综述：基于电嗅觉感知的高速铁路开关设备外部缺陷检测技术研究进展

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Research progress on external defect detection technology for high-speed railway switchgear based on electrical olfactory perception

　　摘要：高速铁路开关设备在复杂的运行环境下长期工作，面临多种应力作用，这容易引发特征气体的产生与积聚，进而可能导致爆炸、火灾等严重事故。电气嗅觉感知技术能够通过捕捉缺陷发展过程中产生的特征气体，精准识别并预警早期隐患。本文系统综述了该领域的研究进展：首先阐述了气固绝缘介质的分解特性、分子尺度上的裂纹机制以及高速铁路场景下气体的传输扩散规律；其次总结了新型气敏材料、多传感器融合嗅觉阵列、嗅觉感知装置及系统集成等技术体系；进一步分析了用于智能运维的嗅觉模式识别、多源信息融合诊断以及防爆风险预警评估方法；最后探讨了关键技术挑战与未来发展方向，以推动高速铁路开关设备外部缺陷检测的进一步研究与工程应用。

引言：牵引供电系统是高速铁路安全运行的基础动力来源，其运行可靠性直接影响列车的准点率以及乘客的生命财产安全。在该系统中，开关设备作为核心主设备，承担着故障断开、电源切换和故障段隔离等重要功能。保持其绝缘与密封性能的长期完好，是决定系统安全裕度的关键因素之一[1][2]。本文中所说的“外部缺陷检测”主要指一种非侵入式诊断方法，而非仅检测设备表面的缺陷。具体而言，是在开关设备外壳外部署嗅觉传感器，用于检测由于内部绝缘老化、过热、放电或密封性能下降而释放的特征气体。这样，缺陷源头可能在设备内部，而感知过程则在设备外部进行，无需拆卸设备或直接接触内部组件。

与传统电力系统相比，高速铁路的牵引供电开关设备具有独特的运行场景和工作条件。在设备配置方面，牵引供电系统多采用额定电压为27.5千伏的单极或双极开关，其绝缘设计裕度实际上高于传统的35千伏电网设备。从运行特点来看，牵引负载存在明显的波动和高谐波成分，这就需要频繁操作开关，并承受较大的冲击电流。近期的一些研究分别探讨了柔性直流牵引供电系统的故障特征与保护要求[3]、高速铁路自耦变压器牵引网络的统一故障定位方法[4]，以及交流并联自耦变压器供电系统的基于故障电流的定位算法[5]。在环境条件方面，27.5千伏牵引高压室的设计标准并未包含空调设施，因此设备长期处于较大的温度变化、高湿度以及列车经过时产生的振动环境中。长时间的无负荷运行还可能引发凝结现象。这些因素共同作用，使得高速铁路开关设备长期处于电应力、热应力、机械应力与环境应力等多重应力耦合的状态中，这极大地加速了绝缘材料的老化进程，同时还可能伴随可燃或有毒气体的产生与积聚。如果这些气体遇到电弧或高温表面，就有可能引发爆炸等灾难性事故。

统计数据显示，高速铁路开关设备的综合故障率可达20%至30%，其中由绝缘老化、过热或放电引发的“产气”故障占这些故障的40%以上[6][7]。绝缘老化本质上是一个由多场耦合驱动的渐进式退化过程。在电应力、温度循环变化、机械振动、湿热环境以及电化学效应的共同作用下，绝缘材料内部的链段断裂、界面脱粘以及极化性能下降等现象相互交织、叠加，最终导致介电性能下降和击穿概率增加。工程实践中经常会出现柜体气体膨胀、异味散发、局部过热甚至燃烧等现象[8][9]。现有的局部放电检测、红外温度测量以及传统绝缘监测方法在表征绝缘老化方面起到了一定作用，但它们对于涉及老化、分解、气体生成、扩散和爆炸的早期脆弱阶段，灵敏度还不够。对于气体绝缘设备，参考文献[10]提取了SF6的气体分解特征成分，并建立了三角形故障诊断方法，证明了特征气体在检测放电和过热故障方面的诊断价值。针对高速铁路基础设施，参考文献[11]提出了一种电磁热声技术，用于在线检测早期的内部缺陷，体现了在复杂铁路环境下提升早期缺陷感知能力的必要性。对于牵引供电系统，参考文献[12]开发了一种网络化单元保护方案，以提高故障清除的速度和选择性。尽管如此，现有研究仍然缺乏对牵引冲击条件下绝缘介质的快速失效机制、瞬态气体生成特性以及气体迁移规律的系统认识，其在预防控制和前馈调节方面的能力也明显不足。

在列车启动停止过程中，由于牵引电流的交替变化以及短期过载，绝缘单元可能在极短的时间内承受数倍甚至数十倍于额定值的应力。再加上温度的迅速上升和局部电场的畸变，还会引发局部放电、热应力集中和电化学腐蚀等多物理场耦合效应，从而加速材料降解和气体生成[13][14]。早期的分解气体具有浓度低、成分复杂、随时间变化剧烈且易被气流稀释等特点。参考文献[15]证明了气体传感技术在检测微量挥发性化合物方面的适用性，但也指出气体识别容易受到复杂背景的影响。参考文献[16]通过基于传感器的监测改进了特征气体的检测方法，强调了灵敏度和选择度在早期故障感知中的重要性。参考文献[17]进一步提出了针对气体相关信号的智能识别方法，说明了在干扰条件下提升系统鲁棒性的必要性。因此，迫切需要开发一种适合牵引运行条件及设备结构特点的多物理场耦合模型。该模型应从微观反应动力学和宏观场分布两个层面，阐明绝缘分解和气体生成的机制。通过整合特征气体谱图、多传感器融合技术以及智能识别方法，可实现低浓度特征气体的高精度检测与空间定位。此外，还需要建立绝缘状态、气体生成行为与柜内气体浓度及危害程度之间的定量映射关系，从而构建覆盖整个设备生命周期的主动防爆与风险预警技术体系。

总之，在复杂运行条件下高速铁路开关设备的绝缘失效与气体演化问题，仍是提升牵引供电系统本质安全性的关键挑战。围绕多物理场耦合、绝缘微观退化、低浓度气体检测以及防爆风险预警等方面的研究，有助于深入理解绝缘老化机制，为开发主动式的预防控制技术提供支持，这对于提升高速铁路供电设备的安全性与智能化水平具有重要意义。

章节节选：

气固绝缘介质中气体分解特性与机制研究：高速铁路开关设备可根据绝缘形式和柜体结构进行分类，典型的类型包括空气绝缘高压开关设备、气体绝缘开关设备（GIS）以及固体绝缘开关设备，如图1所示。一个典型的开关设备柜通常包含母线、断路器、隔离开关、接地开关、电缆终端、电流互感器、电压互感器、绝缘子以及二次控制和保护装置等关键部件。

电气嗅觉感知技术系统研究：电气嗅觉感知技术可以通过检测绝缘材料在放电、过热或局部电弧等情况下释放的微量挥发性气体，识别高速铁路开关设备的外部缺陷并提前发出预警。与传统电气参数监测相比，嗅觉感知技术能够通过“化学前体”直接捕捉材料层面的退化现象，因此在检测早期缺陷方面具有明显优势。

智能运维中的故障诊断与风险预测：随着新型气敏材料、多传感器阵列技术以及系统集成技术的不断发展，电气嗅觉感知技术已不再仅仅是独立的离线气体检测手段，它正在逐步发展成为一种涵盖“感知、传输、认知、决策和执行”全流程的智能运维支撑机制[104]。前面的讨论已经系统地分析了绝缘材料的分解过程。

挑战与未来趋势：总体而言，关于高速铁路开关设备中气体生成、扩散、检测以及外部缺陷评估等方面，仍存在若干关键的科学与工程问题尚未解决。主要的挑战可从多个方面来概括，如图9所示。

（1）外部缺陷引发的多物理场耦合机制尚不清楚，这使得难以准确描述电场畸变、气体生成等响应之间的内在关联。

结论：本文综述了基于电气嗅觉感知的高速铁路开关设备外部缺陷检测技术的研究进展，总结了气固绝缘介质的气体生成机制、分子尺度上的裂纹行为以及铁路运行环境下的气体传输扩散特性。研究结果表明，特征气体可以为识别绝缘老化、过热等问题提供有用的前期信息。

作者贡献声明：郑帅：；吴振生：；吴浩：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资金获取。杨海涛：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资金获取。张忠利：；聂永杰：。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究部分得到了国家高铁自主运行重点实验室在项目编号RAO2025ZD002下的资助，以及中国南方电网公司在项目编号YNKJXM20240027下的支持。

郑帅|吴振生|吴浩|杨海涛|张忠利|聂永杰
中国北京，北京交通大学电气工程学院，邮编100044