CN114047177A

CN114047177A - 有机绝缘材料含水率的检测方法

Info

Publication number: CN114047177A
Application number: CN202111300883.4A
Authority: CN
Inventors: 杜钢; 李晓; 李光茂; 庞志开; 周鸿铃; 杨杰
Original assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-02-15

Abstract

本发明涉及一种有机绝缘材料含水率的检测方法，包括以下步骤：1)采用激光诱导击穿光谱方法，用脉冲激光光束冲击已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品，获得各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据；2)根据各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据及其对应的已知含水率，建立有机绝缘材料的等离子体光谱数据与含水率之间的对应关系；3)采用激光诱导击穿光谱方法，在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，获得有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据；4)根据有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据和对应关系，确定有机绝缘材料待测样品的含水率。该检测方法可以直接快速、有效地检测得到有机绝缘材料的含水率。

Description

有机绝缘材料含水率的检测方法

技术领域

本发明涉及电工领域，特别涉及一种有机绝缘材料含水率的检测方法。

背景技术

常见的有机绝缘材料有硅橡胶和环氧树脂等，因其具有良好的电气绝缘性能，被广泛应用于电工领域，能有效隔绝器件与复杂环境的接触。然而，有机绝缘材料吸水后会导致绝缘性能严重下降甚至丧失。例如，硅橡胶应用于制备电缆附件时，当水分子扩散到硅橡胶中会造成硅氧烷链的水解、填料的溶解，损耗角正切与电导率的增加，以及击穿场强的降低等损害，从而导致局部放电引发事故；如环氧树脂应用于干式空心电抗器时，受潮将导致绝缘材料的水解，进一步导致机械强度的大幅下降甚至完全脆化，并在包封内部应力的作用下破裂，从而导致匝间绝缘受损，最终影响电力系统运行的安全性与稳定性。

目前还没有能够直接、快速有效地检测有机绝缘材料含水率的方法，因此传统技术有待改进。

发明内容

基于此，本发明提供了一种有机绝缘材料含水率的检测方法，该检测方法可以直接快速、有效地检测得到有机绝缘材料的含水率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种有机绝缘材料含水率的检测方法，包括以下步骤：

1)采用激光诱导击穿光谱方法，用脉冲激光光束冲击已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品，获得各所述有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据；

2)根据各所述有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据及其对应的已知含水率，建立有机绝缘材料的等离子体光谱数据与含水率之间的对应关系；

3)采用激光诱导击穿光谱方法，在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，获得所述有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据；

4)根据所述有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据和所述对应关系，确定所述有机绝缘材料待测样品的含水率。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，在步骤2)中，所述等离子体光谱数据为特征元素的谱线强度，所述特征元素为所述有机绝缘材料中的元素。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，在步骤2)中，对所述特征元素的谱线强度进行归一化处理，得到所述特征元素与全谱元素的谱线强度比；所述对应关系为所述谱线强度比与含水率之间的对应关系。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，在步骤2)中，在步骤2)中，选取不同种的第一元素与第二元素作为特征元素，获取第一元素与第二元素的谱线强度比，所述对应关系为所述谱线强度比与含水率之间的对应关系。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，在步骤2)中，所述等离子体光谱数据为等离子体温度，所述对应关系为所述等离子体温度与含水率的对应关系。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，在步骤1)中，在同一所述有机绝缘材料标准样品的表面选择3～10个试验点进行冲击，得到各所述试验点的等离子体光谱数据；获取各所述试验点的等离子体光谱数据的平均值，作为所述有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，所述脉冲激光光束的频率为1Hz～5Hz。

在其中一些实施例中，有机绝缘材料含水率的检测方法中，所述有机绝缘材料为硅橡胶或环氧树脂。

本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。

本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

与现有技术相比较，本发明的有机绝缘材料含水率的检测方法具有如下有益效果：

上述有机绝缘材料含水率的检测方法，通过采用激光诱导击穿光谱方法，用脉冲激光光束冲击已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品，对有机绝缘材料标准样品进行烧蚀，在有机绝缘材料标准样品表面产生等离子体，获得各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据；对于含有不同质量分数水分的有机绝缘材料，当实验参数不变时，脉冲激光光束烧蚀有机绝缘材料得到的等离子体光谱数据会不同，从而可以建立有机绝缘材料的等离子体光谱数据与含水率之间的对应关系；采用激光诱导击穿光谱方法，在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，获得有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据；进一步根据有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据和对应关系，可实现直接快速、有效地检测得到有机绝缘材料的含水率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1得到的氧元素谱线强度与硅橡胶含水率的函数关系曲线；

图2为实施例2得到的等离子体温度与环氧树脂含水率的函数关系曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的有机绝缘材料含水率的检测方法作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。具体地，本发明实施例说明书中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

本发明一实施方式提供了一种有机绝缘材料含水率的检测方法，包括步骤S10～S40。

步骤S10：采用激光诱导击穿光谱方法，用脉冲激光光束冲击已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品，获得各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据。

在其中一些示例中，步骤S10中，在同一有机绝缘材料标准样品的表面选择3～10个试验点进行冲击，得到各试验点的等离子体光谱数据；获取各试验点的等离子体光谱数据的平均值，作为有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据。

可以理解，将有机绝缘材料标准样品表面多个试验点的等离子体光谱数据的平均值作为有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据，可以降低偶然误差的影响。

在其中一些示例中，步骤S10中，已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品的含水率测试包括以下步骤：

将有机绝缘材料样品进行干燥、称重，记为m；

将称重后的有机绝缘材料样品在水中浸渍后，称重，记为M；

有机绝缘材料标准样品的含水率为：

可以理解，将有机绝缘材料在水中浸渍的前后质量变化率作为有机绝缘材料的含水率；有机绝缘材料在水中浸渍的时间不同，得到具有不同含水率的有机绝缘材料样品。

在其中一些示例中，步骤S10中，已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品的含水率测试中，采用同一配方制成的、尺寸相同的多个有机绝缘材料样品，依次用无水乙醇和去离子水擦拭有机绝缘材料样品表面，置于恒温箱中干燥，在室温干燥环境中冷却后称量。

在其中一些具体的示例中，步骤S10中，已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品的含水率测试中，干燥的温度为100℃～140℃，干燥的时间为100h～150h；可选的，干燥的温度为110℃～130℃，干燥的时间为110h～130h。

在其中一些较优的示例中，步骤S10中，已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品的含水率测试中，干燥的温度为120℃，干燥的时间为120h。

可以理解，可以采用常规仪器称量有机绝缘材料样品的质量，如电子天平等。

在其中一些示例中，步骤S10中，激光诱导击穿光谱方法使用的激光诱导击穿光谱系统包括激光器、光路系统、控制器和光谱仪。

在其中一些示例中，步骤S10中，脉冲激光光束的频率为1Hz～5Hz；优选地，脉冲激光光束的频率为1Hz。

在其中一些示例中，步骤S10中，激光能量为40mJ～80mJ；优选地，激光能量为60mJ。

在其中一些示例中，步骤S10中，收光角度为60°～90°；优选地，收光角度为75°。

在其中一些示例中，步骤S10中，光谱仪延迟时间为1μs～3μs；优选地，光谱仪延迟时间为2μs。

通过采用特定的激光能量、收光角度与光谱仪延迟时间，可以获得信噪比、信背比较高的光谱信号。

步骤S20：根据各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据及其对应的已知含水率，建立有机绝缘材料的等离子体光谱数据与含水率之间的对应关系。

可以理解，等离子体光谱数据包括特征元素的谱线强度、等离子体温度、谱线强度比和电子密度等。

在其中一些示例中，步骤S20中，等离子体光谱数据为特征元素的谱线强度，特征元素为有机绝缘材料中的元素。可以理解，此时的对应关系为谱线强度与含水率之间的对应关系。

在其中一些示例中，步骤S20中，有机绝缘材料中的元素选自氧元素、氢元素的至少一种。

在其中一些示例中，步骤S20中，对特征元素的谱线强度进行归一化处理，得到特征元素与全谱元素的谱线强度比；对应关系为谱线强度比与含水率之间的对应关系。

可以理解，归一化处理为将测量信号(特征元素谱线强度)除以参考信号(谱中所有元素的谱线强度之和)作为分析量，建立其与含水率之间的对应关系。对谱线强度进行归一化处理，可以消除光源能量波动、外界环境变化带来的影响。

在其中一些示例中，步骤S20中，选取不同种的第一元素与第二元素作为特征元素，获取第一元素与第二元素的谱线强度比，对应关系为谱线强度比与含水率之间的对应关系。

可以理解，在其中一些示例中，步骤S20中，第一元素和第二元素分别独立地选自氧元素、氢元素中的一种。可以理解，第一元素和第二元素不相同。

在其中一些示例中，步骤S20中，等离子体光谱数据为等离子体温度，对应关系为等离子体温度与含水率的对应关系。

可理解，上述对应关系可以是函数关系，图表关系等。

步骤S30：采用激光诱导击穿光谱方法，在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，获得有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据。

可以理解，步骤S30与步骤S10中脉冲激光光束的能量、频率和收光角度以及光谱仪延迟时间等测试条件均相同。在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，是为了消除实验参数带来的影响。

步骤S40：根据有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据，利用步骤S20得到的对应关系，确定有机绝缘材料待测样品的含水率。

激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是一种基于激光与物质相互作用所产生的发射光谱进行物质成分和浓度分析的方法。将高能量脉冲激光聚焦到待测样品表面诱导产生等离子体，等离子体在膨胀冷却过程中发射特定波长的光，探测、采集这些发射光可获得完整的光谱信号，对光谱信号进行分析即获得样品的成分和组成。

通过采用激光诱导击穿光谱方法，用脉冲激光光束冲击已知含水率的多个有机绝缘材料标准样品，对有机绝缘材料标准样品进行烧蚀，在有机绝缘材料标准样品表面产生等离子体，获得各有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据；对于含有不同质量分数水分的有机绝缘材料，当实验参数不变时，脉冲激光光束烧蚀有机绝缘材料得到的等离子体光谱数据会不同，从而可以建立有机绝缘材料的等离子体光谱数据与含水率之间的对应关系；采用激光诱导击穿光谱方法，在相同条件下用脉冲激光光束冲击有机绝缘材料待测样品，获得有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据；进一步根据有机绝缘材料待测样品的等离子体光谱数据和对应关系，可实现直接快速、有效地检测得到有机绝缘材料的含水率。

具体实施例

以下按照本发明的有机绝缘材料含水率的检测方法举例，可理解，本发明的有机绝缘材料含水率的检测方法并不局限于下述实施例。

实施例1

取同一批次的硅橡胶样品，尺寸为50mm×30mm×2mm，分为14组，依次用无水乙醇和去离子水擦拭硅橡胶样品表面，置于120℃恒温箱中干燥120小时后，取出硅橡胶样品，待硅橡胶样品在室温干燥环境中冷却后(温度为25℃)，利用电子天平称量样品的初始质量，记为m₁，紧接着将硅橡胶样品浸渍于恒温去离子水中，于t时刻(t为0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d、10d、11d、12d、13d)取出称量，记为M_t(_t为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14)，根据如下公式得到硅橡胶标准样品的含水量，含水量如表1所示：

对每一个硅橡胶标准样品选择10个试验点进行试验，采用激光诱导击穿光谱方法，每个试验点用脉冲激光光束以1Hz的频率连续冲击10次，之后将这10个试验点的LIBS光谱中氧元素对应的谱线强度取平均值，14组硅橡胶标准样品的氧元素谱线强度的平均值如表1所示；

表1

对氧元素的谱线强度进行归一化处理，将氧元素与全谱元素的谱线强度比作为自变量，硅橡胶含水率作为因变量，得到谱线强度比与硅橡胶含水率之间的函数关系，如图1所示，相关系数R²＝0.87603，函数关系式为：y＝-0.00105x+0.00301。

取4个硅橡胶待测样品，尺寸为50mm×30mm×2mm，分为I组、II组、III组、IV组，依次用无水乙醇和去离子水擦拭硅橡胶待测样品表面，浸渍于恒温去离子水中，分别于1d、5d、10d、15d取出硅橡胶待测样品，对每一个硅橡胶待测样品选择10个试验点进行试验，采用激光诱导击穿光谱方法，每个试验点用脉冲激光光束以1Hz的频率连续冲击10次，取10个试验点的氧元素对应的谱线强度的平均值，作为硅橡胶待测样品的等离子体光谱数据，并利用上述得到的谱线强度比与硅橡胶含水率之间的函数关系，计算得到4组硅橡胶的含水率，如表2所示。

表2

组别	I	II	III	IV
					含水率/％	0.02237	0.18220	0.29872	0.33435

将上述通过函数关系获得含水率的4个硅橡胶样品进行称量，质量分别记为M_I、M_II、M_III、M_IV；置于120℃恒温箱中干燥120小时后，取出，置于室温干燥环境中冷却(温度为25℃)，利用电子天平称量，记为m_I、m_II、m_III、m_IV，通过计算得到含水率，结果如表3所示。

表3

组别	I	II	III	IV
					含水率/％	0.02138	0.17249	0.30945	0.34897

由表2～3可知，采用激光诱导击穿光谱方法测得的硅橡胶的含水率与传统方法测得的含水率基本相当。

实施例2

取同一批次的环氧树脂样品，直径为40mm，厚度为2mm，分为4组，依次用无水乙醇和去离子水擦拭环氧树脂样品表面，置于120℃恒温箱中干燥120小时后，取出环氧树脂样品，待环氧树脂样品在室温干燥环境中冷却后(温度为25℃)，利用电子天平称量环氧树脂样品的初始质量，记为m₂，紧接着将环氧树脂样品浸渍于恒温去离子水中，于t时刻取出称量，记为M_q(_q取非零自然数)，得到环氧树脂标准样品的含水量，如表4所示：

对每组的环氧树脂标准样品选择3个试验点进行试验，采用激光诱导击穿光谱方法，每个试验点用脉冲激光光束以1Hz的频率连续冲击10次，之后将这3个试验点的LIBS光谱对应的等离子体温度取平均值，4组环氧树脂标准样品的等离子体温度的平均值如表4所示；

表4

样品组别	1	2	3	4
					含水量/％	0.43258	0.58723	1.14153	0.97825
等离子体温度/K	7656.02	7856.52	8957.26	8669.15

以等离子体温度作为自变量，环氧树脂含水率作为因变量，得到等离子体温度与环氧树脂含水率之间的函数关系，如图2所示，相关系数R²＝0.99599，函数关系式为：y＝189256.32x+6799.26。

取直径为40mm，厚度为2mm的环氧树脂待测样品，分为甲、乙、丙、丁4组，依次用无水乙醇和去离子水擦拭环氧树脂待测样品的表面，浸渍于恒温去离子水中，分别于1d、5d、10d、15d取出环氧树脂，对每一个环氧树脂待测样品选择3个试验点进行试验，采用激光诱导击穿光谱方法，每个试验点用脉冲激光光束以1Hz的频率连续冲击10次，获取这10个试验点的LIBS光谱对应的等离子体温度的平均值，并利用上述得到的等离子体温度与环氧树脂含水率之间的函数关系，计算得到环氧树脂的含水率，如表5所示。

表5

组别	甲	乙	丙	丁
					含水率/％	0.41014	0.64857	0.83505	1.06044

将上述通过函数关系得到含水率的4组环氧树脂样品进行称量，质量分别记为M_甲、M_乙、M_丙、M_丁；置于120℃恒温箱中干燥120小时后，取出，置于室温干燥环境中冷却(温度为25℃)，利用电子天平称量，记为m_甲、m_乙、m_丙、m_丁，通过计算得到含水量，结果如表6所示。

表6

组别	甲	乙	丙	丁
					含水率/％	0.40157	0.61489	0.84569	1.02478

由表5～6可知，采用激光诱导击穿光谱方法测得的环氧树脂的含水率与传统方法测得的含水率基本相当。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，在步骤2)中，所述等离子体光谱数据为特征元素的谱线强度，所述特征元素为所述有机绝缘材料中的元素。

3.如权利要求2所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，在步骤2)中，对所述特征元素的谱线强度进行归一化处理，得到所述特征元素与全谱元素的谱线强度比；所述对应关系为所述谱线强度比与含水率之间的对应关系。

4.如权利要求2所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，在步骤2)中，选取不同种的第一元素与第二元素作为特征元素，获取第一元素与第二元素的谱线强度比，所述对应关系为所述谱线强度比与含水率之间的对应关系。

5.如权利要求1所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，在步骤2)中，所述等离子体光谱数据为等离子体温度，所述对应关系为所述等离子体温度与含水率的对应关系。

6.如权利要求1～5任一项所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，在步骤1)中，在同一所述有机绝缘材料标准样品的表面选择3～10个试验点进行冲击，得到各所述试验点的等离子体光谱数据；获取各所述试验点的等离子体光谱数据的平均值，作为所述有机绝缘材料标准样品的等离子体光谱数据。

7.如权利要求1～5任一项所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，所述脉冲激光光束的频率为1Hz～5Hz。

8.如权利要求1～5任一项所述的有机绝缘材料含水率的检测方法，其特征在于，所述有机绝缘材料为硅橡胶或环氧树脂。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～8中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～8中任一项所述的方法的步骤。