CN105572102B - 一种硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合绝缘材料老化状态检测方法，包括以下步骤：S1、用脉冲激光束多次轰击待检测的复合绝缘材料表面上的选取点，产生等离子体，并测量每次轰击在复合绝缘材料上形成的轰击深度；S2、采集每次轰击时等离子体发射的光谱信息，由采集到的光谱信息提取复合绝缘材料的特定组成元素每次轰击时的光谱特性指标，其至少包括特征谱线的谱线强度特征；S3、确定特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；S4、根据特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系，确定复合绝缘材料的老化状态信息，老化状态信息至少包括复合绝缘材料的老化深度信息。该方法可实现对复合材料老化状态快速、准确的检测，且避免以往所需的破坏性试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合绝缘材料老化状态检测方法。
背景技术
输电线路良好的外绝缘状态是电力系统安全运行的重要保障。以复合绝缘子(合成绝缘子)、增爬裙和室温硫化硅橡胶涂料(RTV涂料)为代表的硅橡胶材料在电力系统外绝缘领域大量使用后，外绝缘设备的耐污闪能力才得到显著改善。
复合材料在长期运行过程当中，受到电场、温度、湿度等因素的影响会出现老化现象，造成复合材料的性能下降，从而威胁到输电线路的安全稳定运行。因此，对于输电线路复合材料老化状态进行判断具有重要的意义。
硅橡胶材料是电力系统常用的复合绝缘材料，其被广泛应用于高电压外绝缘领域。长期运行后，硅橡胶材料会出现老化现象，造成其性能下降。为保证输电线路外绝缘的可靠性，需要对于输电线路复合绝缘材料的老化情况进行判定。
目前，复合绝缘材料老化判定的方法有傅里叶变换红外光谱法(FTIR)，热重分析(TG)等化学分析方法，憎水性测试以及振动声学检测等方法。但憎水性测试难以对复合材料的老化进行有效判定，化学分析方法需进行破坏性试验获取试样且无法在现场进行，而振动声学检测等方法则仅适用于复合材料老化出现较大缺陷的情况。
通常，材料的老化是从表层到内部逐渐发生的过程，材料的化学组成成分和各种物理性能也随着老化的发生呈现从内部到变化的过程。通过切片的方式可以在一定程度上表征材料的内部与表面不同状态，但这种方式非常的粗略，难以得到Z轴方向(深度方向)材料成分变化的精细过程信息。因此寻找复合材料从表面到内部的变化趋势(材料成分或者性能)表征和检测方法是目前急需的。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种复合绝缘材料 老化状态检测方法，实现对复合材料老化状态快速、准确的检测，且避免现有方法所需进行的破坏性试验。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合绝缘材料老化状态检测方法，包括以下步骤：
S1、用脉冲激光束多次轰击待检测的复合绝缘材料表面上的选取点，产生等离子体，并测量每次轰击在复合绝缘材料上形成的轰击深度；
S2、采集每次轰击时等离子体发射的光谱信息，由采集到的光谱信息提取复合绝缘材料的特定组成元素每次轰击时的光谱特性指标，所述光谱特性指标至少包括特征谱线的谱线强度特征；
S3、确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；
S4、根据所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系，确定复合绝缘材料的老化状态信息，所述老化状态信息至少包括复合绝缘材料的老化深度信息。
进一步地：
所述选取点包括复合绝缘材料表面上不同位置的多个选取点，步骤S4中，确定复合绝缘材料在所述多个选取点的平均老化状态信息。
步骤S1中，以相同的轰击条件，用脉冲激光束多次轰击待检测的复合绝缘材料表面上的选取点；步骤S3中，确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，由此来反映所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；步骤S4中，根据相同的轰击条件下轰击深度与轰击次数的线性关系，以及所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，确定复合绝缘材料的老化深度信息。
所述轰击条件包括脉冲激光束的单脉冲能量、频率、光斑面积、以及轰击角度。
所述步骤S2中检测的特定组成元素包括第一元素和第二元素，由采集到的光谱信息确定所述第一元素和所述第二元素每次轰击时的特征谱线，并计算得到所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比；步骤S3中，确定所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深度的变化关系曲线；步骤S4中、根据所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深度的变化关系曲线，确定复合绝缘材料的老化状态信息。
步骤S2中，选取多次轰击下谱线强度相对稳定的元素作为所述第一元素，选取多次轰击下光谱强度相对不稳定的元素作为所述第二元素。
所述光谱特性指标还包括等离子体温度和等离子体电子密度。
所述复合绝缘材料为输电线路和变电设备应用的复合材料。
所述输电线路复合材料为绝缘子RTV涂料、复合绝缘子伞裙材料、互感器护套等多种外绝缘复合材料。
使用LIBS系统进行检测。
本发明的有益效果：
针对现有的复合材料老化状态判断方法需要进行破坏性试验(如将RTV涂料从绝缘子上剖层，或将复合绝缘子伞裙从芯棒上截断)，而其他的声学、光学检测方式只能针对复合材料有较大缺陷(裂纹或者空洞等)的情况，本发明提出了一种复合绝缘材料老化检测方法，利用脉冲激光束轰击复合绝缘材料表面，通过建立元素特征谱线强度随复合绝缘材料深度的变化关系，来快速、可靠地检测输电线路复合绝缘材料老化情况。基于本发明的复合材料老化检测方法，通过激光诱导击穿光谱分析系统可以快速地判断复合材料的老化情况，并可在现场进行应用。
具体来说，由脉冲激光光源发出激光聚焦于待检测的绝缘子RTV材料或者复合绝缘子表面，发出的激光使得待检测的复合材料表面部分气化形成等离子体，采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱信息，由采集得到的等离子体发射光谱可以提取得到硅橡胶复合材料的成分、特定组成元素的特征谱线强度、谱线强度比，等离子体温度、等离子体电子密度等光谱特性指标，利用这些指标与复合材料老化状态的关联性可以对复合材料的老化状态进行快速判断。
本发明利用激光诱导等离子体光谱对待测对象的特征变化极为敏感且具有高空间分辨率的特征，在宏观检查的基础上，利用LIBS设备对待测复合材料(RTV涂料或者复合绝缘子伞裙材料)进行检测，实现快速判断复合材料的使用状态及老化特征。本发明利用光谱特征谱线对待测试样状态敏感的特点来实现复合材料的老化检测，相比现有的检测方法和仪器，具有无需特别取样，操作方便，分析速度快(全部分析过程不超过30s)的优点，可以在停电检修期间对杆塔的多个绝缘子串和单支绝缘子的多个伞裙进行分析判断。通过本发明的应用，可以快速判定输电线路复合材料的老化状态，根据实际情况进行更换或者维护，保证电力系统的安全运行。
附图说明
图1为本发明一种实施例中所用的LIBS系统原理图；
图2为本发明一种实施例中Mg元素与Si元素特征谱线强度比随轰击次数变化情况。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
在一种实施例中，一种复合绝缘材料老化状态检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、用脉冲激光束多次轰击待检测的复合绝缘材料表面上的选取点，产生等离子体，并测量每次轰击在复合绝缘材料上形成的轰击深度；
步骤S2、采集每次轰击时等离子体发射的光谱信息，由采集到的光谱信息提取复合绝缘材料的特定组成元素每次轰击时的光谱特性指标，所述光谱特性指标至少包括特征谱线的谱线强度特征；
步骤S3、确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；
步骤S4、根据所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系，确定复合绝缘材料的老化状态信息，所述老化状态信息至少包括复合绝缘材料的老化深度信息。
在一些实施例中，所述复合绝缘材料为输电线路、变电设备应用的复合材料，通过本方法实现对为输电线路、变电设备应用的复合材料的老化状态检测。所述输电线路复合材料可以但不限于是绝缘子RTV涂料或复合绝缘子伞裙材料、互感器护套等多种外绝缘复合材料。
在优选的实施例中，所述选取点包括复合绝缘材料表面上不同位置的多个选取点，步骤S4中，确定复合绝缘材料在所述多个选取点的平均老化状态信息，以此来判断复合绝缘材料老化状态。
在优选的实施例中，步骤S1中，以相同的轰击条件，用脉冲激光束多次轰击待检测的复合绝缘材料表面上的选取点；步骤S3中，确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，由此来反映所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；步骤S4中，根据相同的轰击条件下轰击深度与轰击次数的线性关系，以及所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，确定复合绝缘材料的老化深度信息。
更优选地，所述轰击条件包括脉冲激光束的单脉冲能量、频率、光斑面积、以及轰击角度。
在优选的实施例中，所述步骤S2中检测的特定组成元素包括第一元素和第二元素，由采集到的光谱信息确定所述第一元素和所述第二元素每次轰击时的特征谱线，并计算得到所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比；步骤S3中，确定所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深 度的变化关系曲线；步骤S4中、根据所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深度的变化关系曲线，确定复合绝缘材料的老化状态信息。
在更优选的实施例中，步骤S2中，选取多次轰击下谱线强度相对稳定的元素作为所述第一元素，如Si元素，选取多次轰击下光谱强度相对不稳定的元素作为所述第二元素，如Mg元素，。
在一些实施例中，用于判断老化状态的所述光谱特性指标还可以包括等离子体温度和等离子体电子密度等。
在进一步的实施例中，可以利用LIBS系统来实现上述实施例的检测和分析。如图1所示，LIBS系统可以包括激光光源、电源模块、控制模块、光谱采集模块、分析模块、光纤探头2、光学透镜3等部分，实现对待检测的复合绝缘材料1进行检测和分析。
根据上述实施例的方法，由脉冲激光光源发出激光聚焦于待检测的绝缘子RTV材料或者复合绝缘子表面，发出的激光使得待检测的复合材料表面部分气化形成等离子体，采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱信息，由采集得到的等离子体发射光谱可以提取得到硅橡胶复合材料的成分、特定组成元素的特征谱线强度、谱线强度比，等离子体温度、等离子体电子密度等光谱特性指标，利用这些指标与复合材料老化状态的关联性可以对复合材料的老化状态进行快速判断。
根据上述方法，本发明利用激光诱导等离子体光谱对待测对象的特征变化极为敏感且具有高空间分辨率的特征，在宏观检查的基础上，利用LIBS设备对待测复合材料(RTV涂料或者复合绝缘子伞裙材料)进行检测，实现快速判断复合材料的使用状态及老化特征。本发明利用光谱特征谱线对待测试样状态敏感的特点来实现复合材料的老化检测，相比现有的检测方法和仪器，具有无需特别取样，操作方便，分析速度快(全部分析过程不超过30s)的优点，可以在停电检修期间对杆塔的多个绝缘子串和单支绝缘子的多个伞裙进行分析判断。通过本发明的应用，可以快速判定输电线路复合材料的老化状态，根据实际情况进行更换或者维护，保证电力系统的安全运行。
一种实施例的复合绝缘材料老化状态检测方法的具体操作步骤如下：
(1)在现场待检测的复合材料区域(绝缘子RTV涂层或复合绝缘子伞裙)选取m个点(m优选大于5)，采用一定单脉冲能量、频率、光斑面积的脉冲激光，由相同的轰击角度分别对所选取各点进行Xi次轰击(i＝1,2…m，各点在该点的轰击次数内不被击穿)，利用白光干涉仪测量得 到各点的激光烧蚀坑洞深度di(i＝1,2…m)。结果表明，在激光单脉冲能量、激光频率、激光光斑面积与激光轰击角度一定的情况下，激光烧蚀材料形成坑洞的深度di与轰击次数Xi成线性关系。每一次激光轰击烧蚀的材料厚度h可由该线性关系得到，则不同的轰击次数对应于材料不同的深度，第n次轰击对应深度n*h。
(2)在现场待检测的复合材料区域(绝缘子RTV涂层或复合绝缘子伞裙)随机选取n个点(n优选大于20)，采用单脉冲能量、频率、光斑面积一定的脉冲激光，激光束焦点置于待检测复合材料的表面，从相同的轰击角度分别对所选取点处进行轰击，并通过LIBS系统的光谱探测模块采集各点处每次轰击时的等离子体光谱。
(3)对于采集得到的等离子体光谱，选取不同轰击次数下光谱强度较强且较稳定的元素A的特征谱线A1作为标准谱线。在第n次轰击得到的等离子体光谱中，元素B的特征谱线的B1的谱线强度为IB,n，标准谱线A1的谱线强度为IA,n，则在该次轰击时，两条谱线的强度比为：
由上式，可以获得每个点各次轰击时得到的等离子体光谱中特征谱线B1与标准谱线A1的光谱强度之比IB/A等，根据这一步骤可以获得每个点各次轰击时得到的等离子体光谱中其他元素的特征谱线与标准谱线A1的光谱强度之比。
(4)由步骤(3)可以获得每个点各特征谱线强度与标准谱线强度之比随轰击次数的变化关系曲线，因为轰击次数与深度成线性关系，每次轰击的深度已经由步骤(1)获得。根据谱线强度比曲线的变化情况，即可以得到材料的某些特定元素在每个点随轰击深度的变化。通常，材料的成分会由于加工工艺等原因在空间上有涨落，但这种涨落是在一定的范围内，不会出现剧烈的变化。由本方法得到的光谱强度变化是材料的老化造成的，因而曲线(参见如图2所示的例子)会有较大的变化，这种变化也就反映了材料在每个点的老化状态，即因为老化因素的作用，材料的化学成分随材料深度方向的变化。根据该曲线可以得到材料的老化深度、老化过程中材料成分发生的变化，从而反映复合材料在这些点的老化状态。针对20个点的老化状态信息取平均，就可以判断复合绝缘材料的整体老化状态。
应用实例
按照上述操作步骤对某老化复合绝缘子伞裙进行的检测。图2给出了以波长为288.095nm的Si元素特征谱线为标准谱线，波长为279.533nm 的Mg元素特征谱线强度比随轰击次数的变化情况。由图2中可以看出，当轰击次数大于3次时，强度比随轰击次数变化较缓，即在伞裙深度较深处的内部，Mg元素含量相对稳定；而轰击次数小于3次时，强度比随轰击次数剧烈变化则反映出在伞裙表面附近Mg元素含量剧烈变化，伞裙表面附近出现老化现象，轰击次数为3次时对应的轰击深度为伞裙的老化深度。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、用脉冲激光束多次轰击待检测的硅橡胶复合绝缘材料表面上的选取点，产生等离子体，并测量每次轰击在硅橡胶复合绝缘材料上形成的轰击深度；
S2、采集每次轰击时等离子体发射的光谱信息，由采集到的光谱信息提取硅橡胶复合绝缘材料的特定组成元素每次轰击时的光谱特性指标，所述光谱特性指标至少包括特征谱线的谱线强度特征；
S3、确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；
S4、根据所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系，确定硅橡胶复合绝缘材料的老化状态信息，所述老化状态信息至少包括硅橡胶复合绝缘材料的老化深度信息；
步骤S1中，以相同的轰击条件，用脉冲激光束多次轰击待检测的硅橡胶复合绝缘材料表面上的选取点；步骤S3中，确定所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，由此来反映所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击深度的变化关系；步骤S4中，根据相同的轰击条件下轰击深度与轰击次数的线性关系，以及所述特定组成元素的光谱特性指标随轰击次数的变化关系，确定硅橡胶复合绝缘材料的老化深度信息。
2.如权利要求1所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述选取点包括硅橡胶复合绝缘材料表面上不同位置的多个选取点，步骤S4中，确定硅橡胶复合绝缘材料在所述多个选取点的平均老化状态信息。
3.如权利要求1所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述轰击条件包括脉冲激光束的单脉冲能量、频率、光斑面积、以及轰击角度。
4.如权利要求1或2所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述步骤S2中检测的特定组成元素包括第一元素和第二元素，由采集到的光谱信息确定所述第一元素和所述第二元素每次轰击时的特征谱线，并计算得到所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比；步骤S3中，确定所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深度的变化关系曲线；步骤S4中、根据所述第二元素与所述第一元素的谱线强度比随轰击深度的变化关系曲线，确定硅橡胶复合绝缘材料的老化状态信息。
5.如权利要求4所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,步骤S2中，选取多次轰击下谱线强度相对稳定的元素作为所述第一元素，选取多次轰击下光谱强度相对不稳定的元素作为所述第二元素。
6.如权利要求4所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述光谱特性指标还包括等离子体温度和电子密度。
7.如权利要求1或2所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述硅橡胶复合绝缘材料为输电线路和变电设备复合材料。
8.如权利要求7所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,所述输电线路和变电设备复合材料为玻璃和瓷绝缘子RTV涂料、或复合绝缘子伞裙材料、或套管护套材料。
9.如权利要求1或2所述的硅橡胶复合绝缘材料老化状态检测方法，其特征在于,使用LIBS系统进行检测。
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