基于激光诱导击穿光谱的装置参数优化与硅橡胶材料的主组分分析

硅橡胶材料被广泛应用于输电线路外绝缘领域,但长期运行后会逐渐发生老化现象,目前缺乏可应用于现场的、有效的老化表征手段。基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)可以快速获取硅橡胶样品的元素组成,并结合热重分析方法有效地测量硅橡胶的主组分,相比于常规的元素测量手段,该方法具有良好的现场应用前景。由于光谱的质量对基于LIBS的硅橡胶老化分析影响较大,需优化LIBS参数获取高质量的光谱以进行材料组分分析。以新制高温硫化硅橡胶(HTV)为样品,对单脉冲激光能量、激光聚焦位置、光谱仪采集光谱的延迟时间对光谱质量的影响进行讨论,获得了新制HTV样品的烧蚀阈值与适用于硅橡胶材料组分分析的优化LIBS参数,最后利用热重分析仪测量了样品的主组分,发现与LIBS的测量结果有很好的对应关系。     

基于激光诱导击穿光谱的绝缘子污秽可溶盐定量关系

绝缘子表面污秽影响高压线路运行安全,现有的绝缘子污秽检测方法主要是取样后在实验室测试其等值盐密和灰密,无法进行现场实时测量。该文利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,结合电感耦合等离子体光谱等元素分析技术,研究了人工污秽中若干盐类离子含量与激光光谱特征谱线的定量关系,提出了测量输电线路绝缘子污秽成分及浓度的新方法。结果表明,LIBS技术可检测污秽中绝大部分盐类元素含量。其中,Mg、Ca等元素特征谱线对应的含量与光谱相对强度呈现强线性关系,而Na、Al等元素部分谱线对应的可溶盐元素的含量与光谱相对强度的线性关系不明显,碱金属元素Na特征谱线受基体效应的影响较大。通过主成分分析方法分析了多种元素谱线的强度和浓度,实现了不同人工污秽主成分的聚类分析。     

室温硫化硅橡胶的激光诱导击穿光谱特性与老化研究

硅橡胶复合材料被广泛应用于高压输电外绝缘领域,特别是室温硫化硅橡胶(room temperature vulcanized,RTV),被广泛用作防污闪涂料。目前其检测分析方式以取样后实验室分析为主,尚无可现场检测RTV材料成分及老化状态的技术。该文利用激光诱导击穿光谱技术,开展了RTV材料的激光诱导等离子体特性研究,为后续利用LIBS技术进行现场检测提供参考。文中主要研究了单脉冲纳秒激光作用下,RTV复合材料的烧蚀特性、等离子体温度、电子数密度、光谱强度与激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)参数的关系,给出了表征老化特性的方法。研究表明,LIBS技术可以有效表征RTV材料的成分,测试其老化厚度、元素变化等状态信息,其现场应用有利于维护输电线路运行安全。     

基于激光诱导击穿光谱的室温硫化硅橡胶材料成分研究

室温硫化硅(RTV)橡胶涂料因具有优异的防污闪性能,在电力系统得到了广泛应用。热重分析、X射线能谱分析、傅里叶变换红外光谱分析等材料表征手段经常用以表征RTV涂料的成分和长期运行后的老化状态,但上述方法难以在现场进行。为了实现在线检测RTV材料成分,利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对RTV材料进行了元素分析。结果表明,对于同种RTV材料,在相同的激光频率特性与单脉冲激光能量条件下,其烧蚀深度与激光脉冲轰击次数呈线性关系,可通过RTV涂料被轰击次数测量涂料厚度;在材料同一位置用LIBS持续轰击,可以对运行退役的RTV材料进行原位分析,不同轰击次数时的等离子体光谱中Fe、Mg等元素的谱线强度从表层到内部会减小,这证明了RTV材料从表面到内部的成分变化,因此可利用LIBS技术检测RTV材料的成分变化来表征RTV材料的老化状态。高灵敏度、可在线的LIBS技术将成为RTV材料运行状态评估的重要手段。     

内标法在激光诱导击穿光谱测定煤粉碳含量中的应用

采用激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术测量煤粉的元素含量。将高能激光束聚焦在煤粉表面形成样品的高温等离子体,用光纤光谱仪探测等离子体冷却过程中的发射谱线以测定煤粉的元素种类和含量。应用内标法定量分析煤粉C含量,根据测量原理搭建了实验平台,选取化学纯试剂C6H7NO3S、C和SiO2配制的8个混合样品作为标准样,分别进行LIBS实验。依据内标法原理,以Si为内标元素,建立了C含量的定标曲线,并利用该曲线对烟煤煤粉样C进行了定量分析。结果显示,LIBS内标法测定煤粉C含量的相对误差为1.46%,验证了内标法应用于LIBS测定煤粉元素含量的可行性。     

基于激光诱导击穿光谱的复合绝缘子老化诊断方法初探

以现场运行后的复合绝缘子为实验样品,初步探究了用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术进行复合绝缘子老化程度检测的可行性。首先测试复合绝缘子伞裙表面和芯层的Si元素和Al元素含量,然后计算各元素含量浅深比,并对复合绝缘子进行憎水性、傅里叶红外光谱(FTIR)及硬度测试。结果表明:LIBS、憎水性、FTIR和硬度测试结果具有一致性,验证了LIBS技术用于分析复合绝缘子老化的可行性。通过元素含量浅深比可以很好地判断绝缘子的老化程度,浅深比数值越接近于1,老化程度越轻。     

湿热环境硅橡胶含水率的激光诱导击穿光谱检测北大核心CSCD

湿热环境中,硅橡胶含水率过高会导致复合绝缘子老化加剧及温度升高等问题,目前缺乏一种能够对运行硅橡胶绝缘子含水率带电检测的手段。文中提出一种基于激光诱导击穿光谱技术的硅橡胶含水率检测方法,研究了延迟时间、激光能量等参数对于光谱质量的影响,并且比较了不同特征谱线强度与含水率的定标结果。结果表明,延迟时间为3μs时光谱质量最优,此时连续背景谱几乎衰减消失并且线性谱仍保持一定强度;激光能量较高时,水分在高温下蒸发对等离子体形态的影响程度提高,进而削弱特征谱线强度随含水率的变化趋势,激光能量为35.4、44.7 mJ时变化趋势较明显;H、O、N等元素谱线强度均与含水率之间具有一定的线性关系,其中激光能量为44.7 mJ时,O I 844.622 nm的定标结果拟合效果最好,拟合优度为0.8979,表明激光诱导击穿光谱技术能够对硅橡胶含水率进行定量分析,用于检测运行复合绝缘子的含水率,保障硅橡胶复合绝缘子的稳定运行。     

东南沿海地区复合绝缘子用硅橡胶老化特性研究

为研究东南沿海高温高湿地区在线运行复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化特性,从东南沿海地区选取不同老化时间和生产厂家的复合绝缘子,利用喷水分级法、表观硬度法测量其宏观特性,并通过衰减全反射红外光谱、热重分析研究其微观特性。结果表明:随着老化时间的增加,复合绝缘子伞裙的憎水性逐渐变差,但对于运行16年左右出现严重粉化的绝缘子,其憎水性又显著恢复;随着老化时间的增加,复合绝缘子伞裙的表观硬度增加,且不同生产厂家的配方对硬度的影响较大。红外光谱与热重分析结果表明,硅橡胶表面的硅氧键与硅碳键发生了断裂,侧链的甲基含量减少,同时与内层硅橡胶相比,表层硅橡胶中氢氧化铝的含量增加。以硅橡胶降解为主导致的宏观特性下降是东南沿海地区复合绝缘子老化的主要原因。     

外绝缘硅橡胶材料硬化褪色现象分析及机理研究

以新疆地区的复合绝缘子样品为例,对硅橡胶材料的硬化、褪色现象开展研究,测量了硅橡胶材料的活化能、交联密度、傅里叶变换红外光谱吸收峰等参数,并利用数学方法建立了硬度、颜色与这些参数的定量关系。结果表明:高温硫化硅橡胶材料的硬化褪色现象是由物理交联密度上升导致的。硅橡胶体系中的填料与硅氧烷分子的吸附、结合作用,导致硅橡胶体系整体物理交联密度的上升,材料表观活化能增大,从而使硅橡胶表现出硬化、褪色现象。     

基于激光诱导击穿光谱的绝缘子表面污秽研究

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)对人工涂污绝缘片和自然积污绝缘片表面污秽的元素进行非接触式测量和分析,分别取Na、Al两种元素的谱线强度表征盐密和灰密对绝缘子表面污秽进行半定量分析。结果表明:LIBS能对人工涂污绝缘片污秽和自然积污绝缘片污秽的主要元素进行准确定性分析。对于人工涂污绝缘片污秽,当盐密增加2.5倍且灰密不变时,Na、Al两种元素的谱线强度分别增加了327.57%和16.0%;对于两种自然积污绝缘片污秽,重度污染绝缘片污秽中Na、Al两种元素的谱线强度相比轻度污染绝缘片分别增加了541.5%和97.8%。     

硅橡胶绝缘裂纹缺陷的等离子体修复研究

为研究等离子体技术在电力设备绝缘缺陷修复方面的应用效果，本文开展了电缆终端硅橡胶绝缘裂纹缺陷的等离子体修复研究。在硅橡胶绝缘试样表面人工模拟划痕缺陷，以正硅酸乙酯为前驱物，氩气作为载气，通过等离子体射流平台对硅橡胶绝缘表面划痕开展修复实验，研究了等离子体处理时间对附件绝缘缺陷修复效果的影响，测量了等离子体修复前后绝缘样品的体积电阻率和沿面闪络电压。同时采用多针电极对修复前后的绝缘样品开展电晕老化实验，并对老化前后的样品表面特性进行了测量。结果表明：等离子体修复可以有效提高硅橡胶绝缘表面缺陷处的闪络电压和体积电阻率，当修复时间为4 min时，缺陷附近的绝缘特性接近完好试样；电晕老化导致绝缘分子链断裂，使绝缘缺陷处的电气性能进一步下降；经过等离子体修复后的绝缘样品，其体积电阻率、闪络电压和击穿场强在电晕老化后仍高于未修复的缺陷试样，表明等离子体修复硅橡胶绝缘样品的抗电晕老化效果较好。     

合成绝缘子硅橡胶伞群材料的老化特性及其红外光谱研究

通过表面衰减全反射红外光谱法(attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy,ATR-FTIR),研究了运行老化和试验室人工加速老化条件下硅橡胶的老化特性.人工加速老化样品分别由600h紫外老化和500h盐雾老化获得;运行老化样品抽取了安徽省内运行15年左右的部分110kV和500kV合成绝缘子.试验结果表明运行老化的合成绝缘子伞群材料出现了不同程度的老化问题,主要包括有机硅橡胶主链断裂、交联度下降以及侧链甲基减少.紫外作用600h导致硅橡胶的有机成分含量有所下降,但对于无机阻燃剂填料Al(OH)3的影响不大;盐雾作用500 h后的硅橡胶有机成分明显变化,但Al(OH)3的含量有稍许降低.以上结果,对于进一步研究合成绝缘子的老化以及抗老化优化设计具有借鉴意义,可供制造、设计及运行等部门参考.     

基于激光诱导击穿光谱的真空灭弧室真空度在线检测实验研究

真空断路器真空度在线检测经历了半个多世纪的研究,现在仍没有很好的技术投入到实际应用。文中采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS),在实验室条件下初步研究了10-3 Pa至105 Pa气压下真空灭弧室屏蔽罩铜材料及周围气体元素元素的LIBS信号,得到了不同真空度下谱线强度随真空度的变化规律。进而通过主成分分析(PCA)和人工神经网络(ANN)算法对多种元素的谱线强度进行分析,获得了主成分因子在相空间的分布和神经网络预测结果。分析结果表明10-3 Pa至105 Pa这10个气压等级下的LIBS信号在PCA相空间中呈现良好的分类聚集,神经网络预测结果准确率达到96.67%。笔者提出了一种真空度在线检测的新方法,克服了传统方法抗电磁干扰能力差、检测限低的难题,具有良好的应用前景。     

不同老化因素对互感器伞套老化影响的研究

通过扫描电子显微镜(SEM)和傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)分析了硅橡胶伞套老化前后宏观表面结构变化和微观官能团变化,通过氙灯老化、湿热老化、电晕老化、户外自然老化和室内自然老化试验,研究互感器表面硅橡胶材料在不同因素影响下的理化、电气性能变化。结果表明:氙灯老化对硅橡胶硬度的影响最显著,硬度从37.0HA增加到45.40HA;湿热老化对硅橡胶镜像光泽度的影响最显著,镜像光泽度从75下降至40;自然户外老化对硅橡胶憎水性的影响最显著,静态接触角从115.4°下降至102.1°。通过测试老化硅橡胶的硬度、镜像光泽度、憎水性和表面电阻来评价各因素对硅橡胶伞套老化的影响大小,研究结果有助于对运行中的互感器老化程度进行监测。     

基于高分子结晶分析方法的液体硅橡胶老化机制研究

近年来,中国的南方电网地区一些变电站SF6电压、电流互感器的液体硅橡胶绝缘护套出现龟裂老化现象,这一现象的出现会导致护套表面变白,粉化,硬度上升,受到外力后出现不可恢复的裂纹,并且憎水性和耐漏电起痕性能大大下降。对发生老化的液体硅橡胶材料进行了试验研究和分析,并选取不同老化程度的液体硅橡胶材料进行了X射线衍射分析、X射线光电子能谱分析等手段研究了其微观结构和物质组成的变化。研究发现老化后的硅橡胶表面结构和官能团发生了明显变化,Si—C键减少,C元素相对含量下降,O元素相对含量增加,体系交联度上升并且观察到了晶体结构。这一研究为液体硅橡胶绝缘护套的老化机制和老化程度的评估提供了依据,同时也为互感器伞套的修复补强以及防老化措施建立了基础。     

基于LIBS和NIRS信号同步采集和融合的入炉煤发热量测量研究

快速准确地对入炉煤发热量进行检测是指导电厂经济安全运行的关键，然而煤炭成分复杂，其发热量与元素组成和分子结构都有一定的相关性，单一分析技术快速准确测量入炉煤发热量比较困难。基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术和近红外光谱（NIRS）技术，提出联用2种技术检测入炉煤发热量的方法。同步采集输送带上煤炭的LIBS和NIRS光谱信号，进行光谱数据预处理后融合2种光谱信息，并结合偏最小二乘（PLS）建模方法定量分析煤炭发热量。将该方法用于搭建煤样测量系统，得出煤样发热量定标集的决定系数为0.98，预测集均方根误差为0.37 MJ/kg，平均绝对误差为0.26 MJ/kg，平均相对误差为1.09%。表明所提出的在输送带上LIBS和NIRS信号同步采集方法可快速准确测量入炉煤发热量。     

激光诱导击穿光谱测量未燃碳的煤种适应性分析

将激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)应用于粉煤灰未燃碳的分析。通过快速灰化法制取不同含碳量的粉煤灰样品。利用脉冲激光在大气常压环境下激发样品,探测等离子体发射信号,得到未燃碳的光谱信息。由一种煤样制得的6组灰样构建未燃碳定标曲线,分析另外2种不同煤种的灰样未燃碳含量,以验证激光诱导击穿光谱技术分析粉煤灰未燃碳的煤种适应性能力。研究结果表明,通过采用适当的数据处理方法,由一种煤样制取的粉煤灰建立定标曲线,可分析不同煤种的粉煤灰样品,并能得到良好的定量分析结果。分析信号重复测量值的相对标准偏差小于8.08%,未燃碳定量分析的相对误差小于2.27%。证明了激光诱导击穿光谱技术适用于粉煤灰未燃碳的快速测量,并具有良好的煤种适应性能力。     

蒙西电网220 k V在运复合绝缘子材料老化性能研究分析

抽取3支运行年限超过15年的在运复合绝缘子,利用宏观形貌观察、微观形貌观察、憎水性测试、能谱检测、带护套染色渗透试验、傅里叶红外光谱检测、邵氏硬度测试、拉伸试验等方法,对其材料老化性能进行了综合性分析评估。结果表明,3支样品不同部位伞裙的憎水性能仍良好,其中1号样品憎水性能相对较弱。化学成分和傅里叶红外光谱的检测结果表明,相比于1号样品,2号和3号样品伞裙表面的C、Si元素含量及典型官能团峰值均显著减小,表明较高污秽等级区域内运行的复合绝缘子更易于发生老化。并且,较高污秽等级区域内运行的复合绝缘子伞裙表面粗糙度较大,而表面粗糙度对复合绝缘子伞裙憎水性能的测试结果产生的影响较大,建议憎水性测量参数中增加表面粗糙度。此外,抽检样品的芯棒内部未见贯穿性缺陷,且各项力学性能指标均符合标准要求。     

UV-A辐射对外绝缘用液态硅橡胶和高温硫化硅橡胶的影响及其机理

在强紫外环境下,外绝缘用硅橡胶材料(高温硫化(HTV)硅橡胶和液态硅橡胶(LSR))的老化将会威胁输电线路的安全运行。为研究UV-A紫外辐射对二者的影响,该文对UV-A辐射老化后的HTV硅橡胶和LSR进行X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)等微观结构,以及耐热特性、机电特性和交联密度等宏观性能的测试。研究发现,1000h UV-A老化后,HTV硅橡胶表面碳元素含量减少13.4%,氧元素含量增加10.0%,甲基含量、热稳定性和力学强度下降。但是,LSR表面碳元素含量增加5.8%,氧元素含量下降7.6%,Si(—O)4结构减少,甲基含量增加65.7%,热稳定性增加。分析结果表明,UV-A老化中二者的差异主要是由交联结构、ATH含量,以及含氢硅油造成。最后,基于提出的LSR在UV-A老化过程中发生的提氢反应,建议通过减少含氢硅油的含量和增加生胶的分子量提高LSR的耐UV-A老化性能。该文可为理解外绝缘用硅橡胶材料的紫外老化特性提供支撑,也可用于指导高海拔地区的外绝缘材料选型。     

HTV硅橡胶复合绝缘子伞裙的热老化特性分析

高温硫化（HTV）硅橡胶复合绝缘子作为架空输电线路的重要组成部分,其在长时间的户外运行中出现的异常发热状态会加剧伞裙的老化,严重时会威胁到输电线路的安全运行。通过对HTV硅橡胶复合绝缘伞裙样品进行480 h的人工热空气老化试验,对样品进行邵氏硬度、水接触角、红外光谱、微观形貌及沿面闪络电压等多项性能参数的测量,分析伞裙样品的热老化特性。研究结果表明,长时间的热老化作用,会加剧伞裙的硬化,降低材料的憎水性。随着热老化时间增加,伞裙样品的老化程度增加,沿面闪络电压先增加后减小。