萊森光學(xué)：基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢度分析

基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢度分析

污穢閃絡(luò)是威脅電力系統(tǒng)安全的主要因素之一，為了預(yù)防污閃事故的發(fā)生，需要定期對(duì)絕緣子表面的污穢度進(jìn)行檢測(cè)，但傳統(tǒng)的停電取樣檢測(cè)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力物力。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是一種快速、在線、遠(yuǎn)程的化學(xué)分析手段，利用激光聚焦在物質(zhì)表面燒蝕產(chǎn)生等離子體，通過(guò)檢測(cè)等離子體光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性及定量分析。選取合適的絕緣子污穢測(cè)試策略，利用 LIBS 對(duì)其進(jìn)行帶電檢測(cè)，可以將光譜強(qiáng)度與 ESDD、NSDD聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步對(duì)絕緣子表面污穢度進(jìn)行表征。

01 LIBS在線檢測(cè)安全性評(píng)估

利用2塊平板電極給高溫硫化硅橡膠試片施加交流電壓，利用泄漏電流測(cè)量裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)泄漏電流變化情況，從而研究激光等離子體對(duì)工頻交流電壓作用下絕緣材料泄漏電流的影響。采用平板電極在樣品兩端施加幅值為 16.3kV的交流電壓，得到的實(shí)時(shí)泄漏電流波形如圖1(a)所示。用單脈沖能量低至 70 mJ，高至 380 mJ，重復(fù)率 1~15 Hz 的脈沖激光轟擊高溫膠試片的中部及端部，同樣采用平板電極在樣品兩端施加幅值為16.3kV的交流電壓，得到的實(shí)時(shí)泄漏電流波形如圖1(b)所示。由圖可知，不施加激光作用時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量得到的泄漏電流只有幾十微安，并且電流抖動(dòng)較大，電流抖動(dòng)較大主要是因?yàn)殡姌O處發(fā)生了電暈放電。

圖1 有/無(wú)激光轟擊時(shí)的泄露電流波形

同樣使用高溫硫化硅橡膠試片夾在2塊平板電極之間，測(cè)量得到樣品的沿面閃絡(luò)電壓約為29 kV。當(dāng)樣品兩端電壓加到28 kV 時(shí)，用激光能量 50~420mJ，重復(fù)率1~15 z的激光脈沖持續(xù)不斷地轟擊樣品中部及端部，發(fā)現(xiàn)即使在比較大能量、比較高的脈沖重復(fù)率下，無(wú)論轟擊多久，均未引起沿面閃絡(luò)。說(shuō)明當(dāng)激光能量低于 400 mJ，重復(fù)率低于 15 Hz時(shí)，激光等離子體對(duì)絕緣子沿面放電電壓并無(wú)影響。

綜上所述，可以認(rèn)為在單脈沖激光能量小于400mJ，脈沖重復(fù)率不超過(guò)15 Hz時(shí)，在樣品中部或端部產(chǎn)生的激光等離子體對(duì)泄漏電流以及沿面放電電壓的影響不明顯，即 LIBS 在線檢測(cè)基本不會(huì)對(duì)絕緣子的絕緣水平造成影響。

圖2 絕緣子表面測(cè)試點(diǎn)

為了更***地反映絕緣子表面的污穢度,獲取盡可能多的光譜信息，將絕緣子上表面分為內(nèi)、中外環(huán),分別記為4、B、C，每環(huán)上均勻選取 10 個(gè)點(diǎn),每個(gè)絕緣子共選取 30 個(gè)點(diǎn)，用圈標(biāo)注，作為 LIBS 測(cè)試點(diǎn)，如圖2所示。

完成 LIBS 測(cè)試后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 1884.1-2018，采用擦拭和過(guò)濾法對(duì)10份樣品上表面的ESDD和NSDD進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣子樣品的ESDD和NSDD值

02 LIBS光譜分析

2.1自然污穢的LIBS全譜分析

樣品分析測(cè)試中，運(yùn)用單脈沖能量為75mJ的高能脈沖激光束，按照設(shè)定的激光脈沖頻率,對(duì)選取的分析點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)5次轟擊。在各次轟擊后，按照選定的3ms 時(shí)延與光譜儀積分時(shí)間對(duì)等離子體冷卻時(shí)的發(fā)射光譜進(jìn)行采集，獲取樣品在不同脈沖激光轟擊次數(shù)后的光譜信息，然后，依據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，查找光譜中各波長(zhǎng)譜線對(duì)應(yīng)的元素種類(lèi)以及相關(guān)的譜線信息，完成譜線波長(zhǎng)與元素種類(lèi)間的對(duì)應(yīng),光譜主要譜線對(duì)應(yīng)元素種類(lèi)如圖。

圖3 自然污穢的LIBS全譜圖

由圖3可知,自然污穢中主要含有Na、Ca、Al、Fe這4種元素，未涂覆RTV的玻璃絕緣子表面還檢測(cè)到了Mg元素。

2.2特征譜線選取

ESDD主要與鹽類(lèi)的含量有關(guān)，從自然污穢LIBS全譜圖中也可以看出 Na 元素的譜線強(qiáng)度較高,適宜作為表征元素；而對(duì)于NSDD，Ca元素作為鹽類(lèi)主要元素之一顯然不適合作為表征元素,而A作為高嶺土中的主要元素之一，在自然污穢LIBS全譜圖中強(qiáng)度也不低,適宜作為其表征元素。**終選取Na 589.592nm、Al 396.152nm譜線分別作為ESDD、NSDD的特征譜線。

03 結(jié)論

1. 相比于之前的人工污穢樣品，文中完全基于自然污穢進(jìn)行研究，并且將特征譜線強(qiáng)度與ESDD、NSDD聯(lián)系起來(lái)，得出LIBS技術(shù)可以用于絕緣子自然污穢度的表征，為L(zhǎng)IBS現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用于絕緣子表面污穢的在線檢測(cè)進(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。

2. 對(duì)于ESDD的表征，采用單獨(dú)區(qū)域的表征效果較差，采用聯(lián)合區(qū)域的表征效果較好且可以滿足需求，測(cè)試策略為選取絕緣子內(nèi)環(huán)和中環(huán)作為測(cè)試對(duì)象，選取Na589.592nm作為特征譜線，利用聯(lián)合區(qū)域平均特征譜線強(qiáng)度對(duì)ESDD進(jìn)行定標(biāo)。

3. 對(duì)于NSDD的表征，采用聯(lián)合區(qū)域的表征效果較差，采用單獨(dú)區(qū)域的表征效果較好且可以滿足需求，測(cè)試策略為選取絕緣子中環(huán)作為測(cè)試對(duì)象，選取A1396.152nm作為特征譜線，利用單獨(dú)區(qū)域特征譜線強(qiáng)度對(duì)NSDD進(jìn)行定標(biāo)。由于激光在玻璃絕緣子內(nèi)部也會(huì)形成光路，激光能量以及探測(cè)頻率等過(guò)高會(huì)對(duì)玻璃絕緣子造成損害甚至，因此LIBS對(duì)于玻璃絕緣子的燒蝕閾值仍須進(jìn)一步討論。

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