局部放电测量的传统电磁信号检测方法易受干扰、难以实现准确检测的问题，科研团队前期研制了柔性声学传感器，该器件具备本征抗电磁干扰能力和良好曲面贴合性，成为电缆局部放电精准感知的重要手段。然而，柔性压电薄膜声学传感材料在提升压电系数与降低介电常数之间存在矛盾，导致压电电压系数被限制在20~40mV·m·N⁻¹范围内，传感精度受限。

针对这一瓶颈，西安交通大学电气学院钟力生、高景晖教授团队提出了一种柔性压电薄膜的缓冲层调控性能提升策略，通过在Pb(Zr₀.₅₂Ti₀.₄₈)O₃（PZT）薄膜下方引入TiO₂缓冲层：一方面，利用缓冲层的低介电常数降低复合薄膜的等效介电常数；另一方面，通过缓冲层促进PZT晶粒细化、提升择优取向和诱导自极化效应，大幅提升了PZT薄膜的压电系数，实现了柔性压电材料传感性能显著提升。通过该方案，团队获得了压电电压系数高达124mV·m·N⁻¹的柔性压电薄膜，研制的柔性超声传感器件为电缆局部放电声学检测提供了新型传感解决方案。

研究成果以《利用缓冲层策略提升柔性压电薄膜声学传感器的灵敏度以用于电缆绝缘状态监测》（Enhancing Sensitivity of Flexible Piezoelectric Thin-Film Acoustic Sensors via Buffer Layer Engineering for Insulation Health Monitoring of Power Cables）为题发表在国际顶级期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，电气工程学院高端电缆制造与应用协同创新中心吴明副教授为论文的第一作者，硕士生赵一明为第二作者，高景晖教授、钟力生教授为论文通讯作者。

高端电缆制造与应用协同创新中心以电气绝缘学科为基础，依托于电工材料电气绝缘全国重点实验室研究平台，重点开展高端电缆绝缘材料、高压电缆绝缘结构设计、电缆试验与状态感知、电介质极化理论及应用等方面的研究，旨在建立我国从事高端电缆研究开发的高端人才队伍、解决高端电缆领域的前瞻性基础理论和关键技术问题、突破高压直流电缆、海底电缆、特种装备用电缆等方面的瓶颈。

在电力设备运维方面，团队提出了柔性超声传感电缆局部放电和植入式电机超声传感等新方法，通过产学研用协同创新，实现了系列高性能器件的开发与应用。系列研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）、《高电压（英文）》（High Voltage）、《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）、《IEEE介电与电气绝缘汇刊》（IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation）和《高电压技术》等国内外高水平期刊上，还被美国物理学会Scilight栏目采访报道，称该工作提供了“一种智能简单的方法解决放电检测难题”。此外，团队还指导研究生在中国国际大学生创新大赛（2025）荣获金奖。