脉冲激光清洗典型污秽瓷式绝缘子温度特性分析

2021-06-17孙维陶玉宁方春华陈杰曹京荥

电力工程技术 2021年3期

孙维,陶玉宁,方春华,陈杰,曹京荥

(1. 三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌 443002；2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏南京 211103)

0 引言

露天瓷式绝缘子长期暴露在外界环境中,在雾和阴雨等潮湿气候条件下,绝缘子表面的污秽层被湿润,绝缘性能下降,可能发生污秽闪络[1—6],需定期清洗。现有的输电线路绝缘子清洗方法有：人工清洗、带电水冲洗、绝缘子带电清扫和干冰清洗等[7—9]。

传统的绝缘子清洗方法存在停电、工作量大、有人身安全风险、清除污秽不环保等问题。激光清洗技术是近年来飞速发展的一种新型清洗技术,实现了非接触式清洗,能快速有效地清除污秽,显著提高清洗效率,适用于瓷式绝缘子的清洗[10—12],特别是对于某些粘性较强的污秽,例如蔗糖区含糖份较高的污秽以及沿海地区的某些盐份等。清洗过程中污秽和基底吸收能量后产生热效应,温度过高则会损伤绝缘子表面,研究温度特性对清洗瓷式绝缘子至关重要。文献[13]利用脉冲激光去除低热导率涂漆,研究激光清洗扫描,对材料表面温度变化进行理论仿真,结果表明脉冲间隔对材料温度变化的影响较小；文献[14]研究激光清洗锂离子电池电极片,建立热传导模型,得出温度分布函数,确定了实验环境中最佳脉冲激光能量密度；文献[15]研究不同参数对激光清洗温度场的影响,建立铝合金表面漆层有限元模型,得出符合工艺要求的烧蚀深度、搭建率。但激光清洗在电力系统污秽清洗中处于起步阶段,激光湿式清洗绝缘子应用处于开发阶段,针对清洗过程中激光能量密度、激光波长、含水量等因子对绝缘子表面温度分布影响的研究较少。

文中以瓷式绝缘子及表面污秽为对象,以瓷式绝缘子材料抗热冲击能力范围150～250 ℃为安全阈值[16],通过COMSOL仿真模拟研究激光湿式清洗能量密度、波长、含水量等因子对温度特性的影响,为今后激光清洗瓷式绝缘子的参数选取提供理论依据。

1 温度特性理论分析

将激光热源模拟为高斯热源,其热流分布函数为[17]：

(1)

式中：A为材料对激光的吸收系数；Q为激光能量密度；R为光斑半径；r为考察点到光斑中点的距离。

研究表明,脉冲激光直接辐射于材料表面,不考虑相变问题,可通过热传导方程来描述材料在激光照射下的温度场分布T。在笛卡尔坐标系中,热传导方程如下[18]：

(2)

式中：ρ,c,k分别为材料的密度、比热、热传导率。在激光辐照过程中,绝大部分的能量在材料表面被吸收,然后通过热传导将热量传输到其内部,因此可认为材料内部没有体热源系数,可将上式简化为：

(3)

在工业应用上,用湿式激光清洗微颗粒的研究认为当激光能量密度足够大时,界面处的薄液膜能通过热传导而发生过热,快速蒸发和气泡膨胀可产生强烈的压力波,压力波的高压可以产生清洗力,清除吸附颗粒。液体受热产生的气泡里的蒸汽压与此温度下液体的饱和蒸汽压近似,气泡生长速度表述如下[19]：

(4)

式中：Pv(T)为温度T时的液体压强；ρl(T)为温度T时的液体密度；P∞为外界液体压。在液体/固体交界处,气泡的生长被认为是有关温度T,体积分数f,膨胀速度v的相关函数,即通过温升膨胀,压紧附近液体产生压力波使污秽脱离。

由上述公式可知,无论是脉冲激光直接辐射于材料表面,产生巨大的温度差形成较大的温度梯度,从而产生热应力使污秽脱离基体表面,还是在湿式激光清洗中气泡的生长与温度相关联,产生巨大压力波使污秽脱离绝缘子表面,温度的影响均至关重要。

2 激光清洗仿真建模

文中对激光清洗绝缘子污秽的数值进行有限元分析计算时所使用的仿真软件为COMSOL Multiphysics 5.4。建模时主要用到了热应力模块,包含固体传热和固体力学。求解模型时,先建立三维几何模型,然后设置模型的物理参数,根据所需结果的精度对模块进行有限元网格划分,通过图像或线图形形象直观地运算出仿真结果,具体方案如下。

为便于研究温升和应力对瓷式绝缘子表面清污效果的影响,建立半径0.5 mm,高0.1 mm的瓷式绝缘子片模型,如图1所示。脉冲激光参数为：波长1 064 nm,激光最大平均功率50 W,光斑半径0.1 mm。扫描速度依据市场上激光扫描器的速度范围选取1 000 mm/s,速度可变,沿x轴方向扫描,激光重复频率为50 kHz,瓷式绝缘子类型为氧化铝瓷材料。考虑室温的影响,初始温度为20 ℃。

图1 污秽瓷式绝缘子有限元模型Fig.1 Finite element model of polluted porcelain insulator

如图2所示,通过激光沿绝缘子表面的径向前后移动来对其加热；将激光的入射热通量模拟为晶片表面分布的热源,可得到晶片的瞬态热响应。假设环境的热绝缘良好,唯一的热损耗是晶片顶面对假定温度固定为20 ℃的处理室壁的热辐射。用激光束模拟平面上呈高斯分布的热源,为建立温度场分布,模型使用了内置的高斯脉冲函数。焦点移动时,使用三角波形函数来定义随时间沿x轴移动的位置。

图2 激光扫描示意Fig.2 Schematic diagram of laser scanning

不同地区的绝缘子污秽成分研究结果表明,绝缘子表面污秽成分和结构随污染环境的不同会发生变化,主要成分为 CaSO4和 SiO2[20—22]。沿海地区污秽中可溶性成份以 NaCl 为主,而内陆地区污秽的主要成份以 CaSO4为主。实际污秽为混合物,但在研究实际混合污秽前,弄清单一污秽成分下的温度特性是必经研究路径,为方便研究,取SiO2、NaCl、CaSO4这3种典型污秽物进行仿真分析。

表1为进行温度分析所需要的材料性能。其中,NaCl的物理性质使用COMSOL内置函数。

表1 材料物理特性参数Table 1 Physical parameters of materials

扫描污秽瓷式绝缘子时,在选取的点上施加载荷,载荷施加的范围为光斑直径。通过高斯面热源模型将热流加载到瓷式绝缘子表面,模拟脉冲激光作用于污秽绝缘子上去污的过程。

文中模拟污秽类型为SiO2、NaCl、CaSO4,通过分析绝缘子表面产生的温度场、应力场,探究激光清洗瓷式绝缘子的最佳扫描速度。

3 激光清洗温度特性

3.1 含水量对温度特性影响

污秽含水量可简化为污秽表面的一层水膜柱,以此来分析含水量对温度的影响。水分有良好导热性,水膜及污秽短时间内吸收大量能量,迅速升温,遵循傅里叶定律经过水膜污秽传导至绝缘子表面。脉冲能量密度3.81 J/cm2,扫描速度1 000 mm/s,模拟污秽类型SiO2,环境湿度形成水膜柱高分别为0 mm,10-2mm,1.5×10-2mm 3种工况下绝缘子表面在20 μs,50 μs,80 μs,100 μs时刻的温度分布。以水膜高度为0mm为例,激光清洗过程见图3。

图3 水膜高0 mm时温度分布Fig.3 Temperature distribution when column is 0 mm

含水量(水膜高度)变化,激光在清洗绝缘子过程中温度场分布仅存在数值上的变化。由图3可知,径向温度的分布与同心圆类似,光斑内中心温度高,边缘温度低,形成较大的温度梯度,光斑边缘处与中心最高温差相差近70 ℃。在激光清洗过程中,需注意圆心处最高温度是否会超出绝缘子表面耐热阈值。表2为其余工况下最高温度值,喷洒水膜柱高为0 mm,10-2mm,1.5×10-2mm时在圆心位置(50 μs)的最高温度分别为109 ℃,256 ℃,268 ℃。结合3种不同污秽,分析其温度特性,图4为不同污秽物温度特性,其中,L为扫描过程中径向距离。

表2 不同水膜高时圆心温度分布Table 2 Temperature distribution of different water film heights

图4 50 μs时刻不同污秽物温度分布Fig.4 Temperature distribution of different pollutants at 50 μs

由图4可知,在污秽含水量相同的情况下,CaSO4产生的温度最高,NaCl其次,SiO2最低；温度的分布以圆心为中点呈拱桥型对称分布,先升高后降低,污秽含水量越高,光斑内的温度越高。光斑内中心温度高,边缘温度低,说明激光加热时,仅在激光光斑的覆盖区域内热效应明显,在激光光斑边缘位置瓷式绝缘子表面温度变化剧烈。瓷式绝缘子材料抗热冲击能力范围为150～250 ℃,以此作为安全临界区域。其中,污秽为CaSO4,含水量达到10-2mm时,焦点处最高温度可达到363 ℃,与边缘温差112 ℃,远远超出瓷式绝缘子抗热稳定安全临界。在所有工况下,污秽类型为干燥的SiO2在绝对安全清洗区域(绿色)内,产生的温度也最低,中心处为142 ℃,与边缘温度也相差72 ℃。

图5为温度随扫描时间变化的情况,随着激光光斑的移动,光斑内迅速积累热量,瓷式绝缘子表面及污秽吸收能量,温度上升明显,含水量在一定范围内时,清洗过程中温度随着含水量的增加而升高。温度的变化在污秽是否含水时相差较大,最大相差128 ℃(CaSO4)。在清洗初始阶段,0～20 μs时温度提升幅度极大,这是脉冲激光发散度小、功率极高等特点造成。20 μs后,温度逐渐稳步上升,和时间呈线性关系；80 μs后温度逐步趋于稳定；扫描结束,温度达到最高。

图5 温度随扫描时间分布Fig.5 Temperature distribution with scanning time

对比有水与无水情况下的清洗结果可知,在激光清洗过程中,激光湿式清洗可以迅速提升清洗温度,且在一定含水量范围内,含水量越多,温度上升得越明显。适量的水分可提高激光清洗效率,在清洗过程中污秽的干湿程度不可忽略。尽管污秽类型不同,但激光湿式清洗比干式清洗所产生的温升更高,清洗效率更高。值得注意的是,污秽含水量过高会造成绝缘子表面因温度过高形成的热损伤,严重时也会造成热应力破坏,绝缘子将断裂。

3.2 能量密度对温度特性的影响

激光对材料的辐照差异可以利用激光能量密度来衡量,激光能量密度一般指组织的单位面积内脉冲激光能量的分布,通常表示为：

(5)

式中：P为激光功率；v为激光扫描速度。即在激光扫描速度一定的情况下,激光功率变化正比于激光能量的输出大小。

图6为激光扫描至中心点时,绝缘子表面温度分布。由图可知,温度分布规律与含水量类似,同种污秽条件下,能量密度越高产生的温升越高。污秽类型SiO2,能量密度3.81 J/cm2时产生的温度最低为142 ℃；污秽CaSO4,能量密度4.85 J/cm2时在绝缘子表面产生的温度最高,可达到340 ℃。

图6 不同能量密度径向温度分布Fig.6 Radial temperature distribution of different energy density

在温度安全阈值范围内考虑最高温度对绝缘子表面的影响。6种工况下,绝缘子表面(光斑中心)最高温度可分别达到340 ℃,283 ℃,241 ℃,212 ℃,186 ℃,141 ℃。对比其抗热稳定性可得：能量密度为4.85 J/cm2时极大可能在清洗过程中损伤绝缘子表面,能量密度为3.81 J/cm2则基本可满足3种污秽类型对于温度的需求。

3.3 波长对温度特性的影响

激光是一种特殊的光,激光的波长和普通光的波长一样,从红外线到紫外线都有紫光的存在,波长大约是几千纳米以下的量级,越往紫外光区靠拢的激光波长越短,可以到几百纳米甚至更小。

vL=Hf

(6)

式中：vL为光速；H为激光波长；f为激光频率。激光波长的改变对应频率的改变,仿真则通过改变激光频率来反映不同的激光波长。以污秽类型为SiO2为例,其余2种污秽变化趋势不再累述,图7为重复频率不变条件下,常见5种不同波长的激光对清洗绝缘子的温度影响。

图7 不同波长径向温度分布Fig.7 Radial temperature distribution at different wavelengths

由图7可知,波长越短,在瓷式绝缘子表面产生的温升也就越高,波长为405 nm时产生的最高温度接近300 ℃,超出瓷式绝缘子表面温度安全临界区域,波长为1 064 nm时产生的最高温度为142 ℃,从清洗安全的角度来看,稍长的波长更有利于保护绝缘子表面。这是由于波长越长,单个光子能量越低,产生的温升也就越小。

4 脉冲激光清洗实验

实验设备为脉冲激光器,波长1 064 nm,脉宽200 ns,扫描速度设置为1 000 mm/s。试验样品为表面涂有SiO2粉末的瓷式绝缘子片(40 mm×40 mm×5 mm)。设置激光器频率为50 kHz,调节激光器能量密度分别为2.52 J/cm2,3.81 J/cm2,4.85 J/cm2。清洗结果对比如图8所示。

图8 不同能量密度下清洗对比Fig.8 Cleaning comparison under different energy density

由图8可以看出,当能量密度为2.52 J/cm2时,污秽粉末有部分仍残留,清洗效果不理想；能量密度为3.81 J/cm2时可实现高效洁净清洗,SiO2粉末基本清洗干净,绝缘子片基底呈现出白色；当激光能量密度达到4.85 J/cm2时,绝缘子片表面相较于前2种工况出现明显凹槽(图中圈出),基底出现损坏。综上所述,在能量密度为2.52～3.81 J/cm2时可实现安全有效清洗,与仿真结果基本一致。