【文章推荐】仿生嗅觉传感技术及在电力设备状态检测中的应用前景综述

原文发表在《高压电器》2025年第1期。

https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.001

仿生嗅觉传感技术及在电力设备状态检测中的应用前景综述

段大鹏¹，盛戈皞²，任志刚¹，刘若溪¹，桂媛¹，王羽³

(1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；3. 武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072)

一 内容简介

电气设备的安全运行对电力系统的稳定性十分重要。近年来，仿生嗅觉传感技术是国内外研究的热点，仿生嗅觉传感技术已经成功应用于食品检验、检疫、搜救等领域。该技术也可以用于检测电气设备的缺陷或故障，通过检测电气设备金属导体及气、液或固态绝缘介质散发出的特有气味分子，进而识别设备的缺陷或故障，并可以同时联合视觉与听觉进行诊断分析。文中首先概述了仿生嗅觉传感技术的发展历程，阐述了三代仿生嗅觉传感技术的原理、技术特征和研究进展，并对其应用场景和发展方向进行了探讨。其次，从气、液、固3种状态绝缘介质的故障识别角度，对当前电力设备中的气体检测技术进行了总结与分析，提出了仿生嗅觉传感技术的适用场景和优势。最后，结合仿生嗅觉传感技术的发展和研究方向，对仿生嗅觉传感技术未来的应用前景和关键问题进行了分析，提出了未来仿生嗅觉传感技术的研究展望。

二 主要内容

随着社会经济的发展，电力系统的电压等级不断提高，电力设备的数量不断增多，一旦发生故障将带来巨大的经济损失，因此保证电力系统的安全稳定运行至关重要。电力系统的电气设备，如发电机、变压器、开关、绝缘套管和电力电缆等，是保证和维持电力系统正常运行的重要组成部分。当电力设备绝缘部件发生局部放电或过热缺陷时，如果未能及时发现处理，这些缺陷可能会逐步发展并造成故障。目前针对电力设备的状态检测技术，主要通过检测电力设备故障时的“声、光、电、磁、热”等状态量来识别故障或缺陷，如主变的声纹识别技术，GIS、HGIS断路器的特高频局部放电检测，设备过热缺陷的红外成像检测技术，开关柜中的超声波局部放电检测技术，避雷器泄漏电流在线监测技术，线路无人机图像处理技术等。通过视觉、听觉等感知检测设备故障缺陷已经有较为广泛的研究和应用，并取得显著成效，而针对嗅觉的检测技术研究和应用还较少。

仿生嗅觉传感技术最初是一种模拟生物嗅觉认知的检测技术，主要通过传感器阵列来捕获挥发性物质，获取与之相关的理化反应信号，再结合信息处理算法实现对物质种类和含量的快速判断。随着技术的发展，传感器逐步由金属氧化物、特性气敏材料等转向生物气敏材料，研究人员也针对特定识别需求开发出多种对应的算法。仿生嗅觉传感技术已经成功应用于食品检验、环境检测、医学诊断等领域。

电力设备在发生局部放电等故障时，各类绝缘介质如空气、SF₆、变压器油、橡胶等会发生分解重组，生成或释放特异性气体或固体微粒等小分子衍生物。大量研究表明，当发生故障的类型、位置和程度不同时，产生的气体衍生物的种类、速率、浓度都有所不同。因此，通过嗅觉传感技术对气体衍生物进行检测，构建不同故障模式下所对应的气体图谱库，可以提高潜在故障发现率。仿生嗅觉传感技术通过模拟生物的嗅觉系统，相较于其他嗅觉传感技术在灵敏性、选择性、响应速度上具有不可替代的优势。综上所述，将仿生嗅觉传感技术应用于电力设备状态检测领域，可有效弥补视觉、听觉的不足，十分切合电力设备发热、放电等缺陷状态检测技术需求。

文中阐述了仿生嗅觉传感技术的发展历程、技术原理、技术特征和研究进展，并对其应用场景和发展方向进行了探讨。然后，研究了仿生嗅觉传感技术在电力设备状态检测领域的应用情况和技术特点。最后，结合电气设备状态检测技术的研究和应用现状，提出了仿生嗅觉传感技术在电力设备状态检测中的发展方向与研究展望，对仿生嗅觉传感技术在电力设备状态检测中的深入研究具有借鉴和指导意义。

1 仿生嗅觉传感技术

1.1 第一代仿生电子鼻嗅觉传感技术

1.2 第二代离体分子及细胞嗅觉传感技术

1.3 第三代在体仿生嗅觉传感技术

2 气体检测技术在电力设备状态检测中的应用现状

2.1 特征气体检测方法

2.2 气体检测技术应用

2.3 仿生嗅觉传感技术应用

3 基于仿生嗅觉传感技术的电力设备状态检测研究思考

3.1 仿生电子鼻嗅觉传感技术研究

3.2 基于离体分子及细胞嗅觉传感技术研究

3.3 在体仿生嗅觉传感技术研究

3.4 仿生嗅觉传感技术应用关键问题

三 结论

为了达到电力设备状态监测的需求，对仿生嗅觉传感技术的未来研究方向提出了以下展望：

1)针对电力场景特征衍生气体的传感器研究，研究与设计具有高特异性、选择性以及高稳定性、可靠性的传感器，提高传感器阵列的集成度。

2)气体组分检测及模式识别技术研究，提高背景气体复杂情况下的识别效率和准确率，构建检测结果与电力设备缺陷对应关系的数据库与指纹库，实现实时诊断与智能识别。

3)适用于电力系统检测的第三代仿生嗅觉传感技术研究，随着脑—机接口技术的发展和生命科学的发展，基于生物在体或生物敏感材料制备的传感器可以替代传统气敏传感器，弥补电子鼻在响应速度、灵敏度、特异性上的不足，结合工程技术信号解析和识别技术，将生物信号转化为检测信息，实现复杂背景气体下特征气体的混合识别，进而与电气设备的状态进行联系，实现电力设备的状态监测。

4)将仿生嗅觉传感技术与计算机视觉、听觉技术联合应用研究，并结合人工智能技术实现电力设备状态的智能评估，实现更全面的状态感知，将人的感知迁移到计算机系统中，建立设备故障数据库，实现设备潜在故障隐患的预警，进行更客观准确的电力设备状态检测。

5)检测技术引入及综合应用研究，可以将在医药、食品、检验检疫等领域应用较为成功的检测技术引入电力系统，结合新研制的适用于电力设备状态检测的嗅觉传感技术，进行综合深化试点应用，不断总结经验、积累数据。

作者简介

段大鹏(1977—)，男，博士，教授级高工，研究方向为电力设备状态检测与诊断评估。

盛戈皞(1974—)，男，博士，教授，研究方向为电力设备状态监测与故障诊断。

任志刚(1983—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为带电检测技术与带电检测仪器校验技术。

刘若溪(1982—)，男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统分析与控制。

桂媛(1988—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为配电网设备状态评价与诊断分析(E-mail：331892271@qq.com)。 

本文索引

段大鹏，盛戈皞，任志刚，等. 仿生嗅觉传感技术及在电力设备状态检测中的应用前景综述[J]. 高压电器，2025, 61(1)：1-11.

DUAN Dapeng，SHENG Gehao，REN Zhigang，et al. Review on bionic olfactory sensing technology and its application prospect in condition monitoring of electrical equipment[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：1-11.