高压输电线异物激光清除三维仿真研究

刘 雷,刘 霞,单 宁

(1.西安工程大学机电工程学院,陕西 西安 710048;2.武警工程大学,陕西 西安 710086)

1 引 言

输电线路异物是导致线路跳闸的重要影响因素之一,最常见的异物是风筝、风筝线、农用塑料布、尼龙布、孔明灯等,这些异物在雨、雪、雾等环境下受潮后,由于其绝缘性能较差,易引起输电线路发生单相接地、相间短路等故障,因此必须予以清除[1]。传统的输电线路异物清除方法主要有人工清除、使用绝缘斗臂车人工清除、无人机清除等方法[2-6]。上述传统的方法存在前期需要断电、人工将其装到导线上、工作效率低、会对导线造成损伤、有火灾隐患、需要多人协作劳动强度大、工作成本高等缺点。

随着激光技术的发展,激光凭借其方向性好、相干性好、亮度高的特点,被用于电网异物清除并得到很好的发展[7]。李华、楼平、周维维、邢文忠、姜文东等人[8-12]针对控制激光的载体进行了优化设计；梁伟和徐北方[13-14]探究了光纤激光器和CO2激光器哪个更有利于清除电网异物。以上研究虽然使得清除异物时不需断电、不需多人协作、工作效率大大提高等优点,但是很少有人考虑电网异物清除时存在的火灾隐患,和从研究激光与聚合物作用机理的角度去考虑优化激光电网异物清除。

针对以上存在的问题,本文在分析尼龙材料的属性和激光烧蚀物体特点的基础上,利用有限元分析软件COMSOL建立了激光切割尼龙材料的多物理场模型,仿真研究了不同激光半径和激光移动速度对尼龙材料的烧蚀形貌并记录数据,利用MATLAB对仿真数据进行分析,得出激光与尼龙材料的作用机理以及不发生明火时的激光速度与激光半径阈值。

2 激光与输电线异物热作用机理分析

激光切割聚合物材料,是将激光束聚焦在样品表面,使得表面温度升高进而从辐照区去除材料的过程。其本质上是材料吸收光能转化为热能,进而使材料烧蚀脱落,整个过程是一个热传导过程,因此,需首先建立能量守恒方程[11-12],有:

(1)

式中,k为导热系数；ρ为材料密度；Cp为材料常压比热容；T为温度分布；u为速度场；Q为外界面热源。

当激光束垂直辐照材料,并以一定的速度作直线运动,由于聚合物材料是不透明的,因此可将激光热源看作高斯面热源[15],激光热源功率密度为:

(2)

式中,q0为激光功率；Rq为光斑半径；Vq为热源在x方向上的移动速度；x为光斑中心的横坐标；y为光斑中心的纵坐标；t为激光作用时间。

设激光清除聚合物的温度需要ΔT,激光光斑半径Rq,待切割范围内材料质量为m,待切割材料的比热容为C,则切割该材料热量J可表示为[16-17]:

J=c·m·ΔT

(3)

单位时间内光束照射直径内的光功率密度Q0为:

(4)

为了达到清除异物的作用,激光照射到待清除异物上的功率密度应满足Q≥Q0。

3 激光辐照输电线异物三维模型建立

为了能完整模拟激光切割聚合物材料,使其能代表实际情况下激光的切割状态,以此来探究激光与材料的作用机理,需建立激光辐照聚合物材料的动态三维模型。COMSOL在多物理场建模与仿真领域具有无与伦比的优势,可使所有的物理现象在计算机上完美重现,故论文采用COMSOL进行激光辐照聚合物材料的建模研究。在COMSOL中建立激光与聚合物作用机理的三维模型,可选择传热模块中的固体传热模块和数学模块中的变形几何模块,用于后续的温度场等物理量的模拟仿真。具体建模过程主要包含以下几个步骤:几何模型的建立、边界域的设定、网格划分、计算及分析。

根据高压输电线常见聚合物情况,可将几何模型的长度定为10 cm,厚度为0.1 cm。宽度方向上由于切割区域很小,因此根据最大激光半径取实验材料的宽为4 cm。采用COMSOL建立聚合物材料的三维模型如图1所示,为便于观察,将图形按比例进行了放大,比例因子x方向为25、y方向为25、z方向为500。由于激光光场强度在空间上的高度非线性,以及本次模型为规则模型,所以仿真模型网格划分选用扫略网格及自动重新剖分网格的处理方式,以保证计算及耦合的精确性,这样可以提高收敛性。扫掠网格的源面使用“自由三角形面网格”,扫略方法是三角形生成棱柱。为了精确起见,期望的激光切割路径用极细化网格进行划分,将其余部分用超细化网格划分。

图1 聚合物COMSOL三维模型Fig.1 3D model of COMSOL polymer

激光切割聚合物材料是一个很复杂的过程,需要考虑的因素较多,为了能够很好的探究激光切割材料整个过程中的作用机理,对激光切割聚合物材料做出如下假设:切割时不发生氧化反应、不产生内热源、切割过程中材料吸收率不变、不考虑热辐射产生的能量损失、激光切割材料的过程中,热量的传播速率很慢[18]。论文以尼龙材料为例,其主要参数如表 1所示。

表1 尼龙材料的物理性能参数Tab.1 Physical properties parameters ofnylon materials

激光切割尼龙材料时满足初始条件为 T0=21 ℃,相应边界条件为:

(5)

式中,qt为 广义热通量；n为单位法向矢量；q为热流密度矢量；qr为对流通量；h为传热系数,设置为外部自然对流；Text为外部温度大小,为21 ℃；qa为材料烧蚀吸收的对流热通量；ha为表示与温度相关的传热系数；Ta为相变温度。

本次仿真的是激光切割尼龙材料,在整个切割过程中,材料不仅发生形变还发生了相变,因此需要使用变形几何模块接口。自由变形功能允许按照边界条件所指定的更改域的大小,在模型的四个侧面,指定的变形确保边界不会发生位移,既网格位移设置为dx为0和dy为0。在模型的上端面,指定法向网格速度即材料去除率可表示为:

(6)

式中,vn为材料烧蚀速度；HS为气化潜热。

4 仿真研究

激光照射材料表面开始会以一定的规律变化,当表面温度达到熔点以后,熔化前的等温面就会以一定的速度向材料内部传递,等温面传播的最大距离为烧蚀深度,烧蚀深度是激光与非金属物质进行作用的最重要的参数之一[19]。由此可见,通过测量烧蚀深度去确定切割程度,因此本次数值模拟仿真将通过测量烧蚀深度,来分析激光的移动速度和光斑大小对材料烧蚀的影响[20],从而找到一个合适的激光移动速度和激光半径,使得电网异物清除变的更加安全、高效率、低成本。

4.1 同一光斑半径不同移动速度下材料的烧蚀情况

令q0=100 W、Rq=1 cm、Vq分别为0.5 cm/s、1 cm/s、1.5 cm/s、2 cm/s、3 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、6 cm/s、7 cm/s、8 cm/s、9 cm/s、10 cm/s,仿真结果如图2所示。提取图2中不同速度下尼龙材料的烧蚀结果,将上述结果在MATLAB中进行拟合,可分别得出激光移动速度与材料内部最高温度以及烧蚀深度的关系如图3、图4所示。

图2 q0=100 W、Rq=1 cm不同速度下尼龙材料截面的烧蚀形貌Fig.2 Ablative morphology of nylon cross-section at different velocities q0=100 W and Rq=1 cm

图3 移动速度与最高温度的关系Fig.3 Relation of moving velocity to maximum temperature

图4 移动速度与最大烧蚀深度的关系Fig.4 Relation between moving velocity and maximum ablation depth

从图3中可以看出,当速度小于2 cm/s时烧蚀过程中的最高温度受光斑移动速度的影响较大,随着移动速度的增大影响程度迅速减小；从图4中可以看出,当速度小于4 cm/s时烧蚀深度受光斑移动速度的影响较大,随着移动速度的增大影响程度迅速减小。由此可得出当激光功率为100 W、光斑半径为1 cm时,尼龙材料的烧蚀深度和烧蚀过程中出现的最高温度,随着光斑移动速度的增大而减小。主要原因是激光功率和半径为定值时,随着激光移动速度增大,激光在单位区域内停留时间变短,温度降低,导致烧蚀深度变浅。

由表1可知,当温度达到259 ℃时尼龙材料开始融化,因此光斑移动的速度不能大于3 cm/s；当温度达到450 ℃时尼龙材料开始产生明火进行燃烧,为了在清除异物的过程中不过度燃烧引起火灾,因此光斑的移动速度应不小于0.5 cm/s。综上当激光功率为100 W、光斑半径为1 cm时,激光的安全移动速度应该保持在0.5 cm/s到3 cm/s之间。

4.2 同一光斑移动速度不同光斑半径下材料的烧蚀情况

令q0=100、Vq=2 cm/s、Rq分别为0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1 cm、1.25 cm、1.5 cm,1.75 cm、2 cm,仿真结果如图5所示。

图5 q0=100 W、Vq=2 cm 不同半径下尼龙材料截面的烧蚀形貌Fig.5 Ablative morphologies of nylon material sections at different radii q0=100 W and Vq=2 cm

提取图5中不同速度下尼龙材料的烧蚀结果,将上述结果在MATLAB中进行拟合,可分别得出激光移动速度与材料内部最高温度以及烧蚀深度的关系如图6、图7所示。

从图6和图7中可以看出,当激光功率为100 W、激光移动速度为2 cm/s时,尼龙材料的烧蚀深度和烧蚀过程中出现的最高温度,随着光斑半径的增加而减小。主要原因是激光功率和激光移动速度为定值时,随着激光激光半径的增大,激光在单位区域内停留时间变短,温度降低,导致烧蚀深度变浅。

图6 激光半径与最高温度的关系Fig.6 Relationship between laser radius and maximum temperature

图7 激光半径与最大烧蚀深度的关系Fig.7 Relation between laser radius and maximum ablation depth

当激光功率为100 W、激光移动速度为2 cm/s时,由表1可知当温度达到259 ℃时尼龙材料开始融化,因此光斑半径不能大于1.4 cm；当温度达到450 ℃时尼龙材料产生明火开始燃烧,为了在清除异物的过程中不过度燃烧引起火灾,因此光斑半径应不小于0.3 cm。因为陈杰[21]等人通过对30余种常见异物的实验,得出激光清除异物所需的最小功率密度约为10 W/cm2,而最大光斑半径1.4 cm对应的功率密度为16.24 W/cm2,进一步验证了最大光斑半径复合要求。综上当激光功率为100 W、激光移动速度为2 cm/s,光斑的安全半径应该保持在0.3 cm到1.4 cm之间。

在进行导线异物清除时,不需要将其完全切断或着充分燃烧到产生明火,只需切割一部分,或让切割区域达到熔融状态即可,如图2(a)和图5(i)可以看出,尼龙材料并没有被完全切断,通过借助重力和风力使异物脱落,达到清除异物的目的。这样做避免了火灾发生的同时,可大幅度提高异物清除效率、降低工作成本。

5 结 论

由于不了解激光与异物的作用机理,导致异物清除效率低、存在火灾隐患等缺点,为了能及时、高效、安全的清除异物,本文利用COMSOL仿真软件建立了激光切割尼龙材料的三维多物理场模型,并利用MATLAB对所得数据进行分析,得出了不同激光半径和激光移动速度对尼龙材料烧蚀的规律,和不发生明火时的临界激光移动速度和激光半径,结论如下:

(1)当激光功率为100 W、光斑半径为1 cm时,不发生明火的安全移动速度应保持在0.5 cm/s到3 cm/s之间；

(2)当激光功率为100 W、光斑移动速度为2 cm/s时,不发生明火的安全光斑半径应保持在0.3 cm到1.4 cm之间；

(3)当激光功率、光斑半径为定值时,烧蚀深度和烧蚀过程中的最高温度,随着移动速度的增加而减小；

(4)当激光功率、激光移动速度为定值时,烧蚀深度和烧蚀过程中的最高温度,随着光斑半径的增加而减小。