脉冲激光湿式清洗瓷绝缘子温度特性研究

方春华，孙 维，方 雨，丁 璨，吴 田，普子恒，袁 田

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.国网四川检修公司成都运维分部，四川 成都 610036；3.中国电力科学研究院有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

露天瓷式绝缘子长期暴露在大自然中，遇到雾和阴雨等潮湿天气时，绝缘子表面的污秽层被润湿，导致绝缘性能下降，可能发生污秽闪络[1-4]，所以需要对绝缘子进行清洗。传统的清洗绝缘子污秽方法主要有人工清洗、干冰清洗机器人[5]、带电水冲洗[6]、空气喷雾清洗等[7]。

激光清洗技术是近年来飞速发展的一种新型清洗技术，能快速有效地清除污秽，可应用于瓷式绝缘子的清洗，且适用于不同类型污秽[8-9]。激光清洗过程中绝缘子表面会产生巨大温差使污秽脱落，但高温会对绝缘子表面造成损伤，影响绝缘性能，所以温度特性研究对于激光清洗至关重要。张志研等[10]利用脉冲激光去除低热导率涂漆，并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。刘伟嵬等[11]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。高辽远等[12]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。虽然激光清洗的研究取得了一些进展，但在电力系统污秽清洗中仍处于起步阶段。激光湿式清洗绝缘子的应用处于开发阶段，其清洗机理尚无明确定论。目前针对清洗过程中激光能量密度、扫描速度、含水量等因素对绝缘子表面温度分布的影响研究较少。

本研究以瓷式绝缘子及表面污秽为对象，在保证瓷式绝缘子材料抗热冲击能力（150～250℃）不受损伤的同时[13]，通过COMSOL仿真模拟研究激光湿式清洗能量密度、扫描速度、含水量等对温度特性的影响。

1 理论分析

当脉冲激光辐射瓷式绝缘子表面时，绝缘子及其表面污秽能吸收脉冲激光的能量，产生升温现象。当温差形成的热应力大于污秽层与基底之间的粘附力时，污秽颗粒被清除。

当脉冲激光直接辐射于材料表面，且不考虑相变问题时，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，热传导方程如式（1）所示[14]。

式（1）中，ρ、c、k分别是材料的密度、比热、热传导率，是材料的热源函数。由于激光辐照过程中，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内部，可认为材料内部没有体热源系数，因此可将式（1）简化，同时将激光考虑为面热源，简化后的热传导方程式如式（2）所示。

式（2）中：Q为激光能量密度；P为激光功率；R是激光光斑半径；A是材料表面对激光的吸收率。

在应用激光湿式清洗微颗粒的研究中，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，从而清除吸附颗粒。液体受热产生的气泡的蒸汽压与此温度下液体的饱和蒸汽压近似，气泡生长速度如式（3）所示[15]。

式（3）中：ρl(T)为温度T时的液体密度；P∞为外界液体压。由式（3）知气泡的生长速度是关于温度T的函数，气泡生长压紧附近液体产生压力波使污秽脱离。

无论是在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，从而产生热应力使得污秽脱离基体表面，还是在湿式激光清洗中气泡的生长与温度相关，产生巨大压力波使污秽脱离绝缘子表面，温度的影响都至关重要。

2 模型建立

本研究建立氧化铝瓷式绝缘子薄片模型，表面附着典型污秽SiO2，参数如表1所示。取半径为0.5 mm、高为0.075 mm的瓷式绝缘子薄片在工作台上旋转，旋转速度为100 r/min，如图1所示。一束脉冲频率为135 kHz、激光光斑半径为0.1 mm的激光沿瓷式绝缘子片的径向前后移动对其扫描。仿真模型中，污秽含水量简化为污秽表面的一层水膜。仿真遵循GB/T 772—2005《高压绝缘子瓷件》，绝缘子使用场所的环境温度为-40～40℃，瓷绝缘子材料局部承受抗热冲击能力温度范围为150～250℃[13]。

通过一束激光沿硅晶片的径向前后移动对其加热，将入射激光的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。

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

图1 绝缘子污秽模型Fig.1 Model of polluted porcelain insulator

激光束模拟为平面上呈高斯分布的热源[16]。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。在热传导控制方程中，添加了绝缘子薄片的平均转动速度。

绝缘子薄片的表面辐射率约为0.8。在激光的工作波长范围内，假设吸收率等于辐射率，则激光产生的热量需乘以此辐射率。此外，由于绝缘子薄片在激光的工作波长范围内是不透明的，没有光线穿透绝缘子薄片[17]，因此，激光产生的所有热量都作用在绝缘子薄片表面。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瓷式绝缘子表面的去污过程。

3 温度特性分析

3.1 含水量对温度特性的影响

水分具有良好的导热性，水膜及污秽短时间内吸收大量能量，迅速升温，并遵循傅里叶定律经过水膜污秽传导至瓷式绝缘子表面。在脉冲能量密度为1.41 J/cm2，扫描速度为1 000 mm/s时，模拟环境湿度形成高度为0、1.0×10-2、1.5×10-2mm的水膜3种工况下绝缘子表面在20、50、80、100 μs时刻的温度分布图，分析含水量对激光湿式清洗温度场特性的影响。

图2 水膜高度为0 mm时的温度分布图Fig.2 Temperature distribution with 0 mm of the water film

图3 水膜高度为1×10-2mm时的温度分布图Fig.3 Temperature distribution with 10-2mm of the water film

图4 水膜高度为1.5×10-2mm时的温度分布图Fig.4 Temperature distribution with 1.5×10-2mm of the water film

图2～4为不同高度的水膜温度分布图。从图2～4可以看出，无论含水量（水膜高度）多少，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，其中喷洒水膜高度为0、1×10-2、1.5×10-2mm 3种工况下圆心位置的最高温度分别为404、462、517 K，不会损伤瓷绝缘子表面，光斑边缘处与中心最高温差接近100 K。

由于温度分布规律类似，取扫描过程中50 μs时刻作说明。图5为50 μs时刻激光位于绝缘子片中心时不同高度水膜工况下的温度分布图，图6为不同高度的水膜工况下温度随扫描时间分布图。

图5 50 μs时刻不同含水量下的温度分布Fig.5 Temperature distribution under three working conditions at 50 μs

图6 温度随扫描时间分布Fig.6 Temperature distribution with scanning time

由图5～6可以看出，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。在清洗初始阶段，温度有大幅提升，10 μs之后，温度和时间呈线性关系并呈上升趋势，100 μs扫描完毕后，3种工况下最高温度分别达到460.39、540.70、632.84 K。

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，温度上升越明显。由图6可知，激光湿式清洗比干式清洗（h=0 mm）产生的温升更高，清洗更有效率。在水膜高度达到1.0×10-2mm时，湿式清洗产生的温度约为干式清洗的1.17倍；水膜高度为1.5×10-2mm时，温度为干式清洗的1.35倍左右。适量的水分可促进激光湿式清洗，但过量则可能导致升温过快，对绝缘子表面造成损坏，在激光清洗过程中污秽的干湿程度不可忽略。

由以上分析可知，瓷式绝缘子表面吸收激光的能量转化为热能，光斑内中心温度迅速升高，逐渐向边缘传递热量，呈高斯分布并形成较大的温度梯度，温差产生热应力使得污秽脱离基体表面。污秽含水量过高时光斑中心处的最高温度会超出绝缘子瓷材料的抗热阈值[18]，有造成瓷绝缘子表面损伤的风险。

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单位面积内脉冲激光能量的分布，如式（4）所示。

式（4）中：Ps为激光能量密度，kJ/cm2；P为激光功率，W；d为激光光斑半径，cm；V为激光扫描速度，cm/s。由式（4）可知，在激光扫描速度一定的条件下，激光功率变化正比于激光能量密度。

图7为能量密度为1.18、1.41、2.01 J/cm2在50 μs时刻瓷式绝缘子表面温度变化曲线。由图7可以看出，3种不同能量密度工况下，脉冲激光在激光光斑中心处温度分别为467.8、478.4、548.8 K，光斑边缘处温度分别为425、431.1、502.4 K，绝缘子表面温度先升高后降低，并以激光光斑中心向两侧对称分布。

图7 不同能量密度下温度分布图Fig.7 Temperature distribution under different energy density

由温度场的分析可知，能量密度为1.18 J/cm2时清洗安全；能量密度达到2.01 J/cm2时，清洗过程中最高温度可达到540 K，达到基底材料表面的安全阈值。随着激光能量密度的继续增大，基体表面将会产生烧蚀熔化现象。在仿真参数的条件下，能量密度为1.18～1.41 J/cm2是最佳清洗阈值区间。

3.3 扫描速度对温度特性的影响

由式（4）可知，扫描速度对激光功率也有影响，适当降低扫描速度可以增大熔深[19]，有利于提高清洗质量，但扫描速度过慢时，瓷式绝缘子表面可能会出现过度熔化的现象，损伤瓷式绝缘子表面。

图8为在脉冲能量密度为1.41 J/cm2，扫描速度分别为500、1 000、1 500 mm/s时在50 μs时刻绝缘子表面的温度分布图。由图8可以看出，在3种不同扫描速度下，在50 μs时的温度最大值约为462 K，最小值接近358 K，说明在不同扫描速度下相同时间内的热效应的累计几乎一致，温度场分布也近乎一样。即扫描速度对同一时刻下绝缘子表面温度几乎无影响。

图8 不同扫描速度50 μs时刻温度分布图Fig.8 Temperature distribution at 50 μs under different scanning speed

图9为在3种不同扫描速度工况下，扫描至绝缘子片中心时的温度分布图，图10为3种不同扫描速度下的温度分布图。

图9 不同扫描速度圆心温度分布图Fig.9 Temperature distribution at the center with different scanning speed

图10 不同扫描速度下的温度分布图Fig.10 Temperature distribution under different scanning speed

从图9和图10可以看出，当激光焦点移动到瓷式绝缘子中心时，随着扫描速度的增加，温度均降低，v=500 mm/s时最高温度为526.76 K，随着扫描的继续，产生的最高温度会损伤瓷式绝缘子表面；v=1 000 mm/s时最高温度为461.89 K，v=1 500 mm/s时最高温度为431.28 K，并以激光光斑中心向两侧对称分布。在扫描路径上存在之前残留脉冲未冷却的温度场，扫描速度过慢会导致瓷式绝缘子表面温度超过阈值。当扫描速度为1 000 mm/s时，既保证产生足够高的温度，又保证瓷式绝缘子表面不受损伤，是仿真数据的最佳阈值。

4 脉冲激光清洗实验

实验设备为脉冲光纤激光器，如图11所示，激光器波长为1 064 nm，脉宽为200 ns，重复频率为1～400 kHz可调。试验样品为表面涂有一定含水量的SiO2粉末瓷式绝缘子片（30 mm×30 mm×3 mm）。设置激光器频率为135 kHz，调节激光器能量密度分别为1.18、1.41、2.01 J/cm2。

图12是扫描速度为1 000 mm/s时，不同能量密度工况下瓷式绝缘子片的清洗结果。

图11 脉冲激光发射器Fig.11 Pulse laser transmitter

图12 不同能量密度下清洗结果Fig.12 Cleaning results under different energy density

由图12可以看出，当能量密度为1.18 J/cm2时，仍有部分SiO2粉末未清除干净；当能量密度升高到1.41 J/cm2时，绝大部分SiO2粉末已从瓷式绝缘子片清除干净，基底呈现出白色，无明显损伤，可实现较高效清洗；在能量密度为2.01 J/cm2时，扫描后的基底出现明显的凹槽，基底材料出现明显损伤。

图13是能量密度为1.41 J/cm2，扫描速度为500、1 000、1 500 mm/s工况下的清洗结果。由图13可以看出，扫描速度过慢（500 mm/s）时，会基底出现明显损伤；扫描速度达到1 000 mm/s时，基底材料无明显损伤，清洗效果显著；扫描速度过快（1 500 mm/s）时，热效应累计不够，SiO2粉末清除不净，实验结果与理论研究结果基本一致。

图13 不同扫描速度下清洗结果Fig.13 Cleaning results at different scanning speeds

5 结论

（1）瓷式绝缘子受激光辐照，在不同含水量、能量密度、扫描速度下实现湿式清洗时，瓷式绝缘子表面温度先升高后降低，并以激光光斑中心向两侧对称分布，均在激光边缘处温差较大。

（2）仿真结果表明能量密度为2.01 J/cm2时产生的最高温度接近550 K，在瓷绝缘子抗热冲击能力阀值附近，有造成其表面的热损伤的风险，因此清洗时应慢慢增加激光能量密度，能量密度为1.18～1.41 J/cm2适宜。

（3）较高的含水量、低扫描速度在较短时间内均可产生高温。扫描速度为1 000 mm/s时，可实现最佳激光湿式清洗，使用激光湿式清洗瓷式绝缘子表面污秽时，应注意其含水量以及把控激光仪器扫描速度，防止损伤瓷式绝缘子表面。