脈沖激光清洗典型污穢瓷式絕緣子溫度特性分析

孫維,陶玉寧,方春華,陳杰,曹京滎

(1. 三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002；2. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,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,可能發生污穢閃絡[1—6],需定期清洗。現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]。

傳統的絕緣子清洗方法存在停電、工作量大、有人身安全風險、清除污穢不環保等問題。激光清洗技術是近年來飛速發展的一種新型清洗技術,實現了非接觸式清洗,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的污穢,例如蔗糖區含糖份較高的污穢以及沿海地區的某些鹽份等。清洗過程中污穢和基底吸收能量后產生熱效應,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重要。文獻[13]利用脈沖激光去除低熱導率涂漆,研究激光清洗掃描,對材料表面溫度變化進行理論仿真,結果表明脈沖間隔對材料溫度變化的影響較小；文獻[14]研究激光清洗鋰離子電池電極片,建立熱傳導模型,得出溫度分布函數,確定了實驗環境中最佳脈沖激光能量密度；文獻[15]研究不同參數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污穢清洗中處于起步階段,激光濕式清洗絕緣子應用處于開發階段,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選取提供理論依據。

1 溫度特性理論分析

將激光熱源模擬為高斯熱源,其熱流分布函數為[17]：

(1)

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

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。在笛卡爾坐標系中,熱傳導方程如下[18]：

(2)

式中：ρ,c,k分別為材料的密度、比熱、熱傳導率。在激光輻照過程中,絕大部分的能量在材料表面被吸收,然后通過熱傳導將熱量傳輸到其內部,因此可認為材料內部沒有體熱源系數,可將上式簡化為：

(3)

在工業應用上,用濕式激光清洗微顆粒的研究認為當激光能量密度足夠大時,界面處的薄液膜能通過熱傳導而發生過熱,快速蒸發和氣泡膨脹可產生強烈的壓力波,壓力波的高壓可以產生清洗力,清除吸附顆粒。液體受熱產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；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,氣泡的生長被認為是有關溫度T,體積分數f,膨脹速度v的相關函數,即通過溫升膨脹,壓緊附近液體產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,產生巨大的溫度差形成較大的溫度梯度,從而產生熱應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聯,產生巨大壓力波使污穢脫離絕緣子表面,溫度的影響均至關重要。

2 激光清洗仿真建模

文中對激光清洗絕緣子污穢的數值進行有限元分析計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力模塊,包含固體傳熱和固體力學。求解模型時,先建立三維幾何模型,然后設置模型的物理參數,根據所需結果的精度對模塊進行有限元網格劃分,通過圖像或線圖形形象直觀地運算出仿真結果,具體方案如下。

為便于研究溫升和應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,激光重復頻率為50 kHz,瓷式絕緣子類型為氧化鋁瓷材料。考慮室溫的影響,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,可得到晶片的瞬態熱響應。假設環境的熱絕緣良好,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,模型使用了內置的高斯脈沖函數。焦點移動時,使用三角波形函數來定義隨時間沿x軸移動的位置。

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

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

表1為進行溫度分析所需要的材料性能。其中,NaCl的物理性質使用COMSOL內置函數。

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

掃描污穢瓷式絕緣子時,在選取的點上施加載荷,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生的溫度場、應力場,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。水分有良好導熱性,水膜及污穢短時間內吸收大量能量,迅速升溫,遵循傅里葉定律經過水膜污穢傳導至絕緣子表面。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產生的溫度最高,NaCl其次,SiO2最低；溫度的分布以圓心為中點呈拱橋型對稱分布,先升高后降低,污穢含水量越高,光斑內的溫度越高。光斑內中心溫度高,邊緣溫度低,說明激光加熱時,僅在激光光斑的覆蓋區域內熱效應明顯,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域。其中,污穢為CaSO4,含水量達到10-2mm時,焦點處最高溫度可達到363 ℃,與邊緣溫差112 ℃,遠遠超出瓷式絕緣子抗熱穩定安全臨界。在所有工況下,污穢類型為干燥的SiO2在絕對安全清洗區域(綠色)內,產生的溫度也最低,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,這是脈沖激光發散度小、功率極高等特點造成。20 μs后,溫度逐漸穩步上升,和時間呈線性關系；80 μs后溫度逐步趨于穩定；掃描結束,溫度達到最高。

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,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,嚴重時也會造成熱應力破壞,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時,絕緣子表面溫度分布。由圖可知,溫度分布規律與含水量類似,同種污穢條件下,能量密度越高產生的溫升越高。污穢類型SiO2,能量密度3.81 J/cm2時產生的溫度最低為142 ℃；污穢CaSO4,能量密度4.85 J/cm2時在絕緣子表面產生的溫度最高,可達到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)最高溫度可分別達到340 ℃,283 ℃,241 ℃,212 ℃,186 ℃,141 ℃。對比其抗熱穩定性可得：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生的溫升也就越高,波長為405 nm時產生的最高溫度接近300 ℃,超出瓷式絕緣子表面溫度安全臨界區域,波長為1 064 nm時產生的最高溫度為142 ℃,從清洗安全的角度來看,稍長的波長更有利于保護絕緣子表面。這是由于波長越長,單個光子能量越低,產生的溫升也就越小。

4 脈沖激光清洗實驗

實驗設備為脈沖激光器,波長1 064 nm,脈寬200 ns,掃描速度設置為1 000 mm/s。試驗樣品為表面涂有SiO2粉末的瓷式絕緣子片(40 mm×40 mm×5 mm)。設置激光器頻率為50 kHz,調節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時可實現高效潔凈清洗,SiO2粉末基本清洗干凈,絕緣子片基底呈現出白色；當激光能量密度達到4.85 J/cm2時,絕緣子片表面相較于前2種工況出現明顯凹槽(圖中圈出),基底出現損壞。綜上所述,在能量密度為2.52～3.81 J/cm2時可實現安全有效清洗,與仿真結果基本一致。

5 結論

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,分析各種參數對瓷絕緣子表面溫度特性的影響,并通過實驗驗證得出以下結論：

(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可產生高溫,后逐漸趨于穩定；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,應注意污穢的含水量及其所處環境,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的情況進行實驗驗證,能量密度處于2.52～3.81 J/cm2時可實現安全有效清洗。此結果可為激光清洗絕緣子工作提供更為準確的參考。