瞬態(tài)溫度場變化下的絕緣子凹槽脈沖激光清洗參數(shù)優(yōu)化

關(guān)鍵詞：絕緣子凹槽表面；瞬態(tài)溫度場；脈沖激光；清洗參數(shù)

中圖分類號：TM216；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0135-04

為減少資源的浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，對退役絕緣子的資源化處理是熱點(diǎn)研究問題，針對于絕緣子的回收再利用，在這一過程中需要注意的問題還有許多，如絕緣子材料在長期的暴露過程中，受環(huán)境和天氣影響，在其表面會(huì)形成污穢物，為保證回收的質(zhì)量和性能，需要對絕緣子表面污穢進(jìn)行清洗。其中，激光清洗技術(shù)是一種新型的清洗技術(shù)，具有不接觸和非研磨的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的清洗方法相比具有更多的優(yōu)勢，能夠幫助工作人員提高工作效率。本文以脈沖激光清洗技術(shù)為研究對象，為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)下的絕緣子凹槽表面清洗工作，設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖激光清洗參數(shù)優(yōu)化方式，為保證絕緣子表面的清洗效果提供技術(shù)支持。

1中心差分格式獲取脈沖激光清洗瞬態(tài)溫度場

脈沖激光在清洗絕緣子凹槽表面的污穢過程中，當(dāng)二者相互作用會(huì)促使材料內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)溫度場，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的清洗以及保護(hù)絕緣子不受破壞，需要參考瞬態(tài)溫度場變化情況，對脈沖激光的清洗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以連續(xù)單元假定溫度場分布條件，在單元內(nèi)通過中心差分格方式進(jìn)行運(yùn)算，獲取脈沖激光清洗過程中的溫度向量。

以時(shí)刻節(jié)點(diǎn)作為中心差分格式進(jìn)行向量求解，則可以直接得到脈沖激光在清洗過程中，任意時(shí)刻內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的溫度值：

2瞬態(tài)溫度場確定脈沖激光清洗熱源傳導(dǎo)方程

以脈沖激光清洗過程中的瞬時(shí)溫度場分析情況，考慮激光脈沖在清洗過程中對絕緣子材料的影響，對絕緣子凹槽表面的清洗熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行確定。為獲取熱源傳導(dǎo)方程，需要在脈沖激光清洗過程中增加邊界條件，以此實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)方程的最優(yōu)解[5]。在確定邊界條件和溫度函數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定內(nèi)部熱源強(qiáng)度的變化方向是能夠被發(fā)現(xiàn)的，則可以確定脈沖激光在清洗過程中的熱流變化情況。

4實(shí)驗(yàn)測試分析

4.1搭建測試平臺

為保證此次的測試真實(shí)性和有效性，本次測試直接在實(shí)驗(yàn)室中完成，搭建的測試平臺包含脈沖光纖激光器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及掃描儀和紅外測溫儀。整個(gè)測試平臺中脈沖激光器直接與掃描儀相連，能夠在其清洗過程中對絕緣子表面的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。而脈沖激光的輸出參數(shù)則由計(jì)算機(jī)控制，激光器的瞬態(tài)溫度場變化由紅外測溫儀進(jìn)行測量，在對絕緣子凹槽表面進(jìn)行清洗后，其表面的微觀情況通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測。

本次激光系統(tǒng)包含有2個(gè)部分，一部分為激光器，另外一部分為激光機(jī)控制模板，主要工作流程為：在計(jì)算機(jī)控制下對脈沖激光器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并通過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行樣本的清洗程度檢測，以此分析不同工況下脈沖激光器的清洗參數(shù)，及絕緣子凹槽表面的清洗效果。除此以外，為保證實(shí)驗(yàn)測試的穩(wěn)定性，此次選擇的脈沖激光器為高頻光纖技術(shù)，其具有環(huán)境影響低和成本低的優(yōu)勢，是近年來在清潔領(lǐng)域研究的熱門光源。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對脈沖光纖激光器的清洗參數(shù)優(yōu)化分析，需要選擇一組含有污穢的絕緣子樣品進(jìn)行清洗，此次為減少物品損壞，采用人工方式進(jìn)行待清洗的絕緣子污穢物制備。

4.2制備測試樣品

采用國家標(biāo)準(zhǔn)文件中收錄的高壓絕緣子作為測試標(biāo)準(zhǔn)，選擇氧化鋁瓷片為清洗對象，其能夠用于交流系統(tǒng)中進(jìn)行高壓絕緣。以研究清洗固體污穢物為測試基礎(chǔ)，對氧化鋁瓷片的表面進(jìn)行人工污穢制備，污穢物采用高嶺土、水以及商業(yè)鹽組成。

（1）清洗與干燥：將氧化鋁瓷片清洗干凈后放入烘箱，另外選擇幾組玻璃片進(jìn)行清洗，完畢后也放入烘箱，同時(shí)進(jìn)行干燥處理。

（2）計(jì)算與稱量：對氧化鋁瓷片的表面積進(jìn)行計(jì)算，獲取瓷片所需的高嶺土粉末用量，并在電子天平中稱量出粉末和商業(yè)鹽的用量，同時(shí)將所需材料放入干凈的燒杯中，加入水進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

（3）涂抹與固化：將攪拌后的材料用小排刷進(jìn)行涂抹，完全且均勻地涂抹在氧化鋁瓷片表面即可，在完成后放在通風(fēng)處使其自然陰干，時(shí)間為48h。

在上述步驟下進(jìn)行污穢物制備，并將其固化在氧化鋁瓷片表面，在達(dá)到測試標(biāo)準(zhǔn)后將樣品放置在實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)定此次測試步驟與標(biāo)準(zhǔn)，以此評判脈沖激光在不同參數(shù)下對絕緣子凹槽表面的清洗效果。

4.3設(shè)定測試過程

在搭建好測試平臺與制備完測試樣品后，將選擇的設(shè)備進(jìn)行連線，將激光器預(yù)熱25s后完成焦距設(shè)定，當(dāng)激光控制軟件的光電最亮?xí)r表示對焦完成。由于此次對脈沖激光器的沖洗參數(shù)優(yōu)化方式，需要以瞬時(shí)溫度場進(jìn)行模擬，因此，在設(shè)定測試參數(shù)時(shí)需要通過紅外測溫儀記錄激光清洗的溫度，并篩選出最高溫度。本次的參數(shù)優(yōu)化過程以功率作為參考，對激光器的功率劃定為4個(gè)指標(biāo)，分別為23、27、31、35W，在不同功率下其溫度場變化情況。

在不同功率設(shè)定下進(jìn)行溫度場的紅外測溫，其最高溫度分別為126.5、135.7、126.5、126.5℃，主要是在不同功率下受振動(dòng)頻率影響，會(huì)產(chǎn)生溫度變化，隨著功率的增加溫度場的最高溫度也發(fā)生變化，當(dāng)功率達(dá)到36W時(shí)最高溫度可達(dá)到170.9℃。依據(jù)溫度場的變化，在上述設(shè)定的功率下進(jìn)行污穢清洗，整個(gè)過程通過小風(fēng)扇進(jìn)行散熱，并通過污穢去除效果來判斷脈沖激光器的清洗效果。

4.4分析測試結(jié)果

本次測試中采用的絕緣子底色為深綠色，而制備的人工污穢偏向土色，二者具有較大差別，因此，采用脈沖激光進(jìn)行絕緣子凹槽表面的清洗，直接通過顯微鏡觀察即可實(shí)現(xiàn)區(qū)分。在設(shè)定的脈沖激光器功率指標(biāo)下，分別對污穢的去除效果進(jìn)行分析，若激光沒有將污穢清洗干凈，則在顯微鏡下會(huì)存有明顯的污穢殘留物，顏色為黑色，若去除的明顯則顯示的為絕緣子的表面組織，具體結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在設(shè)定的4組功率下獲取瓷片的污穢清洗效果，在激光功率為23W時(shí)，表面會(huì)明顯留有土色污穢，通過顯微鏡能夠看出未實(shí)現(xiàn)清洗干凈的區(qū)域較多；在激光功率為31W和36W時(shí)，通過顯微鏡能夠看出表面存在脫釉現(xiàn)象，且當(dāng)功率為36W時(shí)能夠看出脫離處的凹凸；在激光功率為27W時(shí)，清洗的表面最干凈，在顯微鏡下進(jìn)行觀察只存在少量的污穢，且沒有出現(xiàn)破碎的情況。

基于此，以溫度場作為參考因素，為防止溫度的快速上升，當(dāng)脈沖激光功率在27W時(shí)，具有較好的清洗效果，不僅能夠?qū)⒈砻媲逑吹母蓛簦€能保證絕緣子表面不出現(xiàn)破損，具有應(yīng)用價(jià)值。

5結(jié)語

本文采用脈沖激光清洗技術(shù)對絕緣子表面的污穢進(jìn)行清洗，并通過瞬態(tài)溫度場分析和設(shè)計(jì)了一個(gè)優(yōu)化方法，在實(shí)驗(yàn)測試過程中證明了激光清洗過程中的溫度變化，對絕緣子表面清洗的不同效果。通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)設(shè)定不同的激光功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的溫度熱力場，功率過高會(huì)導(dǎo)致絕緣子材料的損害，而功率過低會(huì)達(dá)不到清洗效果，當(dāng)脈沖激光功率在27W時(shí)，具有較好的清洗效果。但由于此次時(shí)間有限，在研究過程中僅選了瓷絕緣材料進(jìn)行分析，后續(xù)研究中會(huì)選擇更多的絕緣子材料類型，為實(shí)現(xiàn)更加全面的絕緣子清洗提供理論支持。