脈沖激光濕式清洗瓷絕緣子溫度特性研究

方春華，孫 維，方 雨，丁 璨，吳 田，普子恒，袁 田

（1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.國網(wǎng)四川檢修公司成都運維分部，四川 成都 610036；3.中國電力科學研究院有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

露天瓷式絕緣子長期暴露在大自然中，遇到霧和陰雨等潮濕天氣時，絕緣子表面的污穢層被潤濕，導致絕緣性能下降，可能發(fā)生污穢閃絡[1-4]，所以需要對絕緣子進行清洗。傳統(tǒng)的清洗絕緣子污穢方法主要有人工清洗、干冰清洗機器人[5]、帶電水沖洗[6]、空氣噴霧清洗等[7]。

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)，能快速有效地清除污穢，可應用于瓷式絕緣子的清洗，且適用于不同類型污穢[8-9]。激光清洗過程中絕緣子表面會產(chǎn)生巨大溫差使污穢脫落，但高溫會對絕緣子表面造成損傷，影響絕緣性能，所以溫度特性研究對于激光清洗至關(guān)重要。張志研等[10]利用脈沖激光去除低熱導率涂漆，并對材料表面溫度變化進行理論仿真，結(jié)果表明脈沖間隔對材料溫度變化的影響較小。劉偉嵬等[11]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(shù)，確定了實驗環(huán)境中最佳脈沖激光能量密度。高遼遠等[12]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。雖然激光清洗的研究取得了一些進展，但在電力系統(tǒng)污穢清洗中仍處于起步階段。激光濕式清洗絕緣子的應用處于開發(fā)階段，其清洗機理尚無明確定論。目前針對清洗過程中激光能量密度、掃描速度、含水量等因素對絕緣子表面溫度分布的影響研究較少。

本研究以瓷式絕緣子及表面污穢為對象，在保證瓷式絕緣子材料抗熱沖擊能力（150～250℃）不受損傷的同時[13]，通過COMSOL仿真模擬研究激光濕式清洗能量密度、掃描速度、含水量等對溫度特性的影響。

1 理論分析

當脈沖激光輻射瓷式絕緣子表面時，絕緣子及其表面污穢能吸收脈沖激光的能量，產(chǎn)生升溫現(xiàn)象。當溫差形成的熱應力大于污穢層與基底之間的粘附力時，污穢顆粒被清除。

當脈沖激光直接輻射于材料表面，且不考慮相變問題時，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，熱傳導方程如式（1）所示[14]。

式（1）中，ρ、c、k分別是材料的密度、比熱、熱傳導率，是材料的熱源函數(shù)。由于激光輻照過程中，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?shù)絻?nèi)部，可認為材料內(nèi)部沒有體熱源系數(shù)，因此可將式（1）簡化，同時將激光考慮為面熱源，簡化后的熱傳導方程式如式（2）所示。

式（2）中：Q為激光能量密度；P為激光功率；R是激光光斑半徑；A是材料表面對激光的吸收率。

在應用激光濕式清洗微顆粒的研究中，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(fā)生過熱，快速蒸發(fā)和氣泡膨脹可產(chǎn)生強烈的壓力波，壓力波的高壓可以產(chǎn)生清洗力，從而清除吸附顆粒。液體受熱產(chǎn)生的氣泡的蒸汽壓與此溫度下液體的飽和蒸汽壓近似，氣泡生長速度如式（3）所示[15]。

式（3）中：ρl(T)為溫度T時的液體密度；P∞為外界液體壓。由式（3）知氣泡的生長速度是關(guān)于溫度T的函數(shù)，氣泡生長壓緊附近液體產(chǎn)生壓力波使污穢脫離。

無論是在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)生熱應力使得污穢脫離基體表面，還是在濕式激光清洗中氣泡的生長與溫度相關(guān)，產(chǎn)生巨大壓力波使污穢脫離絕緣子表面，溫度的影響都至關(guān)重要。

2 模型建立

本研究建立氧化鋁瓷式絕緣子薄片模型，表面附著典型污穢SiO2，參數(shù)如表1所示。取半徑為0.5 mm、高為0.075 mm的瓷式絕緣子薄片在工作臺上旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為100 r/min，如圖1所示。一束脈沖頻率為135 kHz、激光光斑半徑為0.1 mm的激光沿瓷式絕緣子片的徑向前后移動對其掃描。仿真模型中，污穢含水量簡化為污穢表面的一層水膜。仿真遵循GB/T 772—2005《高壓絕緣子瓷件》，絕緣子使用場所的環(huán)境溫度為-40～40℃，瓷絕緣子材料局部承受抗熱沖擊能力溫度范圍為150～250℃[13]。

通過一束激光沿硅晶片的徑向前后移動對其加熱，將入射激光的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。假設環(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。

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

圖1 絕緣子污穢模型Fig.1 Model of polluted porcelain insulator

激光束模擬為平面上呈高斯分布的熱源[16]。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。在熱傳導控制方程中，添加了絕緣子薄片的平均轉(zhuǎn)動速度。

絕緣子薄片的表面輻射率約為0.8。在激光的工作波長范圍內(nèi)，假設吸收率等于輻射率，則激光產(chǎn)生的熱量需乘以此輻射率。此外，由于絕緣子薄片在激光的工作波長范圍內(nèi)是不透明的，沒有光線穿透絕緣子薄片[17]，因此，激光產(chǎn)生的所有熱量都作用在絕緣子薄片表面。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瓷式絕緣子表面的去污過程。

3 溫度特性分析

3.1 含水量對溫度特性的影響

水分具有良好的導熱性，水膜及污穢短時間內(nèi)吸收大量能量，迅速升溫，并遵循傅里葉定律經(jīng)過水膜污穢傳導至瓷式絕緣子表面。在脈沖能量密度為1.41 J/cm2，掃描速度為1 000 mm/s時，模擬環(huán)境濕度形成高度為0、1.0×10-2、1.5×10-2mm的水膜3種工況下絕緣子表面在20、50、80、100 μs時刻的溫度分布圖，分析含水量對激光濕式清洗溫度場特性的影響。

圖2 水膜高度為0 mm時的溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution with 0 mm of the water film

圖3 水膜高度為1×10-2mm時的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution with 10-2mm of the water film

圖4 水膜高度為1.5×10-2mm時的溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution with 1.5×10-2mm of the water film

圖2～4為不同高度的水膜溫度分布圖。從圖2～4可以看出，無論含水量（水膜高度）多少，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，其中噴灑水膜高度為0、1×10-2、1.5×10-2mm 3種工況下圓心位置的最高溫度分別為404、462、517 K，不會損傷瓷絕緣子表面，光斑邊緣處與中心最高溫差接近100 K。

由于溫度分布規(guī)律類似，取掃描過程中50 μs時刻作說明。圖5為50 μs時刻激光位于絕緣子片中心時不同高度水膜工況下的溫度分布圖，圖6為不同高度的水膜工況下溫度隨掃描時間分布圖。

圖5 50 μs時刻不同含水量下的溫度分布Fig.5 Temperature distribution under three working conditions at 50 μs

圖6 溫度隨掃描時間分布Fig.6 Temperature distribution with scanning time

由圖5～6可以看出，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。在清洗初始階段，溫度有大幅提升，10 μs之后，溫度和時間呈線性關(guān)系并呈上升趨勢，100 μs掃描完畢后，3種工況下最高溫度分別達到460.39、540.70、632.84 K。

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，溫度上升越明顯。由圖6可知，激光濕式清洗比干式清洗（h=0 mm）產(chǎn)生的溫升更高，清洗更有效率。在水膜高度達到1.0×10-2mm時，濕式清洗產(chǎn)生的溫度約為干式清洗的1.17倍；水膜高度為1.5×10-2mm時，溫度為干式清洗的1.35倍左右。適量的水分可促進激光濕式清洗，但過量則可能導致升溫過快，對絕緣子表面造成損壞，在激光清洗過程中污穢的干濕程度不可忽略。

由以上分析可知，瓷式絕緣子表面吸收激光的能量轉(zhuǎn)化為熱能，光斑內(nèi)中心溫度迅速升高，逐漸向邊緣傳遞熱量，呈高斯分布并形成較大的溫度梯度，溫差產(chǎn)生熱應力使得污穢脫離基體表面。污穢含水量過高時光斑中心處的最高溫度會超出絕緣子瓷材料的抗熱閾值[18]，有造成瓷絕緣子表面損傷的風險。

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單位面積內(nèi)脈沖激光能量的分布，如式（4）所示。

式（4）中：Ps為激光能量密度，kJ/cm2；P為激光功率，W；d為激光光斑半徑，cm；V為激光掃描速度，cm/s。由式（4）可知，在激光掃描速度一定的條件下，激光功率變化正比于激光能量密度。

圖7為能量密度為1.18、1.41、2.01 J/cm2在50 μs時刻瓷式絕緣子表面溫度變化曲線。由圖7可以看出，3種不同能量密度工況下，脈沖激光在激光光斑中心處溫度分別為467.8、478.4、548.8 K，光斑邊緣處溫度分別為425、431.1、502.4 K，絕緣子表面溫度先升高后降低，并以激光光斑中心向兩側(cè)對稱分布。

圖7 不同能量密度下溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution under different energy density

由溫度場的分析可知，能量密度為1.18 J/cm2時清洗安全；能量密度達到2.01 J/cm2時，清洗過程中最高溫度可達到540 K，達到基底材料表面的安全閾值。隨著激光能量密度的繼續(xù)增大，基體表面將會產(chǎn)生燒蝕熔化現(xiàn)象。在仿真參數(shù)的條件下，能量密度為1.18～1.41 J/cm2是最佳清洗閾值區(qū)間。

3.3 掃描速度對溫度特性的影響

由式（4）可知，掃描速度對激光功率也有影響，適當降低掃描速度可以增大熔深[19]，有利于提高清洗質(zhì)量，但掃描速度過慢時，瓷式絕緣子表面可能會出現(xiàn)過度熔化的現(xiàn)象，損傷瓷式絕緣子表面。

圖8為在脈沖能量密度為1.41 J/cm2，掃描速度分別為500、1 000、1 500 mm/s時在50 μs時刻絕緣子表面的溫度分布圖。由圖8可以看出，在3種不同掃描速度下，在50 μs時的溫度最大值約為462 K，最小值接近358 K，說明在不同掃描速度下相同時間內(nèi)的熱效應的累計幾乎一致，溫度場分布也近乎一樣。即掃描速度對同一時刻下絕緣子表面溫度幾乎無影響。

圖8 不同掃描速度50 μs時刻溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution at 50 μs under different scanning speed

圖9為在3種不同掃描速度工況下，掃描至絕緣子片中心時的溫度分布圖，圖10為3種不同掃描速度下的溫度分布圖。

圖9 不同掃描速度圓心溫度分布圖Fig.9 Temperature distribution at the center with different scanning speed

圖10 不同掃描速度下的溫度分布圖Fig.10 Temperature distribution under different scanning speed

從圖9和圖10可以看出，當激光焦點移動到瓷式絕緣子中心時，隨著掃描速度的增加，溫度均降低，v=500 mm/s時最高溫度為526.76 K，隨著掃描的繼續(xù)，產(chǎn)生的最高溫度會損傷瓷式絕緣子表面；v=1 000 mm/s時最高溫度為461.89 K，v=1 500 mm/s時最高溫度為431.28 K，并以激光光斑中心向兩側(cè)對稱分布。在掃描路徑上存在之前殘留脈沖未冷卻的溫度場，掃描速度過慢會導致瓷式絕緣子表面溫度超過閾值。當掃描速度為1 000 mm/s時，既保證產(chǎn)生足夠高的溫度，又保證瓷式絕緣子表面不受損傷，是仿真數(shù)據(jù)的最佳閾值。

4 脈沖激光清洗實驗

實驗設備為脈沖光纖激光器，如圖11所示，激光器波長為1 064 nm，脈寬為200 ns，重復頻率為1～400 kHz可調(diào)。試驗樣品為表面涂有一定含水量的SiO2粉末瓷式絕緣子片（30 mm×30 mm×3 mm）。設置激光器頻率為135 kHz，調(diào)節(jié)激光器能量密度分別為1.18、1.41、2.01 J/cm2。

圖12是掃描速度為1 000 mm/s時，不同能量密度工況下瓷式絕緣子片的清洗結(jié)果。

圖11 脈沖激光發(fā)射器Fig.11 Pulse laser transmitter

圖12 不同能量密度下清洗結(jié)果Fig.12 Cleaning results under different energy density

由圖12可以看出，當能量密度為1.18 J/cm2時，仍有部分SiO2粉末未清除干凈；當能量密度升高到1.41 J/cm2時，絕大部分SiO2粉末已從瓷式絕緣子片清除干凈，基底呈現(xiàn)出白色，無明顯損傷，可實現(xiàn)較高效清洗；在能量密度為2.01 J/cm2時，掃描后的基底出現(xiàn)明顯的凹槽，基底材料出現(xiàn)明顯損傷。

圖13是能量密度為1.41 J/cm2，掃描速度為500、1 000、1 500 mm/s工況下的清洗結(jié)果。由圖13可以看出，掃描速度過慢（500 mm/s）時，會基底出現(xiàn)明顯損傷；掃描速度達到1 000 mm/s時，基底材料無明顯損傷，清洗效果顯著；掃描速度過快（1 500 mm/s）時，熱效應累計不夠，SiO2粉末清除不凈，實驗結(jié)果與理論研究結(jié)果基本一致。

圖13 不同掃描速度下清洗結(jié)果Fig.13 Cleaning results at different scanning speeds

5 結(jié)論

（1）瓷式絕緣子受激光輻照，在不同含水量、能量密度、掃描速度下實現(xiàn)濕式清洗時，瓷式絕緣子表面溫度先升高后降低，并以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）仿真結(jié)果表明能量密度為2.01 J/cm2時產(chǎn)生的最高溫度接近550 K，在瓷絕緣子抗熱沖擊能力閥值附近，有造成其表面的熱損傷的風險，因此清洗時應慢慢增加激光能量密度，能量密度為1.18～1.41 J/cm2適宜。

（3）較高的含水量、低掃描速度在較短時間內(nèi)均可產(chǎn)生高溫。掃描速度為1 000 mm/s時，可實現(xiàn)最佳激光濕式清洗，使用激光濕式清洗瓷式絕緣子表面污穢時，應注意其含水量以及把控激光儀器掃描速度，防止損傷瓷式絕緣子表面。