激光诱导击穿光谱技术绝缘子污秽快速定量检测

激光诱导击穿光谱技术绝缘子污秽快速定量检测电力系统中，绝缘子是非常重要的外绝缘设备，在整个输电网中占有较为重要的作用。

电力系统中，绝缘子是非常重要的外绝缘设备，在整个输电网中占有较为重要的位置。然而电网在日常运行过程中，绝缘子表面通常会附着污秽物，当污秽物累积到一定程度或含有腐蚀性成分时，就会影响绝缘子的绝缘性能，甚至会出现线路闪络的现象，进而造成电力系统故障，导致大面积停电。

激光诱导击穿光谱技术（LIBS）作为新兴起的光谱检测技术，其依据脉冲激光技术，采用高能激光聚集方式，对待检样本实施远距离检测，具有非接触性和无损性，在远程元素分析方面有着广泛应用。

01 绝缘子污秽快速定量检测

实验设备主要包含光学平台、激光器、光谱仪、延时控制器以及反射透镜与聚焦透镜等。实验流程图见图1。

图1 实验装置图

利用LIBS进行绝缘子污秽快速检测的过程如下：将绝缘子污秽样本放置在光学平台上，调节实验样本与透镜的间距，使样本处于透镜的焦点位置；激光器发出的脉冲激光通过反射透镜与聚焦透镜作用于样本表面，样本便会被烧蚀、激发、蒸发以及解离，从而形成等离子体，这些等离子体具有温度高、电子密度高的特点[13]；利用延时控制器对光谱仪采集光谱信号的延迟时间进行控制，使光谱仪利用光纤获取辐射粒子光谱，待检测绝缘子污秽样本中元素的类别与含量可以通过光谱波长所在位置以及强度反映出来，这也是利用激光诱导击穿光谱技术对相关物质进行定量分析的依据；光谱中的相关数据则通过计算机进行获取与处理。

02基于CF-LIBS的绝缘子污秽快速定量检测

自由定标激光诱导击穿光谱方法（CF-LIBS）是进行定量分析的一种模型，其依据光谱线强度以及等离子体参数之间的关系对模型进行构建。该方法不受基体效应影响，也不需要利用大量样本构建定标曲线，比较适用于现场对绝缘子污秽进行快速检测。光谱谱线强度以及等离子体参数间的关系如式（1）所示。

式（1）中：Iλij为跃迁波长λ下的谱线强度；i、j分别为λ对应的电子跃迁的高能级、低能级；F为实验常数；GS为样本内发射粒子浓度，下标S表示粒子类别；Aij为谱线跃迁概率；gi为i的统计权重；T为等离子体激发温度；US(T)为T温度下种类为S的粒子配分函数；Ei为i能级粒子的能量；kB为玻尔兹曼常数；e为自然常数。

03 污秽绝缘片定量检测

3.1人工污秽绝缘片定量检测

对1#、2#人工污秽样本进行定量检测，得到这两个污秽样本的光谱图如图2所示。从图2可以看出，光谱图可以清晰地反映出人工污秽样本中所有元素的类别与含量。样本1#和2#中均含有9种元素，其中样本1#中元素Ca(1)的含量最大,元素Na次之，元素O(1)含量最小。而样本2#中元素Ca(2)的含量最大，元素Ca(1)次之，元素O(3)含量最小。由此可见，激光诱导击穿光谱技术可以有效实现对绝缘子污秽的定量检测。

表1绝缘子污秽样本中主要元素内参考线

 

图2 人工污秽样本光谱图

采用X射线光电子能谱（XPS）技术作为标准对1#样本进行元素分析，以文献《基于高光谱技术的绝缘子污秽成分识别方法》作为对比方法，得到光谱检测对比结果如图3所示。从图3可以看出，

本文方法得到的光谱图与XPS技术相一致，说明本文方法可以有效实现污秽样本的定量检测。与文献方法相比，本文方法的检测结果精度较高，可以准确实现污秽样本的定量检测。

图3 1#样本光谱对比图

3.2液相自然污秽样本定量检测

利用本文方法对3#、4#自然污秽样本进行定量检测，得到关于这两个污秽样本的光谱图，如图4所示。从图4可以看出，3#样本检测出9种元素，且主要集中在波长为400～700nm，其中元素C的含量最大，元素O(1)含量最小。而4#样本中则检测出11种元素，元素Ca(1)的占比最大，对比3#样本新增了少量的Fe元素与Si元素，主要集中在波长为400～800nm。从上述数据可知，4#样本的污秽程度高于3#样本，进而说明本文方法有效。

图4自然污秽样本光谱图

LIBS技术在固相中的研究要比液相或者气相更加丰富和深入。大量的文献多见于对土壤合金等固相物质中的元素检测分析。采用LIBS技术研究土壤污染不需要复杂的样品制备，可以灵活快速地对样品进行检测定量分析。不受地域地形限制，可时时现场检测，大大提高结果的真实程度。

04LIBS技术存在的问题和挑战

LIBS系统中最关键的是高功率激光光源，不同的样品对激光的能量和功率密度要求不同，一般要求能量为10~100mJ，光斑尺寸在100μm以下。用于液体样品分析时，常需要激光能量>100mJ，功率密度>1GW/cm2，这就对激光的能量要求提出挑战。

激光脉冲能量无法全部使用，部分能量会损失掉，因而导致等离子体时刻随着能量改变而变化，因此实验的可重复性不强，这需要从脉冲激光器控制的角度进行深入研究改进激光脉冲的稳定和重复性。

如何实现准确的定量分析，一直是LIBS研究的重点。根据不同的物质，也发展出了多种定量分析方法，但一直还没有一个非常有效的普适性方法。

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审核编辑 黄宇