激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在絕緣子污穢成分分析中的應(yīng)用研究

劉文昊，王 楠，王希林

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力公司檢修分公司，北京 102488；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；3.深圳復(fù)雜濱海環(huán)境電力裝備可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引言

電網(wǎng)運(yùn)行中絕緣子表面污穢物積累到一定量后，一旦受潮就會(huì)發(fā)生絕緣子串表面閃絡(luò)，即電網(wǎng)污閃事故[1]。電網(wǎng)污閃事故不僅與絕緣子表面的污穢量有關(guān)，而且與污穢成分有關(guān)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第1部分：定義、信息和一般原則（GB/T 26218.1—2010）》要求，在必要時(shí)進(jìn)行污穢成分檢測(cè)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備停電，人工爬至絕緣子上進(jìn)行污穢取樣、送樣以及在試驗(yàn)室進(jìn)行成分檢測(cè)，時(shí)間長(zhǎng)、成本高[2]，而激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS（laser-induced breakdown spectroscopy）技 術(shù)則是以脈沖激光技術(shù)為基礎(chǔ)，通過高能激光聚焦手段，可對(duì)0～100 m范圍內(nèi)的樣本物質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程非接觸式的無(wú)損檢測(cè)[3]。為了保證電網(wǎng)正常運(yùn)行，提高絕緣子上污穢元素的檢測(cè)精度、速度和相對(duì)光譜強(qiáng)度，本文進(jìn)行了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在絕緣子污穢成分分析中的應(yīng)用研究。

1 LIBS工作原理

LIBS的工作原理為：激光照射污穢樣品，激發(fā)、蒸發(fā)和解離污穢，使其形成等離子體，光譜收光裝置將收集到的等離子體在冷卻過程中形成的連續(xù)背景光譜傳送到光譜儀中進(jìn)行分光，與其耦合的探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)化和傳輸，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和分析，最終實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分定量分析。

2 絕緣子污穢成分分析

絕緣子污穢成分復(fù)雜多樣，并隨環(huán)境的不同污穢的成分種類也有差異。自然界可溶的污穢物主要是一些可導(dǎo)電的電解質(zhì)，如NaCl、CaSO4、ZnSO4、Na2SO4、NaNO3、KNO3等，不可溶的污穢物主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgSO4、C、CaO等。根據(jù)《2021版山西電網(wǎng)特殊區(qū)域分布圖——污區(qū)分布圖》的編制說明，山西電網(wǎng)污穢的水溶液中可溶鹽的陽(yáng)離子主要為Ca2+、K+、Na+、Mg2+，陰離子主要為SO42-、Cl-、F-、NO2-，幾種主要的鹽為CaSO4、KCl、NaCl、MgSO4、NH4NO3。

3 絕緣子污穢成分測(cè)試技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試比對(duì)

在污穢成分直接檢測(cè)方面，除了離子色譜法、X射線衍射等離子發(fā)射光譜法等常用的材料成分分析手段以外，很少有學(xué)者研究針對(duì)于絕緣子污穢成分的帶電檢測(cè)方法。LIBS可通過激光遠(yuǎn)程照射，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備帶電檢測(cè)，極大地提高了檢測(cè)效率[4]。為對(duì)LIBS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，本文使用能量色散X射線光譜儀EDS（energy dispersive Xray spectroscopy）技術(shù)測(cè)試進(jìn)行比較。

4 采樣污穢物的微量分析和LIBS檢測(cè)

自然污穢中常含有對(duì)污穢閃絡(luò)影響較大的NaCl、KCl等成分。利用EDS測(cè)試采樣絕緣子表面污穢物元素的相對(duì)原子含量時(shí)，結(jié)果顯示，絕緣子表面污穢物中元素成分種類非常少，幾乎沒有Cl元素。究其原因，認(rèn)為可能是絕緣子表面的NaCl、KCl等成分因潮濕、下雨等溶解沖刷作用而消除，所以EDS檢測(cè)時(shí)并沒有檢測(cè)得到常見的Cl元素分布。利用LIBS技術(shù)測(cè)試采樣絕緣子表面污穢物元素的相對(duì)原子含量時(shí)，得到的自然污穢原始光譜如圖1所示。根據(jù)原子發(fā)射光譜的原理，相同元素具有多條發(fā)射譜線，因此在試驗(yàn)中需要選取能夠反映試驗(yàn)結(jié)果特征的波長(zhǎng)，進(jìn)而確定該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的元素種類和相對(duì)光譜強(qiáng)度[5-6]。

圖1 自然污穢下的LIBS測(cè)試圖譜

在利用EDS進(jìn)行樣品面掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)硅橡膠燒蝕坑檢測(cè)不到Na、Mg等元素，而利用LIBS檢測(cè)樣品時(shí)看到有微量的Na、Mg等元素存在。因此，利用LIBS檢測(cè)元素不僅可實(shí)現(xiàn)快速在線檢測(cè)，還有助于進(jìn)一步降低現(xiàn)有成分檢測(cè)的檢出限范圍，提高了定量/定性分析成分的準(zhǔn)確性。

5 LIBS檢測(cè)的影響因素

5.1 單脈沖激光能量對(duì)LIBS信號(hào)的影響

污穢以薄層形式分布在絕緣子表面，激光脈沖作用于樣品上時(shí)，等離子體容易直接穿透污穢薄層至絕緣子基體表面，導(dǎo)致光譜中同時(shí)包含污穢信息和基體信息，不僅影響污穢分析的精度，還可能使絕緣子基底損傷從而影響其電氣性能。

a）對(duì)表面有污穢的絕緣樣品進(jìn)行LIBS實(shí)驗(yàn)時(shí)，先通過電子顯微鏡SEM（scanning electronic microscopy）觀察在實(shí)驗(yàn)條件（激光能量60 mJ）下2次轟擊后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光第一次作用于樣品表面時(shí)，只有污穢層被燒蝕；當(dāng)激光第二次作用于樣品表面時(shí)，激光燒蝕的孔洞變大，且在大坑洞內(nèi)部有明顯的二次轟擊時(shí)激光燒蝕絕緣子基體后形成的痕跡。由此可知，為獲取覆藻——污穢絕緣子表面的污穢薄層信息而不損傷絕緣子基底，只需要進(jìn)行一次轟擊。

b）獲取不同激光能量下的光譜強(qiáng)度，選取合理的激光能量區(qū)間。在一定范圍內(nèi)，隨著激光能量的增加單位靶表面上吸收的能量越強(qiáng)，會(huì)增大樣品部分元素的光譜強(qiáng)度，超過這個(gè)區(qū)間可能導(dǎo)致元素發(fā)生自吸效應(yīng)或者基體效應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。配比人工污穢進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示：隨著脈沖激光輸出能量的增加，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度也出現(xiàn)不同程度的增加，但在396.592 nm下Al元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度已提前飽和。由此可知，過高的激光能量雖然能提高光譜強(qiáng)度，但也會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成干擾。因此，選取合理的激光能量區(qū)間很重要。

LIBS方法的描述如下：在每個(gè)樣本的表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行了5次連續(xù)的激光處理。處理結(jié)果顯示：在樣品表面聚焦的激光器直徑為0.8 mm時(shí)，光譜線強(qiáng)度隨脈沖激光能量強(qiáng)度的增加而增加，但隨著光譜強(qiáng)度的進(jìn)一步增加幾乎所有元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD（relative standard deviation）都逐漸降低。由此說明4點(diǎn)問題，一是RSD與樣品的濃度和光譜線強(qiáng)度有關(guān)，并受光譜分析條件和儀器性能的影響；二是被測(cè)元素的相對(duì)光譜強(qiáng)度與測(cè)量有可重復(fù)性的關(guān)系；三是激光能量強(qiáng)度的增加為某些元素提供了足夠的激發(fā)能，導(dǎo)致強(qiáng)度飽和或自吸收效應(yīng)，從而降低峰值；四是由于矩陣效應(yīng)，激光能量的增加不僅顯著干擾了其他元素的光譜信息，而且對(duì)復(fù)合絕緣體表面產(chǎn)生燒蝕。根據(jù)LIBS檢測(cè)污穢的SEM結(jié)果，將激光能量調(diào)整到約80 mJ，對(duì)應(yīng)的激光燒蝕密度為3.814×1010W/cm2。

5.2 延遲時(shí)間的選擇

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著延遲時(shí)間的增加，對(duì)應(yīng)于每個(gè)波長(zhǎng)的歸一化光譜強(qiáng)度顯著降低。此外，隨著延遲時(shí)間的增加，Ca的RSD先緩慢增加，然后逐漸穩(wěn)定。在等離子體冷卻過程中，離子和電子之間的碰撞不斷減弱，因此釋放的能量發(fā)光強(qiáng)度從碰撞和光譜儀接收到的不斷減少。特別是隨著延遲時(shí)間從1μs增加到9μs，Na的歸一化比率在0.3～0.45的范圍內(nèi)波動(dòng)，因?yàn)镹a作為一種易于電離的堿金屬元素，在1μs內(nèi)完全電離。隨著測(cè)量延遲時(shí)間的增加，系統(tǒng)接收到的鈉離子數(shù)量減少，導(dǎo)致測(cè)量精度下降。

考慮光譜強(qiáng)度、RSD和延遲時(shí)間之間的關(guān)系，選擇2～4μs的延遲時(shí)間范圍作為最佳延遲時(shí)間范圍，使歸一化比大于0.4，RSD小于20%。在隨后的實(shí)驗(yàn)中使用了3μs的柵極寬度延遲時(shí)間。分析特定元素時(shí)，應(yīng)選擇導(dǎo)致歸一化比大于0.5和最小RSD的延遲時(shí)間范圍。

5.3 污穢顆粒大小和密度對(duì)LIBS信號(hào)的影響

運(yùn)行中絕緣子表面的污穢物成分復(fù)雜多樣，不同位置的污穢顆粒大小不同，污穢之間的間隙密度也不同，不一致的粒徑和密度都會(huì)影響LIBS光譜。

a）研究污穢顆粒大小對(duì)LIBS光譜信號(hào)的影響。采用濕法，用乙醇溶解樣品，通過Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)量NaCl樣品和高嶺土的粒度。

LIRS方法描述如下：隨機(jī)選擇每個(gè)樣品表面上的5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)接受5次連續(xù)激光照射（選擇頻率：1 Hz），從獲得用于數(shù)據(jù)分析的LIBS光譜中提取對(duì)應(yīng)于588.995 nm和589.592 nm波長(zhǎng)的鈉的相對(duì)光譜強(qiáng)度。再將每個(gè)樣品上25個(gè)點(diǎn)的光譜強(qiáng)度分別除以基質(zhì)的背景信號(hào)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均。結(jié)果顯示，隨著NaCl粒徑的減小，對(duì)應(yīng)于588.995 nm和589.592 nm波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度逐漸增加。

根據(jù)XP-70的總面積，確定每個(gè)樣品中NaCl的質(zhì)量。使用壓縮機(jī)壓縮每個(gè)樣品，然后進(jìn)行LIBS測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，NaCl樣品中Na的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨NaCl粒徑的不同而有所變化：當(dāng)NaCl粒徑不變時(shí)，Na兩條譜線的平均相對(duì)光譜強(qiáng)度隨著污穢度等級(jí)ESDD（equivalent salt deposit density）的增加先增大后減?。粚?duì)于具有相同ESDD的NaCl樣品，粒徑為60.914μm的NaCl樣品中的Na光譜強(qiáng)度高于粒徑為240.764μm的NaCl樣品中的Na光譜強(qiáng)度。

b）研究污穢密度對(duì)LIBS光譜信號(hào)的影響。密度是污穢的可變特性之一，不同運(yùn)行環(huán)境下絕緣子表面的污穢物密度差異很大。因此，有必要研究污穢密度對(duì)LIBS光譜信號(hào)的影響。制備了4個(gè)相同的人工污穢樣品，每個(gè)樣品由高嶺土（2 g）和氯化鈉（1%）組成。使用壓縮機(jī)在6 t、9 t、12 t和15 t的壓縮載荷下對(duì)4個(gè)樣品進(jìn)行壓縮。隨后對(duì)壓縮樣品進(jìn)行LIBS測(cè)試，以確定壓縮載荷與平均相對(duì)光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果顯示：隨著密度的增加，樣品的相對(duì)激發(fā)光譜強(qiáng)度增加。這一現(xiàn)象可以用激發(fā)等離子體羽流動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。當(dāng)激光能量作用于樣品表面時(shí)，樣品表面越致密，激光脈沖反向沖擊波的沖擊越大。不同類型的粒子從目標(biāo)表面以與激光相反的方向噴射。不同類型粒子的反向噴射速度和強(qiáng)度的增加加強(qiáng)了等離子體快速膨脹過程中的碰撞電離，從而提高了原子發(fā)射強(qiáng)度。

6 結(jié)論

本研究利用LIBS分析了自然污穢的微區(qū)特征和元素分布，得出如下結(jié)論：

a）對(duì)從220 kV輸電線路的復(fù)合絕緣子表面獲得的自然污穢進(jìn)行檢測(cè)，LIBS技術(shù)能檢測(cè)到污穢樣品中的成分元素，而EDS技術(shù)檢測(cè)不到。

b）110 mJ激光脈沖足以穿透絕緣體表面的人工污穢，隨著脈沖的積累，LIBS光譜上常見污穢元素的相對(duì)光譜強(qiáng)度逐漸降低。

c）利用人工準(zhǔn)備的污穢源研究了激光束延遲時(shí)間和激光能量對(duì)光譜信號(hào)的影響。結(jié)果表明，選擇合適的延遲時(shí)間可以提高數(shù)據(jù)檢測(cè)的重復(fù)性。在本研究中，延遲時(shí)間設(shè)置為3μs，激光能量設(shè)置為80 mJ，對(duì)應(yīng)于3.814×1010W/cm2的激光能量燒蝕密度。

d）分析了污穢特性（顆粒大小和密度）對(duì)光譜信號(hào)的影響。結(jié)果顯示，顆粒尺寸的減小和樣品密度的增加都提高了被測(cè)元素的相對(duì)光譜強(qiáng)度。