莱森光学：基于激光诱导击穿光谱技术绝缘子污秽度分析

基于激光诱导击穿光谱技术绝缘子污秽度分析

污秽闪络是威胁电力系统安全的主要因素之一，为了预防污闪事故的发生，需要定期对绝缘子表面的污秽度进行检测，但传统的停电取样检测周期长，耗费大量人力物力。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种快速、在线、远程的化学分析手段，利用激光聚焦在物质表面烧蚀产生等离子体，通过检测等离子体光谱对物质进行定性及定量分析。选取合适的绝缘子污秽测试策略，利用 LIBS 对其进行带电检测，可以将光谱强度与 ESDD、NSDD联系起来，进一步对绝缘子表面污秽度进行表征。

01 LIBS在线检测安全性评估

利用2块平板电极给高温硫化硅橡胶试片施加交流电压，利用泄漏电流测量装置实时检测泄漏电流变化情况，从而研究激光等离子体对工频交流电压作用下绝缘材料泄漏电流的影响。采用平板电极在样品两端施加幅值为 16.3kV的交流电压，得到的实时泄漏电流波形如图1(a)所示。用单脉冲能量低至 70 mJ，高至 380 mJ，重复率 1~15 Hz 的脉冲激光轰击高温胶试片的中部及端部，同样采用平板电极在样品两端施加幅值为16.3kV的交流电压，得到的实时泄漏电流波形如图1(b)所示。由图可知，不施加激光作用时，实时测量得到的泄漏电流只有几十微安，并且电流抖动较大，电流抖动较大主要是因为电极处发生了电晕放电。

图1 有/无激光轰击时的泄露电流波形

同样使用高温硫化硅橡胶试片夹在2块平板电极之间，测量得到样品的沿面闪络电压约为29 kV。当样品两端电压加到28 kV 时，用激光能量 50~420mJ，重复率1~15 z的激光脉冲持续不断地轰击样品中部及端部，发现即使在最大能量、最高的脉冲重复率下，无论轰击多久，均未引起沿面闪络。说明当激光能量低于 400 mJ，重复率低于 15 Hz时，激光等离子体对绝缘子沿面放电电压并无影响。

综上所述，可以认为在单脉冲激光能量小于400mJ，脉冲重复率不超过15 Hz时，在样品中部或端部产生的激光等离子体对泄漏电流以及沿面放电电压的影响不明显，即 LIBS 在线检测基本不会对绝缘子的绝缘水平造成影响。

图2 绝缘子表面测试点

为了更全面地反映绝缘子表面的污秽度,获取尽可能多的光谱信息，将绝缘子上表面分为内、中外环,分别记为4、B、C，每环上均匀选取 10 个点,每个绝缘子共选取 30 个点，用圈标注，作为 LIBS 测试点，如图2所示。

完成 LIBS 测试后,根据标准 DL/T 1884.1-2018，采用擦拭和过滤法对10份样品上表面的ESDD和NSDD进行测量，测量结果如表1所示。

表1 绝缘子样品的ESDD和NSDD值

02 LIBS光谱分析

2.1自然污秽的LIBS全谱分析

样品分析测试中，运用单脉冲能量为75mJ的高能脉冲激光束，按照设定的激光脉冲频率,对选取的分析点进行连续5次轰击。在各次轰击后，按照选定的3ms 时延与光谱仪积分时间对等离子体冷却时的发射光谱进行采集，获取样品在不同脉冲激光轰击次数后的光谱信息，然后，依据美国国家标准与技术研究院的原子光谱数据库，查找光谱中各波长谱线对应的元素种类以及相关的谱线信息，完成谱线波长与元素种类间的对应,光谱主要谱线对应元素种类如图。

图3 自然污秽的LIBS全谱图

由图3可知,自然污秽中主要含有Na、Ca、Al、Fe这4种元素，未涂覆RTV的玻璃绝缘子表面还检测到了Mg元素。

2.2特征谱线选取

ESDD主要与盐类的含量有关，从自然污秽LIBS全谱图中也可以看出 Na 元素的谱线强度较高,适宜作为表征元素；而对于NSDD，Ca元素作为盐类主要元素之一显然不适合作为表征元素,而A作为高岭土中的主要元素之一，在自然污秽LIBS全谱图中强度也不低,适宜作为其表征元素。最终选取Na 589.592nm、Al 396.152nm谱线分别作为ESDD、NSDD的特征谱线。

03 结论

1. 相比于之前的人工污秽样品，文中完全基于自然污秽进行研究，并且将特征谱线强度与ESDD、NSDD联系起来，得出LIBS技术可以用于绝缘子自然污秽度的表征，为LIBS现场应用于绝缘子表面污秽的在线检测进一步奠定了理论基础。
2. 对于ESDD的表征，采用单独区域的表征效果较差，采用联合区域的表征效果较好且可以满足需求，测试策略为选取绝缘子内环和中环作为测试对象，选取Na589.592nm作为特征谱线，利用联合区域平均特征谱线强度对ESDD进行定标。
3. 对于NSDD的表征，采用联合区域的表征效果较差，采用单独区域的表征效果较好且可以满足需求，测试策略为选取绝缘子中环作为测试对象，选取A1396.152nm作为特征谱线，利用单独区域特征谱线强度对NSDD进行定标。由于激光在玻璃绝缘子内部也会形成光路，激光能量以及探测频率等过高会对玻璃绝缘子造成损害甚至爆炸，因此LIBS对于玻璃绝缘子的烧蚀阈值仍须进一步讨论。
   

推荐：

工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统

可根据用户需求和具体使用场景定制。例如：采用多个通道高分辨率光谱仪进行同步采集；采用一体化集成机箱，防尘防震防腐蚀，横跨传送带吊装设计、实时显示设备状态和测量结果；适应不同天气环境温度变化。