CN105651761A - 一种覆冰盐分的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆冰盐分的测量方法及装置，所述方法包括配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块；利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱；建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系；利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱；根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。本发明可以对覆冰层的盐分进行直接测量，结果精确，利于实时监测冰层的成分分布情况，分析绝缘子的覆冰规律。

Description

一种覆冰盐分的测量方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种覆冰盐分的测量方法及装置。

【背景技术】

覆冰会对输电线路造成严重危害，几乎每年都有输电线路因为出现覆冰导致的严重停电事故，尤其是2008年南方地区的冰冻灾害，给电网的安全运行带来严峻的考验。

覆冰对输电线路的影响主要体现在输电导线和线路绝缘子两个方面，目前对于绝缘子覆冰的覆冰形成机制和闪络规律仍没有充分认识，没有较好的防范措施。

据调查统计，输电线路覆冰闪络事故通常发生在午间。这一时段环境温度较高，绝缘子表面附着的冰体开始融化，造成沿面泄漏电流升高，使冰尖间隙承担大部分压降，从而诱发电弧放电甚至闪络。在这一过程中，泄漏电流的变化受融冰水电导率影响显著，因此，有必要对冰体中的盐分分布规律予以研究。

自然界中绝缘子表面覆冰由底部固液气三相接触点逐渐发展至表层，冻结的方向决定了盐分迁移的方向，而迁移速率取决于电场作用下的覆冰增长速率以及不同伞径影响下的水滴碰撞率。盐分的分布状态直接影响到融冰过程中水膜电导率大小。

为了研究绝缘子覆冰的形成规律和冰闪规律，研究者往往通过人工覆冰实验来模拟自然环境中输电线路的覆冰状态。如中国电力科学研究院、南方电网研究中心、重庆大学、清华大学深圳研究生院等都建有人工模拟气候室，在施加高电压的条件下，模拟输电线路和绝缘子的覆冰情况，研究覆冰闪络规律。

现有的研究发现，人工覆冰实验时，随着覆冰生长或者融冰过程的发生，冰层中的盐分会发生变化，盐分的分布与冻结过程相关，对于冰层从绝缘子底层到冰层最外层的不同位置，其融冰水电导率是初始覆冰水电导率的2.5倍和0.1倍，也就意味着表层冰和底层冰的盐分含量是不同的。

目前人工覆冰实验中，冰层的盐分分布主要通过融冰时融冰水的电导率(或溶液浓度)来测量。如将冰层分成表层、中间层、底层，将冰块切割后融化，测量融冰水的电导率。这种研究方式只能通过测量融冰水的电导率来分析冰层的盐分成分，不能实时的测试冰层的表面状况，也不能发现盐分分布对于覆冰的生长和覆冰闪络的影响。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种覆冰盐分的测量方法及装置，可以实时测量覆冰层上不同位置的盐分浓度。

一种覆冰盐分的测量方法，包括如下步骤：

S1、配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块；

S2、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱；

S3、建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系；

S4、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱；

S5、根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。

在一个实施例中，

在步骤S1中，使每一份盐溶液以高于设定冻结速率冻结，以使冻结成的冰块中盐分均匀分布。

在一个实施例中，

在步骤S1中，利用液氮使盐溶液冻结成冰块。

在一个实施例中，

在步骤S1中，还包括如下步骤：

测量每一份盐溶液的电导率，建立电导率与盐分浓度之间的电导率-浓度函数关系；

在步骤S5之后，还包括如下步骤：

根据计算得到的所述某个部位的盐分浓度和电导率-浓度函数关系，计算所述某个部位的电导率。

在一个实施例中，

在所述步骤S4中，所述待测覆冰层通过如下步骤获得：

S41、配置盐溶液；

S42、在人工气候室中，通过控制温度和风速，通过人工覆冰方法用步骤S41配置的所述盐溶液在不同电压等级的绝缘子上形成覆冰层。

在一个实施例中，

所述盐溶液包括NaCl、KCl溶液。

本发明还提供了一种覆冰盐分的测量装置，包括如下单元：

第一单元，用于配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块；

第二单元，用于利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱；

第三单元，用于建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系；

第四单元，用于利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱；

第五单元，用于根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。

在一个实施例中，

所述第一单元用于，使每一份盐溶液以高于设定冻结速率冻结，以使冻结成的冰块中盐分均匀分布。

在一个实施例中，

所述第一单元用于，利用液氮使盐溶液冻结成冰块。

在一个实施例中，

还包括第六单元，

所述第一单元还用于，测量每一份盐溶液的电导率，建立电导率与盐分浓度之间的电导率-浓度函数关系；

所述第六单元用于，根据计算得到的所述某个部位的盐分浓度和电导率-浓度函数关系，计算所述某个部位的电导率。

本发明的有益效果是：。

在人工覆冰试验中，不论带电与否，都可以实时的检测绝缘子冰层的盐分组成和分布，结果精确，为获得绝缘子覆冰规律提供了有效手段；也可以对野外的电力***上的覆冰层进行实时检测。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的覆冰盐分的测量方法的流程图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

本发明的覆冰盐分的测量方法，需要使用激光诱导击穿光谱***(LIBS)。在一个实施例中，激光诱导击穿光谱***可以由纳秒激光器，CCD和光纤光谱仪组成。其中纳秒激光器的激光脉冲数用光纤光谱仪自带控制软件设置，激光器Q延迟时间可调，同时脉冲激光器和光纤光谱仪的时序预先调整可采集到目标元素的光谱。

在一个实施例中，覆冰盐分的测量方法，包括如下步骤：

S1、配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块。

在一个实施例中，可以用去离子水和纯NaCl配置不同浓度的NaCl溶液，分别记为X_i(mg/L)(其中下表i表示第i份NaCl溶液)，同时可以分别测定每一份NaCl溶液在25℃时的电导率Y_i。在NaCl的溶解度范围内，Y_i和X_i成曲线关系，Y_i＝f(X_i)，即建立电导率与盐分浓度之间的电导率-浓度函数关系。

然后可以将每一份NaCl溶液分别导入定制的塑料盒，使盐溶液迅速冻结成冰块(冻结速率高于设定的冻结速率)，这样，冰块中的盐分均匀分布，避免了盐分迁移带来的盐成分不均问题。塑料盒的尺寸可以是5cm*5cm*5cm，可以通过液氮使盐溶液快速冻结成冰块。

S2、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱。

以Na元素为待测的目标元素，以Cl元素为参考元素，分别建立两种元素的定标体系。

利用激光诱导击穿光谱***的激光分别聚焦照射每一份冰块，记录目标元素Na和参考元素Cl所在区域的光谱段，如Na光谱线的I，II,III强度的光谱线，以及Cl光谱线的I，II,III强度的光谱线，该三条谱线为对应元素的较强特征谱线。

S3、建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系。

以上述各光谱段的数据为自变量，对应的Na和Cl的浓度为因变量，建立浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系，也即盐成分的定量分析模型。可以利用偏最小二乘法建立浓度-光谱函数关系。

S4、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射含有所述盐成分的待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱。具体可以包括如下步骤：

S41、首先，用NaCl和去离子水配置人工覆冰实验的溶液，获得该溶液的电导率δ_i。

S42、在人工气候室中，通过控制温度和风速等，通过人工覆冰方法用步骤S41配置的所述盐溶液在不同电压等级的绝缘子上形成覆冰层，绝缘子表面需形成较为明显的覆冰层。

S43、调节激光诱导击穿光谱***中的透镜及光路设置，使得激光可聚焦在远距离目标的覆冰层上的不同深度位置，例如覆冰层的上层、中层和下层等位置。在一个实施例中，激光器与绝缘子串的距离在20m左右。同时在LIBS***上附加激光测距仪，测量激光器与目标绝缘子表面的距离D，为了提高数据可靠性，消除扰动，对激光脉冲诱导出的LIBS光谱取20次进行平均，获得远距离目标的覆冰层的测量光谱：Na和Cl谱线I,II,III分别对应的谱线强度C_I，C_II,C_III。

其中，激光器与绝缘子的距离D需要考虑到实验的要求，避免出现悬浮电位等不利实验条件，该D距离的获得需要通过仿真计算得到。

S5、根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。

根据获得的浓度-光谱函数关系和步骤S4中的测量光谱数据，计算人工覆冰后的覆冰层的盐分浓度。本实施例中，可以获得Na元素的浓度作为主要目标数据，同时计算参考元素Cl的数据作为参考数据。

同时，根据计算得到的盐分浓度以及电导率-浓度函数关系，计算待测覆冰层的所述某个部位的电导率。

本发明的盐，并不局限于NaCl，还可以是KCl等其他盐类，甚至可以是多种盐的混合物，通过本发明的方法，同样可以获得对应的某种盐类-光谱函数关系，并最终可以实时检测待测覆冰层上所含有的盐成份。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种覆冰盐分的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块；

S2、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱；

S3、建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系；

S4、利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱；

S5、根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。

2.如权利要求1所述的覆冰盐分的测量方法，其特征是，

在步骤S1中，使每一份盐溶液以高于设定冻结速率冻结，以使冻结成的冰块中盐分均匀分布。

3.如权利要求1所述的覆冰盐分的测量方法，其特征是，

在步骤S1中，利用液氮使盐溶液冻结成冰块。

4.如权利要求1所述的覆冰盐分的测量方法，其特征是，

在步骤S1中，还包括如下步骤：

测量每一份盐溶液的电导率，建立电导率与盐分浓度之间的电导率-浓度函数关系；

在步骤S5之后，还包括如下步骤：

根据计算得到的所述某个部位的盐分浓度和电导率-浓度函数关系，计算所述某个部位的电导率。

5.如权利要求1所述的覆冰盐分的测量方法，其特征是，

在所述步骤S4中，所述待测覆冰层通过如下步骤获得：

S41、配置盐溶液；

S42、在人工气候室中，通过控制温度和风速，通过人工覆冰方法用步骤S41配置的所述盐溶液在不同电压等级的绝缘子上形成覆冰层。

6.如权利要求1所述的覆冰盐分的测量方法，其特征是，

所述盐溶液包括NaCl、KCl溶液。

7.一种覆冰盐分的测量装置，其特征是，包括如下单元：

第一单元，用于配置不同浓度的盐溶液，并使每一份盐溶液冻结成冰块；

第二单元，用于利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射每一份冰块，检测对应的盐成份的光谱；

第三单元，用于建立盐的浓度与对应光谱之间的浓度-光谱函数关系；

第四单元，用于利用激光诱导击穿光谱***的激光聚焦照射待测覆冰层的某个部位，检测得到测量光谱；

第五单元，用于根据所述浓度-光谱函数关系和测量光谱，计算所述待测覆冰层的所述某个部位的盐分浓度。

8.如权利要求7所述的覆冰盐分的测量装置，其特征是，

所述第一单元用于，使每一份盐溶液以高于设定冻结速率冻结，以使冻结成的冰块中盐分均匀分布。

9.如权利要求7所述的覆冰盐分的测量装置，其特征是，

所述第一单元用于，利用液氮使盐溶液冻结成冰块。

10.如权利要求7所述的覆冰盐分的测量装置，其特征是，还包括第六单元，

所述第一单元还用于，测量每一份盐溶液的电导率，建立电导率与盐分浓度之间的电导率-浓度函数关系；

所述第六单元用于，根据计算得到的所述某个部位的盐分浓度和电导率-浓度函数关系，计算所述某个部位的电导率。