图1 传统IDT结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of traditional IDT structure
摘要 针对现场长期无法实现简单、可靠地判断电力设备局部放电（PD）的技术难题，该文基于压电超声波法传感原理和二维平面式特高频传感原理，在前期可行性验证的基础上，采用全向性环形叉指换能器（IDT）电极结构构建了可同时感知PD超声波信号和电磁波信号的锆钛酸铅（PZT）基PD特高频传感器结构，利用COMSOL和HFSS分别构建传感器三维声学和电磁仿真优化模型，获得全面反映复合型传感器超声感知性能的谐振点位移、接收灵敏度及反映高频电磁波感知性能的驻波比（VSWR）参数，并对其进行优化计算。同时分别搭建传感器超声波增益测试平台和PD检测实验平台对传感器性能进行实测。仿真和实验结果表明，该文所设计的PZT基PD特高频传感器在20～200 kHz频带内感知超声波的平均灵敏度为19.6 dB，98 kHz谐振点位移为0.45 μm；在0.3～3 GHz频带内感知电磁波的VSWR≤5。该文解决了电力设备PD检测常用的超声波法和特高频法无法利用单一传感器同时感知超声波信号和电磁波信号的问题，为现场电力设备PD的简单、可靠感知提供了新的解决思路。
关键词：电力设备 局部放电 超声 特高频 融合感知
局部放电（Partial Discharge, PD）是造成电力设备绝缘劣化的重要原因之一。PD过程中会伴随着电、光、热、声、气体组分分解等一系列特征现象[1-4]。为实现电力设备PD的有效检测，国内外学者提出了相应的检测方法，包括脉冲电流法[5-6]、特高频（Ultra High Frequency, UHF）法[7-8]、光信号法[9-10]、超声波法[11]、化学法[12-13]等。经过数十年的发展，其中超声波法与UHF法已经成为变电站现场常用的PD检测手段。
但是，受到现场复杂电磁干扰（尤其是随机脉冲干扰）以及信号采样频率限制（目前现场在线监测最高常用采样频率为100 MS/s）的影响，无法通过单独的超声波法或UHF法输出的脉冲信号可靠地得出设备存在PD的结论，导致现场工作和管理人员在面对所输出的脉冲信号时，不敢轻易地对设备进行停电检修；而长期观测过程中PD又会进一步使绝缘介质劣化，为电力设备带来更大的安全隐患。超声-特高频联合检测技术的出现大大增强了PD检测的可靠性，但超声-特高频联合检测技术一般是将超声波传感器安装在电力设备金属壳体外表面，UHF传感器安装在设备内部，因此，电力现场PD检测常用的超声波法和UHF法一直存在无法利用单一传感器实现同时感知超声波信号和电磁波信号的悖论。
面对这样的长期现场需求，本团队提出了一种根据简单的时域信号就可以准确判断设备内部是否存在PD缺陷的方法，并设计了电力设备PD超声、UHF一体化传感技术，研发了聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Difluoride, PVDF）基UHF传感器[14]，通过理论分析和试验初步验证了压电基UHF传感器具备同时感知PD辐射超声波信号和高频电磁波信号的能力，为根据时域信号实现电力设备PD的简单、可靠判断提供了新的解决思路。但是由于PVDF材料表面疏水的特性，导致传感器电极焊接工艺复杂且容易脱落，且其所采用的常规叉指电极结构对超声感知的方向性较差，无法实现PD超声波信号在相同灵敏度下的全向性感知。
基于此，本文在前期研究的基础上提出锆钛酸铅（Pb(ZrxTi1–x)O3, PZT）基UHF传感技术，基于压电超声波法传感原理和二维平面式UHF传感原理，构建具备PD超声波信号和电磁波信号同时感知功能的PZT基PD特高频传感器结构，利用COMSOL和HFSS分别构建传感器三维声学和电磁仿真模型，对反映PZT基PD特高频传感器（简称为复合型传感器）超声感知性能的谐振点位移、接收灵敏度，以及反映高频电磁波感知性能的驻波比（Voltage Standing Wave Ratio, VSWR）参数进行仿真优化，并分别搭建传感器超声波增益测试平台和PD检测实验平台，对传感器PD感知性能进行测试分析。
叉指换能器（Interdigital Transducer, IDT）是将压电基片表面上叉指状金属作为电极的一种超声换能器。传统IDT结构示意图如图1所示。IDT的叉指电极均与两端总线相连，该总线称为汇流条。图1中，a为电极宽度；b为相邻电极间的间隙；p为叉指间距；λ为IDT的周期，λ=2(a+b)；a与p的比值η被定义为IDT的金属化率，一般选择为0.5，即a=b[15-16]。
图1 传统IDT结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of traditional IDT structure
根据压电-逆压电互易特性，IDT在激励声波时，相邻叉指电极极性正负交替且呈周期性排列。每一对电极都可看作一个激励源，其激励波可以相互叠加。IDT激励的声表面波周期T、波长λ0、波速vs和IDT中心谐振频率
满足关系[17-19]为
（1）
其中，根据波的干涉原理，只有当叉指间距p=λ0/2时，表面波同向叠加，IDT激励出的声波最强[20-21]，此时表面波的波长λ0与IDT的周期λ相等，即
（2）
则此时IDT中心谐振频率f0、波速vs、电极宽度a和电极间隙b之间的关系为
（3）
相较于传统IDT，环形IDT具有全方位的特性，即对不同方向上的超声信号具有相近的感知性能[22]。由于环形IDT的工作原理与传统IDT一致，所以环形IDT电极宽度a与电极间隙b同样满足式（3）。为增加复合型传感器超声信号的感知带宽，根据PD产生的超声信号主要集中在20～200 kHz频带的特点[23]，选择IDT的谐振频率=100 kHz，声表面波在电力设备金属外壳中的传播速度为vs=1 400 m/s，因此可得到环形IDT的结构参数a=b=3.5 mm。据此设计的复合型传感器结构如图2所示。
图2 复合型传感器结构
Fig.2 Structure of the composite sensor
传感器性能与其模型的几何尺寸参数密切相关，而传感器设计过程中主要有基底厚度和电极馈线距离两个变量，因此本文选择基底厚度和电极馈线距离作为研究对象，对传感器的频响特征进行优化。
具有压电效应的压电材料是传感器接收到超声信号的关键，因其具有互易性，所以可以通过在电极上施加不同频率的电信号，计算传感器表面位移随频率的变化关系来间接获得传感器对超声信号的频率响应。当施加的激励频率为传感器的谐振频率时，传感器表面位移最大，电声转化效率最高[24]。
由于基底为压电陶瓷，其自身具有易碎的性质，基底厚度过薄将造成传感器难以制备，而基底厚度过厚则会对运行中的电力设备内部电场分布造成一定的影响，因此本文只考虑基底厚度为0.10～0.50 mm的情况，使用COMSOL中的压电力学模块分析其对传感器性能的影响规律。
不同基底厚度对传感器谐振点位移的影响规律如图3所示。从图3可以看出，0.40 mm厚的传感器在98 kHz谐振点处位移最大，其余厚度的计算结果均不及0.40 mm厚的情况：一方面，最大位移所对应的谐振频率相较于理论计算值有较大偏差；另一方面，尽管最大位移所对应的谐振频率与理论计算值相近，但其位移大小不如0.40 mm厚度下的结果。
接收灵敏度S是用于描述传感器输出量对输入量敏感程度的特性参数，通常以dB（V/(m/s)）为单位，即输出电压U与传感器表面的振动速度v之比，其计算公式[25]为
（4）
图3 不同基底厚度计算结果
Fig.3 Calculation results for different substrate thicknesses
使用COMSOL中的压电力学模块和电路物理场进行灵敏度计算，搭建的瞬态计算仿真模型如图4所示。传感器与压电圆片分别置于钢制试块两端，其中压电圆片用于产生振动声信号，钢制试块四周设置完美匹配层。
图4 瞬态计算仿真模型
Fig.4 Simulation model of transient calculation
为传感器施加域探针，探针表达式分别为电势和速度，使用瞬态计算获取传感器因压电圆片振动而产生的电压与振动速度，并将结果代入式（4）中，计算获取的传感器接收灵敏度如图5所示。从图5a中可看出，灵敏度均在5～27 dB范围内变化，但其变化趋势出现杂乱交叉现象，这是因为仿真计算时为减小计算量，所选取的频率步长较大所导致；从图5b中灵敏度平均值与最大值随基底厚度变化的趋势可以看出，总体上灵敏度随着基底厚度的增加而增加，增速于0.40 mm后趋于平缓。
驻波比（VSWR）是用来表示传输线路的特性阻抗与天线输入阻抗匹配程度的参数，其大小可以反映出天线因为阻抗不匹配所造成的反射损耗，是衡量传感器UHF接收性能的常用指标[26]。使用Ansys HFSS有限元仿真软件计算传感器的VSWR，仿真使用到的PZT-5H材料相关参数见表1。
图5 不同基底厚度的灵敏度计算结果
Fig.5 Calculation results of sensitivity for different substrate thicknesses
表1 PZT-5H的仿真参数
Tab.1 Simulation parameters of PZT-5H
参数数值 电导率/(S/cm)1.77×10-5 介质损耗角正切2.3 相对磁导率1 密度/(kg/m3)7 450 相对介电常数1 704
不同基底厚度的VSWR计算结果如图6所示。从图6a可以看出，对于不同的基底厚度，传感器VSWR≤5的频带均集中于0.5～2 GHz范围内。提取不同基底厚度中VSWR≤5的频带宽度如图6b所示，可以看出，随着基底厚度的增加，VSWR≤5的频带宽度呈现下降的趋势。
上述计算结果表明，压电基底的厚度对复合型传感器超声波接收性能的影响较大，而对UHF接收性能的影响主要体现在其VSWR≤5的带宽上。综合考虑谐振点位移、灵敏度和VSWR，本文采用0.40 mm作为传感器的基底厚度。
图6 不同基底厚度的VSWR计算结果
Fig.6 Calculation results of VSWR for different substrate thicknesses
为提高研究效率，本文以电极宽度a=3.5 mm为基准，选择3.50、5.25、7.00、8.75、10.50 mm五个不同倍数电极宽度的馈线距离，分析其对传感器性能的影响规律。首先，不同馈线距离下的谐振点位移如图7所示。从图7中可以看出，当馈线距离为10.5 mm时，其谐振点位移最大值对应的频率为98 kHz，接近理论计算值100 kHz，其余馈线距离的计算结果均不及10.5 mm的情况：一方面，最大位移所对应的谐振频率与理论计算值有较大偏差；另一方面，尽管最大位移所对应的谐振频率与理论计算值相近，但位移大小都不如10.50 mm馈线距离下的结果。
其次计算馈线距离对超声感知灵敏度的影响，如图8所示。从图8a中可以看出，除8.75 mm外，其余馈线距离对应超声感知灵敏度的变化趋势基本一致，8.75 mm的灵敏度曲线有较大变化，这是因为该馈线距离的电极结构影响传感器整体的振动模态，导致曲线相较于其他馈线距离有较大差别，但差距基本上在5 dB以内。提取灵敏度平均值与最大值如图8b所示，可见除8.75 mm外，灵敏度平均值和最大值基本分别在20.5 dB和23.5 dB附近，表明电极馈线距离对超声感知灵敏度的影响较小。
图7 不同馈线距离计算结果
Fig.7 Calculation results for different feeder distances
最后计算馈线距离对VSWR的影响，结果如图9a所示；提取VSWR≤5的频带宽度如图9b所示。
从图9中可知，VSWR≤5的带宽随着馈线距离的增大而增大，表明馈线距离的增大有利于扩大传感器对UHF信号的感知范围。
图8 不同馈线距离的灵敏度计算结果
Fig.8 Calculation results of sensitivity for different feeder distances
图9 不同馈线距离的VSWR
Fig.9 VSWR for different feeder distances
上述计算结果表明，馈线距离对传感器超声接收性能的影响较小，对UHF接收性能的影响主要体现在VSWR≤5的带宽上。综合考虑谐振点位移、灵敏度和VSWR，本文采用10.50 mm作为传感器的馈线距离。
为分析本文设计的环形IDT对不同方向上超声波信号的接收性能，使用COMSOL搭建如图10所示的传感器全方位感知性能模型。复合型传感器置于钢制试块中心，并在距圆心80 mm处的不同方位布置压电圆片，依次施加激励产生超声振动信号，当信号传至传感器，在电极处施加探针用于获取传感器的输出电压。
图10 全方位感知性能的分析模型
Fig.10 Model of all-around perceived performance
归一化后的输出电压如图11所示。该雷达图近似于一个正八边形，表明对于不同方向的超声波，传感器所感知的信号一致性较好。
图11 全方位感知性能分析结果
Fig.11 Results of all-round perception performance
结合第2节相关讨论，本文最终确定的传感器基底厚度为0.40 mm，馈线距离为10.50 mm。
传感器实物制作完成后，使用E5080A ENA矢量网络分析仪对其VSWR进行实测，并与仿真结果进行对比，结果如图12所示。
图12 复合型传感器VSWR测试结果
Fig.12 VSWR test results for composite sensor
从图12中可以看出，制备的复合型传感器实物的VSWR数值在0.6～1.8 GHz内大于仿真计算结果，剩余部分均优于仿真计算结果，其中在0.6 GHz附近达到最小值1.5，测试结果整体与仿真计算的变化趋势基本一致。
为校验复合型传感器的超声波检测性能，根据国家标准GB/T 19801—2005《无损检测声发射检测声发射传感器的二级校准》[27]对传感器超声性能进行校准，校准平台如图13所示。作为声源的发射传感器置于钢制试块中间，参考传感器与待测传感器分置两侧。信号发生器发射脉冲信号至发射传感器，从而产生振动。由于待测传感器和发射传感器的距离与参考传感器和发射传感器的距离相等，可认为两者接收到的振动能量相同，通过测量不同频率信号下待测传感器与参考传感器的信号，计算待测传感器灵敏度。
参考的超声波传感器型号为PX PXR15，性能参数见表2。
图13 超声灵敏度校准平台
Fig.13 Ultrasonic sensitivity calibration platform
表2 参考传感器性能参数
Tab.2 Performance parameters of the reference sensor
参数数值 灵敏度/dB67 10 dB频率带宽/kHz100～400 谐振频率/kHz150
传感器灵敏度计算公式为
（5）
式中，S2(fm)为待测传感器灵敏度；S1(fm)为参考传感器灵敏度；U1(fm)和U2(fm)分别为参考传感器和待测传感器在频率fm下的幅值响应。测试结果如图14所示，从图中可以看出，实验测试与仿真计算结果相近，灵敏度均在20 dB左右。
图14 复合型传感器超声灵敏度测试结果
Fig.14 Ultrasonic sensitivity test results of composite sensor
为测试传感器对不同方向超声波信号的感知性能，在3.2节实验的基础上，将发射传感器布置于复合型传感器周围，并依次施加相同的激励信号，记录复合型传感器的输出响应。
实验平台与测试结果分别如图15a与图15b所示。从图15b归一化的结果可看出，复合型传感器对不同方向上的超声波信号感知能力相近。
图15 超声信号全方位感知测试
Fig.15 Ultrasound signal all-round perception test
3.4.1 PD检测实验平台与实验用传感器
为测试复合型传感器对PD超声和UHF信号的感知性能，本文搭建了气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）与变压器PD实验平台，如图16所示。图中，T1为调压台，T2为无PD变压器，Rr为保护电阻，C1为耦合电容，Z为检测阻抗，信号采集设备为泰克高性能数字示波器（Tektronix* MS044，采样频率为6.25 GS/s，四通道）。实验前使用脉冲电流法对加压平台进行无缺陷加压测试，当电压加至50 kV时，实验平台内部无PD产生。
图16 PD实验平台
Fig.16 PD test platform
实验时对比用UHF传感器为柔性单极子天线传感器，如图17a所示，其在不同弯曲半径下的VSWR参数如图18所示；超声波传感器如图17c所示，其性能参数见表2。其中对于超声波信号的检测，需使用图17b所示的前置放大器，其性能参数见表3。图17d为本文设计的复合型传感器。
图17 实验所需传感器与器件
Fig.17 Sensors and devices required for the test
图18 UHF传感器的VSWR
Fig.18 VSWR for UHF sensor
表3 前置放大器性能参数
Tab.3 Preamplifier performance parameters
参数数值 增益/dB20/40/60 带宽/MHz0.004～3.4 噪声/mV1.9 输入阻抗/MΩ10 输出阻抗/Ω50
因PD UHF信号的时域长度为ns级，将其准确地检测出所需要的采样频率达到GS/s级，而准确检测超声波信号的采样频率只需MS/s级，其时域长度为ms级，受限于示波器存储深度，无法在GS/s级的采样频率情况下实现ms级别的信号采集。所以对于复合型传感器，同时感知超声波和UHF信号的性能测试只能牺牲采样频率，因此实验时设置的采样频率为5 MS/s。
3.4.2 GISPD检测实验
GIS PD检测实验在真型220 kV GIS中进行。GIS中充以0.4 MPa SF6气体，并设置悬浮电极模型模拟悬浮放电缺陷。缺陷模型如图19所示，针电极的尖端半径为0.2 mm。
图19 悬浮电位缺陷模型
Fig.19 Suspension potential defect model
GIS PD实验对象示意图如图20所示。GIS PD实验对象腔体法兰盘为有机玻璃改造，可在外部接收PD UHF电磁波信号。实验时，复合型传感器与超声波传感器使用超声波耦合剂粘贴于有机玻璃法兰外表面，并连接前置放大器，UHF传感器置于有机玻璃法兰外侧，上述三种传感器与放电源的距离一致（约为0.15 m），超声波在SF6中的传播速度约为150 m/s，则理论上UHF信号与超声波信号到达传感器的时间差约为1 ms。
图20 GIS PD实验对象示意图
Fig.20 GIS PD test object
实验前对实验电路进行放电量标定，测得50 pC放电量对应的示波器脉冲电流信号幅值约为20 mV。采用阶梯升压法进行升压，当电压升至6.2 kV、放电量为1 500 pC时，传感器与脉冲电流信号如图21所示。
从图21中可以看出，当产生PD时，复合型传感器先后输出两个信号：先与UHF传感器同时输出第一个信号，信号幅值约为650 mV；经过约1.06 ms与超声波传感器同时输出第二个信号，复合传感器输出信号幅值约为150 mV。其中1.06 ms的时间差与理论值（1 ms）相近，同时传感器感知的UHF脉冲信号与所检测到的背景噪声之间有较好的信噪比。实验结果表明，复合型传感器可以同时感知GIS悬浮电位PD所产生的超声波信号与UHF信号。
图21 GIS PD实验结果
Fig.21 Results of GIS PD test
3.4.3 变压器PD检测实验
变压器PD检测实验在油纸绝缘放电模拟罐中进行，模拟罐中加以克拉玛依25号变压器专用绝缘油，并设置针板电极模型模拟尖端放电缺陷，如图22所示。针板电极之间放置1 mm厚的绝缘纸板，针与纸板的间距为1 mm，针电极的尖端半径为0.2 mm。
图22 尖端放电缺陷模型
Fig.22 Tip discharge defect model
变压器PD实验对象示意图如图23所示。实验时，复合型传感器与超声波传感器使用超声波耦合剂粘贴于模拟罐外表面，并连接前置放大器，UHF传感器置于模拟罐外侧。上述三种传感器与放电源的距离一致（约为0.15 m），超声波在变压器油中的传播速度约为1 500 m/s，则理论上UHF信号与超声波信号到达传感器的时间差约为0.1 ms。
实验前对实验电路进行放电量标定，测得50 pC放电量对应的示波器脉冲电流信号幅值约为30 mV。采用阶梯升压法进行升压，当电压升至19.5 kV、放电量为227 pC时，传感器与脉冲电流信号如图24所示。从图24中可以看出，当产生PD时，复合型传感器先后输出两个信号：先是与UHF传感器同时输出第一个信号，其幅值约为7.8 mV；经过约0.07 ms后与超声波传感器同时输出第二个信号，复合型传感器输出的信号幅值约为8 mV，其中0.07 ms的时间差与理论值（0.1 ms）相近。同时传感器感知的UHF脉冲信号与所检测到的背景噪声之间有较好的信噪比。实验结果表明，复合型传感器可以同时感知变压器金属尖端缺陷PD所产生的超声波信号与UHF信号。
图23 变压器PD实验对象示意图
Fig.23 Transformer PD test object
图24 变压器PD实验结果
Fig.24 Results of transformer PD test
本文设计的复合型传感器可以同时感知PD超声波信号与UHF信号，但仍存在一定的不足：①传感器质地较脆，容易损坏；②压电基底与设备金属外壳之间的声阻抗不匹配，信号传播效率低，传感器超声信号信噪比较差；③复合型传感器的检测带宽与检测灵敏度属于此消彼长的关系，本文为实现超声宽频带的检测牺牲了灵敏度。因此，如何改善传感器易碎、传感器超声信号信噪比低的缺点，以及针对不同电力设备PD信号特征设计不同的高灵敏度复合型传感器，将是后续研究的重点。
本文基于超声波传感器的设计原理，融合PD超声波与UHF两种检测手段，设计出可同时检测PD超声波信号与电磁波信号的复合型传感器；采用改进型环形IDT结构作为信号感知单元，使用COMSOL和HFSS软件分析传感器基底厚度与电极馈线距离对性能的影响；通过测试传感器的灵敏度以及全方位感知性能，并开展PD实验，得到如下结论：
1）PZT基复合型传感器解决了电力设备PD检测中常用的超声波法和UHF法无法利用单一传感器同时感知两种信号的问题，且设计的环形IDT结构具有对超声波信号的全方向接收性能。
2）PZT基复合型传感器存在结构强度弱、超声信号信噪比低、超声信号感知灵敏度差这三个主要问题，下一步将从这三个方面对传感器进行优化改进。
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Research on PZT-Based Ultrasonic-Ultra High Frequency Composite Partial Discharge Sensing Technology
Abstract Partial discharge (PD) occurs in the operation of power equipment, and it is very important to effectively detect PD of power equipment. However, the traditional single detection method is easy to be limited by the complex electromagnetic interference and signal sampling rate on the spot, and can not rely on a single detection method to reliably detect the PD of power equipment. In recent years, some methods for PD detection have been proposed, but most of them have the problems of low detection accuracy, high cost of multi-equipment joint detection and complex operation. In order to solve these problems, this paper proposes a PZT-based PD UHF sensor based on the principle of piezoelectric ultrasonic method and two-dimensional planar UHF sensing principle, which can simultaneously perceive ultrasonic signal and electromagnetic wave signal. Through the effective detection of the sensor, the PD characteristic signal of power equipment can be obtained accurately and reliably.
Firstly, based on the sensing principle of piezoelectric ultrasonic method and the principle of two-dimensional planar ultra-high frequency sensing, an omnidirectional annular IDT electrode structure is constructed to construct a PZT-based PD ultra-high frequency sensor structure model with simultaneous sensing function of PD ultrasonic signal and electromagnetic wave signal. Secondly, COMSOL and HFSS are used to construct the three-dimensional acoustic and electromagnetic simulation optimization of the sensor. The standing wave ratio parameters of the resonance point displacement, receiving sensitivity and high-frequency electromagnetic wave sensing performance of the comprehensive response composite sensor are simulated and optimized. Thirdly, the sensor ultrasonic gain test platform and PD detection experimental platform are built to measure the performance of the sensor. In this model, the omnidirectional model structure solves the problem that the sensor cannot receive the ultrasonic signal in all directions, and the PZT-based sensor solves the problem that the sensor welding process is complex and easy to fall off, thus forming an accurate and reliable sensing model.
The simulation and measurement results of the sensor show that the displacement of the resonance point of the PZT-based UHF sensor with the thickness of 0.40 mm is the largest at 98 kHz, and the calculation results of the other thicknesses are less than 0.40 mm. And the average sensitivity increases with the increase of substrate thickness, and the growth rate tends to be gentle after 0.40 mm. At the same time, the UHF receiving performance mainly affects the bandwidth of VSWR≤5. Furthermore, except for 8.75 mm, the variation trend of the corresponding ultrasonic sensing sensitivity is basically the same, but the gap is basically within 5 dB. At the same time, the bandwidth of VSWR≤5 increases with the increase of feeder distance, indicating that the increase of feeder distance is beneficial to expand the sensing range of UHF signal. Therefore, the substrate thickness of 0.40 mm and the feeder distance of 10.5 mm are used as the sensor parameters. The average sensitivity of ultrasonic sensing is 19.6 dB in the frequency band of 20～200 kHz, and the displacement of 98 kHz resonance point is 0.45 μm. The electromagnetic wave sensing VSWR≤5 in the 0.3～3 GHz band.
From the simulation analysis, the following conclusions can be drawn: (1) The PZT-based composite sensor solves the problem that the ultrasonic method and the UHF method commonly used in PD detection of power equipment cannot use a single sensor to perceive two signals at the same time. Therefore, it is appropriate to apply the sensor to PD detection of power equipment. (2) The designed annular IDT structure has the omni-directional receiving performance of the ultrasonic signal, and the detection range is more comprehensive than the traditional IDT structure sensor.
keywords：Electric equipment, partial discharge, ultrasound,ultra high frequency (UHF), integrated perception
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231390
湖北省自然科学基金创新群体项目（2021CFA025）、国家自然科学基金（52107144）和湖北省自然科学基金（2023AFB895）资助项目。
收稿日期 2023-08-25
改稿日期 2023-10-28
张国治 男，1990年生，博士，副教授，研究方向为电气设备在线检测和状态评估等。
E-mail：youzgz@163.com
张晓星 男，1972年生，博士，教授，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、SF6替代气体及放电等离子体等。
E-mail：xiaoxing.zhang@outlook.com（通信作者）
（编辑 李 冰）