晉濤, 蘆山, 劉星廷, 何永琪, 王希林, 賈志東
(1. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原030001;2. 廣東省復(fù)雜濱海環(huán)境電力裝備可靠性工程技術(shù)研究中心,廣東 深圳 518055)
在絕緣子的各類(lèi)閃絡(luò)中,污穢閃絡(luò)對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行危害最大。隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷提高,各種工業(yè)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(dāng)遇到霧、露、毛毛雨以及融冰、融雪等潮濕天氣時(shí),在絕緣子表面形成導(dǎo)電水膜,從而構(gòu)成導(dǎo)電通道降低了污閃電壓,導(dǎo)致絕緣子發(fā)生污穢閃絡(luò)[1—4]。
對(duì)于絕緣子污穢度的表征,傳統(tǒng)的檢測(cè)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(dòng)擦取絕緣子污穢,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè),不僅對(duì)檢修人員的安全有巨大威脅,而且過(guò)程復(fù)雜、效率不高。尋找一種準(zhǔn)確且可用于現(xiàn)場(chǎng)分析的絕緣子污穢度在線(xiàn)分析方法十分必要,對(duì)提高我國(guó)電力系統(tǒng)安全以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有重要意義。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced break-down spectroscopy,LIBS)技術(shù)是一種快速、在線(xiàn)、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[9—11]。在收集光譜信號(hào)的過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)控制器的延時(shí)時(shí)間對(duì)形成等離子體與采集光譜信號(hào)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行控制,由此可以提高得到的光譜的信噪比。LIBS操作簡(jiǎn)單、分析迅速、靈敏度高且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè),廣泛應(yīng)用于文物鑒定[12]、工業(yè)分析[13]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[14—16]、生物醫(yī)學(xué)[17—18]以及太空探索[19]等領(lǐng)域。目前LIBS在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少,西安交通大學(xué)的袁歡等利用LIBS研究了真空滅弧室真空度的在線(xiàn)檢測(cè)[20];清華大學(xué)的王希林等利用LIBS對(duì)絕緣子的老化特征進(jìn)行了表征[21]。LIBS應(yīng)用于外絕緣污穢診斷時(shí)光譜信號(hào)也會(huì)受到周?chē)h(huán)境以及基體效應(yīng)的影響,影響其定量分析準(zhǔn)確性,目前通過(guò)歸一化、內(nèi)標(biāo)法等手段可以有效改善這一情況,且文中研究對(duì)象為自然污穢,其主要元素一般差別較小,受基體效應(yīng)影響較小。關(guān)于LIBS應(yīng)用于污穢物的檢測(cè),一些學(xué)者也對(duì)某些鹽類(lèi)進(jìn)行了定量分析,清華大學(xué)的王乃嘯等研究了人工污穢中若干鹽類(lèi)離子含量與特征譜線(xiàn)強(qiáng)度的定量關(guān)系,結(jié)果表明,LIBS可檢測(cè)污穢中絕大部分鹽類(lèi)元素含量[22]。Kumar等利用LIBS研究了近海環(huán)境中的鹽沉積對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的影響,結(jié)果表明,LIBS光譜特征峰(Na 588.99 nm)強(qiáng)度可以在一定程度上表征海上風(fēng)機(jī)的污染物水平[23]。但以上研究并沒(méi)有進(jìn)一步將光譜強(qiáng)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(biāo),從而利用光譜強(qiáng)度對(duì)污穢度進(jìn)行表征。
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,從而為ESDD、NSDD的測(cè)量提供一種簡(jiǎn)單快捷的新方法,該方法能夠克服傳統(tǒng)ESDD、NSDD法操作復(fù)雜、效率低下等缺陷。文中選取10個(gè)污穢程度不同的自然污穢玻璃絕緣子,對(duì)其進(jìn)行LIBS檢測(cè)得到光譜數(shù)據(jù),通過(guò)選取合適的特征譜線(xiàn),對(duì)比不同測(cè)試策略下的特征譜線(xiàn)強(qiáng)度與ESDD、NSDD的定量模型,得到最優(yōu)的絕緣子表面污穢度測(cè)試策略。
實(shí)驗(yàn)裝置的信息如下:激光器為Nimma-900型,波長(zhǎng)可設(shè)置為1 064 nm,532 nm,266 nm。當(dāng)激光脈沖為1 064 nm、脈沖持續(xù)時(shí)間為10 ns時(shí),輸出能量可達(dá)900 mJ。光譜儀為愛(ài)萬(wàn)提斯6通道光譜儀,對(duì)應(yīng)于從190 nm到640 nm的6個(gè)不同波段,采樣間隔約為0.01 nm。延時(shí)控制器為DG645數(shù)字延時(shí)發(fā)生器,脈沖重復(fù)頻率為10 mHz。為了獲得最大信噪比的光譜,延時(shí)時(shí)間和分光計(jì)的積分時(shí)間分別設(shè)置為3 μs和30 μs[24]。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:調(diào)整樣品臺(tái)的高度,使樣品位于凸透鏡的焦點(diǎn)上。延時(shí)控制的具體過(guò)程為一個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)被發(fā)送到DG645,使其向激光器發(fā)射信號(hào)控制釋放脈沖激光,激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)反射聚焦于待測(cè)樣品表面以下2 mm處,燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體。以觸發(fā)激光器的時(shí)刻為起點(diǎn),經(jīng)過(guò)3 μs后DG645向光譜儀發(fā)射信號(hào)控制開(kāi)始采集光譜信號(hào),積分時(shí)間為30 μs。光信號(hào)經(jīng)光電倍增管增強(qiáng)后,由電荷耦合器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中[25]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到實(shí)際到達(dá)樣品表面的激光能量范圍為50~500 mJ。
對(duì)于LIBS在高壓環(huán)境下在線(xiàn)檢測(cè)的安全性,文獻(xiàn)[26]對(duì)高壓直流下的納秒激光誘導(dǎo)間隙擊穿放電現(xiàn)象進(jìn)行了研究,模擬了2.4 cm空氣間隙開(kāi)關(guān)的激光觸發(fā),發(fā)現(xiàn)激光入射與放電通道形成之間的時(shí)間延遲隨間隙電壓升高呈現(xiàn)近似指數(shù)形式的減小。在LIBS檢測(cè)過(guò)程中,絕緣子出現(xiàn)的放電類(lèi)型應(yīng)為沿面閃絡(luò),并且絕緣子的電極間距離一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣間隙開(kāi)關(guān)的間隙,因此不能直接沿用激光誘導(dǎo)間隙放電的研究結(jié)論。為了進(jìn)一步研究激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)絕緣子絕緣水平的影響,文中研究了激光等離子體對(duì)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(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16.3 kV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16.3 kV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1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,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能聽(tīng)到電暈放電的聲音。施加激光作用時(shí),泄漏電流的幅值與未施加激光作用時(shí)接近,均為60 μA左右,因此可以認(rèn)為,在不同的激光器設(shè)置情況下激光等離子體對(duì)泄漏電流的影響并不明顯。

圖1 有/無(wú)激光轟擊時(shí)的泄漏電流波形Fig.1 Waveforms of leakage current withlaser bombardment or not
雖然發(fā)現(xiàn)在單脈沖激光能量低于400 mJ,脈沖重復(fù)率低于15 Hz時(shí)激光等離子體對(duì)泄漏電流的影響不顯著,但仍應(yīng)考慮其對(duì)沿面閃絡(luò)有無(wú)誘導(dǎo)作用,因此進(jìn)行了激光等離子體對(duì)沿面放電電壓影響的實(shí)驗(yàn)。
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50~420 mJ,重復(fù)率1~15 Hz的激光脈沖持續(xù)不斷地轟擊樣品中部及端部,發(fā)現(xiàn)即使在最大能量、最高的脈沖重復(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400 mJ,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(xiàn)檢測(cè)基本不會(huì)對(duì)絕緣子的絕緣水平造成影響。
文中采用的樣品為10個(gè)表面污穢程度不同的絕緣子,分別編號(hào)為1號(hào)~10號(hào),其中1號(hào)~4號(hào)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(hào)~10號(hào)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(nèi)、中、外環(huán),分別記為A、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L(zhǎng)IBS測(cè)試點(diǎn),如圖2所示。

圖2 絕緣子表面測(cè)試點(diǎn)選取Fig.2 Insulator surface test points selection
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Table 1 ESDD and NSDD of insulator samples
樣品分析測(cè)試中,按照1.3節(jié)中所選取的分析點(diǎn),運(yùn)用單脈沖能量為75 mJ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3 μs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(xiàn)對(duì)應(yīng)的元素種類(lèi)以及相關(guān)的譜線(xiàn)信息,完成譜線(xiàn)波長(zhǎng)與元素種類(lèi)間的對(duì)應(yīng),光譜主要譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)元素種類(lèi)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(cè)到了Mg元素。
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(xiàn)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(qiáng)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(xiàn)分別作為ESDD、NSDD的特征譜線(xiàn)。
為了降低偶然誤差,對(duì)于內(nèi)、中、外環(huán)3個(gè)區(qū)域,分別對(duì)各區(qū)域所選取的10個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)取平均值。選取4號(hào)和7號(hào)樣品作為檢驗(yàn)樣品,其余8個(gè)樣品作為定標(biāo)樣品,進(jìn)行最優(yōu)測(cè)試策略的研究。
圖4為A、B、C3個(gè)單獨(dú)區(qū)域的Na特征譜線(xiàn)強(qiáng)度分別對(duì)ESDD的定標(biāo)結(jié)果。其中R2為擬合直線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)。

圖4 單獨(dú)區(qū)域?qū)SDD定標(biāo)結(jié)果Fig.4 Calibration results for ESDD in separate regions
圖4中各單獨(dú)區(qū)域擬合直線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)分別為0.311 1,0.503 6,0.026 2,其中C單獨(dú)區(qū)域定標(biāo)結(jié)果甚至呈負(fù)相關(guān)狀態(tài),可以看出僅通過(guò)某一區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)對(duì)ESDD進(jìn)行表征是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,并且猜測(cè)C區(qū)域光譜數(shù)據(jù)不利于Na特征譜線(xiàn)強(qiáng)度對(duì)于ESDD的定標(biāo),接下來(lái)通過(guò)2種或3種區(qū)域的特征譜線(xiàn)強(qiáng)度取平均值后再對(duì)ESDD進(jìn)行表征,圖5為分別采用AB、AC、BC、ABC聯(lián)合后對(duì)ESDD的定標(biāo)結(jié)果。

圖5 聯(lián)合區(qū)域?qū)SDD定標(biāo)結(jié)果Fig.5 Calibration results for ESDD in joint regions