劉文昊，王 楠，王希林

（1.國網冀北電力公司檢修分公司，北京 102488；2.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；3.深圳復雜濱海環(huán)境電力裝備可靠性工程實驗室，清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引言

電網運行中絕緣子表面污穢物積累到一定量后，一旦受潮就會發(fā)生絕緣子串表面閃絡，即電網污閃事故[1]。電網污閃事故不僅與絕緣子表面的污穢量有關，而且與污穢成分有關。國家標準《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，在必要時進行污穢成分檢測。傳統(tǒng)檢測方法需要電網運行設備停電，人工爬至絕緣子上進行污穢取樣、送樣以及在試驗室進行成分檢測，時間長、成本高[2]，而激光誘導擊穿光譜LIBS（laser-induced breakdown spectroscopy）技 術則是以脈沖激光技術為基礎，通過高能激光聚焦手段，可對0～100 m范圍內的樣本物質進行遠程非接觸式的無損檢測[3]。為了保證電網正常運行，提高絕緣子上污穢元素的檢測精度、速度和相對光譜強度，本文進行了激光誘導擊穿光譜技術在絕緣子污穢成分分析中的應用研究。

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行分光，與其耦合的探測器完成光電轉化和傳輸，由計算機完成數據采集、儲存和分析，最終實現物質成分定量分析。

2 絕緣子污穢成分分析

絕緣子污穢成分復雜多樣，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電的電解質，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《2021版山西電網特殊區(qū)域分布圖——污區(qū)分布圖》的編制說明，山西電網污穢的水溶液中可溶鹽的陽離子主要為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 絕緣子污穢成分測試技術及實驗測試比對

在污穢成分直接檢測方面，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，很少有學者研究針對于絕緣子污穢成分的帶電檢測方法。LIBS可通過激光遠程照射，實現對電網設備帶電檢測，極大地提高了檢測效率[4]。為對LIBS測試數據進行驗證，本文使用能量色散X射線光譜儀EDS（energy dispersive Xray spectroscopy）技術測試進行比較。

4 采樣污穢物的微量分析和LIBS檢測

自然污穢中常含有對污穢閃絡影響較大的NaCl、KCl等成分。利用EDS測試采樣絕緣子表面污穢物元素的相對原子含量時，結果顯示，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檢測時并沒有檢測得到常見的Cl元素分布。利用LIBS技術測試采樣絕緣子表面污穢物元素的相對原子含量時，得到的自然污穢原始光譜如圖1所示。根據原子發(fā)射光譜的原理，相同元素具有多條發(fā)射譜線，因此在試驗中需要選取能夠反映試驗結果特征的波長，進而確定該波長對應的元素種類和相對光譜強度[5-6]。

圖1 自然污穢下的LIBS測試圖譜

在利用EDS進行樣品面掃描時發(fā)現硅橡膠燒蝕坑檢測不到Na、Mg等元素，而利用LIBS檢測樣品時看到有微量的Na、Mg等元素存在。因此，利用LIBS檢測元素不僅可實現快速在線檢測，還有助于進一步降低現有成分檢測的檢出限范圍，提高了定量/定性分析成分的準確性。

5 LIBS檢測的影響因素

5.1 單脈沖激光能量對LIBS信號的影響

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，等離子體容易直接穿透污穢薄層至絕緣子基體表面，導致光譜中同時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）對表面有污穢的絕緣樣品進行LIBS實驗時，先通過電子顯微鏡SEM（scanning electronic microscopy）觀察在實驗條件（激光能量60 mJ）下2次轟擊后發(fā)現：當激光第一次作用于樣品表面時，只有污穢層被燒蝕；當激光第二次作用于樣品表面時，激光燒蝕的孔洞變大，且在大坑洞內部有明顯的二次轟擊時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，只需要進行一次轟擊。

b）獲取不同激光能量下的光譜強度，選取合理的激光能量區(qū)間。在一定范圍內，隨著激光能量的增加單位靶表面上吸收的能量越強，會增大樣品部分元素的光譜強度，超過這個區(qū)間可能導致元素發(fā)生自吸效應或者基體效應，導致強度衰減。配比人工污穢進行試驗，結果顯示：隨著脈沖激光輸出能量的增加，不同波長對應的光譜強度也出現不同程度的增加，但在396.592 nm下Al元素對應的光譜強度已提前飽和。由此可知，過高的激光能量雖然能提高光譜強度，但也會對試驗造成干擾。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：在每個樣本的表面隨機選取5個點，每個點都進行了5次連續(xù)的激光處理。處理結果顯示：在樣品表面聚焦的激光器直徑為0.8 mm時，光譜線強度隨脈沖激光能量強度的增加而增加，但隨著光譜強度的進一步增加幾乎所有元素的相對標準差RSD（relative standard deviation）都逐漸降低。由此說明4點問題，一是RSD與樣品的濃度和光譜線強度有關，并受光譜分析條件和儀器性能的影響；二是被測元素的相對光譜強度與測量有可重復性的關系；三是激光能量強度的增加為某些元素提供了足夠的激發(fā)能，導致強度飽和或自吸收效應，從而降低峰值；四是由于矩陣效應，激光能量的增加不僅顯著干擾了其他元素的光譜信息，而且對復合絕緣體表面產生燒蝕。根據LIBS檢測污穢的SEM結果，將激光能量調整到約80 mJ，對應的激光燒蝕密度為3.814×1010W/cm2。

5.2 延遲時間的選擇

試驗結果顯示，隨著延遲時間的增加，對應于每個波長的歸一化光譜強度顯著降低。此外，隨著延遲時間的增加，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)光強度從碰撞和光譜儀接收到的不斷減少。特別是隨著延遲時間從1μs增加到9μs，Na的歸一化比率在0.3～0.45的范圍內波動，因為Na作為一種易于電離的堿金屬元素，在1μs內完全電離。隨著測量延遲時間的增加，系統(tǒng)接收到的鈉離子數量減少，導致測量精度下降。

考慮光譜強度、RSD和延遲時間之間的關系，選擇2～4μs的延遲時間范圍作為最佳延遲時間范圍，使歸一化比大于0.4，RSD小于20%。在隨后的實驗中使用了3μs的柵極寬度延遲時間。分析特定元素時，應選擇導致歸一化比大于0.5和最小RSD的延遲時間范圍。

5.3 污穢顆粒大小和密度對LIBS信號的影響

運行中絕緣子表面的污穢物成分復雜多樣，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影響LIBS光譜。

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

LIRS方法描述如下：隨機選擇每個樣品表面上的5個點，每個點接受5次連續(xù)激光照射（選擇頻率：1 Hz），從獲得用于數據分析的LIBS光譜中提取對應于588.995 nm和589.592 nm波長的鈉的相對光譜強度。再將每個樣品上25個點的光譜強度分別除以基質的背景信號，并對結果進行平均。結果顯示，隨著NaCl粒徑的減小，對應于588.995 nm和589.592 nm波長的光譜強度逐漸增加。

根據XP-70的總面積，確定每個樣品中NaCl的質量。使用壓縮機壓縮每個樣品，然后進行LIBS測試。測試結果顯示，NaCl樣品中Na的相對光譜強度隨NaCl粒徑的不同而有所變化：當NaCl粒徑不變時，Na兩條譜線的平均相對光譜強度隨著污穢度等級ESDD（equivalent salt deposit density）的增加先增大后減??；對于具有相同ESDD的NaCl樣品，粒徑為60.914μm的NaCl樣品中的Na光譜強度高于粒徑為240.764μm的NaCl樣品中的Na光譜強度。

b）研究污穢密度對LIBS光譜信號的影響。密度是污穢的可變特性之一，不同運行環(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LIBS光譜信號的影響。制備了4個相同的人工污穢樣品，每個樣品由高嶺土（2 g）和氯化鈉（1%）組成。使用壓縮機在6 t、9 t、12 t和15 t的壓縮載荷下對4個樣品進行壓縮。隨后對壓縮樣品進行LIBS測試，以確定壓縮載荷與平均相對光譜強度之間的關系。測試結果顯示：隨著密度的增加，樣品的相對激發(fā)光譜強度增加。這一現象可以用激發(fā)等離子體羽流動力學來解釋。當激光能量作用于樣品表面時，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度的增加加強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)射強度。

6 結論

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

a）對從220 kV輸電線路的復合絕緣子表面獲得的自然污穢進行檢測，LIBS技術能檢測到污穢樣品中的成分元素，而EDS技術檢測不到。

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光譜強度逐漸降低。

c）利用人工準備的污穢源研究了激光束延遲時間和激光能量對光譜信號的影響。結果表明，選擇合適的延遲時間可以提高數據檢測的重復性。在本研究中，延遲時間設置為3μs，激光能量設置為80 mJ，對應于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）對光譜信號的影響。結果顯示，顆粒尺寸的減小和樣品密度的增加都提高了被測元素的相對光譜強度。