CN108594048B - 一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，所述方法采用脉冲或连续激光束照射复合绝缘子表面一段时间，在复合绝缘子表面产生足够高温度后停止激光照射，然后采用红外热像仪测量复合绝缘子表面激光照射点温度分布随时间的变化情况，根据温度分布的时间变化特性或停止激光照射一定时间后的温度空间分布情况判断复合绝缘子的老化程度。本方法利用老化对复合绝缘子热传导特性的影响评估复合绝缘子的老化程度，具有方法和操作简单、可快速评估老化程度等优点。

Description

一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法
技术领域
本发明涉及一种通过测量激光照射产生的温度上升的时间和空间分布变化特性评估复合绝缘子老化程度的方法，属于高压电气检测领域。
背景技术
复合绝缘子具有优异的憎水性、独有的憎水迁移性和憎水恢复，优秀的耐污闪能力，以及轻的重量，在电力系统、特别是高压/特高压输送电网中得到了广泛应用。复合绝缘子的伞裙和伞套的主体是高分子材料硅橡胶，其在长期户外运行时，会受到自然界多种环境因素的综合作用，如电场及其导致的局部放电、水或湿气、紫外辐射、温度、臭氧、寄生物和机械应力等。在多种环境应力的长期复杂综合作用下，复合绝缘子会逐渐老化，其憎水性出现劣化、伞套出现硬化、硅橡胶分子降解，这些问题严重影响复合绝缘子的正常运行，进而影响电网的安全可靠运行。因此如何评估复合绝缘子的老化状态成为迫切需要解决的问题。
目前针对复合绝缘子老化状态提出了多种复合绝缘子的老化评估方法，通过外观观察、憎水性测试、表面电荷密度测试、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼(Raman)光谱、多光谱测试、高光谱分类、核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)、热刺激电流(TSC)等多种方法研究了复合绝缘子老化后外观、表面光谱、憎水性以及材料物化性能的变化规律，实现了复合绝缘子现有材料老化程度的有效评估。但这些方法或者不能给出定量的判别结果，准确性较差，或者存在操作和计算过程复杂，需样品准备，测量时间长的缺点，无法满足对复合绝缘子老化程度的定量、准确、快速测试评估的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有复合绝缘子老化程度评估方法的不足，将基于激光照射产生的温度上升的时域和空间分布特征用于复合绝缘子老化程度的测试评估，实现复合绝缘子老化程度的快速、准确评判。
本发明方法及特征如下：
首先采用激光光束照射复合绝缘子样品表面一段时间，照射时间长度由电控光学或机械快门控制，样品吸收激光光束能量而导致温度上升，采用高分辨、快速红外热像仪记录停止照射后不同时刻样品表面温度的二维空间分布，通过计算机处理红外热图像数据的时域和空间分布信息得到复合绝缘子样品的老化程度信息，具体实施包括以下步骤：(1)激光光束照射复合绝缘子样品表面，照射时间由计算机控制电控光学或机械快门控制，即计算机控制电控光学或机械快门开启激光照射，待样品表面产生足够温升后，计算机控制电控光学或机械快门停止激光照射：(2)在激光照射停止时刻启动红外热像仪记录复合绝缘子样品表面激光照射点的二维温度分布随时间的变化特性，记录时间不低于60秒；(3)计算机处理步骤(2)记录的温度分布的时间和空间扩散特性，并由此对复合绝缘子的老化程度进行评估：激光照射产生的温度扩散得越慢，复合绝缘子老化越严重。当温度扩散速率低于一定阈值时，可认定复合绝缘子老化严重，需要进行更换。
其中，所述的温度扩散速率可由激光照射停止一定时间后二维温度分布图形的半高宽尺寸确定，或者由最大温度或平均温度的时间特性确定。
其中，所述的温度扩散速率与复合绝缘子老化程度的定量关系和所示的温度扩散速率阈值通过测量不同老化程度复合绝缘子的温度扩散速率确定。
其中，所述的激光是高重复率脉冲激光或者连续激光，且具有较好的光束质量，在样品表面能形成没有突出热点的规则圆形光斑。
其中，所述的激光照射所用的激光束在复合绝缘子样品表面的光斑尺寸由一准直聚焦系统调节，光斑直径在0.01-10mm之间。
其中，所述的激光照射时间由电控光学或机械快门控制，在1-100秒之间。
其中，所述的红外热像仪应具有足够高的温度灵敏度和空间分辨率，温度灵敏度优于0.1度，空间分辨率优于0.1mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：该方法构型简单，操作容易，无需样品准备，测试时间短，准确度高，可望实现复合绝缘子老化程度的快速高效和高准确性评估。
附图说明
图1为本发明方法的结构示意图；
图2为532nm激光照射60秒、停止照射10秒后两种不同老化程度复合绝缘子表面温度图像的归一化分布图；
图3为532nm激光照射60秒、停止照射后两种不同老化程度复合绝缘子表面温度平均值的时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合图1-3具体描述本发明提出的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法。
采用图1所示的结构示意图搭建基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估实验装置。激光器采用波长532nm的连续输出激光器，输出功率0.5W，光束质量接近基模输出。激光束经透镜聚焦到复合绝缘子样品表面，表面光斑尺寸1mm左右。电控光学快门控制激光束照射样品的时间。照射停止时启动红外热像仪(法国FLIR公司SC7700-M红外热像仪，光谱响应：3-5μm；像素：640×512；帧率：>115Hz；NETD：<20mK)记录不同时刻样品表面温度的二维空间分布，样品与红外热像仪的间距在0.3-0.5米左右，记录时间一般不低于60秒。通过计算机处理红外热图像数据的时域和空间分布信息评估复合绝缘子样品的老化程度。
图2为532nm激光照射60秒、停止照射10秒后两种不同老化程度复合绝缘子表面温度的归一化分布图。从图2可以看出，复合绝缘子样品1老化程度相对较低(挂网运行5年左右)，温度扩散速率较快，停止照射10秒后二维温度分布图像的半高宽尺寸约为32.5个红外热像仪像素，而复合绝缘子样品2老化程度相对较高(挂网运行时间超过10年)，温度扩散速率较慢，停止照射10秒后二维温度分布图像的半高宽尺寸约为26个红外热像仪像素，明显小于样品1的温度分布图像。同时，未归一化的温度分布图像显示(未在图中标出)，停止照射10秒后样品1的最高温升明显低于样品2(样品2：7.5℃，样品3：10.5℃)。从图2所示的温度分布图像可得到复合绝缘子样品的温度扩散速率，从而实现对复合绝缘子老化程度的准确判断。
图3为532nm激光照射60秒、停止照射后两种不同老化程度复合绝缘子表面温度平均值的时间变化曲线。从图2可以看出，复合绝缘子样品1老化程度相对较低，温度扩散速率较快，而复合绝缘子样品2老化程度相对较高，温度扩散速率较慢。且样品1在停止照射后的最大温升明显低于样品2(样品2：20.8℃，样品3：27℃)。从图3所示的温度平均值的时间变化特性可得到复合绝缘子样品的温度扩散速率，从而实现对复合绝缘子老化程度的准确判断。
图2和3的结果显示激光照射结束后温度分布的时间和空间变化特性都显示了复合绝缘子样品的温度扩散特性，因而都可用于评估复合绝缘子的老化程度。
总之，本发明提出了一种通过测量激光照射产生的温度上升的时间和空间分布变化特性评估复合绝缘子老化程度的方法。本方法克服了其他复合绝缘子老化程度评估方法或者无法定量判别，准确性较差，或者操作和计算过程复杂，测量时间长等缺点，方法简单，操作简便，测试速度快，结果准确可信。

Claims (7)

1.一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：首先采用激光光束照射复合绝缘子样品表面一段时间，照射时间长度由电控光学或机械快门控制，样品吸收激光光束能量而导致温度上升，采用高分辨、快速红外热像仪记录激光照射停止后不同时刻样品表面温度的二维空间分布，通过计算机处理红外热图像数据的时域和空间分布信息得到复合绝缘子样品的老化程度信息，具体实施包括以下步骤：
(1)激光光束照射复合绝缘子样品表面，照射时间由计算机控制电控光学或机械快门控制，即计算机控制电控光学或机械快门开启激光照射，待样品表面产生足够温升后，计算机控制电控光学或机械快门停止激光照射；
(2)在激光照射停止时刻启动红外热像仪记录复合绝缘子样品表面激光照射点的二维温度分布随时间的变化特性，记录时间由计算机控制，不低于60秒；
(3)计算机处理步骤(2)记录的温度分布的时间和空间扩散特性，并由此对复合绝缘子的老化程度进行评估：激光照射产生的温度扩散得越慢，复合绝缘子老化越严重； 当温度扩散速率低于一定阈值时，可认定复合绝缘子老化严重，需要进行更换。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的温度扩散速率可由激光照射停止一定时间后二维温度分布图形的半高宽尺寸确定，或者由最大温度或平均温度的时间特性确定。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的温度扩散速率与复合绝缘子老化程度的定量关系和所示的温度扩散速率阈值通过测量不同老化程度复合绝缘子的温度扩散速率确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的激光是重复频率脉冲激光或者连续激光，且具有较好的光束质量，在样品表面能形成没有突出热点的规则圆形光斑。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的激光照射所用的激光束在复合绝缘子样品表面的光斑尺寸由一准直聚焦系统调节，光斑直径在0.01-10mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的激光照射时间由电控光学或机械快门控制，在1-100秒之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光照射的复合绝缘子老化程度评估方法，其特征在于：所述的红外热像仪应具有足够高的温度灵敏度和空间分辨率，温度灵敏度优于0.1度，空间分辨率优于0.1mm。
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