高壓輸電線異物激光清除三維仿真研究

劉 雷,劉 霞,單 寧

(1.西安工程大學機電工程學院,陜西 西安 710048;2.武警工程大學,陜西 西安 710086)

1 引 言

輸電線路異物是導致線路跳閘的重要影響因素之一,最常見的異物是風箏、風箏線、農用塑料布、尼龍布、孔明燈等,這些異物在雨、雪、霧等環(huán)境下受潮后,由于其絕緣性能較差,易引起輸電線路發(fā)生單相接地、相間短路等故障,因此必須予以清除[1]。傳統的輸電線路異物清除方法主要有人工清除、使用絕緣斗臂車人工清除、無人機清除等方法[2-6]。上述傳統的方法存在前期需要斷電、人工將其裝到導線上、工作效率低、會對導線造成損傷、有火災隱患、需要多人協作勞動強度大、工作成本高等缺點。

隨著激光技術的發(fā)展,激光憑借其方向性好、相干性好、亮度高的特點,被用于電網異物清除并得到很好的發(fā)展[7]。李華、樓平、周維維、邢文忠、姜文東等人[8-12]針對控制激光的載體進行了優(yōu)化設計；梁偉和徐北方[13-14]探究了光纖激光器和CO2激光器哪個更有利于清除電網異物。以上研究雖然使得清除異物時不需斷電、不需多人協作、工作效率大大提高等優(yōu)點,但是很少有人考慮電網異物清除時存在的火災隱患,和從研究激光與聚合物作用機理的角度去考慮優(yōu)化激光電網異物清除。

針對以上存在的問題,本文在分析尼龍材料的屬性和激光燒蝕物體特點的基礎上,利用有限元分析軟件COMSOL建立了激光切割尼龍材料的多物理場模型,仿真研究了不同激光半徑和激光移動速度對尼龍材料的燒蝕形貌并記錄數據,利用MATLAB對仿真數據進行分析,得出激光與尼龍材料的作用機理以及不發(fā)生明火時的激光速度與激光半徑閾值。

2 激光與輸電線異物熱作用機理分析

激光切割聚合物材料,是將激光束聚焦在樣品表面,使得表面溫度升高進而從輻照區(qū)去除材料的過程。其本質上是材料吸收光能轉化為熱能,進而使材料燒蝕脫落,整個過程是一個熱傳導過程,因此,需首先建立能量守恒方程[11-12],有:

(1)

式中,k為導熱系數；ρ為材料密度；Cp為材料常壓比熱容；T為溫度分布；u為速度場；Q為外界面熱源。

當激光束垂直輻照材料,并以一定的速度作直線運動,由于聚合物材料是不透明的,因此可將激光熱源看作高斯面熱源[15],激光熱源功率密度為:

(2)

式中,q0為激光功率；Rq為光斑半徑；Vq為熱源在x方向上的移動速度；x為光斑中心的橫坐標；y為光斑中心的縱坐標；t為激光作用時間。

設激光清除聚合物的溫度需要ΔT,激光光斑半徑Rq,待切割范圍內材料質量為m,待切割材料的比熱容為C,則切割該材料熱量J可表示為[16-17]:

J=c·m·ΔT

(3)

單位時間內光束照射直徑內的光功率密度Q0為:

(4)

為了達到清除異物的作用,激光照射到待清除異物上的功率密度應滿足Q≥Q0。

3 激光輻照輸電線異物三維模型建立

為了能完整模擬激光切割聚合物材料,使其能代表實際情況下激光的切割狀態(tài),以此來探究激光與材料的作用機理,需建立激光輻照聚合物材料的動態(tài)三維模型。COMSOL在多物理場建模與仿真領域具有無與倫比的優(yōu)勢,可使所有的物理現象在計算機上完美重現,故論文采用COMSOL進行激光輻照聚合物材料的建模研究。在COMSOL中建立激光與聚合物作用機理的三維模型,可選擇傳熱模塊中的固體傳熱模塊和數學模塊中的變形幾何模塊,用于后續(xù)的溫度場等物理量的模擬仿真。具體建模過程主要包含以下幾個步驟:幾何模型的建立、邊界域的設定、網格劃分、計算及分析。

根據高壓輸電線常見聚合物情況,可將幾何模型的長度定為10 cm,厚度為0.1 cm。寬度方向上由于切割區(qū)域很小,因此根據最大激光半徑取實驗材料的寬為4 cm。采用COMSOL建立聚合物材料的三維模型如圖1所示,為便于觀察,將圖形按比例進行了放大,比例因子x方向為25、y方向為25、z方向為500。由于激光光場強度在空間上的高度非線性,以及本次模型為規(guī)則模型,所以仿真模型網格劃分選用掃略網格及自動重新剖分網格的處理方式,以保證計算及耦合的精確性,這樣可以提高收斂性。掃掠網格的源面使用“自由三角形面網格”,掃略方法是三角形生成棱柱。為了精確起見,期望的激光切割路徑用極細化網格進行劃分,將其余部分用超細化網格劃分。

圖1 聚合物COMSOL三維模型Fig.1 3D model of COMSOL polymer

激光切割聚合物材料是一個很復雜的過程,需要考慮的因素較多,為了能夠很好的探究激光切割材料整個過程中的作用機理,對激光切割聚合物材料做出如下假設:切割時不發(fā)生氧化反應、不產生內熱源、切割過程中材料吸收率不變、不考慮熱輻射產生的能量損失、激光切割材料的過程中,熱量的傳播速率很慢[18]。論文以尼龍材料為例,其主要參數如表 1所示。

表1 尼龍材料的物理性能參數Tab.1 Physical properties parameters ofnylon materials

激光切割尼龍材料時滿足初始條件為 T0=21 ℃,相應邊界條件為:

(5)

式中,qt為 廣義熱通量；n為單位法向矢量；q為熱流密度矢量；qr為對流通量；h為傳熱系數,設置為外部自然對流；Text為外部溫度大小,為21 ℃；qa為材料燒蝕吸收的對流熱通量；ha為表示與溫度相關的傳熱系數；Ta為相變溫度。

本次仿真的是激光切割尼龍材料,在整個切割過程中,材料不僅發(fā)生形變還發(fā)生了相變,因此需要使用變形幾何模塊接口。自由變形功能允許按照邊界條件所指定的更改域的大小,在模型的四個側面,指定的變形確保邊界不會發(fā)生位移,既網格位移設置為dx為0和dy為0。在模型的上端面,指定法向網格速度即材料去除率可表示為:

(6)

式中,vn為材料燒蝕速度；HS為氣化潛熱。

4 仿真研究

激光照射材料表面開始會以一定的規(guī)律變化,當表面溫度達到熔點以后,熔化前的等溫面就會以一定的速度向材料內部傳遞,等溫面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x為燒蝕深度,燒蝕深度是激光與非金屬物質進行作用的最重要的參數之一[19]。由此可見,通過測量燒蝕深度去確定切割程度,因此本次數值模擬仿真將通過測量燒蝕深度,來分析激光的移動速度和光斑大小對材料燒蝕的影響[20],從而找到一個合適的激光移動速度和激光半徑,使得電網異物清除變的更加安全、高效率、低成本。

4.1 同一光斑半徑不同移動速度下材料的燒蝕情況

令q0=100 W、Rq=1 cm、Vq分別為0.5 cm/s、1 cm/s、1.5 cm/s、2 cm/s、3 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、6 cm/s、7 cm/s、8 cm/s、9 cm/s、10 cm/s,仿真結果如圖2所示。提取圖2中不同速度下尼龍材料的燒蝕結果,將上述結果在MATLAB中進行擬合,可分別得出激光移動速度與材料內部最高溫度以及燒蝕深度的關系如圖3、圖4所示。

圖2 q0=100 W、Rq=1 cm不同速度下尼龍材料截面的燒蝕形貌Fig.2 Ablative morphology of nylon cross-section at different velocities q0=100 W and Rq=1 cm

圖3 移動速度與最高溫度的關系Fig.3 Relation of moving velocity to maximum temperature

圖4 移動速度與最大燒蝕深度的關系Fig.4 Relation between moving velocity and maximum ablation depth

從圖3中可以看出,當速度小于2 cm/s時燒蝕過程中的最高溫度受光斑移動速度的影響較大,隨著移動速度的增大影響程度迅速減小；從圖4中可以看出,當速度小于4 cm/s時燒蝕深度受光斑移動速度的影響較大,隨著移動速度的增大影響程度迅速減小。由此可得出當激光功率為100 W、光斑半徑為1 cm時,尼龍材料的燒蝕深度和燒蝕過程中出現的最高溫度,隨著光斑移動速度的增大而減小。主要原因是激光功率和半徑為定值時,隨著激光移動速度增大,激光在單位區(qū)域內停留時間變短,溫度降低,導致燒蝕深度變淺。

由表1可知,當溫度達到259 ℃時尼龍材料開始融化,因此光斑移動的速度不能大于3 cm/s；當溫度達到450 ℃時尼龍材料開始產生明火進行燃燒,為了在清除異物的過程中不過度燃燒引起火災,因此光斑的移動速度應不小于0.5 cm/s。綜上當激光功率為100 W、光斑半徑為1 cm時,激光的安全移動速度應該保持在0.5 cm/s到3 cm/s之間。

4.2 同一光斑移動速度不同光斑半徑下材料的燒蝕情況

令q0=100、Vq=2 cm/s、Rq分別為0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1 cm、1.25 cm、1.5 cm,1.75 cm、2 cm,仿真結果如圖5所示。

圖5 q0=100 W、Vq=2 cm 不同半徑下尼龍材料截面的燒蝕形貌Fig.5 Ablative morphologies of nylon material sections at different radii q0=100 W and Vq=2 cm

提取圖5中不同速度下尼龍材料的燒蝕結果,將上述結果在MATLAB中進行擬合,可分別得出激光移動速度與材料內部最高溫度以及燒蝕深度的關系如圖6、圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出,當激光功率為100 W、激光移動速度為2 cm/s時,尼龍材料的燒蝕深度和燒蝕過程中出現的最高溫度,隨著光斑半徑的增加而減小。主要原因是激光功率和激光移動速度為定值時,隨著激光激光半徑的增大,激光在單位區(qū)域內停留時間變短,溫度降低,導致燒蝕深度變淺。

圖6 激光半徑與最高溫度的關系Fig.6 Relationship between laser radius and maximum temperature

圖7 激光半徑與最大燒蝕深度的關系Fig.7 Relation between laser radius and maximum ablation depth

當激光功率為100 W、激光移動速度為2 cm/s時,由表1可知當溫度達到259 ℃時尼龍材料開始融化,因此光斑半徑不能大于1.4 cm；當溫度達到450 ℃時尼龍材料產生明火開始燃燒,為了在清除異物的過程中不過度燃燒引起火災,因此光斑半徑應不小于0.3 cm。因為陳杰[21]等人通過對30余種常見異物的實驗,得出激光清除異物所需的最小功率密度約為10 W/cm2,而最大光斑半徑1.4 cm對應的功率密度為16.24 W/cm2,進一步驗證了最大光斑半徑復合要求。綜上當激光功率為100 W、激光移動速度為2 cm/s,光斑的安全半徑應該保持在0.3 cm到1.4 cm之間。

在進行導線異物清除時,不需要將其完全切斷或著充分燃燒到產生明火,只需切割一部分,或讓切割區(qū)域達到熔融狀態(tài)即可,如圖2(a)和圖5(i)可以看出,尼龍材料并沒有被完全切斷,通過借助重力和風力使異物脫落,達到清除異物的目的。這樣做避免了火災發(fā)生的同時,可大幅度提高異物清除效率、降低工作成本。

5 結 論

由于不了解激光與異物的作用機理,導致異物清除效率低、存在火災隱患等缺點,為了能及時、高效、安全的清除異物,本文利用COMSOL仿真軟件建立了激光切割尼龍材料的三維多物理場模型,并利用MATLAB對所得數據進行分析,得出了不同激光半徑和激光移動速度對尼龍材料燒蝕的規(guī)律,和不發(fā)生明火時的臨界激光移動速度和激光半徑,結論如下:

(1)當激光功率為100 W、光斑半徑為1 cm時,不發(fā)生明火的安全移動速度應保持在0.5 cm/s到3 cm/s之間；

(2)當激光功率為100 W、光斑移動速度為2 cm/s時,不發(fā)生明火的安全光斑半徑應保持在0.3 cm到1.4 cm之間；

(3)當激光功率、光斑半徑為定值時,燒蝕深度和燒蝕過程中的最高溫度,隨著移動速度的增加而減小；

(4)當激光功率、激光移動速度為定值時,燒蝕深度和燒蝕過程中的最高溫度,隨著光斑半徑的增加而減小。