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

來源：發(fā)布時間：2024-09-19

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，需要定期對絕緣子表面的污穢度進行檢測，但傳統(tǒng)的停電取樣檢測周期長，耗費大量人力物力。

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，通過檢測等離子體光譜對物質(zhì)進行定性及定量分析。選取合適的絕緣子污穢測試策略，利用 LIBS 對其進行帶電檢測，可以將光譜強度與 ESDD、NSDD聯(lián)系起來，進一步對絕緣子表面污穢度進行表征。

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01 LIBS在線檢測安全性評估

利用2塊平板電極給高溫硫化硅橡膠試片施加交流電壓，利用泄漏電流測量裝置實時檢測泄漏電流變化情況，從而研究激光等離子體對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，得到的實時泄漏電流波形如圖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，得到的實時泄漏電流波形如圖1(b)所示。由圖可知，不施加激光作用時，實時測量得到的泄漏電流只有幾十微安，并且電流抖動較大，電流抖動較大主要是因為電極處發(fā)生了電暈放電。

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圖1 有/無激光轟擊時的泄露電流波形

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，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，無論轟擊多久，均未引起沿面閃絡(luò)。說明當(dāng)激光能量低于 400 mJ，重復(fù)率低于 15 Hz時，激光等離子體對絕緣子沿面放電電壓并無影響。

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

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圖2 絕緣子表面測試點

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 個點,每個絕緣子共選取 30 個點，用圈標注，作為 LIBS 測試點，如圖2所示。

完成 LIBS 測試后,根據(jù)標準 DL/T 1884.1-2018，采用擦拭和過濾法對10份樣品上表面的ESDD和NSDD進行測量，測量結(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

樣品分析測試中，運用單脈沖能量為75mJ的高能脈沖激光束，按照設(shè)定的激光脈沖頻率,對選取的分析點進行連續(xù)5次轟擊。在各次轟擊后，按照選定的3ms 時延與光譜儀積分時間對等離子體冷卻時的發(fā)射光譜進行采集，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)美國國家標準與技術(shù)研究院的原子光譜數(shù)據(jù)庫，查找光譜中各波長譜線對應(yīng)的元素種類以及相關(guān)的譜線信息，完成譜線波長與元素種類間的對應(yīng),光譜主要譜線對應(yīng)元素種類如圖。

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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到了Mg元素。

2.2特征譜線選取

ESDD主要與鹽類的含量有關(guān)，從自然污穢LIBS全譜圖中也可以看出 Na 元素的譜線強度較高,適宜作為表征元素；而對于NSDD，Ca元素作為鹽類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

相比于之前的人工污穢樣品，文中完全基于自然污穢進行研究，并且將特征譜線強度與ESDD、NSDD聯(lián)系起來，得出LIBS技術(shù)可以用于絕緣子自然污穢度的表征，為LIBS現(xiàn)場應(yīng)用于絕緣子表面污穢的在線檢測進一步奠定了理論基礎(chǔ)。
對于ESDD的表征，采用單獨區(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，測試策略為選取絕緣子內(nèi)環(huán)和中環(huán)作為測試對象，選取Na589.592nm作為特征譜線，利用聯(lián)合區(qū)域平均特征譜線強度對ESDD進行定標。
對于NSDD的表征，采用聯(lián)合區(qū)域的表征效果較差，采用單獨區(qū)域的表征效果較好且可以滿足需求，測試策略為選取絕緣子中環(huán)作為測試對象，選取A1396.152nm作為特征譜線，利用單獨區(qū)域特征譜線強度對NSDD進行定標。由于激光在玻璃絕緣子內(nèi)部也會形成光路，激光能量以及探測頻率等過高會對玻璃絕緣子造成損害甚至，因此LIBS對于玻璃絕緣子的燒蝕閾值仍須進一步討論。

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