MOPA脈沖光纖激光清洗電力絕緣子的工藝探索

　　摘要：激光清洗技術(shù)在電力絕緣子的不斷電清潔領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿�。為了滿足多種材質(zhì)的絕緣子系統(tǒng)應(yīng)用，采用了自主研發(fā)的能量達2mJ的主控振蕩器功率放大器(MOPA)脈沖光纖激光器進行激光清洗實驗。MOPA光纖激光器的脈沖頻率、寬度、功率等參數(shù)的可調(diào)整范圍相比傳統(tǒng)調(diào)光纖激光器更加靈活。分別進行了玻璃、陶瓷及硅橡膠絕緣子的激光清洗實驗驗證，取得了各自的最佳清洗激光參數(shù)，同時分析絕緣子清洗速度、激光脈沖參量與清洗效果的關(guān)系。結(jié)果表明，在最高10m/s的激光掃描速度下，可取得3.4cm/s的清洗效率，該激光系統(tǒng)可高效地用于多種材料表面清潔。這一結(jié)果對電力絕緣子激光清洗應(yīng)用提供了重要的參考意義。

　　關(guān)鍵詞：激光技術(shù);激光清洗;主控振蕩器功率放大光纖激光器;電力絕緣子

　　引言

　　傳統(tǒng)高壓水洗法、化學(xué)腐蝕清洗法和高頻超聲清洗法被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)清洗行業(yè)[13]。水處理法效率高，在適當?shù)膲毫Φ燃壍南虏粫�損傷被清洗物體，由于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(xué)法使用化學(xué)清洗劑與材料表面的污垢進行反應(yīng)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(dǎo)致設(shè)備易老化，同時大量的化學(xué)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(xué)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(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如文物修復(fù)、表面去漆、金屬除銹等[49]。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(xué)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。因此，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(dǎo)致絕緣性能下降，容易造成放電或閃絡(luò)。2014年，E.dePOSADA等人首次將激光應(yīng)用于高壓絕緣子清洗，驗證了調(diào)激光清洗絕緣子的可行性，表明了脈沖激光比連續(xù)激光更適合做為清洗光源，并利用激光輻照表面改性，提高絕緣子表面疏水性能[10]。隨后，國內(nèi)激光清洗絕緣子的相關(guān)研究報導(dǎo)陸續(xù)出現(xiàn)，近年來，國內(nèi)激光清洗絕緣子的相關(guān)研究報導(dǎo)也陸續(xù)出現(xiàn)如參考。

　　文獻[1112]報道了激光去除絕緣子表面的老化室溫硫化(roomtemperaturevulcanized,RTV)涂層的清理研究。多數(shù)研究成果著重在。結(jié)合數(shù)值仿真模型討論干或濕式激光清洗方式對玻璃及瓷絕緣子表面污漬的表面溫度場或應(yīng)力場影響，許多報道也基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[1316]。為改進絕緣子運行時的電氣性能與機械性能，高壓絕緣子的主要使用材料有三大類：陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子及復(fù)合絕緣子，而此前的研究成果皆針對在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(yīng)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)的基于主控振蕩器功率放大器masteroscillatorpoweramplifier,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(fù)雜的激光清洗應(yīng)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，并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)供電可靠性方面等具有重要意義。

　　1激光清洗實驗條件與方法

　　1.1清洗光源的選擇

　　應(yīng)用于激光清洗的脈沖光纖激光器主要分為調(diào)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)脈沖激光器的脈寬不可調(diào)，約在幾個百ns量級，重復(fù)頻率在數(shù)十kHz;MOPA脈沖激光器的脈寬與重復(fù)頻率的設(shè)置范圍相對較廣，脈寬可在幾個到幾百ns，重復(fù)頻率可從數(shù)十至數(shù)千kHz[1718]。

　　為對比兩款激光器的清洗效果，分別搭建了調(diào)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)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(yīng)用于不同材質(zhì)的絕緣子清洗，本工作采用光纖脈沖MOPA激光器做為激光清洗光源。

　　1.2激光清洗實驗方案

　　激光清洗裝置主要由波長微米的MOPA脈沖光纖激光器、水冷機、二維掃描振鏡、XYZ三軸精密平臺、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，入射二維掃描振鏡。激光光束經(jīng)掃描振鏡中的二維馬達驅(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三軸精密平臺上，可靈活變更清洗區(qū)塊。

　　為了探究激光器參數(shù)對絕緣子清洗效果的影響，本文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度為10000mm/s，掃描范圍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)分為種：鋼化玻璃、陶瓷和硅橡膠。

　　本實驗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(yīng)力，當熱應(yīng)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(xué)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。

　　2激光清洗絕緣子實驗結(jié)果與分析

　　由于三種絕緣子基底材料的光吸收特性、導(dǎo)熱系數(shù)及抗熱沖擊能力不同，過高的激光功率、能量或掃描速度過低，會造成清洗件的基材形變或燒損;若掃描速度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�；�于同一激光清洗平臺，通過調(diào)整脈沖激光參數(shù)、掃描速度、光斑重疊率等，本工作開展了一系列清洗實驗。

　　2.1激光掃描速度、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(fù)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(yīng)盡可能小，并同時保證清洗質(zhì)量。激光掃描速度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(yīng)會通過熱傳導(dǎo)傳到加工物上，并影響激光清洗質(zhì)量。

　　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(fù)頻率為500kHz，將激光掃描速度設(shè)定為5000mm/s時，可以完全去除污穢、達到清洗閾值，若繼續(xù)降低掃描速度，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度為10005000mm/s的情況下基本一致。提高掃描速度至7000mm/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。當速度提高至9000mm/s，大部分污穢仍繼續(xù)殘留，清潔效果越差。

　　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(fù)頻率500kHz，將激光掃描速度設(shè)定為5000mm/s時，可以有效進行清潔，而激光掃描速度降低至7000mm/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。

　　硅橡膠絕緣子與陶瓷、玻璃絕緣子相比，基底導(dǎo)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(fù)頻率1000kHz，在激光掃描速度為5000mm/s時可以較好的清洗硅橡膠絕緣子。提高激光掃描速度或降低光斑重疊率時清潔效果不佳，反之，降低激光掃描速度至3000mm/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，將掃描速度設(shè)置在最大值10000mm/，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1.8秒，清洗效率可以達到3.4cm/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，因此隨著掃描速度提升，需要提高激光脈沖能量以獲得最佳激光清潔質(zhì)量。當固定激光掃描速度在10000mm/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/cm，脈沖頻率100Hz;瓷絕緣子的參數(shù)為激光能量密度約26.3J/cm，脈沖頻率200Hz;硅橡膠絕緣子的優(yōu)化參數(shù)為激光能量密度約1.05J/cm，脈沖頻率1000Hz，分別給出了種基材(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。

　　3.結(jié)論

　　文中使用了自主研制的脈沖MOPA光纖激光器并搭建激光清洗平臺，通過靈活使用不同激光參數(shù)與清洗速度進行了絕緣子激光清洗的實驗。針對常見的三種絕緣子材料，分析各自的激光清洗效果;在一定的掃描速度或光斑重疊率下，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，其掃描速度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，其他絕緣子容易出現(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。

　　基于清洗裝置的最高激光掃描速度10000mm/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/cm、26.3J/cm、1.05J/cm，同時激光清洗效率可達3.4cm/s。從文中工作結(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(yīng)用。

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　　作者：任茂鑫，關(guān)珮雯2*，徐鵬，鄧金魚，劉赟，吳欣燁，王劭菁，季怡萍

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