1. 前言
当前，电力行业以等值附盐密度(ESDD)和灰密(NSDD)作为绝缘子表面污秽等级的核心表征参数[1]-[3]，其中，ESDD被定义为污秽溶解液电导率与NaCl溶液电导率的等效性数值。对ESDD的检测，行业中普遍采用取样后溶解，然后实验室进行电导率测量及等效计算的标准化流程进行污秽等级的量化分析。在该实验室分析过程中，为模拟实际污秽环境，通常采用NaCl模拟可溶性污秽、硅藻土/高岭土模拟不溶性污秽的标准配置方法[4]-[6]。该标准配置方法推动了绝缘子污秽相关研究的发展，为污闪机理探索、防污闪材料研发等提供了基础研究条件，是当前行业中普遍采用的标准方法。
然而，这一标准配置方法在实际应用中逐渐暴露出诸多局限性，其中最明显的是各类污秽颗粒物在绝缘子表面沉积的化学成分因地域、环境及污染源的不同而存在较大差异，致使实际环境下绝缘子表面污秽成分往往多种多样，并不是实验室单一物质可模拟的。而不同地域环境差异巨大，如在内陆的工业污染区，化工排放物中含有丰富的钾盐、硫酸盐等多种复杂盐类[7]-[9]；在农业灌溉区域，还可能存在含氮、磷等元素的可溶性化合物[10] [11]。前期相关研究成果显示了不同区域的污秽来源及组成呈现较大的差异性，如沿海地区污秽以钠盐，钾盐为主，工业生产密集区域以钙盐、镁盐、二氧化硅、氧化铝为主，因此，在差异明显的情况下，以氯化钠、高岭土为基底的污秽配置方法，未充分考虑各种污秽成分电导率影响，忽略了这些复杂多样的实际成分，极大地简化了真实的污秽环境，致使污秽度评估和污闪机制的研究仍然存在缺陷，防污闪策略的制定缺乏科学依据。因此，开展多元素来源的污秽配比研究，针对性地建立符合地域特点的人工污秽样本，对更好的开展污秽等级的检测意义重大。
激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种快速检测元素成分的光谱分析技术，当前在绝缘子污秽检测领域逐步开始得到关注。利用该技术可以实现对污秽中组成元素进行定性分析，根据元素的种类判断污染物的来源，通过将光谱强度与绝缘子性能(等值盐密，等值灰密)关联起来，可以实现对绝缘子表面污秽等级的初步判别，具备卓越的原位分析能力[12]-[17]。然而，当前人工污秽的配置方法中只包含单一的氯化钠，而利用此类人工污秽进行LIBS分析时，与实际污秽的多元素组成相距甚远，相关人工污秽配置的方法不具备多元素的基本要求。针对上述问题，本研究致力于探索适用于LIBS技术的绝缘子污秽检测方法。结合LIBS技术的检测原理与特性，提出一种多元素配比的人工污秽配置方案。
2. 实验材料与方法
2.1. LIBS实验装置
本研究使用Nd:YAG脉冲激光器为激发源，波长为1064 nm，采用非线性晶体完成倍频转换输可输出倍频光，脉冲能量100 mJ。采用海洋光学HR2000多通道光谱仪收集产生等离子体发出的光谱信号，光谱覆盖范围为200 nm~800 nm，分辨率为0.2 nm。采用脉冲延时器(DG535)控制系统的触发时序，采用显微聚焦物镜实现对脉冲激光的聚焦(LMH-5X-1064)，在污秽表面获得足够的峰值功率。实验过程中采用多点平均的方式，实现统计学分析。
2.2. 人工污秽配置
在人工污秽配置过程中，为更接近地模拟复杂实际污秽组成，取氯化钠90.0 g、氯化钾30.0 g、氯化钙40.0 g、氯化镁30.0 g，将这些可溶性盐置于另一容器中充分混合，并加入2.0 L去离子水，搅拌至完全溶解，形成均匀的盐溶液。将高岭土、硅藻土及炭黑混合充分的基底粉末材料120.0 g缓慢加入到上述盐溶液中，同时使用磁力搅拌器进行充分搅拌，搅拌速度控制在200转/分钟，搅拌时间为45分钟，使可溶性盐充分吸附在不溶物基底颗粒表面，进而形成均匀的人工污秽悬浮液，将该人工污秽悬浮液放置在超声波清洗器中，超声处理15分钟，进一步促进可溶性盐的均匀分布和与不溶物的紧密结合，将干净的绝缘子浸泡在悬浮液中旋转涂敷，在实验室标准环境条件下干燥作为人工污秽绝缘子样品，操作流程示意图如图1所示。
Figure 1. Schematic diagram of the artificial contamination process of insulators
图1. 人工污秽绝缘子染污过程示意图
2.3. 污秽等值盐密法测试
对于上述方法配置成的绝缘子污秽样品，为了获取真实盐密和灰密值，采用等值盐密法对其进行检测，具体操作步骤如下：
① 清洗烧杯和漏斗，烘干备用。
② 在烧杯中加入纯净水250 mL，测试其电导率，记录。
③ 使用取样布在整个绝缘子表面进行擦拭，收集表面的污秽，将取样布展开放入步骤②中的烧杯中，搅拌，将污秽溶解干净，将取样布上的水全部挤出，并从烧杯中取出。
④ 测试污秽液的电导率，记录。
⑤ 对过滤使用的滤纸进行称重，放在漏斗，对污秽液进行过滤操作。
⑥ 过滤完成后，将滤纸取出，平铺在盘子中，放入干燥箱内进行干燥。
⑦ 将烘干好的滤纸取出进行称重，记录。
上述操作流程如图2所示。
Figure 2. Equivalent salt density method operation flow
图2. 等值盐密法操作流程
3. 结果与讨论
3.1. 可溶性盐添加质量的电导率变化
在绝缘子污秽分析中，影响电导率的可溶性盐种类多样，常见有氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)等，不同盐类对电导率影响存在差异。在配置不同比例的人工污秽时，对污秽液进行电导率的测量，结果如图3所示，NaCl、KCl和CaCl2三种盐类，在0~12 g质量变化范围内，电导率随盐质量增加呈现不同增长趋势，两者之间呈现一定的线性增加趋势，在高质量的可溶性盐存在的情况下，电导率数值增长趋势减缓。该部分的实验结果显示，通过在污秽液中加入对应质量的指定盐，即可实现对电导率的调控。因此，明确不同盐类化合物在污秽配置时对电导率的影响规律，进而通过建立LIBS光谱数据与污秽盐密的对应关系，为进一步绝缘子污秽检测与研究提供支撑。
3.2. 多元素人工污秽的LIBS测试
通过LIBS技术对所制备的绝缘子人工污秽样本进行测试分析，结果验证了多元素人工污秽配置方法的有效性与LIBS技术检测的可靠性，所配置的污秽元素激发光谱如图4所示。实验数据表明，LIBS技术能够实现对人工污秽样本中可溶性盐组分(镁、钠、钙、钾)及不溶性物质(铝、硅)的快速、精准识别，LIBS技术可以检测出Mg、Si、Al、Ca、Na及K元素。所获得的谱线信息有Mg (II) 279.55 nm，Si (I) 288.15 nm，Ca (I) 422.67 nm，Na (I) 589.59 nm，K (I) 766.31 nm。LIBS光谱分析结果不仅证实了该配置方法可有效模拟实际污秽的多元素组成，并且凭借LIBS技术的多元素分析能力，能获得盐类成分、含量的信息，进而分析盐密变化，在复杂污秽体系下，通过光谱信息能判断污秽等级及盐密情况，提供科学检测与分析手段。
Figure 3. Changes in conductivity of sewage liquid with different soluble salt contents
图3. 添加不同的可溶性盐质量下污秽液的电导率变化
Figure 4. Spectrum of artificial pollution
图4. 人工污秽光谱图
3.3. 实际污秽的验证
在广东佛山地区采集实际污秽，利用LIBS技术对绝缘子表面污秽进行成分分析时，通过高能脉冲激光烧蚀污秽层产生等离子体，同步采集等离子体冷却过程中释放的特征光谱。获得的光谱图中可观察到Na、Ca、Si、Al、Mg、K等元素的特征峰。结果如图5所示。所激发出的谱线主要有：Mg (II) 279.55 nm，Mg (II) 280.27 nm，Mg (I) 285.21 nm，Si (I) 288.15 nm，Al (I) 308.21 nm，Al (I) 309.27 nm，Ca (II) 393.36 nm，Al (I) 394.40 nm，Al (I) 396.15 nm，Ca (II) 396.84 nm，Ca (I) 422.67 nm，Na (I) 588.99 nm，Na (I) 589.59 nm以及K (I) 766.48 nm的共14条发射谱线。对实际污秽所激发的谱线如表1所示。
Table 1. Emission lines of major elements
表1. 主要元素的发射谱线
元素种类 |
波长(nm) |
Mg (II) |
279.55 |
280.27 |
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Mg (I) |
285.21 |
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Si (I) |
288.15 |
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Al (I) |
308.21 |
309.27 |
394.40 |
396.15 |
Ca (II) |
393.36 |
396.84 |
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Ca (I) |
422.67 |
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Na (I) |
588.99 |
589.59 |
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K (I) |
766.48 |
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Figure 5. LIBS spectrum of natural pollution
图5. 自然污秽的LIBS光谱
Figure 6. ICP-OES (a) and XRF (b) analysis results of insulator contamination
图6. 绝缘子污秽ICP-OES (a)和XRF (b)的分析结果
进一步地，分别通过ICP-OES及XRF对实际污秽的溶解液及不溶物进行元素成分及含量的检测，结果如图6所示。结果显示，实际污秽中可溶性盐主要以K，Ca，Na，Mg为主，而不溶物中的元素主要以Si，Fe，Al为主，其中O及C元素的含量高，说明不溶物多以氧化物或碳酸根组成的化合物为主。将LIBS技术对污秽的定性检测得到的元素信息与ICP-OES和XRF的分析结果进行对比。结果表明，LIBS技术所获得的元素发射谱线同两种检测技术具有一致性，能够准确检测出多元素污秽样本中的钠、钙、镁、硅、铝、铁等主要元素，与传统分析方法得到的结果吻合。
借助主成分分析方法，对比氯化钠标准污秽及多元素组成污秽在等级分类准确度上的差异，结果如图7所示。通过对多元素组成的污秽进行LIBS光谱分析，并与常规氯化钠标准污秽进行对比，可以看出多元素污秽在进行不同等级判别分类时，准确度均有提升，其中d等级污秽的分类准确度由85%提升至97%。这表面多元素组成的人工污秽样品更符合实际污秽差异性，在利用LIBS技术开展污秽等级研究的过程中，采用多元素配比的人工污秽，对方法开发及相关分类模型的建立都有更加积极的作用。
Figure 7. Comparison of pollution classification accuracy of different types of insulators
图7. 不同类型绝缘子污秽分类准确度对比结果
4. 结论
本研究突破传统单一NaCl模拟污秽可溶性盐的局限性，提出多元素(NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2等)配比的人工污秽配置方案，更贴近实际污秽的多元素组成特征，为LIBS技术构建了更具工程代表性的检测样本基础。
LIBS技术可快速、精准识别污秽中的可溶性盐(Mg, Na, Ca, K)及不溶性物质(Al, Si)的特征光谱，结合电导率与盐密的对应关系，实现了污秽等级与盐密的光谱学判别，检测结果与ICP-OES、XRF等方法一致，验证了技术可靠性。
该方法为复杂地域环境下的绝缘子污秽检测提供了多元素分析手段，可通过光谱信息定量评估污秽成分及污染等级，为绝缘子清洗维护和防污闪决策提供关键数据支持，推动污秽检测从“单一盐密表征”向“多元素成分分析”的技术升级。
基金项目
创新科技项目(GDKJXM20230903)资金资助。
NOTES
*通讯作者。