本發(fā)明涉及絕緣子表面等值鹽密的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
輸電線路良好的外絕緣狀態(tài)是電力系統(tǒng)安全運行的重要保障。以復(fù)合絕緣子(合成絕緣子)、增爬裙和室溫硫化硅橡膠涂料(RTV涂料)為代表的硅橡膠材料在電力系統(tǒng)外絕緣領(lǐng)域大量使用后，外絕緣設(shè)備的耐污閃能力才得到顯著改善。
近幾年來，一方面，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重以及復(fù)雜，另一方面，交直流輸電線路的電壓等級不斷提高，導(dǎo)致發(fā)生了很多起超高壓輸電線路的污閃事故。可見，在部分環(huán)境或者情形下，硅橡膠絕緣子及RTV涂料并不能完全阻止污閃事故的發(fā)生。
實際運行中，防污閃關(guān)鍵之一在于監(jiān)測運行中絕緣子的表面污穢度。在污穢超過限值后及時進行停電清掃或帶電水沖洗，可有效減少污閃事故的發(fā)生。現(xiàn)行的表征絕緣子表面污穢度的方法是等值鹽密法。等值附鹽密度是指絕緣子表面每平方厘米的面積上附著的污穢中導(dǎo)電物質(zhì)的含量所相當(dāng)?shù)腘aCl的質(zhì)量，簡稱等值鹽密?，F(xiàn)有測量等值鹽密的方法中，測量前需要對絕緣子進行取樣，然后用一定量的蒸餾水，按規(guī)定的方法清洗絕緣子上的污穢，最后測量含有污穢的水的電導(dǎo)率來確定ESDD。這種方法需要進行停電取樣，影響了電網(wǎng)供電可靠性，因此需要尋找一種實時的污穢成分在線測量方式。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種絕緣子表面等值鹽密測量方法及裝置，不用停電取樣，可實現(xiàn)污穢成分以及等值鹽密的在線測量。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
一種絕緣子表面等值鹽密測量方法，包括以下步驟：S1，將脈沖激光光源聚焦于待檢測的絕緣子的污穢表面，利用激光光源發(fā)出脈寬小于等于20ns的激光使得所述絕緣子表面的污穢物質(zhì)被誘導(dǎo)形成等離子體，采集等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜信息；S2，建立絕緣子表面污穢中常見可溶性鹽中的各離子的密度與激光激發(fā)產(chǎn)生等離子體后的光譜特征之間的關(guān)系模型；S3，將步驟S1中采集的光譜信息輸入步驟S2中的關(guān)系模型中，分析得到所述待檢測的絕緣子表面的污穢物質(zhì)的離子組成和各種離子的離子密度；S4，根據(jù)步驟S3得到的各種離子的離子密度計算污穢物質(zhì)的等值鹽密。
一種絕緣子表面等值鹽密測量裝置，包括脈沖激光光源、采集模塊、存儲模塊、分析模塊和計算模塊；所述脈沖激光光源聚焦于待檢測的絕緣子的污穢表面，用于發(fā)出脈寬小于等于20ns的激光使得所述絕緣子表面的污穢物質(zhì)被氣化形成等離子體；所述采集模塊用于采集所述等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜信息；所述存儲模塊用于存儲絕緣子表面污穢中常見可溶性鹽中的各離子的密度與激光激發(fā)產(chǎn)生等離子后的光譜特征之間的關(guān)系模型；所述分析模塊用于在所述光譜信息輸入所述關(guān)系模型中后分析得到所述待檢測的絕緣子表面的污穢物質(zhì)的離子組成和各種離子的離子密度；所述計算模塊用于根據(jù)所述各種離子的離子密度計算污穢物質(zhì)的等值鹽密。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
本發(fā)明的絕緣子表面等值鹽密測量方法及裝置，利用脈沖激光光源發(fā)出一定脈寬的激光聚焦于待檢測的絕緣子污穢表面，發(fā)出激光使得待檢測的絕緣子污穢表面部分被氣化形成等離子體，采集等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜信息。提取常見污穢各種鹽分在已知含量下的光譜特征指標(biāo)，利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與常見污穢成分含量的光譜特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，得到待測絕緣子表面的污穢元素組成和鹽分含量，從而計算污穢的等值鹽密。本發(fā)明的方法中，通過激光遠(yuǎn)程激發(fā)誘導(dǎo)擊穿光譜進行定量分析，可針對輸電線路現(xiàn)場運行時，絕緣子帶電情形下直接測試，從而實現(xiàn)在線測試。利用遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)建立定量分析體系，對絕緣子表面污穢的成分進行直接測量，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)中通用的等值鹽密(ESDD)，既能分析得到污穢的組成成分，同時等值鹽密測量結(jié)果精確，利于實時監(jiān)測絕緣子當(dāng)前的污穢狀態(tài)，防止污閃事故的發(fā)生。
【具體實施方式】
本具體實施方式中提供一種絕緣子表面等值鹽密的測量方法，包括以下步驟：
步驟一：將脈沖激光光源聚焦于待檢測的絕緣子的污穢表面，利用激光光源發(fā)出脈寬小于等于20ns的激光使得所述絕緣子表面的污穢物質(zhì)被氣化形成等離子體，采集等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜信息。
該步驟中，可搭建激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)平臺對絕緣子表面進行等離子體激發(fā)。本具體實施方式的遠(yuǎn)程LIBS平臺包含調(diào)Q納秒脈沖激光器、電荷耦合器件(CCD)、光譜儀三個主體部分，以及擴束器、可變距光纖聚焦系統(tǒng)等附加的光學(xué)遠(yuǎn)程設(shè)備。通過納秒脈沖激光源發(fā)射脈寬小于等于20ns的激光脈沖，進行擴束后由光纖聚焦系統(tǒng)聚焦至待檢測的絕緣子的污穢表面。激光誘導(dǎo)激發(fā)出等離子體，等離子體衰減過程中，等離子體發(fā)出的光譜被光纖探頭探測后，通過光纖傳遞至光譜儀進行分光，同時CCD將采集的光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號傳入計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)保存和處理。各模塊之間的同步過程可通過對光譜儀和CCD設(shè)置延遲時間來實現(xiàn)。
上述平臺即可實現(xiàn)激光激發(fā)誘導(dǎo)，尤其適合遠(yuǎn)程激發(fā)誘導(dǎo)，從而可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離(0～20m)聚焦后進行照射激發(fā)等離子體。需說明的是，激光需為脈沖激光，且脈寬小于等于20ns，從而具備足夠能量密度使得絕緣子表面的污穢物質(zhì)被誘導(dǎo)氣化形成等離子體。
步驟二：建立絕緣子表面污穢中常見可溶性鹽中的各離子的密度與激光激發(fā)產(chǎn)生等離子體后的光譜特征之間的關(guān)系模型。
該步驟中，可先通過人工標(biāo)定污穢中各種主要離子密度的激光光譜強度，然后由離子密度和光譜強度建立數(shù)學(xué)模型，得到兩者之間的關(guān)系模型。
一般地，污穢中的常見可溶性鹽包括CaSO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40％～90％)和NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％～40％)，其他成分還有NaNO3、KNO3、MgSO4、(NH4)2SO4、Mg(NO3)2、CaCl2等。標(biāo)定的污穢成分還可以根據(jù)現(xiàn)場污穢的實際成分確定，具有可通過待測的絕緣子線路附近的土壤進行成分分析后預(yù)測會包含的可溶性鹽。
確定出待標(biāo)定的多種可溶性鹽后，制備i個污穢樣品，樣品編號為C1，……，Ci，包含不同含量的多種待標(biāo)定的可溶性鹽。如以上述8種可溶性鹽為例，則每一樣品中均包括8種可溶性鹽，且各樣品中包括的同一可溶性鹽的含量不相同。由于各可溶性鹽的含量已知，通過簡單的換算可以得到各種離子的離子密度。將各種離子的離子密度作為待建模模型的變量輸出。
使用激光光源(也可采用不帶附加遠(yuǎn)程設(shè)備的激光照射儀器)對上述i個樣品進行等離子體激發(fā)，測量等離子衰減過程中發(fā)出的光譜信號。
對i個光譜信號進行預(yù)處理，對各光譜信號的譜線強度進行面積歸一化，從而減小儀器參數(shù)波動對譜線強度的影響。從i個歸一化后的光譜信號的譜線中選取各離子元素的一條或者多條譜線作為特征譜線，選取時選擇無自吸收以及其他譜線干擾的譜線作為特征譜線，記錄其譜線強度。該i個樣品對應(yīng)i個光譜信號，則各離子均對應(yīng)i個光譜的譜線強度，將其作為待建模模型的變量輸入。
基于上述變量輸入和變量輸出，可標(biāo)定兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。具體標(biāo)定過程，可通過常見的數(shù)據(jù)處理方法建立數(shù)學(xué)模型。如下以偏最小二乘法為例進行說明。
標(biāo)定時，采用交互驗證法，令C1-Ci-1為定標(biāo)樣品，Ci為預(yù)測樣品，計算預(yù)測樣品中各離子對應(yīng)的特征譜線的譜線強度的殘差平方和(PRESS)。然后再選取Ci-1為預(yù)測樣品，C1-Ci-2，Ci為定標(biāo)樣品，計算預(yù)測樣品中各離子對應(yīng)的特征譜線的譜線強度的PRESS。如此循環(huán)i次，得到各離子對應(yīng)的i個殘差平方和。最后取i個殘差平方和的平均值為總體評價的PRESS值。利用不同數(shù)量的PLS因子進行偏最小二乘法計算，當(dāng)PLS因子過多或過少，PRESS值都會偏大，據(jù)此確定出使評價值最小的PLS因子作為最佳因子。
以Na+為例，根據(jù)Na+離子對應(yīng)的最佳因子，標(biāo)定出Na+離子密度關(guān)于最佳因子的元素譜線強度多元一次線性模型。同樣地，根據(jù)Ca2+離子對應(yīng)的最佳因子，也可以標(biāo)定出Ca2+離子密度關(guān)于最佳因子的元素譜線強度多元一次線性模型，其余離子，例如K+離子密度、Mg2+離子密度、NH4+離子密度、Cl-離子密度、NO3-離子密度、SO42-離子密度等與光譜譜線強度的多元一次線性模型也可以根據(jù)各自對應(yīng)的最佳因子標(biāo)定得到。
步驟三：實測現(xiàn)場待檢測的絕緣子表面的污穢對應(yīng)的激光誘導(dǎo)光譜，將上述標(biāo)定的模型與實測的光譜強度進行結(jié)合參考即可得到實測的污穢中各離子的種類以及各離子密度。
具體地，通過上述帶遠(yuǎn)程的LIBS平臺對現(xiàn)場通電運行的絕緣子表面污穢進行等離子激發(fā)，測其光譜。數(shù)據(jù)處理后，將光譜的譜線強度參數(shù)帶入步驟二標(biāo)定的模型中即可得到污穢中各種離子的種類以及各離子的離子密度。
步驟四：將測得的各種離子密度換算成ESDD。
換算前，可先將一些溶解度較低、高電壓下易分解的離子組合中的離子的密度進行修正，如CaSO4、(NH4)2SO4等。
換算時，將步驟三得到的除Na+以外的陽離子與Na+進行導(dǎo)電性等價，則污穢中的等值Na+的離子密度＝Na++1.15×Ca2++1.917×Mg2++1.278×NH4+(等式右邊均為離子密度，所有變量的單位均為mg/cm2)。
將驟三得到的除Cl-以外的陰離子與Cl-進行導(dǎo)電性等價，則污穢的等值Cl-的離子密度＝Cl-+0.573×NO3-+0.740×SO42-(同上式說明)。
最終，污穢成分的ESDD＝等值Na+的離子密度+等值Cl-的離子密度。
需說明的是，如實際的地區(qū)環(huán)境中導(dǎo)致污穢中含有其他離子時，也可以采用上述方法進行測量。相應(yīng)地，步驟二建模標(biāo)定時，加入相應(yīng)的鹽類，標(biāo)定出離子密度與光譜譜線強度的關(guān)系模型。步驟三進行分析即可。步驟四中進行換算時，在導(dǎo)電性等價換算時作相應(yīng)的換算即可。
本具體實施方式中，通過激光遠(yuǎn)程激發(fā)誘導(dǎo)擊穿光譜進行定量分析，可實現(xiàn)絕緣子帶電進行在線測試。利用遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)建立定量分析體系，對絕緣子表面污穢的成分進行直接測量，得到絕緣子表面每平方厘米的面積上附著的污穢中各離子的離子密度，然后通過導(dǎo)電性等價換算成Na+的離子密度，Cl-的離子密度，從而得到標(biāo)準(zhǔn)中通用的等值鹽密(ESDD)。本具體實施方式的測量方法，既能分析得到污穢的組成成分，同時等值鹽密測量結(jié)果精確，利于實時監(jiān)測絕緣子當(dāng)前的污穢狀態(tài)，防止污閃事故的發(fā)生。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。