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。     

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。     

硅橡胶表面硬度的激光诱导击穿光谱分析

硅橡胶材料的老化状态是输电线路运维的重点关注内容,现有研究认为硬度是表征其老化程度的重要指标之一。目前复合绝缘子的伞裙硬度主要是在停电间隙用邵氏硬度计测量,现场应用限制较大。激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一种元素测量技术,利用高能脉冲激光烧蚀样品表面产生等离子体,分析等离子体光谱得到样品成分元素信息。已有LIBS研究中某些材料的表面硬度与材料特征元素的离子原子谱线强度比值以及等离子体激发温度之间存在较强的相关性,但在复合材料中这种相关性较弱,通常需要对大量谱线进行筛选以得到满足条件的谱线,且对全谱信息的利用程度不高。研究了不同氢氧化铝、白炭黑填料含量的高温硫化硅橡胶表面硬度与LIBS光谱的关系,发现表面硬度与填料含量之间具有较强的相关性,并通过主成分分析对不同硬度的硅橡胶光谱数据进行降维,结合神经网络可对不同硬度的样品进行区分。结果表明,LIBS技术与机器学习算法相结合可以准确测量硅橡胶硬度,这种方法利用了更多光谱信息,且不需要在众多谱线中寻找特征分析线,因此分析精度与速度得以提升。     

基于激光诱导击穿光谱的瞬态温度测量方法

温度是影响材料力学性能的重要因素之一,准确测量器件温度是认识材料在应力作用下其力学性能演变以及评估设备健康状态和寿命的重要方式。面向功率器件开关过程中焊接界面快速温变测量的需求,传统方法存在时间分辨能力不足、难以测量瞬态温度的问题。本文基于激光诱导元素特征谱线强度与温度的密切相关性,提出了一种微秒量级时间分辨能力的表面温度测量方法,并建立了样品表面温度与光谱特性之间的定量关系。研究结果表明,物质表面温度提升导致激光诱导等离子体光谱强度和信噪比增强,且增强效果受到光谱采集延时和门宽影响。采用人工神经网络（BP-ANN）和偏最小二乘法（PLS）对表面温度与光谱特性关系定量拟合并校准,拟合模型R2指标均大于0.99。BP-ANN拟合模型的拟合偏差更小,其RMSE为2.582,正确率为98.3%。该方法为物体瞬态温度测量提供了一种有效手段,对功率器件焊接界面健康状态的评估给予了有力支撑。     

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。     

基于激光诱导击穿光谱的绝缘子污秽度分析

污秽闪络是威胁电力系统安全的主要因素之一,为了预防污闪事故的发生,需要定期对绝缘子表面的污秽度进行检测,但传统的停电取样检测周期长,耗费大量人力物力。文中提出一种利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对绝缘子表面污秽度进行分析的方法。以10个带有不同等值盐密、等值灰密的自然污秽玻璃绝缘子为主要研究对象,将其上表面分为内、中、外环3个区域,研究不同测试策略下定标模型的相关系数,采用Na 589.592 nm、Al 396.192 nm作为特征谱线,发现对于盐密的检测定标模型,采用内、中环联合区域的测试策略,相关系数可达0.948 1,检测相对误差在5%以内;对于灰密的检测定标模型,采用中环独立区域的测试策略,相关系数可达0.938 3,检测相对误差在15%以内。该分析手段能实现现场快速分析绝缘子表面污秽度,提升输电线路运行安全维护作业能力,具有重要的工程应用价值。     

基于激光诱导击穿光谱的燃煤挥发分定量分析

利用21个已知挥发分的煤样样品,进行激光诱导击穿光谱实验,根据煤质的结构特点,选择相关元素的特征谱线波段强度,作为回归分析的输入量,分别引入多元回归定标法和偏最小二乘法,实现燃煤中挥发分的定量分析。通过比较两种方法的定标结果得出结论:偏最小二乘法算法下模型系数、预测样品平均相对误差、预测样品均方根误差等指标皆优于多元回归定标法,更适用于激光诱导击穿光谱定量分析挥发分中,并且能够得到较高的分析精度。     

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%。     

基于激光诱导击穿光谱的绝缘子污秽自由定标定量分析

污秽闪络严重威胁着输电线路的正常运行。传统的污秽监测方法需停电取样分析,耗时长,不利于及时给出运维方案。利用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）,结合自由定标（CF）方法,以10组不同含量的Na和Ca人工污秽样品为研究对象,实现了对污秽的定量分析。结果表明,在经过自吸收校正后,人工污秽样品玻尔兹曼图中回归线相关系数均有所提高;Na人工污秽样品定量分析的相对误差在20%左右,Ca人工污秽样品定量分析的相对误差在15%左右。     

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。     

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。     

激光诱导击穿光谱在核电安全检测中的应用

介绍了激光诱导击穿光谱测量技术在核电领域中的应用实例,从不同应用角度阐述了激光诱导击穿光谱仪（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）技术在核电厂应用原理及设备开发成果,分析了该测量技术在核电领域应用的可行性,并对LIBS技术在我国普遍存在的压水堆核电厂的应用前景作出了展望.     

激光诱导击穿光谱技术应用于煤质分析的研究综述

实时掌握入炉煤的煤种特性,有利于燃煤发电机组的安全经济运行,但由于煤质在线分析技术的缺乏,一定程度地制约了火力发电燃烧优化技术的实质性发展,激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectros-copy,LIBS)技术作为一项潜在的在线分析技术被引入煤质在线分析领域。为此,分别从基础实验研究、定量分析方法研究和工业应用研究3个方面综述了国内外关于LIBS技术在煤质分析方面的研究现状,探讨了其中需要解决的关键问题。在LIBS技术现有发展的基础上,需要重点解决LIBS检测煤质所需的定量分析模型的精确度和煤种适应性、分析装置良好的现场适应性和长期运行的可靠性等问题。     

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。     

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。     

基于激光感生击穿光谱的燃煤结渣特性评估

提出一种利用激光感生光谱在线测量技术来评估燃煤结渣特性的方法。根据测量机理搭建了实验台架，选取4种典型的燃煤作为分析样品，其中6种用于制定激光感生击穿光谱定量分析的标准曲线，并利用该曲线对另外两种样品进行分析测量，将测量结果进行化学换算计算出煤粉的硅铝比以评估煤粉的结渣特性。将评估结果与以实验灰分分析为基础的其他结渣特性预测指标的计算结果进行了比较，结果表明两种预测结果相符。同时，文中也对进一步提高该方法预测精度的测量系统改进方案进行了探讨。     

机械应力作用下硅橡胶材料的击穿特性研究

预制式硅橡胶高压电缆附件在运行过程中由于过盈配合长期承受较大的机械应力,会对其主绝缘材料硅橡胶的性能产生一定影响。本文首先研究了机械应力对硅橡胶击穿特性的影响,测试了不同拉伸比例下硅橡胶材料的击穿特性,并对比了相同厚度下拉伸与未拉伸状态试样的击穿场强,以及拉伸前后试样击穿场强的变化。然后对拉伸后的试样进行红外光谱、密度、力学性能和TSC测试,分析了不同机械应力作用对材料相关理化性能和电气性能的影响。结果表明:拉伸比例从0增大到125%时,厚度为1 mm和2 mm的硅橡胶绝缘材料的击穿场强分别增大了35.4%和51.0%;排除厚度变化的因素,材料在拉伸情况下的击穿场强仍比原始状态下高;撤掉应力后,其击穿场强反而比未拉伸试样低。     

直流融冰装置主参数设计与仿真

为了应对冰雪灾害,南方电网在存在线路覆冰灾害的变电站陆续配置了直流融冰装置。但直流融冰装置的参数设计需考虑诸多因素,合理的直流融冰参数的确定可很大程度提高直流融冰装置的使用效率。分析了变电站配置直流融冰装置需考虑的因素和步骤,并对直流融冰装置主要参数进行设计,最后针对某变电站在PSCAD环境下进行仿真分析,结果验证了直流融冰装置主参数设计的正确性。     

硅橡胶与氟硅橡胶材料的低温物理性能研究

为了探究硅橡胶与氟硅橡胶两种材料在持续低温环境下邵氏A硬度与表面粗糙度的变化规律,分别将以硅橡胶与氟硅橡胶为原料制成的试片放入低温试验箱中,在-50℃下低温老化0、48、96、144 h.研究试片的硬度、表面粗糙度以及表面形貌随低温老化时间的变化规律,并分析其原理.结果表明:在-50℃的恒定低温环境中,随着低温老化时间从0 h延长至144 h,硅橡胶与氟硅橡胶的邵氏A硬度均呈先缓慢增大,再急剧增大,最后缓慢减小的变化趋势;硅橡胶与氟硅橡胶的表面粗糙度均呈先减小,再急剧增大,最后较缓慢增大的变化趋势.在整个老化过程中,氟硅橡胶的邵氏A硬度及表面粗糙度数值均比硅橡胶小,表明在低温环境下,氟硅橡胶比硅橡胶的性能更加稳定.