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      LIBS在硅橡膠絕緣子老化研究中的應用

      LIBS在硅橡膠絕緣子老化研究中的應用

      本文關鍵詞: 新材料LIBS/LIFS
      摘要

      1. 技術背景

      硅橡膠絕緣子是一種由復合材料制成的電絕緣器件,通常用于高壓輸電線路。這類復合材料為有機高分子,具有良好的憎水性和防污閃性能。作為有機復合材料,在長期運行過程中,受到雨水、強光照、鹽霧等環境因素以及高壓電場的作用,硅橡膠會出現老化問題,主要包括有機硅橡膠主鏈斷裂、交聯度下降以及側鏈甲基減少等,表現為粉化、紋裂等現象,使其防污閃效能下降。因此硅橡膠復合材料的老化評估方法和策略是迫切需要解決的問題。眾所周知,材料的性能決定于材料的組成成分和結構,因此可以通過對絕緣子表面成分變化進行探測,來判斷其是否已發生老化。

      圖1 硅橡膠絕緣子

      圖1 硅橡膠絕緣子

      目前,硅橡膠材料的成分分析方法主要包括傅里葉變換紅外光譜(Fourier Translation Infrared Spectroscopy, FTIR)分析、熱重(Thermo-gravimetric, TG)分析、氣相色譜法以及拉曼光譜分析等。其中,FTIR、色譜可以用于材料特征官能團的分析;TG用于分析試樣中有機物的含量。但是以上方法均需要對絕緣子破壞取樣后,在實驗室進行測試,而無法在運行現場直接測試,這勢必降低了絕緣子老化現象發現的效率,從而造成使用中的安全隱患。因此迫切需要一款可以在線原位分析檢測硅橡膠材料成分變化的設備。

      近年來,激光誘導擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技術在材料分析領域得到了迅速地發展。該技術基于高能量脈沖激光燒蝕物體,使物體表面的組成元素發生等離子體化,并發射出具有這些元素特征的等離子體光譜,包括原子、離子、分子特征頻譜線,并用于物體中元素組成的定性或定量分析。該技術無需取樣和樣品制備等前處理工作,且不會破壞樣品的宏觀形貌,可應用于氣體、液體、固體各種類型的樣品。將該技術用于硅橡膠絕緣子表面元素組成的探測,即可實現絕緣子老化現象的現場觀測。

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      2. 產品介紹

      海洋光學擁有一款便攜式的多通道激光誘導測試系統MX2500+,該系統內集成了寬光譜高分辨力的微型光纖光譜儀和Nd:YAG激光器,其光譜180-1037nm范圍內多達16384個像元,并且該系統具有高精度、高效率的外部同步時鐘,完美的協同了所有通道,實現了精確的延遲采集,高觸發信號精度達到±10ns,保證了完整的原子譜線信號在原子激發輻射突出時被準確地采集。系統的操作軟件中集成了原子光譜標準與技術數據庫(NIST)發布的所有元素的特征原子光譜信息,便于使用者對測試結果進行實時、準確地分析。

      圖2 MX2500+ LIBS系統

      圖2 MX2500+ LIBS系統

      3. 檢測示例

      以下我們將展示使用該系統對一組老化的硅橡膠絕緣子測量結果:

      1. 絕緣子樣品的等離子體光譜

      硅橡膠絕緣子樣品來源于高壓輸電線路退役的傘塔,測量設置如下:

      激光能量:200mJ;

      光譜范圍:198-976nm;

      轟擊次數:30次。

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      下圖為第30次轟擊得到的原子發射光譜:

      圖3 硅橡膠絕緣子的原子發射光譜譜圖

      圖3 硅橡膠絕緣子的原子發射光譜譜圖

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      通過與系統自帶原子光譜數據庫進行比較,確定了光譜中部分特征譜線所對應的元素種類。該絕緣子樣品中含有C、Mg、Ca 、Si、Al、Fe和O等元素。

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      2.部分元素原子光譜強度隨轟擊次數的變化

      分別選取C、Mg、Ca、Al和Fe的發射光譜中較強的特征譜線,繪制這些譜線的強度與轟擊次數的關系,如下圖4所示。

      圖4 部分特征譜線強度隨轟擊次數變化的情況

      圖4 部分特征譜線強度隨轟擊次數變化的情況

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      圖4 部分特征譜線強度隨轟擊次數變化的情況

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      選取的C、Mg、Ca和Fe元素的特征譜線強度隨著轟擊次數的增加,表現為顯著降低后趨于平穩;而Al元素的特征譜線的光譜強度則相對平穩。該測量結果可以反映出老化的絕緣子表面成分的變化,即C、Mg、Ca和Fe元素從表層到內部的含量的變化趨勢為顯著降低后趨于平穩,而Al元素的含量則變化不大。

      從以上測量結果,我們看到MX2500+可以快捷地實現對硅橡膠絕緣子的元素組成的探測,該設備預計在絕緣子老化現象的觀測中具有很好地應用前景。

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