激光诱导击穿光谱技术在绝缘子污秽成分分析中的应用研究

刘文昊，王 楠，王希林

（1.国网冀北电力公司检修分公司，北京 102488；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；3.深圳复杂滨海环境电力装备可靠性工程实验室，清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055）

0 引言

电网运行中绝缘子表面污秽物积累到一定量后，一旦受潮就会发生绝缘子串表面闪络，即电网污闪事故[1]。电网污闪事故不仅与绝缘子表面的污秽量有关，而且与污秽成分有关。国家标准《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第1部分：定义、信息和一般原则（GB/T 26218.1—2010）》要求，在必要时进行污秽成分检测。传统检测方法需要电网运行设备停电，人工爬至绝缘子上进行污秽取样、送样以及在试验室进行成分检测，时间长、成本高[2]，而激光诱导击穿光谱LIBS（laser-induced breakdown spectroscopy）技 术则是以脉冲激光技术为基础，通过高能激光聚焦手段，可对0～100 m范围内的样本物质进行远程非接触式的无损检测[3]。为了保证电网正常运行，提高绝缘子上污秽元素的检测精度、速度和相对光谱强度，本文进行了激光诱导击穿光谱技术在绝缘子污秽成分分析中的应用研究。

1 LIBS工作原理

LIBS的工作原理为：激光照射污秽样品，激发、蒸发和解离污秽，使其形成等离子体，光谱收光装置将收集到的等离子体在冷却过程中形成的连续背景光谱传送到光谱仪中进行分光，与其耦合的探测器完成光电转化和传输，由计算机完成数据采集、储存和分析，最终实现物质成分定量分析。

2 绝缘子污秽成分分析

绝缘子污秽成分复杂多样，并随环境的不同污秽的成分种类也有差异。自然界可溶的污秽物主要是一些可导电的电解质，如NaCl、CaSO4、ZnSO4、Na2SO4、NaNO3、KNO3等，不可溶的污秽物主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgSO4、C、CaO等。根据《2021版山西电网特殊区域分布图——污区分布图》的编制说明，山西电网污秽的水溶液中可溶盐的阳离子主要为Ca2+、K+、Na+、Mg2+，阴离子主要为SO42-、Cl-、F-、NO2-，几种主要的盐为CaSO4、KCl、NaCl、MgSO4、NH4NO3。

3 绝缘子污秽成分测试技术及实验测试比对

在污秽成分直接检测方面，除了离子色谱法、X射线衍射等离子发射光谱法等常用的材料成分分析手段以外，很少有学者研究针对于绝缘子污秽成分的带电检测方法。LIBS可通过激光远程照射，实现对电网设备带电检测，极大地提高了检测效率[4]。为对LIBS测试数据进行验证，本文使用能量色散X射线光谱仪EDS（energy dispersive Xray spectroscopy）技术测试进行比较。

4 采样污秽物的微量分析和LIBS检测

自然污秽中常含有对污秽闪络影响较大的NaCl、KCl等成分。利用EDS测试采样绝缘子表面污秽物元素的相对原子含量时，结果显示，绝缘子表面污秽物中元素成分种类非常少，几乎没有Cl元素。究其原因，认为可能是绝缘子表面的NaCl、KCl等成分因潮湿、下雨等溶解冲刷作用而消除，所以EDS检测时并没有检测得到常见的Cl元素分布。利用LIBS技术测试采样绝缘子表面污秽物元素的相对原子含量时，得到的自然污秽原始光谱如图1所示。根据原子发射光谱的原理，相同元素具有多条发射谱线，因此在试验中需要选取能够反映试验结果特征的波长，进而确定该波长对应的元素种类和相对光谱强度[5-6]。

图1 自然污秽下的LIBS测试图谱

在利用EDS进行样品面扫描时发现硅橡胶烧蚀坑检测不到Na、Mg等元素，而利用LIBS检测样品时看到有微量的Na、Mg等元素存在。因此，利用LIBS检测元素不仅可实现快速在线检测，还有助于进一步降低现有成分检测的检出限范围，提高了定量/定性分析成分的准确性。

5 LIBS检测的影响因素

5.1 单脉冲激光能量对LIBS信号的影响

污秽以薄层形式分布在绝缘子表面，激光脉冲作用于样品上时，等离子体容易直接穿透污秽薄层至绝缘子基体表面，导致光谱中同时包含污秽信息和基体信息，不仅影响污秽分析的精度，还可能使绝缘子基底损伤从而影响其电气性能。

a）对表面有污秽的绝缘样品进行LIBS实验时，先通过电子显微镜SEM（scanning electronic microscopy）观察在实验条件（激光能量60 mJ）下2次轰击后发现：当激光第一次作用于样品表面时，只有污秽层被烧蚀；当激光第二次作用于样品表面时，激光烧蚀的孔洞变大，且在大坑洞内部有明显的二次轰击时激光烧蚀绝缘子基体后形成的痕迹。由此可知，为获取覆藻——污秽绝缘子表面的污秽薄层信息而不损伤绝缘子基底，只需要进行一次轰击。

b）获取不同激光能量下的光谱强度，选取合理的激光能量区间。在一定范围内，随着激光能量的增加单位靶表面上吸收的能量越强，会增大样品部分元素的光谱强度，超过这个区间可能导致元素发生自吸效应或者基体效应，导致强度衰减。配比人工污秽进行试验，结果显示：随着脉冲激光输出能量的增加，不同波长对应的光谱强度也出现不同程度的增加，但在396.592 nm下Al元素对应的光谱强度已提前饱和。由此可知，过高的激光能量虽然能提高光谱强度，但也会对试验造成干扰。因此，选取合理的激光能量区间很重要。

LIBS方法的描述如下：在每个样本的表面随机选取5个点，每个点都进行了5次连续的激光处理。处理结果显示：在样品表面聚焦的激光器直径为0.8 mm时，光谱线强度随脉冲激光能量强度的增加而增加，但随着光谱强度的进一步增加几乎所有元素的相对标准差RSD（relative standard deviation）都逐渐降低。由此说明4点问题，一是RSD与样品的浓度和光谱线强度有关，并受光谱分析条件和仪器性能的影响；二是被测元素的相对光谱强度与测量有可重复性的关系；三是激光能量强度的增加为某些元素提供了足够的激发能，导致强度饱和或自吸收效应，从而降低峰值；四是由于矩阵效应，激光能量的增加不仅显著干扰了其他元素的光谱信息，而且对复合绝缘体表面产生烧蚀。根据LIBS检测污秽的SEM结果，将激光能量调整到约80 mJ，对应的激光烧蚀密度为3.814×1010W/cm2。

5.2 延迟时间的选择

试验结果显示，随着延迟时间的增加，对应于每个波长的归一化光谱强度显著降低。此外，随着延迟时间的增加，Ca的RSD先缓慢增加，然后逐渐稳定。在等离子体冷却过程中，离子和电子之间的碰撞不断减弱，因此释放的能量发光强度从碰撞和光谱仪接收到的不断减少。特别是随着延迟时间从1μs增加到9μs，Na的归一化比率在0.3～0.45的范围内波动，因为Na作为一种易于电离的碱金属元素，在1μs内完全电离。随着测量延迟时间的增加，系统接收到的钠离子数量减少，导致测量精度下降。

考虑光谱强度、RSD和延迟时间之间的关系，选择2～4μs的延迟时间范围作为最佳延迟时间范围，使归一化比大于0.4，RSD小于20%。在随后的实验中使用了3μs的栅极宽度延迟时间。分析特定元素时，应选择导致归一化比大于0.5和最小RSD的延迟时间范围。

5.3 污秽颗粒大小和密度对LIBS信号的影响

运行中绝缘子表面的污秽物成分复杂多样，不同位置的污秽颗粒大小不同，污秽之间的间隙密度也不同，不一致的粒径和密度都会影响LIBS光谱。

a）研究污秽颗粒大小对LIBS光谱信号的影响。采用湿法，用乙醇溶解样品，通过Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析仪测量NaCl样品和高岭土的粒度。

LIRS方法描述如下：随机选择每个样品表面上的5个点，每个点接受5次连续激光照射（选择频率：1 Hz），从获得用于数据分析的LIBS光谱中提取对应于588.995 nm和589.592 nm波长的钠的相对光谱强度。再将每个样品上25个点的光谱强度分别除以基质的背景信号，并对结果进行平均。结果显示，随着NaCl粒径的减小，对应于588.995 nm和589.592 nm波长的光谱强度逐渐增加。

根据XP-70的总面积，确定每个样品中NaCl的质量。使用压缩机压缩每个样品，然后进行LIBS测试。测试结果显示，NaCl样品中Na的相对光谱强度随NaCl粒径的不同而有所变化：当NaCl粒径不变时，Na两条谱线的平均相对光谱强度随着污秽度等级ESDD（equivalent salt deposit density）的增加先增大后减小；对于具有相同ESDD的NaCl样品，粒径为60.914μm的NaCl样品中的Na光谱强度高于粒径为240.764μm的NaCl样品中的Na光谱强度。

b）研究污秽密度对LIBS光谱信号的影响。密度是污秽的可变特性之一，不同运行环境下绝缘子表面的污秽物密度差异很大。因此，有必要研究污秽密度对LIBS光谱信号的影响。制备了4个相同的人工污秽样品，每个样品由高岭土（2 g）和氯化钠（1%）组成。使用压缩机在6 t、9 t、12 t和15 t的压缩载荷下对4个样品进行压缩。随后对压缩样品进行LIBS测试，以确定压缩载荷与平均相对光谱强度之间的关系。测试结果显示：随着密度的增加，样品的相对激发光谱强度增加。这一现象可以用激发等离子体羽流动力学来解释。当激光能量作用于样品表面时，样品表面越致密，激光脉冲反向冲击波的冲击越大。不同类型的粒子从目标表面以与激光相反的方向喷射。不同类型粒子的反向喷射速度和强度的增加加强了等离子体快速膨胀过程中的碰撞电离，从而提高了原子发射强度。

6 结论

本研究利用LIBS分析了自然污秽的微区特征和元素分布，得出如下结论：

a）对从220 kV输电线路的复合绝缘子表面获得的自然污秽进行检测，LIBS技术能检测到污秽样品中的成分元素，而EDS技术检测不到。

b）110 mJ激光脉冲足以穿透绝缘体表面的人工污秽，随着脉冲的积累，LIBS光谱上常见污秽元素的相对光谱强度逐渐降低。

c）利用人工准备的污秽源研究了激光束延迟时间和激光能量对光谱信号的影响。结果表明，选择合适的延迟时间可以提高数据检测的重复性。在本研究中，延迟时间设置为3μs，激光能量设置为80 mJ，对应于3.814×1010W/cm2的激光能量烧蚀密度。

d）分析了污秽特性（颗粒大小和密度）对光谱信号的影响。结果显示，颗粒尺寸的减小和样品密度的增加都提高了被测元素的相对光谱强度。