基于柔性PVDF薄膜的GIS局部放电高灵敏度超声检测技术研究

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：A Study on High-Sensitivity Ultrasonic Sensing of GIS Partial Discharge Based on Flexible PVDF Film

　　

为了解决传统压电陶瓷（PZT）传感器在气体绝缘开关设备（GIS）的超声波局部放电（PD）检测中的局限性——包括带宽窄、严重的共振振荡以及适应弯曲外壳能力差等问题——本文开发了一种基于柔性聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜的宽带超声波传感器。在设计阶段，建立了一个简化的有限元模型，用于模拟PD引起的超声波信号在典型GIS缺陷下的传播和衰减情况，为电极拓扑结构和几何尺寸的协同优化提供了理论参考。实验结果表明，所开发的PVDF传感器在20 kHz至80 kHz的频率范围内具有60.18 dB的平均灵敏度（参考值：1 V/(m/s)），其频率响应均匀，最大偏差小于±3.08 dB。在全尺寸126 kV GIS平台上的对比测试表明，该传感器显著抑制了PZT传感器的固有共振振荡，并大幅缩短了信号衰减时间，从而能够更准确地记录放电脉冲的瞬态特征。此外，PVDF传感器在保持对低频信号有效接收的同时，还具备很强的高频捕获能力，能够捕捉45 kHz至75 kHz频段内的丰富声学信息。作为一种具有优异弯曲适应性的柔性传感器，其与传统PZT传感器相比表现出更强的信噪比（SNR）性能，在金属突起放电检测中实现了36.8%的SNR提升。本研究有效消除了硬件引起的波形失真，为GIS设备的在线监测和精细缺陷诊断提供了高保真度的数据基础。