瓷质外绝缘激光带电清洗应力场仿真分析开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景

随着我国经济建设的快速发展，大气中的污染物种类越来越复杂，污染程度越来越高，空气中充满了多种类型的固体微粒。户外变电站设备的外绝缘长期暴露在空气中，在重力作用下，固体颗粒沉积在输电线路外绝缘上，其表面附着的污秽物受潮易引起污秽闪络事故，所造成的危害日趋严重。

在污闪、湿闪、冰闪、雷闪、操作闪络等几种闪络事故中对电力系统危害最大的是污闪，虽然雷闪占外绝缘闪络次数的第一位，但污闪的损失却是雷害的近10倍左右。综合多年以来中国发生的数十次污闪事故来看，污秽是影响外绝缘的主要因素。因此及时有效的清除外绝缘表面的污秽物，对于防止外绝缘发生污闪事故，保障电力系统的稳定安全运行具有重要意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1瓷质外绝缘积污主要成分的研究

为了能够很好的通过计算机模拟外绝缘在激光清洗中所收到的应力，我们需要分析我国外绝缘积污主要成分，保证模拟的准确性。

文献[1]通过计算流体力学方法，在数值上模拟了外绝缘在自然环境下的积污过程，并选取了两处大气污染严重的地区进行现场自然积污实验，将模拟结果与实验实测值进行比对已验证模型的准确性。同时，本文针对不同风速下，对绝缘子周边气相场、表面积污规律，在不同风向倾角、污染物质量浓度条件下对绝缘子表面积污过程进行数值模拟并对不同粒径颗粒在绝缘子表面的积污规律进行了数值模拟。该研究为外绝缘表面积污情况提供了参考，对合理调度时间以使用不同方法防治污闪提供了一定的参考。

而李恒真, 刘刚等人则是总结了国内外绝缘表面自然污秽成分的研究现状，归纳了污秽的成分、分类和测量方法；对绝缘子表面污秽进行周期性采样．分析不同地形地貌的污秽度及绝缘子污秽成分；分析主要污秽成分的来源、污秽评估与污秽成分间的关系、污闪电压与污秽成分间的关系。定期采集绝缘子表面的污秽样品，进行化学成分分析，并结合实验数据，分析绝缘子表

面不同污秽成分对等值盐密(ESDD)和灰密(NSDD)的影响。发现用等值盐密

进行污秽度评估存在不足，需要加以修正，并提出了修正思路；另外，在相同外界条件下，不溶性污秽颗粒度也会影响污闪电压的大小，从污秽层附水量方面进行了解释。指出需加强有机污秽对污秽度评估和污闪电压等影响的研究，建立新的污秽度评估体系。指出了我国环境下外绝缘积污的难溶物成分主要为Si02、A1203和Fe203。研究指出了人工污秽与自然污秽之间的区别。确认了使用砥粉、二氧化硅、高岭土和硅藻土进行人工实验的合理性。结论可作为绝缘子运行维护、选型、设计的参考依据。[2-3]

1.2.2瓷质外绝缘积污清洗方法问题的研究

我国目前主要采用的外绝缘清洗手段主要包括了：人工停电清扫、带电机械干清扫、带电水冲洗、带电水蒸气清洗、清洗剂清洗和干冰清洗等。

目前应用最广泛的外绝缘清洗技术是带电水冲洗技术。大量文献详细的研究了带电水冲洗的参数设置、效率、安全规范等。例如武汉大学电气工程学院与南方电网公司合作测试了500 kV 变电站支柱绝缘子在不同喷嘴直径、不同冲洗角度和不同污秽等级下的清洗效率，比较了冲洗时间、喷嘴直径、冲洗压强、枪数配合等冲洗参数影响。本文通过实验比较，利用实验结果找到了节约冲洗过程所耗水量，提高清洗效率的方法。试验结果表明，综合残余盐密、灰密和用水量等因素，采用1.2 MPa 压强、8 mm 喷嘴四枪配合进行500 kV 变电站支柱绝缘子的带电水冲洗清洗效率最高。人工冲洗干净b、c、d、e 级污秽度下的整只支柱绝缘子需要的时间分别为10、17、24 和31 s。增加冲洗压强, 如1.4 MPa，可以比0.6、0.8、1.0、1.2 MPa 时分别节省58.3%、50%、37.5%、16.7%的冲洗时间，节约冲洗过程所耗水量，提高清洗效率[4]。还有类似于文献[5]这种通过理论与仿真对带电水冲洗进行研究，文章分析了绝缘子污秽的粘附力和清除机理，然后运用CFD软件进行数值模拟研究，分析射流打击力随喷嘴出口直径、靶距、冲洗角度及进口压力等参数的变化趋势，并分析伞裙结构及溅射水对绝缘子带电水冲洗的影响。这些文献为更高效安全地运用带电水冲洗提供了参考。

虽然带电水冲洗技术有点很多，但这种技术不能对绝缘子进行深度清洗, 尤其是不能清除油污、盐分等顽固污秽, 同时水清洗完成后会使得绝缘子上的残留污秽湿润, 导致绝缘子绝缘强度大幅度下降, 难以避免闪络的发生, 导致带电水冲洗作业中容易发生闪络事故, 对作业人员和设备的安全造成危害。为此，国网重庆长寿供电公司联合合肥工业大学电气与自动化工程学院研究了不同的清洗剂对于外绝缘表面污秽的清洗效果，研究结果表明:当质量分数3%时,十二烷基硫酸钠带电清洗剂对绝缘子表面污秽的清洗效果最佳[6]。为使用清洗剂清洗外绝缘提供了一定的参考。

同时，因为我国北方一些地区缺水严重，节约保护资源的呼声日益高涨，发展新的污秽清洗方法势在必行。高压水蒸气由于其高温高压高电阻率的特性，可以对电力设备进行有效带电清洗，而且大量节水。张晋等人对带电水蒸气清洗绝缘子串的部分系统安全问题进行了研究。文中研究了清洗过程的水蒸气柱散花对系统安全的影响，使用35 kV 绝缘子串作为试品， 测量绝缘子串在高压水蒸气冲洗下和高温水蒸气、常温水雾环境中的闪络电压，分别模拟水蒸气柱无散花清洗绝缘子和水蒸气柱由于散花引起绝缘子污秽湿润对绝缘子串闪络电压的影响。结果表明，即使在重污秽情况下，高压水蒸气冲洗绝缘子串的平均闪络电压高于35 kV系统最高运行相电压，无过电压出现时可保证带电清洗的系统不闪络；水蒸气柱散花会降低绝缘子串闪络电压，现场带电清扫中应用适当喷头、调节清洗距离尽量减小水蒸气柱散花[7]。为安全有效的运用带电水蒸气清洗提供了的参考。

在近几年，为了更好的满足环保以及安全要求，人们又开始把目光投向干冰清洗。干冰清洗污秽工作已应用于许多领域，但由于电气设备外部形状各异，表面污秽种类及粘附力千差万别，污秽面在千冰下的受力过程、清洗效采以及影响清污的主要因素都是未知的。所以分析干冰清洗的物理过程以及千冰颗粒与污层的受力情况，并建立干冰清洗数学模型是必要的。为此广州供电局有限公司电力试验研究院与武汉大学电气工程学院共同针对这一问题进行了研究。他们在计算中考虑了清洗过程存在的冲击应力、热应力、微爆的冲击力以及气流曳力作用下，当污层应力大于污层材料强度时，污层发生断裂;当微爆的冲击力和气流曳力的合力超过污层与绝缘子的粘附力时，污层被剥离。之后根据理论构建了相应的数学模型。最后得到干冰清洗效率的主要影响因素为干冰颗拉在传送过程中的加速过程、压缩空气的体积流量、二氧化碳状态、污层强度以及干冰颗粒与污层的接触时间。在干冰清洗的4种应力中，冲击应力主要造成污层裂纹出现，微爆的冲击力则使得污层剥离[8]。在此基础上文献[9]设计出了一种干冰清洗装置总体方案,包括轨道平板车、干冰清洗执行机构、干冰清洗系统以及附件。并对设计出的干冰喷枪，运用Fluent对干冰喷枪的流场及颗粒特性进行研究，应用田口方法对几何参数进行优化。为高效合理利用干冰清洗提供了一定参考。

除了运用各种介质进行冲洗外，国内外还研发了运用机器人直接摩擦外绝缘表面污秽以进行清扫的干清洗方式。如中国科学院沈阳自动化研究所与锦州超高压局等进行合作，针对500kV 交流输电线路上使用广泛的双伞裙瓷质盘形悬式绝缘子的清扫任务需求，研发了一种一种新型悬垂绝缘子清扫机器人机构。该机构主要由移动机构和清扫机构组成，可沿不同角度的绝缘子串行走并完成清扫作业任务，对绝缘子的结构高度和标称直径的变化具有较好的适应性[10]。为使用机器人进行安全的无人清扫提供了一定的参考。

1.2.3激光清洗原理与应用的研究

激光清洗这一概念最早是由著名物理学家Arthur Schawlow 在20 世纪60 年代中期提出。他提出利用激光技术可以清除古籍上的污染物，甚至涂抹文字和图案，以进行修复。而后，激光逐渐被应用于古代典籍的修复和保养。1981 年，ArthurSchawlow 因他对激光光谱学的贡献获得了诺贝尔物理学奖。20 世纪70 年代，美国加州大学的学者Asmus发现激光可以去除石像雕塑表面的深色污垢且不损伤石像本身，并开始了激光清洗雕塑等艺术品方面的科学研

究。目前，艺术品保养已经成为激光清洗技术的重要应用之一。20 世纪80 年代，佛罗里达州立大学Susan Allen的课题组利用激光清除了微电子硅片表面上亚微米级的污染颗粒，开启了对激光清洗微纳米颗粒的探究。直到90年代初期才真正步入工业生产中。近十几年来，作为一种新型高效的环保清洗技术，激光清洗技术得到了飞速发展 [11-12]。

激光是激光清洗技术的基础，激光原理与技术一书系统地介绍了用于研究激光产生机理、光场与物质相互作用、激光光场模式分布特性和激光器输出特性的基本理论，并详细描述了用于实现激光光束传输、激光特征参数控制与变换的技术手段。书中概述了激光产生的基本原理，并介绍了激光的相关特点；分析了高斯光束的产生和传输规律，并在此基础上，介绍开放式光学谐振腔的腔模理论，重点介绍光学谐振腔的波动理论；介绍了激光振荡和放大理论，以速率方程理论为基础分析了光场与物质相互作用的过程，并以此为基础分析了激光的工作特性[13]。

奥尔曼的激光束与材料相互作用的物理原理及应用一书则进一步介绍了激光束与材料之间的相互作用的原理及其应用，包括了激光的吸收、激光加热、熔化和固化、气化和等离子体的形成等内容[14]。对于理解激光清洗的原理和激光对瓷质外绝缘的破坏原因有着极大的帮助。

对于激光清洗，W.M.Steen将激光清洗按照移除机制概括性地分为三大类: 汽化加工、冲击加工和震荡加工。汽化加工包括选择性汽化和消融。选择性汽化就是通过激光的照射汽化表层污染物，而由于温度的急剧升高主要发生在表层界面、达不到基材物质的熔点，从而不会损伤基材; 消融则需要更大的光子能量去断裂聚合分子污染物的化学键，从而将其清除。冲击加工包括了碎裂和冲击波清洗。此机理主要利用汇聚后的高能激光产生的冲击力，实现对污染物的清除。震荡处理包括了瞬间表面热效应和斜角激光清洗。该机理是利用污染物和基材热膨胀系数不同的特点，通过激光的瞬间热处理，让污染物自动剥离而实现清洗[15]。新加坡国立大学的Y.F.Lu, W.D. Song等人则详细的研究了激光清洗震荡加工中的瞬间表面热效应，建立了从固体表面激光清洁微粒的理论模型，确定了瞬间表面热效应激光清洗的清洁条件和阈值，同时通过实验验证了理论模型的正确性。结果发现，从基板背面进行激光照射与从正面进行照射相比，可以更有效地清除大小不同的颗粒; 通过背面的激光照射，大颗粒比小颗粒更容易去除。但是，从正面进行激光照射，可以更轻松地去除较小的颗粒[16]。

要想保证激光不对外绝缘基板造成损伤，需要研究激光对于物体的破坏机理。如文献[17]以非定常传热理论和弹性力学中的热应力理论为基础，借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了砂岩温度场分布模型，来研究激光对岩石的破坏。该模型模拟了激光直射区域局部演示样本温度升高的过程，激光照射区域及其周围部分存在较为剧烈的热传递，从而引起周围岩石的温度场变化。在此基础上，以弹性力学热应力理论为基础，利用MATLAB，结合岩石温度场分布情况，模拟在一定温度分布状态下岩石样本内某些位置轴向应力、环向应力和径向应力的大小，进而计算热应力沿着三个主应力方向的大小，形成激光照射条件下的岩石热应力分布。模拟了激光破岩过程中涉及到的岩石温度场分布情况和岩石局部位置所受到的热应力大小。

贾志超则选取了硅作为研究激光辐照致物体热应力损伤的材料。其采用理论、数值模拟和实验方法研究了近红外激光辐照下硅的热应力损伤。包括建立激光辐照致单晶硅表面滑移的模型；通过建立激光加热单晶硅的三维有限元模型，数值计算了硅片发生熔融强12个滑移系的剪应力分布和应变分布，并结合AH理论定量得到了滑移和熔融的竞争关系；使用高速摄像机获得毫秒激光烧蚀硅片的过程，发现应力损伤的两个阶段；研究序列脉冲激光辐照下硅的温升和断裂现象。本文进行的研究可以加深对激光与硅材料相互作用时热应力的认识[18]。

1.3研究目的与意义

为保证电力供应的安全性和可靠性，电力部门一年一次或多次清扫外绝缘表面。现阶段广泛使用的外绝缘清扫技术有人工停电清扫、带电机械干清扫、带电水冲洗、清洗剂清洗以及干冰清洗等。传统清洗方法比较如表一所示。可以看出传统的清洗方法均存在着不同的缺点和不足。而激光清洗技术是一种清扫效果更佳、效率更高、安全可靠、经济环保无腐蚀的新型清洗技术，能快速清除表面污秽，其应用于变电设备外绝缘带电清扫将会很大程度上改善现有清洗技术的不足。但在使用激光清洗外绝缘时，如果使用的激光功率过大，会造成外绝缘的损伤；激光功率过小，不能有效去除外绝缘表面的污物。因此，研究不同激光功率下外绝缘的温度场与应力场，对激光清洗外绝缘的应用推广十分重要。

表一：传统清洗方法比较

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容

（1）对污秽的成分进行分析，了解我国外绝缘主要污秽成分。

3. 研究计划与安排

（1）1-2周，完成开题报告和文献翻译，完成开题答辩；

（2）3-4周，了解激光清洗的机理，熟悉清洗过程中应力场分布的计算方法及影响因素；

（3）5-8周，掌握多物理场仿真计算软件的使用方法，搭建激光清洗外绝缘污秽的动态仿真模型，进行仿真；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张林. 输电线路绝缘子表面积污规律的数值模拟与现场实验研究[d]. 2016.

[2]李恒真, 刘刚, 李立浧. 绝缘子表面自然污秽成分分析及其研究展望[j]. 中国电机工程学报, 2011, 31(16):128-137.

[3]宋云海, 刘刚, 李恒真. 公路区与公路农田区绝缘子自然积污成分的对比分析[j]. 高压电器, 2010, 46(5):22-25.