孫維,陶玉寧,方春華,陳杰,曹京滎

(1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103)

0 引言

露天瓷式絕緣子長期暴露在外界環(huán)境中,在霧和陰雨等潮濕氣候條件下,絕緣子表面的污穢層被濕潤,絕緣性能下降,可能發(fā)生污穢閃絡(luò)[1—6],需定期清洗。現(xiàn)有的輸電線路絕緣子清洗方法有：人工清洗、帶電水沖洗、絕緣子帶電清掃和干冰清洗等[7—9]。

傳統(tǒng)的絕緣子清洗方法存在停電、工作量大、有人身安全風(fēng)險(xiǎn)、清除污穢不環(huán)保等問題。激光清洗技術(shù)是近年來飛速發(fā)展的一種新型清洗技術(shù),實(shí)現(xiàn)了非接觸式清洗,能快速有效地清除污穢,顯著提高清洗效率,適用于瓷式絕緣子的清洗[10—12],特別是對于某些粘性較強(qiáng)的污穢,例如蔗糖區(qū)含糖份較高的污穢以及沿海地區(qū)的某些鹽份等。清洗過程中污穢和基底吸收能量后產(chǎn)生熱效應(yīng),溫度過高則會損傷絕緣子表面,研究溫度特性對清洗瓷式絕緣子至關(guān)重要。文獻(xiàn)[13]利用脈沖激光去除低熱導(dǎo)率涂漆,研究激光清洗掃描,對材料表面溫度變化進(jìn)行理論仿真,結(jié)果表明脈沖間隔對材料溫度變化的影響較?。晃墨I(xiàn)[14]研究激光清洗鋰離子電池電極片,建立熱傳導(dǎo)模型,得出溫度分布函數(shù),確定了實(shí)驗(yàn)環(huán)境中最佳脈沖激光能量密度；文獻(xiàn)[15]研究不同參數(shù)對激光清洗溫度場的影響,建立鋁合金表面漆層有限元模型,得出符合工藝要求的燒蝕深度、搭建率。但激光清洗在電力系統(tǒng)污穢清洗中處于起步階段,激光濕式清洗絕緣子應(yīng)用處于開發(fā)階段,針對清洗過程中激光能量密度、激光波長、含水量等因子對絕緣子表面溫度分布影響的研究較少。

文中以瓷式絕緣子及表面污穢為對象,以瓷式絕緣子材料抗熱沖擊能力范圍150～250 ℃為安全閾值[16],通過COMSOL仿真模擬研究激光濕式清洗能量密度、波長、含水量等因子對溫度特性的影響,為今后激光清洗瓷式絕緣子的參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

1 溫度特性理論分析

將激光熱源模擬為高斯熱源,其熱流分布函數(shù)為[17]：

(1)

式中：A為材料對激光的吸收系數(shù)；Q為激光能量密度；R為光斑半徑；r為考察點(diǎn)到光斑中點(diǎn)的距離。

研究表明,脈沖激光直接輻射于材料表面,不考慮相變問題,可通過熱傳導(dǎo)方程來描述材料在激光照射下的溫度場分布T。在笛卡爾坐標(biāo)系中,熱傳導(dǎo)方程如下[18]：

(2)

式中：ρ,c,k分別為材料的密度、比熱、熱傳導(dǎo)率。在激光輻照過程中,絕大部分的能量在材料表面被吸收,然后通過熱傳導(dǎo)將熱量傳輸?shù)狡鋬?nèi)部,因此可認(rèn)為材料內(nèi)部沒有體熱源系數(shù),可將上式簡化為：

(3)

在工業(yè)應(yīng)用上,用濕式激光清洗微顆粒的研究認(rèn)為當(dāng)激光能量密度足夠大時,界面處的薄液膜能通過熱傳導(dǎo)而發(fā)生過熱,快速蒸發(fā)和氣泡膨脹可產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波,壓力波的高壓可以產(chǎn)生清洗力,清除吸附顆粒。液體受熱產(chǎn)生的氣泡里的蒸汽壓與此溫度下液體的飽和蒸汽壓近似,氣泡生長速度表述如下[19]：

(4)

式中：Pv(T)為溫度T時的液體壓強(qiáng)；ρl(T)為溫度T時的液體密度；P∞為外界液體壓。在液體/固體交界處,氣泡的生長被認(rèn)為是有關(guān)溫度T,體積分?jǐn)?shù)f,膨脹速度v的相關(guān)函數(shù),即通過溫升膨脹,壓緊附近液體產(chǎn)生壓力波使污穢脫離。

由上述公式可知,無論是脈沖激光直接輻射于材料表面,產(chǎn)生巨大的溫度差形成較大的溫度梯度,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力使污穢脫離基體表面,還是在濕式激光清洗中氣泡的生長與溫度相關(guān)聯(lián),產(chǎn)生巨大壓力波使污穢脫離絕緣子表面,溫度的影響均至關(guān)重要。

2 激光清洗仿真建模

文中對激光清洗絕緣子污穢的數(shù)值進(jìn)行有限元分析計(jì)算時所使用的仿真軟件為COMSOL Multiphysics 5.4。建模時主要用到了熱應(yīng)力模塊,包含固體傳熱和固體力學(xué)。求解模型時,先建立三維幾何模型,然后設(shè)置模型的物理參數(shù),根據(jù)所需結(jié)果的精度對模塊進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,通過圖像或線圖形形象直觀地運(yùn)算出仿真結(jié)果,具體方案如下。

為便于研究溫升和應(yīng)力對瓷式絕緣子表面清污效果的影響,建立半徑0.5 mm,高0.1 mm的瓷式絕緣子片模型,如圖1所示。脈沖激光參數(shù)為：波長1 064 nm,激光最大平均功率50 W,光斑半徑0.1 mm。掃描速度依據(jù)市場上激光掃描器的速度范圍選取1 000 mm/s,速度可變,沿x軸方向掃描,激光重復(fù)頻率為50 kHz,瓷式絕緣子類型為氧化鋁瓷材料?？紤]室溫的影響,初始溫度為20 ℃。

圖1 污穢瓷式絕緣子有限元模型Fig.1 Finite element model of polluted porcelain insulator

如圖2所示,通過激光沿絕緣子表面的徑向前后移動來對其加熱；將激光的入射熱通量模擬為晶片表面分布的熱源,可得到晶片的瞬態(tài)熱響應(yīng)。假設(shè)環(huán)境的熱絕緣良好,唯一的熱損耗是晶片頂面對假定溫度固定為20 ℃的處理室壁的熱輻射。用激光束模擬平面上呈高斯分布的熱源,為建立溫度場分布,模型使用了內(nèi)置的高斯脈沖函數(shù)。焦點(diǎn)移動時,使用三角波形函數(shù)來定義隨時間沿x軸移動的位置。

圖2 激光掃描示意Fig.2 Schematic diagram of laser scanning

不同地區(qū)的絕緣子污穢成分研究結(jié)果表明,絕緣子表面污穢成分和結(jié)構(gòu)隨污染環(huán)境的不同會發(fā)生變化,主要成分為 CaSO4和 SiO2[20—22]。沿海地區(qū)污穢中可溶性成份以 NaCl 為主,而內(nèi)陸地區(qū)污穢的主要成份以 CaSO4為主。實(shí)際污穢為混合物,但在研究實(shí)際混合污穢前,弄清單一污穢成分下的溫度特性是必經(jīng)研究路徑,為方便研究,取SiO2、NaCl、CaSO4這3種典型污穢物進(jìn)行仿真分析。

表1為進(jìn)行溫度分析所需要的材料性能。其中,NaCl的物理性質(zhì)使用COMSOL內(nèi)置函數(shù)。

表1 材料物理特性參數(shù)Table 1 Physical parameters of materials

掃描污穢瓷式絕緣子時,在選取的點(diǎn)上施加載荷,載荷施加的范圍為光斑直徑。通過高斯面熱源模型將熱流加載到瓷式絕緣子表面,模擬脈沖激光作用于污穢絕緣子上去污的過程。

文中模擬污穢類型為SiO2、NaCl、CaSO4,通過分析絕緣子表面產(chǎn)生的溫度場、應(yīng)力場,探究激光清洗瓷式絕緣子的最佳掃描速度。

3 激光清洗溫度特性

3.1 含水量對溫度特性影響

污穢含水量可簡化為污穢表面的一層水膜柱,以此來分析含水量對溫度的影響。水分有良好導(dǎo)熱性,水膜及污穢短時間內(nèi)吸收大量能量,迅速升溫,遵循傅里葉定律經(jīng)過水膜污穢傳導(dǎo)至絕緣子表面。脈沖能量密度3.81 J/cm2,掃描速度1 000 mm/s,模擬污穢類型SiO2,環(huán)境濕度形成水膜柱高分別為0 mm,10-2mm,1.5×10-2mm 3種工況下絕緣子表面在20 μs,50 μs,80 μs,100 μs時刻的溫度分布。以水膜高度為0mm為例,激光清洗過程見圖3。

圖3 水膜高0 mm時溫度分布Fig.3 Temperature distribution when column is 0 mm

含水量(水膜高度)變化,激光在清洗絕緣子過程中溫度場分布僅存在數(shù)值上的變化。由圖3可知,徑向溫度的分布與同心圓類似,光斑內(nèi)中心溫度高,邊緣溫度低,形成較大的溫度梯度,光斑邊緣處與中心最高溫差相差近70 ℃。在激光清洗過程中,需注意圓心處最高溫度是否會超出絕緣子表面耐熱閾值。表2為其余工況下最高溫度值,噴灑水膜柱高為0 mm,10-2mm,1.5×10-2mm時在圓心位置(50 μs)的最高溫度分別為109 ℃,256 ℃,268 ℃。結(jié)合3種不同污穢,分析其溫度特性,圖4為不同污穢物溫度特性,其中,L為掃描過程中徑向距離。

表2 不同水膜高時圓心溫度分布Table 2 Temperature distribution of different water film heights

圖4 50 μs時刻不同污穢物溫度分布Fig.4 Temperature distribution of different pollutants at 50 μs

由圖4可知,在污穢含水量相同的情況下,CaSO4產(chǎn)生的溫度最高,NaCl其次,SiO2最低；溫度的分布以圓心為中點(diǎn)呈拱橋型對稱分布,先升高后降低,污穢含水量越高,光斑內(nèi)的溫度越高。光斑內(nèi)中心溫度高,邊緣溫度低,說明激光加熱時,僅在激光光斑的覆蓋區(qū)域內(nèi)熱效應(yīng)明顯,在激光光斑邊緣位置瓷式絕緣子表面溫度變化劇烈。瓷式絕緣子材料抗熱沖擊能力范圍為150～250 ℃,以此作為安全臨界區(qū)域。其中,污穢為CaSO4,含水量達(dá)到10-2mm時,焦點(diǎn)處最高溫度可達(dá)到363 ℃,與邊緣溫差112 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出瓷式絕緣子抗熱穩(wěn)定安全臨界。在所有工況下,污穢類型為干燥的SiO2在絕對安全清洗區(qū)域(綠色)內(nèi),產(chǎn)生的溫度也最低,中心處為142 ℃,與邊緣溫度也相差72 ℃。

圖5為溫度隨掃描時間變化的情況,隨著激光光斑的移動,光斑內(nèi)迅速積累熱量,瓷式絕緣子表面及污穢吸收能量,溫度上升明顯,含水量在一定范圍內(nèi)時,清洗過程中溫度隨著含水量的增加而升高。溫度的變化在污穢是否含水時相差較大,最大相差128 ℃(CaSO4)。在清洗初始階段,0～20 μs時溫度提升幅度極大,這是脈沖激光發(fā)散度小、功率極高等特點(diǎn)造成。20 μs后,溫度逐漸穩(wěn)步上升,和時間呈線性關(guān)系；80 μs后溫度逐步趨于穩(wěn)定；掃描結(jié)束,溫度達(dá)到最高。

圖5 溫度隨掃描時間分布Fig.5 Temperature distribution with scanning time

對比有水與無水情況下的清洗結(jié)果可知,在激光清洗過程中,激光濕式清洗可以迅速提升清洗溫度,且在一定含水量范圍內(nèi),含水量越多,溫度上升得越明顯。適量的水分可提高激光清洗效率,在清洗過程中污穢的干濕程度不可忽略。盡管污穢類型不同,但激光濕式清洗比干式清洗所產(chǎn)生的溫升更高,清洗效率更高。值得注意的是,污穢含水量過高會造成絕緣子表面因溫度過高形成的熱損傷,嚴(yán)重時也會造成熱應(yīng)力破壞,絕緣子將斷裂。

3.2 能量密度對溫度特性的影響

激光對材料的輻照差異可以利用激光能量密度來衡量,激光能量密度一般指組織的單位面積內(nèi)脈沖激光能量的分布,通常表示為：

(5)

式中：P為激光功率；v為激光掃描速度。即在激光掃描速度一定的情況下,激光功率變化正比于激光能量的輸出大小。

圖6為激光掃描至中心點(diǎn)時,絕緣子表面溫度分布。由圖可知,溫度分布規(guī)律與含水量類似,同種污穢條件下,能量密度越高產(chǎn)生的溫升越高。污穢類型SiO2,能量密度3.81 J/cm2時產(chǎn)生的溫度最低為142 ℃；污穢CaSO4,能量密度4.85 J/cm2時在絕緣子表面產(chǎn)生的溫度最高,可達(dá)到340 ℃。

圖6 不同能量密度徑向溫度分布Fig.6 Radial temperature distribution of different energy density

在溫度安全閾值范圍內(nèi)考慮最高溫度對絕緣子表面的影響。6種工況下,絕緣子表面(光斑中心)最高溫度可分別達(dá)到340 ℃,283 ℃,241 ℃,212 ℃,186 ℃,141 ℃。對比其抗熱穩(wěn)定性可得：能量密度為4.85 J/cm2時極大可能在清洗過程中損傷絕緣子表面,能量密度為3.81 J/cm2則基本可滿足3種污穢類型對于溫度的需求。

3.3 波長對溫度特性的影響

激光是一種特殊的光,激光的波長和普通光的波長一樣,從紅外線到紫外線都有紫光的存在,波長大約是幾千納米以下的量級,越往紫外光區(qū)靠攏的激光波長越短,可以到幾百納米甚至更小。

vL=Hf

(6)

式中：vL為光速；H為激光波長；f為激光頻率。激光波長的改變對應(yīng)頻率的改變,仿真則通過改變激光頻率來反映不同的激光波長。以污穢類型為SiO2為例,其余2種污穢變化趨勢不再累述,圖7為重復(fù)頻率不變條件下,常見5種不同波長的激光對清洗絕緣子的溫度影響。

圖7 不同波長徑向溫度分布Fig.7 Radial temperature distribution at different wavelengths

由圖7可知,波長越短,在瓷式絕緣子表面產(chǎn)生的溫升也就越高,波長為405 nm時產(chǎn)生的最高溫度接近300 ℃,超出瓷式絕緣子表面溫度安全臨界區(qū)域,波長為1 064 nm時產(chǎn)生的最高溫度為142 ℃,從清洗安全的角度來看,稍長的波長更有利于保護(hù)絕緣子表面。這是由于波長越長,單個光子能量越低,產(chǎn)生的溫升也就越小。

4 脈沖激光清洗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為脈沖激光器,波長1 064 nm,脈寬200 ns,掃描速度設(shè)置為1 000 mm/s。試驗(yàn)樣品為表面涂有SiO2粉末的瓷式絕緣子片(40 mm×40 mm×5 mm)。設(shè)置激光器頻率為50 kHz,調(diào)節(jié)激光器能量密度分別為2.52 J/cm2,3.81 J/cm2,4.85 J/cm2。清洗結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 不同能量密度下清洗對比Fig.8 Cleaning comparison under different energy density

由圖8可以看出,當(dāng)能量密度為2.52 J/cm2時,污穢粉末有部分仍殘留,清洗效果不理想；能量密度為3.81 J/cm2時可實(shí)現(xiàn)高效潔凈清洗,SiO2粉末基本清洗干凈,絕緣子片基底呈現(xiàn)出白色；當(dāng)激光能量密度達(dá)到4.85 J/cm2時,絕緣子片表面相較于前2種工況出現(xiàn)明顯凹槽(圖中圈出),基底出現(xiàn)損壞。綜上所述,在能量密度為2.52～3.81 J/cm2時可實(shí)現(xiàn)安全有效清洗,與仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

文中從理論上分析了激光清洗絕緣子溫度特性,建立絕緣子污穢模型,分析各種參數(shù)對瓷絕緣子表面溫度特性的影響,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

(1) 瓷式絕緣子受激光輻照,在不同含水量、能量密度、波長工況下沿徑向溫度變化規(guī)律一致。絕緣子表面橫向溫度先升高后降低,并從激光光斑中心向兩側(cè)對稱分布,均在激光邊緣處溫差較大。

(2) 較高的含水量在較短時間內(nèi)可產(chǎn)生高溫,后逐漸趨于穩(wěn)定；相比于干式清洗,激光濕式清洗明顯效率更高。選擇激光濕式清洗絕緣子表面污穢時,應(yīng)注意污穢的含水量及其所處環(huán)境,防止損傷絕緣子。

(3) 仿真表明,激光能量密度為3.81 J/cm2時,基本可滿足3種污穢類型對于溫度的需求；對污穢為SiO2的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,能量密度處于2.52～3.81 J/cm2時可實(shí)現(xiàn)安全有效清洗。此結(jié)果可為激光清洗絕緣子工作提供更為準(zhǔn)確的參考。