激光清洗陶瓷绝缘子污秽应力场分析

引言

随着社会经济的发展,大气污染越来越严重,空气中充满了多种类型的固体微粒。在重力作用下,固体颗粒沉积在输电线路瓷式绝缘子上,长时间积累容易影响绝缘性能。快速清除瓷式绝缘子表面固体污秽对保障电网安全可靠运行至关重要。脉冲激光清洗技术具有清洗效果佳、运行成本低、可控性好等优点,能快速清除表面污秽,目前已开始应用于陶瓷绝缘子表面的污秽清除。

脉冲激光清洗瓷式绝缘子表面污秽时会引起表面温升。脉冲能量密度太大,瓷式绝缘子表面温度达到其气化温度,会造成瓷绝缘子的损伤;能量密度过小,不能有效去除污秽颗粒。研究不同能量密度的脉冲激光清洗瓷式绝缘子表面的温度场和应力场特征,对脉冲激光清洗技术在瓷式绝缘子表面污秽清洗领域的广泛应用至关重要。

1理论分析

计算瓷式绝缘子表面用脉冲激光辐射后应力场分布物理方程如下:

式中,口x和口y分别为x和y方向上的正应力;E为杨氏模量;L为泊松比;sx和sy分别为x和y方向上的正应变;a为线性膨胀系数;A7为温差;Txy为剪应力;yxy为剪应变。

考虑到污秽与陶瓷基底之间的粘黏力受到多种因素的影响,污秽颗粒与瓷式绝缘子之间粘附力的计算等效为两个平行平面之间粘黏力的计算。两平面之间单位面积的粘附力为:

式中,Z为相互接触两个平面之间的距离,Z=4×10-10m;h12为基底材料接触的相关量。

式中,A12为瓷式绝缘子与其表面污秽相互接触的Hamaker系数。

其函数关系式为:

式中,A11为污秽的Hamaker常数;A22为瓷式绝缘子的Hamaker常数;A33为空气的Hamaker常数。三种参数具体值为6.6×10-20J、15.2×10-20J、1.94×10-20J。

由此可以计算出单位面积的污秽颗粒层与瓷式绝缘子之间的粘黏力约为2.5×107N/m2。

2模型建立

为便于研究应力对瓷式绝缘子表面清污效果的影响,本文建立瓷式绝缘子片(0.5mm×0.5mm×0.075mm)模型。瓷式绝缘子采用氧化铝瓷材料,污秽采用二氧化硅代替。考虑室温的影响,取瓷式绝缘子及其表面污秽的初始温度为25℃。

在应力分析的过程中需要的材料属性列于表1。瓷式绝缘子边长为ó,考虑脉冲激光扫描速度为b,脉冲能量密度为F,则脉冲激光光点来回经过污秽面中心点的时间为ó/b。

保持脉冲激光的扫描速度为1000mm/s不变,根据脉冲能量密度不同,重点仿真了三种情况(工况),如表2所示。

仿真时,将离散化的热流密度加载到瓷式绝缘子表面污秽的有限元模型上,模型采用solid70单元,其为三维实体热单元,具有三个方向的热传导能力。该单元有8个节点,每个节点上只有一个温度自由度,非常适合用于瞬态热应力分析。

脉冲频率为135kHz,选取瓷式绝缘子中心为参考点,脉冲激光光斑半径为0.1mm。脉冲激光扫描一次污秽瓷式绝缘子时,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。

3应力场仿真结果分析

分析不同时刻绝缘子表面横向应力分布图可知,模型表面第一主应力分布呈圆环状。圆环圆心周围的应力为负值,表现为压应力。同时在光斑中心处,压应力值最大。在脉冲激光光斑外的区域,表面应力表现为拉应力。在光斑边缘处,拉应力达到最大值。因此可以判断,污秽首先从激光光斑的边缘处开始脱离基底表面。

分析不同能量密度时仿真模型表面第一主应力横向分布图发现,随着能量密度的增大,绝缘子表面应力变化趋势逐渐增强。横向应力曲线关于绝缘子表面中心点对称0~0.15mm之间,横向第一主应力表现为拉应力,此时应力值为正值,应力曲线变化呈上升趋势。在光斑内的区域(0.15~0.35mm),横向应力曲线在光斑中心点呈V型对称分布。光斑边缘到中心点处的应力由拉应力逐渐转化为压应力,呈下降趋势。

氧化铝瓷属于脆性材料,抗压不抗拉,其抗压强度为1400Mpa,抗拉强度为160Mpa,而能量密度为2.01J/cm2的应力曲线在光斑中心处(D=0.25mm)的压应力为3760Mpa,远大于氧化铝瓷材料的抗压强度1400Mpa,会损伤瓷绝缘子。能量密度为1.41J/cm2时,最大压应力为1223Mpa,小于氧化铝瓷的抗压强度1400Mpa。选择落在氧化铝瓷的抗压强度和抗拉强度围成区域s内的脉冲激光能量密度进行去污时,能保证陶瓷基底不会受到损伤。能量密度为1.41J/cm2时,应力变化曲线在区域s内包络的面积最大,脉冲激光清洗瓷绝缘子的效果最好。因此,在不损伤瓷式绝缘子的前提下,能量密度为1.41J/cm2的脉冲激光清污效率最佳。

分析不同能量密度的第一主应力纵向分布图可知,模型纵深方向应力值随着能量密度的增加而变大。D=0mm为光斑的中心处,此时的应力表现为压应力,且压应力值最大。随着深度的增加,模型纵向应力逐渐由压应力转化为拉应力直至为0。由能量密度为2.01J/cm2的应力曲线可知,脉冲激光清洗瓷绝缘子时,模型在光斑中心以下D=0.009mm处的拉应力最大为1010Mpa。此处拉应力先达到氧化铝瓷的抗拉强度,随着清洗过程的进行,应力不断增大而产生裂纹,最终造成瓷绝缘子破裂。能量密度为1.41J/cm2时,在污秽层与瓷式绝缘子接触面(D=0.025mm)的第一主应力表现为拉应力,拉应力值为110Mpa,小于氧化铝瓷材料的抗拉强度160Mpa。在光斑中心以下D=0.009mm处,拉应力达到最大值,此处污秽最先被清除。激光能量密度为1.18J/cm2时,污秽与绝缘子接触面(D=0.025mm)之间的拉应力为81.6Mpa。此应力值大于污秽层与瓷式绝缘子之间的粘黏力25Mpa,则能量密度为1.18~1.41J/cm2的脉冲激光可以有效去除瓷式绝缘子表面污秽。

4脉冲激光去污实验

实验主要设备为激光器,还有用于摄影的相机一部。所采用的激光器为脉冲光纤激光器,波长为1064nm,脉宽为200ns。实验样品为涂有si02粉末(1.5mg/cm2)的瓷绝缘子片(50mm×50mmx4mm)。

开启相机的摄影功能,设置激光器频率为135kHz。调节脉冲激光能量密度分别为1.41J/cm2和2.01J/cm2,分别对涂有si02粉末的瓷绝缘子片表面来回扫描3次。

观察不同能量密度清洗的结果图可知,能量密度为2.01J/cm2时,陶瓷基底表面分布有不均匀的小孔,此时基底材料已经损坏。能量密度为1.41J/cm2的脉冲激光扫描时,瓷式绝缘子片表面去污效果明显。扫描后的基底呈白色,没有明显的损伤。

5结论

(1)由横向温度分布图可知,光斑内中心温度高,边缘温度低,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。

(2)由横向和纵向应力分布规律可知,光斑边缘和光斑中心以下(D=0.009mm)处的拉应力最大。表面污秽首先从激光的光斑边缘和光斑中心下方(D=0.009mm)处开始被清除。

(3)模型纵深方向应力值随着能量密度的增加而变大。能量密度为1.18~1.41J/cm2的脉冲激光可以有效去除瓷式绝缘子表面污秽。

(4)由横向应力分布图可知,能量密度为1.41J/cm2时,应力变化曲线在区域s内包络的面积最大,脉冲激光清洗瓷绝缘子的效率最高。