CN109030411B - 一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，所述方法采用连续调制激光束照射在复合绝缘子表面，在计算机控制激光束调制频率变化过程中，采用红外探测器探测复合绝缘子表面红外辐射信号随调制频率变化情况。根据红外辐射信号的频域变化特性，采用复合绝缘子热传导理论模型拟合得到复合绝缘子的热物理信息(热扩散率)和光吸收特征(体吸收系数和表面吸收率)，从而判定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和光吸收特性的影响来评估复合绝缘子的老化程度，具有方法和操作简单、结果准确可靠、可快速评估老化程度等优点。

Description

一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测复合绝缘子老化程度的方法，特别涉及一种基于连续调制激光照射同时测量不同老化程度绝缘子热物理性质(热扩散率)和光吸收系数的方法,属于高压电气检测领域。
背景技术
高温硫化硅橡胶复合绝缘子广泛用于高压输电电力系统中，起着绝缘和支撑输电线路的重要作用。然而，随着运行时间的增长，高温硫化硅橡胶复合绝缘子长期经受强电场的作用，以及恶劣的室外环境如紫外线、风沙、雨水、高温的侵蚀，绝缘子的老化现象日趋严重，大分子化学键断裂，导致绝缘子表面憎水性丧失，耐污闪性能变差，这对输电线路带来严重的安全隐患。因此，及时有效地评估复合绝缘子的老化程度就显得尤为重要。
针对复合绝缘子的老化程度，研究人员提出了很多基于不同技术的检测方法。中国专利申请号201711210684.8的发明专利“一种优化的复合绝缘子喷水分级法”、中国专利申请号201310461244.5的发明专利“一种复合绝缘子老化状态分级及判别方法”分别利用喷水分级法和水滴接触角确定绝缘子表面的憎水性等级，从而检测绝缘子的老化状态；中国专利申请号201410835832.5的发明专利“绝缘子高压端泄漏电流测量装置”、中国专利申请号201510958923.2的发明专利“基于热刺激电流特性的复合绝缘子人工老化试验评估方法”分别通过检测绝缘子的泄漏电流和热刺激电流特性来检测绝缘子的老化状态；随着现代微观表征方法的发展，中国专利申请号201410786920.0的发明专利“一种复合绝缘子服役寿命的评价方法”、中国专利申请号201310461244.5的发明专利“高压绝缘子污秽成分测定方法”、中国专利申请号201610157134.3的发明专利“绝缘子表面污秽粒径分布的检测方法”、中国专利申请号201610907461.6的发明专利“一种用于复合绝缘子老化程度检测的核磁共振测量系统”利用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、X射线光电子能谱技术(XPS)、扫描电子显微镜技术(SEM)、核磁共振技术来通过分析绝缘子表面微观结构特征的变化检测其老化状态。
然而，现有的检测方法都有一些局限性。例如，直接通过人眼对外观的判断以及喷水分级法对水滴附着复合绝缘子表面状态进行人为分级，都受主观因素的影响较大，且不易量化；泄漏电流和热刺激电流的测量需要搭建繁杂的实验系统，其中热刺激电流的测量甚至需要置于真空环境中，操作不便。而现代材料微观表征技术多需要现代化昂贵的表征仪器，且对实验环境要求苛刻，大多截取少量样品在实验室中进行测试分析，不能进行实时测量且造价昂贵，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。
针对复合绝缘子老化后热物理性质(热扩散率)和光吸收特征的变化，目前尚未见相关的测量装置和方法，而我们通过调制光热辐射技术，测量出不同老化程度的复合绝缘子热扩散率和光吸收系数有相应的改变。作为一种优秀的无损检测技术，调制光热辐射技术和待测样品无接触、无损伤、检测灵敏且精确度高，可以用来作为检测复合绝缘子老化状态的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于连续调制激光的照射，通过搭建相应的辐射测量系统，同时测量绝缘子的热扩散率和吸收系数(包括体吸收和表面吸收)，从而得到复合绝缘子的老化信息。
本发明方法及特征如下：
一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：将一束连续调制的激光束照射在复合绝缘子样品表面，复合绝缘子样品吸收激光束能量而导致温度上升并产生红外辐射，调制的激光照射使复合绝缘子表面的红外辐射信号携带样品的热物理信息和光吸收信息，经由红外探测器探测、锁相放大器记录并通过计算机处理获取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)一束连续调制激光束经凸透镜聚焦后照射在复合绝缘子表面，激光束调制信号由计算机控制信号发生器产生，调制频率通过计算机控制在一定范围内调节；
(2)复合绝缘子的红外辐射信号经一对离轴抛物面镜收集后，由红外探测器探测信号并传输到锁相放大器中，锁相放大器输出红外辐射信号的幅值和相位数据由计算机采集；
(3)调节激光束调制频率，测量并记录复合绝缘子红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线；
(4)将测得的红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线与复合绝缘子热传导理论拟合，得到复合绝缘子的热扩散率、体吸收系数和表面吸收率，并由此对复合绝缘子的老化程度进行评估：复合绝缘子的热扩散率越低、体吸收系数和表面吸收率越大，复合绝缘子老化越严重，并且当热扩散率低于一定阈值时，可认定复合绝缘子老化严重，需要进行更换。
其中，所述激光束的调制频率范围为1Hz到10000Hz。
其中，所述激光束调制信号为方波或者正弦波信号，由信号发生器调制激光器激励电源产生，或者由信号发生器控制机械斩波器调制激光束直接产生。
其中，所述激光束经透镜聚焦后在样品表面形成没有突出热点的规则圆形光斑，且光斑尺寸可通过改变透镜纵向位置调节。
其中，所述激光束的功率可调节，即避免功率过高烧坏复合绝缘子样品，破坏其热物理特性和光吸收特征，也避免功率过低导致红外辐射信号的信噪比低，影响热物理特性和光吸收特征测量的精确性。
其中，所述的红外探测器前应加入带通滤光片阻止激光束直接进入红外探测器，影响红外辐射信号的准确探测。
其中，所述的热扩散率与复合绝缘子老化程度的定量关系和所述的热扩散率阈值通过测量不同老化程度复合绝缘子的热扩散率确定。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明实现了一种通过同时测量复合绝缘子的热扩散率和光吸收系数来检测复合绝缘子老化程度的方法，操作容易，无需样品准备，测量无损且无需接触破坏样品，测试时间短，准确度高，可以成为检测复合绝缘子老化程度的有效方法。
附图说明
图1为本发明的实验装置示意图。
图2为采用波长830nm、功率100mW的激光器在TTL连续调制、照射在复合绝缘子表面光斑半径516μm条件下，测得的A类(未挂网运行，未老化)和B类(挂网运行10年以上，老化)复合绝缘子样品的红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线以及理论拟合情况。
具体实施方式
下面结合图1、图2和表1具体描述本发明提出的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法。
采用图1所示的实验装置示意图搭建基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测实验装置。激光器采用波长830nm的连续输出激光器，输出功率100mW，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516μm。激光器激励电源受信号发生器TTL信号调制，产生调制激光输出，并由计算机控制调制频率的变化。红外辐射信号的探测采用波兰VIGO SYSTEM S.A.公司PVI-4TE-5碲镉汞探测器，探测器前放置红外带通滤波片(锗片)阻止激光束杂散光进入探测器，影响红外辐射信号的探测。采用美国斯坦福研究系统公司的锁相放大器SR830读取红外辐射信号。锁相放大器输出的红外辐射信号的幅值和相位值由计算机采集。通过计算机控制信号发生器调节激光束调制频率，测量不同调制频率时复合绝缘子红外辐射信号的幅值和相位值并得到红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线，经信号处理后得到复合绝缘子的热物理特性(热扩散率)和光吸收特性，从而评估复合绝缘子样品的老化程度。
图2为波长830nm、功率100mW激光分别照射在A类(未挂网运行，未老化)和B类(挂网运行10年以上，老化)复合绝缘子样品上得到的红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线实验测量结果和理论拟合结果。从图2可以看出，A类样品和B类样品红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线差异明显(挂网运行的B类样品长期受强电场、紫外线影响，且受风沙、雨水、高温等恶劣环境影响，产生老化)，证明复合绝缘子老化程度对其热物理性质和吸收特征影响很大。由图2可知，B类样品相比A类样品幅值-频率变化曲线的幅值斜率绝对值减小，而相位滞后的度数也减小，且在高频附近(241Hz)产生相位极小值。从上述不同老化程度复合绝缘子红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线的差异可证明本检测方法的有效性。另外，老化也导致复合绝缘子表面存在一定吸收，这是由于老化绝缘子表面褪色、粉化且有严重积污所致。从上述参数的改变可以定量地评估绝缘子的老化程度。
表1为由图2数据处理获得的A类(未挂网运行，未老化)、B类(挂网运行10年以上，老化)复合绝缘子样品热扩散系数和光吸收参数结果。从表1数据可以看出，A、B类样品的热扩散率分别为4.77×10-7m2/s和3.03×10-7m2/s，体吸收系数分别为4.97×103m-1和9.00×103m-1，表面吸收率分别为0和0.019，差别很大。相比于A类样品，B类样品的热扩散率同比下降36.5％，体吸收系数同比增加81.1％，且在表面出现一定的光吸收。从上述参数的改变可以定量地评估复合绝缘子的老化程度。
表1复合绝缘子样品热扩散系数和光吸收参数
Figure GDA0002621056560000041
总之，本发明提出了一种通过测量连续调制激光照射产生的红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线检测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不够客观准确，无法定量判别，或者操作和计算过程复杂，造价昂贵，测量时间长等缺点，方法和操作简单，测试速度快，结果准确可信。

Claims (7)

1.一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：将一束连续调制的激光束照射在复合绝缘子样品表面，复合绝缘子样品吸收激光束能量而导致温度上升并产生红外辐射，调制的激光照射使复合绝缘子表面的红外辐射信号携带样品的热物理信息和光吸收信息，经由红外探测器探测、锁相放大器记录并通过计算机处理获取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)一束连续调制激光束经凸透镜聚焦后照射在复合绝缘子表面，激光束调制信号由计算机控制信号发生器产生，调制频率通过计算机控制在一定范围内调节；
(2)复合绝缘子的红外辐射信号经一对离轴抛物面镜收集后，由红外探测器探测信号并传输到锁相放大器中，锁相放大器输出红外辐射信号的幅值和相位数据由计算机采集；
(3)调节激光束调制频率，测量并记录复合绝缘子红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线；
(4)将测得的红外辐射信号的幅值-频率变化曲线和相位-频率变化曲线与复合绝缘子热传导理论拟合，得到复合绝缘子的热扩散率、体吸收系数和表面吸收率，并由此对复合绝缘子的老化程度进行评估：复合绝缘子的热扩散率越低、体吸收系数和表面吸收率越大，复合绝缘子老化越严重，并且当热扩散率低于一定阈值时，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所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述激光束调制频率范围为1Hz到10000Hz。
3.根据权利要求1所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述激光束调制信号为方波或者正弦波信号，由信号发生器调制激光器激励电源产生，或者由信号发生器控制机械斩波器调制激光束直接产生。
4.根据权利要求1所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述激光束经透镜聚焦后在样品表面形成没有突出热点的规则圆形光斑，且光斑尺寸可通过改变透镜纵向位置调节。
5.根据权利要求1所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述激光束的功率可调节，即避免功率过高烧坏复合绝缘子样品，破坏其热物理特性和光吸收特征，也避免功率过低导致红外辐射信号的信噪比低，影响热物理特性和光吸收特征测量的精确性。
6.根据权利要求1所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述的红外探测器前应加入带通滤光片阻止激光束直接进入红外探测器，影响红外辐射信号的准确探测。
7.根据权利要求1所述的一种基于连续调制激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于：所述的热扩散率与复合绝缘子老化程度的定量关系和所述的热扩散率阈值通过测量不同老化程度复合绝缘子的热扩散率确定。
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