基于激光誘導擊穿光譜的絕緣子污穢度分析

晉濤， 蘆山， 劉星廷， 何永琪， 王希林， 賈志東

(1. 國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原030001；2. 廣東省復雜濱海環境電力裝備可靠性工程技術研究中心，廣東 深圳 518055)

0 引言

在絕緣子的各類閃絡中，污穢閃絡對電力系統安全運行危害最大。隨著我國工業水平的不斷提高，各種工業粉塵、煙塵排放量大大增加，這些污穢可能附著于絕緣子的表面，當遇到霧、露、毛毛雨以及融冰、融雪等潮濕天氣時，在絕緣子表面形成導電水膜，從而構成導電通道降低了污閃電壓，導致絕緣子發生污穢閃絡[1—4]。

對于絕緣子污穢度的表征，傳統的檢測方法[5—8]需要檢修人員登上幾十米甚至上百米的輸電桿塔上手動擦取絕緣子污穢，帶回實驗室進行檢測，不僅對檢修人員的安全有巨大威脅，而且過程復雜、效率不高。尋找一種準確且可用于現場分析的絕緣子污穢度在線分析方法十分必要，對提高我國電力系統安全以及經濟發展水平有重要意義。

激光誘導擊穿光譜(laser-induced break-down spectroscopy,LIBS)技術是一種快速、在線、遠程的化學分析手段，利用激光聚焦在物質表面燒蝕產生等離子體，通過檢測等離子體光譜對物質進行定性及定量分析[9—11]。在收集光譜信號的過程中，可以通過調節延時控制器的延時時間對形成等離子體與采集光譜信號之間的時間間隔進行控制，由此可以提高得到的光譜的信噪比。LIBS操作簡單、分析迅速、靈敏度高且可以實現遠距離探測，廣泛應用于文物鑒定[12]、工業分析[13]、環境監測[14—16]、生物醫學[17—18]以及太空探索[19]等領域。目前LIBS在電氣工程領域的應用較少，西安交通大學的袁歡等利用LIBS研究了真空滅弧室真空度的在線檢測[20]；清華大學的王希林等利用LIBS對絕緣子的老化特征進行了表征[21]。LIBS應用于外絕緣污穢診斷時光譜信號也會受到周圍環境以及基體效應的影響，影響其定量分析準確性，目前通過歸一化、內標法等手段可以有效改善這一情況，且文中研究對象為自然污穢，其主要元素一般差別較小，受基體效應影響較小。關于LIBS應用于污穢物的檢測，一些學者也對某些鹽類進行了定量分析，清華大學的王乃嘯等研究了人工污穢中若干鹽類離子含量與特征譜線強度的定量關系，結果表明，LIBS可檢測污穢中絕大部分鹽類元素含量[22]。Kumar等利用LIBS研究了近海環境中的鹽沉積對風力渦輪機葉片的影響，結果表明，LIBS光譜特征峰(Na 588.99 nm)強度可以在一定程度上表征海上風機的污染物水平[23]。但以上研究并沒有進一步將光譜強度與整體污穢水平代表值，如等值鹽密(equivalent salt de￣posit density,ESDD)、等值灰密(non-soluble de￣posit density,NSDD)等定標，從而利用光譜強度對污穢度進行表征。

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聯系起來，進一步對絕緣子表面污穢度進行表征，從而為ESDD、NSDD的測量提供一種簡單快捷的新方法，該方法能夠克服傳統ESDD、NSDD法操作復雜、效率低下等缺陷。文中選取10個污穢程度不同的自然污穢玻璃絕緣子，對其進行LIBS檢測得到光譜數據，通過選取合適的特征譜線，對比不同測試策略下的特征譜線強度與ESDD、NSDD的定量模型，得到最優的絕緣子表面污穢度測試策略。

1 實驗裝置及樣品

1.1 LIBS裝置及參數設置

實驗裝置的信息如下：激光器為Nimma-900型，波長可設置為1 064 nm，532 nm，266 nm。當激光脈沖為1 064 nm、脈沖持續時間為10 ns時，輸出能量可達900 mJ。光譜儀為愛萬提斯6通道光譜儀，對應于從190 nm到640 nm的6個不同波段，采樣間隔約為0.01 nm。延時控制器為DG645數字延時發生器，脈沖重復頻率為10 mHz。為了獲得最大信噪比的光譜，延時時間和分光計的積分時間分別設置為3 μs和30 μs[24]。

實驗過程如下：調整樣品臺的高度，使樣品位于凸透鏡的焦點上。延時控制的具體過程為一個外部觸發信號被發送到DG645，使其向激光器發射信號控制釋放脈沖激光，激光經過光學系統反射聚焦于待測樣品表面以下2 mm處，燒蝕樣品產生等離子體。以觸發激光器的時刻為起點，經過3 μs后DG645向光譜儀發射信號控制開始采集光譜信號，積分時間為30 μs。光信號經光電倍增管增強后，由電荷耦合器件轉換成電信號并存儲在計算機中[25]。實驗測量得到實際到達樣品表面的激光能量范圍為50～500 mJ。

1.2 LIBS在線檢測安全性評估

對于LIBS在高壓環境下在線檢測的安全性，文獻[26]對高壓直流下的納秒激光誘導間隙擊穿放電現象進行了研究，模擬了2.4 cm空氣間隙開關的激光觸發，發現激光入射與放電通道形成之間的時間延遲隨間隙電壓升高呈現近似指數形式的減小。在LIBS檢測過程中，絕緣子出現的放電類型應為沿面閃絡，并且絕緣子的電極間距離一般遠遠大于空氣間隙開關的間隙，因此不能直接沿用激光誘導間隙放電的研究結論。為了進一步研究激光誘導等離子體對絕緣子絕緣水平的影響，文中研究了激光等離子體對泄漏電流以及沿面放電電壓的影響。

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16.3 kV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16.3 kV的交流電壓，得到的實時泄漏電流波形如圖1(b)所示。由圖1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生了電暈放電，實驗過程中能聽到電暈放電的聲音。施加激光作用時，泄漏電流的幅值與未施加激光作用時接近，均為60 μA左右，因此可以認為，在不同的激光器設置情況下激光等離子體對泄漏電流的影響并不明顯。

圖1 有/無激光轟擊時的泄漏電流波形Fig.1 Waveforms of leakage current withlaser bombardment or not

雖然發現在單脈沖激光能量低于400 mJ，脈沖重復率低于15 Hz時激光等離子體對泄漏電流的影響不顯著，但仍應考慮其對沿面閃絡有無誘導作用，因此進行了激光等離子體對沿面放電電壓影響的實驗。

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電壓約為29 kV。當樣品兩端電壓加到28 kV時，用激光能量50～420 mJ，重復率1～15 Hz的激光脈沖持續不斷地轟擊樣品中部及端部，發現即使在最大能量、最高的脈沖重復率下，無論轟擊多久，均未引起沿面閃絡。說明當激光能量低于400 mJ，重復率低于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400 mJ，脈沖重復率不超過15 Hz時，在樣品中部或端部產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。

1.3 樣品準備及測試

文中采用的樣品為10個表面污穢程度不同的絕緣子，分別編號為1號～10號，其中1號～4號為表面涂覆室溫硫化硅橡膠(room temperature vulcani￣zed,RTV)的玻璃絕緣子，5號～10號為玻璃絕緣子。

為了更全面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、中、外環，分別記為A、B、C，每環上均勻選取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。

圖2 絕緣子表面測試點選取Fig.2 Insulator surface test points selection

完成LIBS測試后，根據標準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，測量結果如表1所示。

表1 絕緣子樣品的ESDD和NSDD值Table 1 ESDD and NSDD of insulator samples

2 LIBS光譜分析及測試策略

2.1 自然污穢的LIBS全譜分析

樣品分析測試中，按照1.3節中所選取的分析點，運用單脈沖能量為75 mJ的高能脈沖激光束，按照設定的激光脈沖頻率，對選取的分析點進行連續5次轟擊。在各次轟擊后，按照選定的3 μs時延與光譜儀積分時間對等離子體冷卻時的發射光譜進行采集，獲取樣品在不同脈沖激光轟擊次數后的光譜信息，然后，依據美國國家標準與技術研究院的原子光譜數據庫，查找光譜中各波長譜線對應的元素種類以及相關的譜線信息，完成譜線波長與元素種類間的對應，光譜主要譜線對應元素種類如圖3所示。

圖3 自然污穢的LIBS全譜圖Fig.3 LIBS full spectrum of natural filth

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，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Al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。最終選取Na 589.592 nm、Al 396.152 nm譜線分別作為ESDD、NSDD的特征譜線。

2.3 測試策略

為了降低偶然誤差，對于內、中、外環3個區域，分別對各區域所選取的10個點的光譜數據取平均值。選取4號和7號樣品作為檢驗樣品，其余8個樣品作為定標樣品，進行最優測試策略的研究。

圖4為A、B、C3個單獨區域的Na特征譜線強度分別對ESDD的定標結果。其中R2為擬合直線的相關系數。

圖4 單獨區域對ESDD定標結果Fig.4 Calibration results for ESDD in separate regions

圖4中各單獨區域擬合直線的相關系數分別為0.311 1，0.503 6，0.026 2，其中C單獨區域定標結果甚至呈負相關狀態，可以看出僅通過某一區域的光譜數據對ESDD進行表征是遠遠不夠的，并且猜測C區域光譜數據不利于Na特征譜線強度對于ESDD的定標，接下來通過2種或3種區域的特征譜線強度取平均值后再對ESDD進行表征，圖5為分別采用AB、AC、BC、ABC聯合后對ESDD的定標結果。

圖5 聯合區域對ESDD定標結果Fig.5 Calibration results for ESDD in joint regions

圖5中各聯合區域擬合直線的相關系數分別為0.948 1，0.120 0，0.408 4，0.760 5，可以發現相關系數AC

下文討論Al特征譜線強度對NSDD的定標模型，類似于之前的思路，先討論單獨區域對NSDD的定標結果，圖6為A、B、C單獨區域的特征譜線強度分別對NSDD的定標結果。

圖6 單獨區域對NSDD定標結果Fig.6 Calibration results for NSDD in separate regions

圖6中各區域擬合直線的相關系數分別為0.473 9，0.938 3，0.153 6，發現利用B單獨區域的特征譜線強度對NSDD進行定標效果最好且達到0.9以上。但是為了尋找最優的測試策略，考慮到可能會出現與ESDD類似的聯合區域定標結果優于單獨區域的情況，仍然考慮通過2種或3種區域的特征譜線強度取平均值后再對NSDD進行表征，圖7為分別采用AB、AC、BC、ABC聯合后對NSDD的定標結果。

圖7 聯合區域對NSDD定標結果Fig.7 Calibration results for NSDD in joint regions

圖7中各聯合區域擬合直線的相關系數分別為0.793 6，0.474 7，0.777 5，0.747 0，可以看出AB、BC、ABC聯合區域的定標結果均不如B單獨區域的定標結果，其中AB聯合區域定標結果的相關系數最高，但相對于B單獨區域定標結果的相關系數仍然略低，并且AC聯合區域的定標結果也不理想，因此最終可以認為B單獨區域的特征譜線強度對NSDD進行定標效果最優。

通過對比研究得到ESDD與NSDD的定標模型關系式分別為y=70 632x+1 352.8，y=1 677x+151.75，其中y為特征譜線強度值，x為ESDD或NSDD值。將檢驗樣品4號和7號的特征譜線強度代入定標模型中，得到的結果如表2所示。

表2 4號和7號樣品預測結果Table 2 Prediction results of samples No.4 and No.7

可以看出，利用定標模型對檢驗樣品進行預測所得的ESDD、NSDD值誤差較小，只有7號樣品的NSDD預測值誤差較大，但也在15%以內，可以認為文中測試策略具有實用意義。

綜上所述，對于ESDD的測量，將絕緣子上表面分為內、中、外環，分別在內環和中環上均勻選取10個點，共選取20個點， 運用單脈沖能量為75 mJ的高能脈沖激光束，按照設定的激光脈沖頻率，對選取的分析點進行連續5次轟擊，將所收集的光譜數據取平均值，提取出Na 589.92 nm特征譜線的強度，對比定標模型，獲取ESDD值。考慮到能夠對絕緣子進行帶電檢測，受到絕緣子串形狀的影響，絕緣子下表面不易被激光探測，而絕緣子上、下表面的污穢度又有著很大的區別，但其比值在某一地區通常較接近，瓷和玻璃絕緣子上、下表面ESDD比值一般為1∶ 5～1∶10，對于下表面的ESDD，可以參考當地的上、下表面ESDD比值確定[27—31]。

對于NSDD的測量，將絕緣子上表面分為內、中、外環，僅在中環上均勻選取10個點， 運用單脈沖能量為75 mJ的高能脈沖激光束，按照設定的激光脈沖頻率，對選取的分析點進行連續5次轟擊，將所收集的光譜數據取平均值，提取出Al 396.152 nm特征譜線的強度，對比定標模型，獲取NSDD值。對于下表面的NSDD值，處理方法同理于ESDD。

3 結論

文中搭建LIBS實驗平臺，以10個ESDD、NSDD值不同的自然污穢玻璃絕緣子為研究對象，選取合適的特征譜線，分別對ESDD、NSDD定標模型的最優測試策略進行研究。結論如下：

(1) 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聯系起來，得出LIBS技術可以用于絕緣子自然污穢度的表征，為LIBS現場應用于絕緣子表面污穢的在線檢測進一步奠定了理論基礎。

(2) 對于ESDD的表征，采用單獨區域的表征效果較差，采用聯合區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環和中環作為測試對象，選取Na 589.592 nm作為特征譜線，利用聯合區域平均特征譜線強度對ESDD進行定標。

(3) 對于NSDD的表征，采用聯合區域的表征效果較差，采用單獨區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作為測試對象，選取Al 396.152 nm作為特征譜線，利用單獨區域特征譜線強度對NSDD進行定標。

由于激光在玻璃絕緣子內部也會形成光路，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爆炸，因此LIBS對于玻璃絕緣子的燒蝕閾值仍須進一步討論。

本文得到國網山西省電力公司科技項目(SGSXDK00SPJS1900162)資助，謹此致謝！