MOPA脈沖光纖激光清洗電力絕緣子的工藝探索

任茂鑫，關(guān)珮雯，徐 鵬，鄧金魚，劉 赟，吳欣燁，王劭菁，季怡萍

(1.國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學研究院，上海 200437；2.上海飛博激光科技有限公司，上海 201821；3.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)

引 言

傳統(tǒng)高壓水洗法、化學腐蝕清洗法和高頻超聲清洗法被廣泛地應用在工業(yè)清洗行業(yè)[1-3]。水處理法效率高，在適當?shù)膲毫Φ燃壪?不會損傷被清洗物體，使用清水作為清洗介質(zhì)，清洗成本較低，但同時也產(chǎn)生巨大的水資源浪費，對于清洗產(chǎn)生的廢水也需要進行專門處理；化學法使用化學清洗劑與材料表面的污垢進行反應從而達到清洗目的，但清洗劑往往以強酸或強堿為主，可能導致設(shè)備易老化，同時大量的化學洗劑也會帶來環(huán)境污染的問題；使用超聲波清洗物體表面污染物時，可使用不同清洗介質(zhì)來達到清洗效果，但超聲法對于漆層及氧化層的清洗能力相對薄弱，因此僅可用于特定領(lǐng)域。

隨著綠色環(huán)保意識的提升、高端制造業(yè)快速發(fā)展，激光清洗技術(shù)具有高效、無污染、適用面廣等優(yōu)點，已成為近年來學術(shù)界與工業(yè)界相爭研究、開發(fā)的熱點，目前已被證實應用于諸多領(lǐng)域，如文物修復、表面去漆、金屬除銹等[4-9]。激光清洗技術(shù)通過發(fā)射特定波長的激光脈沖，將需清洗對象表面的污穢氣化，達到清洗效果。相比高壓水洗法、化學腐蝕清洗法和高頻超聲清洗法等傳統(tǒng)清潔方法，激光清洗法在架空輸電線路路清洗的安全性以及不停電作業(yè)要求等方面具有優(yōu)勢。近年來，激光清潔法在電力絕緣子的清潔領(lǐng)域逐漸受到了重視。架空輸電線路的絕緣子是保證電網(wǎng)安全、可靠運行的重要一環(huán)，絕緣子表面污染物的堆積會導致絕緣性能下降，容易造成放電或閃絡。2014年，de POSADA等人首次將激光應用于高壓絕緣子清洗，驗證了調(diào)Q激光清洗絕緣子的可行性，表明了脈沖激光比連續(xù)激光更適合作為清洗光源，并利用激光輻照表面改性，提高絕緣子表面疏水性能[10]。最近，國內(nèi)激光清洗絕緣子的相關(guān)研究報道也陸續(xù)出現(xiàn),如參考文獻[11]和參考文獻[12]中報道了激光去除絕緣子表面的老化室溫硫化(room temperature vulcanized, RTV) 涂層的清理研究。多數(shù)研究成果著重在結(jié)合數(shù)值仿真模型來討論干式或濕式激光清洗方式對玻璃及瓷絕緣子表面污漬的溫度場或應力場的影響，在滿足材料基底抗熱沖擊能力與抗拉強度時的情況下做污穢層清潔分析[13-16]。

為改進絕緣子運行時的電氣性能與機械性能，高壓絕緣子主要使用的材料有3大類：陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子及復合絕緣子。此前的研究成果皆針對玻璃或陶瓷絕緣子材料，且激光光源與加工參數(shù)較為單一，難以同時應用在不同種類的絕緣子清潔工作。因此，作者開發(fā)了一臺脈沖參數(shù)可調(diào)的基于主振蕩功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)光纖激光器，采用柔性光纖進行傳輸，并具有寬泛的激光性能選擇，適用于復雜的激光清洗應用場景。針對常見的絕緣子材料，包含釉面陶瓷、玻璃、硅橡膠基材，開展脈沖激光在電力絕緣子清洗方面的研究。除了保證清潔效果，因采用了高速掃描振鏡，具有更高的清洗效率；掌握不同絕緣子污穢對激光的耐受程度及最優(yōu)化除污參數(shù)設(shè)置，為激光清洗在電力絕緣子領(lǐng)域提供參考，在拓展不停電作業(yè)覆蓋面以及提高城市電網(wǎng)供電可靠性等方面具有重要意義。

1 實 驗

1.1 清洗光源的選擇

應用于激光清洗的脈沖光纖激光器主要分為調(diào)Q光纖激光與MOPA光纖激光，兩者區(qū)別主要在于振蕩種子信號的產(chǎn)生方式不同。一般來說，調(diào)Q脈沖激光器的脈寬不可調(diào)，約在幾百個納秒量級，重復頻率在數(shù)十千赫茲；MOPA脈沖激光器的脈寬與重復頻率的設(shè)置范圍相對較廣，脈寬可在幾個到幾百納秒，重復頻率可從數(shù)十至數(shù)千千赫茲[17-18]。為對比兩款激光器的清洗效果，分別搭建了調(diào)Q型與MOPA型脈沖光纖激光器，兩者最大平均功率皆約為200W，最大單脈沖能量約2mJ。在初步的清洗參數(shù)探索過程中，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)Q型脈沖激光器由于可調(diào)參數(shù)少，對清洗效果的優(yōu)化程度較受局限，并且其脈沖弛豫時間較長，容易在清洗過程中形成多余的熱積累，造成基底材料受損。因此，為了可同時應用于不同材質(zhì)的絕緣子清洗，本工作中采用光纖脈沖MOPA激光器作為激光清洗光源，該光源的主要參數(shù)如表1所示。

Table 1 Main parameters of MOPA fiber laser

1.2 激光清洗實驗方案

激光清洗裝置主要由波長1μm的MOPA脈沖光纖激光器、水冷機、2維掃描振鏡、XYZ 3軸精密平臺、中央控制系統(tǒng)等組成。脈沖調(diào)制振蕩器進行多級MOPA放大結(jié)構(gòu)，激光光束經(jīng)光纖準直器形成準直光束，入射2維掃描振鏡。激光光束經(jīng)掃描振鏡中的2維馬達驅(qū)動鏡片反射，通過場鏡匯聚，作用于待清洗物表面。待清洗物為絕緣子的傘裙區(qū)域，將待清洗物置于XYZ 3軸精密平臺上，可靈活變更清洗區(qū)塊，激光清洗裝置示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser cleaning setup

為了探究激光器參數(shù)對絕緣子清洗效果的影響，作者嘗試了多種不同的激光器參數(shù)組合。采用的掃描振鏡最大可控直線掃描速率為10m/s，掃描范圍為100mm×100mm，場鏡焦距為170mm，束腰處光斑直徑約為0.07mm。

待清洗樣品為長期暴露于大自然環(huán)境中的絕緣子，清洗樣品的傘裙材質(zhì)分為3種：鋼化玻璃、陶瓷和硅橡膠，樣品分別如圖2所示。本實驗中采用的是激光干洗法，主要機理為基體表面污穢物在脈沖激光輻照后，產(chǎn)生的熱能引起污穢物瞬間熱膨脹，形成熱應力，當熱應力大于污穢粘附力，則污染物將脫落。抑或是高能量的激光束在焦點處能產(chǎn)生高溫，直接使附著臟物瞬間氣化、蒸發(fā)或分解，使附著物快速脫離工件表面。采用高分辨光學顯微鏡對激光清洗前后的傘裙表面進行觀測，觀察其表面形貌及損傷情況，并拍攝清洗前后的圖片進行分析。

Fig.2 The polluted insulator for laser cleaning experimentsa—glass insulator b—porcelain insulator c—silicon rubber insulator

2 結(jié)果與分析

由于3種絕緣子基底材料的光吸收特性、導熱系數(shù)及抗熱沖擊能力不同，過高的激光功率、能量或掃描速率過低，會造成清洗件的基材形變或燒損；若掃描速率過快或激光能量密度不足時，則出現(xiàn)清洗效果不佳的現(xiàn)象?；谙嗤募す馇逑雌脚_，通過調(diào)整脈沖激光參數(shù)、掃描速率、光斑重疊率等，開展了一系列清洗實驗。

2.1 激光掃描速率、重疊率對清洗效果的影響

清洗質(zhì)量與清洗效率是判斷激光清洗效果的主要兩個指標。激光清洗的光斑重疊率對清洗效率有重要影響，在激光脈沖重復頻率固定的情況下，光斑重疊率越大，材料表面積內(nèi)作用的光斑數(shù)量越多，則清洗時間越長，效率越低。為提高清洗效率，重疊率應盡可能小，并同時保證清洗質(zhì)量。激光掃描速率會影響激光工作方向的光斑重疊率，光斑重疊率直接影響到激光能量的累積，這種熱效應會通過熱傳導傳到加工物上，并影響激光清洗質(zhì)量。光斑重疊率O可表示為[19]：

(1)

式中，v為激光掃描速率，D為激光的光斑直徑,f為激光的脈沖重復頻率。

圖3中分別給出了3種絕緣子(玻璃絕緣子、瓷絕緣子、石膠絕緣子)在特定的激光參數(shù)設(shè)置下，不同激光掃描速率的表面污穢清潔效果。其中，圖3a的參數(shù)為：激光脈沖寬度100ns，重復頻率500kHz，單脈沖能量0.4mJ； 圖3b的參數(shù)為：激光脈沖寬度100ns，重復頻率500kHz，單脈沖能量0.16mJ； 圖3c的參數(shù)為：激光脈沖寬度20ns，重復頻率為1000kHz，單脈沖能量為0.02mJ。圖中數(shù)據(jù)為掃描速率。

Fig.3 Effect of laser scanning speed on cleaning three insulators

由圖3a可以發(fā)現(xiàn)，玻璃絕緣子由于具有較高的透光率，達到有效清潔所需的激光脈沖能量相對較高，當固定激光單脈沖能量為0.4mJ，重復頻率為500kHz，將激光掃描速率設(shè)定為5m/s時，可以完全去除污穢、達到清洗閾值，若繼續(xù)降低掃描速率，雖然線能量繼續(xù)增加，但是熱積累程度仍未造成基底材料的破壞，因此清洗效果在掃描速率為1m/s～5m/s的情況下基本一致。提高掃描速率至7m/s,則觀察到附著表面的大顆粒污穢被清洗掉，小顆粒污穢依然殘留，這是因為小顆粒污穢的吸附力比大顆粒污穢吸附力強。當速率提高至9m/s，大部分污穢仍繼續(xù)殘留，清潔效果越差。

如圖3b所示，瓷絕緣子通常為帶釉瓷面，可用于提高機械強度與防水浸潤，該釉面結(jié)構(gòu)相當于一玻璃薄層。在瓷絕緣子激光清洗的過程中，固定激光單脈沖能量為0.16mJ，重復頻率500kHz，將激光掃描速率設(shè)定為5m/s時，可以有效進行清潔，而激光掃描速率降低至7m/s、提高光斑重疊率的情況下，過多的熱積累則容易破壞絕緣子的釉表面，開始形成氣泡狀的微損傷，若繼續(xù)提高光斑重疊率，將會嚴重地出現(xiàn)凹凸不平的洼坑。

如圖3c所示，硅橡膠絕緣子與陶瓷、玻璃絕緣子相比，基底導熱系數(shù)小、抗熱沖擊能力差，所需的激光清潔能量較小，若脈沖能量密度太大則容易造成基底損壞。采用0.02mJ的激光脈沖能量，重復頻率1000kHz，在激光掃描速率為5m/s時,可以較好地清洗硅橡膠絕緣子。提高激光掃描速率或降低光斑重疊率時清潔效果不佳，反之，降低激光掃描速率至3m/s時，絕緣子表面開始產(chǎn)生微裂紋、破壞基底材料。

2.2 激光清洗參數(shù)優(yōu)化

為了達到最佳清洗效率，將掃描速率設(shè)置在最大值10m/s，分別進行玻璃絕緣子、瓷絕緣子及硅橡膠絕緣子的激光參數(shù)優(yōu)化，獲得最佳清洗參數(shù)。在單次清洗的狀態(tài)下進行激光清洗作業(yè)，清洗區(qū)域面積20mm×30mm時，僅需要1.8s，清洗效率可以達到3.4cm2/s。

在激光清洗過程中，光斑覆蓋區(qū)域與光斑相鄰區(qū)域存在瞬時溫升，隨著激光在絕緣子表面的掃描光斑區(qū)域的疊加，可形成熱積累，因此隨著掃描速率提升，需要提高激光脈沖能量以獲得最佳激光清潔質(zhì)量。當固定激光掃描速率在10m/s，優(yōu)化后獲得的玻璃絕緣子最佳清洗激光參數(shù)為激光能量密度約26.3J/cm2，脈沖頻率100kHz；瓷絕緣子的參數(shù)為激光能量密度約26.3J/cm2，脈沖頻率200kHz；硅橡膠絕緣子的優(yōu)化參數(shù)為激光能量密度約1.05J/cm2，脈沖頻率1000kHz。圖4是3種基材(玻璃、陶瓷和硅橡膠)絕緣子的激光清洗前、后對比圖。該情況下絕緣子無發(fā)生基底損傷并具有顯著的清潔效果。

Fig.4 Optical microscopic images of three polluted insulators before and after processing with a MOPA laser

3 結(jié) 論

采用自主研制的脈沖MOPA光纖激光器搭建激光清洗平臺，通過靈活使用不同激光參數(shù)與清洗速率進行了絕緣子激光清洗的實驗。針對常見的3種絕緣子材料，分析各自的激光清洗效果；在一定的掃描速率或光斑重疊率下，在過高或偏低的激光清洗能量的結(jié)果可比擬在一定激光設(shè)定參數(shù)下，其掃描速率偏低或過高的清洗結(jié)果。當熱積累過多時，除了玻璃絕緣子樣品，其它絕緣子容易出現(xiàn)基底變質(zhì)、損壞。熱積累不夠時，則無法達到有效的清洗效果?；谇逑囱b置的最高激光掃描速率10m/s，獲得了玻璃絕緣子、瓷絕緣子及硅橡膠絕緣子的優(yōu)化后激光能量密度，分別約為26.3J/cm2,26.3J/cm2,1.05J/cm2，同時激光清洗效率可達3.4cm2/s。

從實驗結(jié)果來看，多參數(shù)可選的MOPA光纖激光器經(jīng)過參數(shù)調(diào)整可滿足各種材料表面清潔，并且仍有較高的激光能量余量，因此未來還能更進一步改善激光清洗裝置，如加大激光加工光斑，以獲得更高的清洗效率。配合智能化系統(tǒng)與激光清洗裝備升級，激光清洗技術(shù)有望實現(xiàn)電力絕緣子領(lǐng)域的清潔應用。