方春華，孫 維，方 雨，丁 璨，吳 田，普子恒，袁 田

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.國(guó)網(wǎng)四川檢修公司成都運(yùn)維分部，四川 成都 610036；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

露天瓷式絕緣子長(zhǎng)期暴露在大自然中，遇到霧和陰雨等潮濕天氣時(shí)，絕緣子表面的污穢層被潤(rùn)濕，導(dǎo)致絕緣性能下降，可能發(fā)生污穢閃絡(luò)[1-4]，所以需要對(duì)絕緣子進(jìn)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(jī)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(lái)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(yīng)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(guò)程中絕緣子表面會(huì)產(chǎn)生巨大溫差使污穢脫落，但高溫會(huì)對(duì)絕緣子表面造成損傷，影響絕緣性能，所以溫度特性研究對(duì)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(dǎo)率涂漆，并對(duì)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(duì)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(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。高遼遠(yuǎn)等[12]研究不同參數(shù)對(duì)激光清洗溫度場(chǎng)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(jìn)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(yīng)用處于開(kāi)發(fā)階段，其清洗機(jī)理尚無(wú)明確定論。目前針對(duì)清洗過(guò)程中激光能量密度、掃描速度、含水量等因素對(duì)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(duì)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(shí)[13]，通過(guò)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(duì)溫度特性的影響。

1 理論分析

當(dāng)脈沖激光輻射瓷式絕緣子表面時(shí)，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(dāng)溫差形成的熱應(yīng)力大于污穢層與基底之間的粘附力時(shí)，污穢顆粒被清除。

當(dāng)脈沖激光直接輻射于材料表面，且不考慮相變問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)熱傳導(dǎo)方程來(lái)描述材料在激光照射下的溫度場(chǎng)分布T，在笛卡爾坐標(biāo)系中，熱傳導(dǎo)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(dǎo)率，是材料的熱源函數(shù)。由于激光輻照過(guò)程中，絕大部分的能量在材料表面被吸收，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳輸?shù)絻?nèi)部，可認(rèn)為材料內(nèi)部沒(méi)有體熱源系數(shù)，因此可將式（1）簡(jiǎn)化，同時(shí)將激光考慮為面熱源，簡(jiǎn)化后的熱傳導(dǎo)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(duì)激光的吸收率。

在應(yīng)用激光濕式清洗微顆粒的研究中，認(rèn)為當(dāng)激光能量密度足夠大時(shí)，界面處的薄液膜能通過(guò)熱傳導(dǎo)而發(fā)生過(guò)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，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(zhǎng)速度如式（3）所示[15]。

式（3）中：ρl(T)為溫度T時(shí)的液體密度；P∞為外界液體壓。由式（3）知?dú)馀莸纳L(zhǎng)速度是關(guān)于溫度T的函數(shù)，氣泡生長(zhǎng)壓緊附近液體產(chǎn)生壓力波使污穢脫離。

無(wú)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(yīng)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(zhǎng)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(tái)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(dòng)對(duì)其掃描。仿真模型中，污穢含水量簡(jiǎn)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(chǎng)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(guò)一束激光沿硅晶片的徑向前后移動(dòng)對(duì)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(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(duì)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(chǎng)分布，模型使用了內(nèi)置的高斯脈沖函數(shù)。焦點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，使用三角波形函數(shù)來(lái)定義隨時(shí)間沿x軸移動(dòng)的位置。在熱傳導(dǎo)控制方程中，添加了絕緣子薄片的平均轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)范圍內(nèi)，假設(shè)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(zhǎng)范圍內(nèi)是不透明的，沒(méi)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(guò)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(guò)程。

3 溫度特性分析

3.1 含水量對(duì)溫度特性的影響

水分具有良好的導(dǎo)熱性，水膜及污穢短時(shí)間內(nèi)吸收大量能量，迅速升溫，并遵循傅里葉定律經(jīng)過(guò)水膜污穢傳導(dǎo)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(shí)，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(shí)刻的溫度分布圖，分析含水量對(duì)激光濕式清洗溫度場(chǎng)特性的影響。

圖2 水膜高度為0 mm時(shí)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(shí)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(shí)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(wú)論含水量（水膜高度）多少，激光在清洗絕緣子過(guò)程中溫度場(chǎng)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(huì)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(guò)程中50 μs時(shí)刻作說(shuō)明。圖5為50 μs時(shí)刻激光位于絕緣子片中心時(shí)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(shí)間分布圖。

圖5 50 μs時(shí)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(shí)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(shí)，清洗過(guò)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(shí)間呈線性關(guān)系并呈上升趨勢(shì)，100 μs掃描完畢后，3種工況下最高溫度分別達(dá)到460.39、540.70、632.84 K。

在激光清洗過(guò)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(dá)到1.0×10-2mm時(shí)，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(shí)，溫度為干式清洗的1.35倍左右。適量的水分可促進(jìn)激光濕式清洗，但過(guò)量則可能導(dǎo)致升溫過(guò)快，對(duì)絕緣子表面造成損壞，在激光清洗過(guò)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(yīng)力使得污穢脫離基體表面。污穢含水量過(guò)高時(shí)光斑中心處的最高溫度會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。

3.2 能量密度對(duì)溫度特性的影響

激光對(duì)材料的輻照差異可以利用激光能量密度來(lái)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(shí)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(duì)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(chǎng)的分析可知，能量密度為1.18 J/cm2時(shí)清洗安全；能量密度達(dá)到2.01 J/cm2時(shí)，清洗過(guò)程中最高溫度可達(dá)到540 K，達(dá)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(huì)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(duì)溫度特性的影響

由式（4）可知，掃描速度對(duì)激光功率也有影響，適當(dāng)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(guò)慢時(shí)，瓷式絕緣子表面可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)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(shí)在50 μs時(shí)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(shí)的溫度最大值約為462 K，最小值接近358 K，說(shuō)明在不同掃描速度下相同時(shí)間內(nèi)的熱效應(yīng)的累計(jì)幾乎一致，溫度場(chǎng)分布也近乎一樣。即掃描速度對(duì)同一時(shí)刻下絕緣子表面溫度幾乎無(wú)影響。

圖8 不同掃描速度50 μs時(shí)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(shí)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(dāng)激光焦點(diǎn)移動(dòng)到瓷式絕緣子中心時(shí)，隨著掃描速度的增加，溫度均降低，v=500 mm/s時(shí)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(huì)損傷瓷式絕緣子表面；v=1 000 mm/s時(shí)最高溫度為461.89 K，v=1 500 mm/s時(shí)最高溫度為431.28 K，并以激光光斑中心向兩側(cè)對(duì)稱分布。在掃描路徑上存在之前殘留脈沖未冷卻的溫度場(chǎng)，掃描速度過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致瓷式絕緣子表面溫度超過(guò)閾值。當(dāng)掃描速度為1 000 mm/s時(shí)，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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為脈沖光纖激光器，如圖11所示，激光器波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬為200 ns，重復(fù)頻率為1～400 kHz可調(diào)。試驗(yàn)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(shè)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(shí)，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(dāng)能量密度為1.18 J/cm2時(shí)，仍有部分SiO2粉末未清除干凈；當(dāng)能量密度升高到1.41 J/cm2時(shí)，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(wú)明顯損傷，可實(shí)現(xiàn)較高效清洗；在能量密度為2.01 J/cm2時(shí)，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(guò)慢（500 mm/s）時(shí)，會(huì)基底出現(xiàn)明顯損傷；掃描速度達(dá)到1 000 mm/s時(shí)，基底材料無(wú)明顯損傷，清洗效果顯著；掃描速度過(guò)快（1 500 mm/s）時(shí)，熱效應(yīng)累計(jì)不夠，SiO2粉末清除不凈，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)濕式清洗時(shí)，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(duì)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)，因此清洗時(shí)應(yīng)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(shí)間內(nèi)均可產(chǎn)生高溫。掃描速度為1 000 mm/s時(shí)，可實(shí)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(shí)，應(yīng)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。