Research on cleaning technology of electrical insulators by MOPA pulsed fiber laser

传统高压水洗法、化学腐蚀清洗法和高频超声清洗法被广泛地应用在工业清洗行业^[1-3]。水处理法效率高，在适当的压力等级下, 不会损伤被清洗物体，使用清水作为清洗介质，清洗成本较低，但同时也产生巨大的水资源浪费，对于清洗产生的废水也需要进行专门处理；化学法使用化学清洗剂与材料表面的污垢进行反应从而达到清洗目的，但清洗剂往往以强酸或强碱为主，可能导致设备易老化，同时大量的化学洗剂也会带来环境污染的问题；使用超声波清洗物体表面污染物时，可使用不同清洗介质来达到清洗效果，但超声法对于漆层及氧化层的清洗能力相对薄弱，因此仅可用于特定领域。

随着绿色环保意识的提升、高端制造业快速发展，激光清洗技术具有高效、无污染、适用面广等优点，已成为近年来学术界与工业界相争研究、开发的热点，目前已被证实应用于诸多领域，如文物修复、表面去漆、金属除锈等^[4-9]。激光清洗技术通过发射特定波长的激光脉冲，将需清洗对象表面的污秽气化，达到清洗效果。相比高压水洗法、化学腐蚀清洗法和高频超声清洗法等传统清洁方法，激光清洗法在架空输电线路路清洗的安全性以及不停电作业要求等方面具有优势。近年来，激光清洁法在电力绝缘子的清洁领域逐渐受到了重视。架空输电线路的绝缘子是保证电网安全、可靠运行的重要一环，绝缘子表面污染物的堆积会导致绝缘性能下降，容易造成放电或闪络。2014年，de POSADA等人首次将激光应用于高压绝缘子清洗，验证了调Q激光清洗绝缘子的可行性，表明了脉冲激光比连续激光更适合作为清洗光源，并利用激光辐照表面改性，提高绝缘子表面疏水性能^[10]。最近，国内激光清洗绝缘子的相关研究报道也陆续出现, 如参考文献[11]和参考文献[12]中报道了激光去除绝缘子表面的老化室温硫化(room temperature vulcanized, RTV) 涂层的清理研究。多数研究成果着重在结合数值仿真模型来讨论干式或湿式激光清洗方式对玻璃及瓷绝缘子表面污渍的温度场或应力场的影响，在满足材料基底抗热冲击能力与抗拉强度时的情况下做污秽层清洁分析^[13-16]。

为改进绝缘子运行时的电气性能与机械性能，高压绝缘子主要使用的材料有3大类：陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子及复合绝缘子。此前的研究成果皆针对玻璃或陶瓷绝缘子材料，且激光光源与加工参数较为单一，难以同时应用在不同种类的绝缘子清洁工作。因此，作者开发了一台脉冲参数可调的基于主振荡功率放大器(master oscillator power amplifier, MOPA)光纤激光器，采用柔性光纤进行传输，并具有宽泛的激光性能选择，适用于复杂的激光清洗应用场景。针对常见的绝缘子材料，包含釉面陶瓷、玻璃、硅橡胶基材，开展脉冲激光在电力绝缘子清洗方面的研究。除了保证清洁效果，因采用了高速扫描振镜，具有更高的清洗效率；掌握不同绝缘子污秽对激光的耐受程度及最优化除污参数设置，为激光清洗在电力绝缘子领域提供参考，在拓展不停电作业覆盖面以及提高城市电网供电可靠性等方面具有重要意义。

应用于激光清洗的脉冲光纤激光器主要分为调Q光纤激光与MOPA光纤激光，两者区别主要在于振荡种子信号的产生方式不同。一般来说，调Q脉冲激光器的脉宽不可调，约在几百个纳秒量级，重复频率在数十千赫兹；MOPA脉冲激光器的脉宽与重复频率的设置范围相对较广，脉宽可在几个到几百纳秒，重复频率可从数十至数千千赫兹^[17-18]。为对比两款激光器的清洗效果，分别搭建了调Q型与MOPA型脉冲光纤激光器，两者最大平均功率皆约为200W，最大单脉冲能量约2mJ。在初步的清洗参数探索过程中，可以发现调Q型脉冲激光器由于可调参数少，对清洗效果的优化程度较受局限，并且其脉冲弛豫时间较长，容易在清洗过程中形成多余的热积累，造成基底材料受损。因此，为了可同时应用于不同材质的绝缘子清洗，本工作中采用光纤脉冲MOPA激光器作为激光清洗光源，该光源的主要参数如表 1所示。

激光清洗装置主要由波长1μm的MOPA脉冲光纤激光器、水冷机、2维扫描振镜、XYZ 3轴精密平台、中央控制系统等组成。脉冲调制振荡器进行多级MOPA放大结构，激光光束经光纤准直器形成准直光束，入射2维扫描振镜。激光光束经扫描振镜中的2维马达驱动镜片反射，通过场镜汇聚，作用于待清洗物表面。待清洗物为绝缘子的伞裙区域，将待清洗物置于XYZ 3轴精密平台上，可灵活变更清洗区块，激光清洗装置示意图如图 1所示。

Figure 1.  Schematic diagram of laser cleaning setup

为了探究激光器参数对绝缘子清洗效果的影响，作者尝试了多种不同的激光器参数组合。采用的扫描振镜最大可控直线扫描速率为10m/s，扫描范围为100mm×100mm，场镜焦距为170mm，束腰处光斑直径约为0.07mm。

待清洗样品为长期暴露于大自然环境中的绝缘子，清洗样品的伞裙材质分为3种：钢化玻璃、陶瓷和硅橡胶，样品分别如图 2所示。本实验中采用的是激光干洗法，主要机理为基体表面污秽物在脉冲激光辐照后，产生的热能引起污秽物瞬间热膨胀，形成热应力，当热应力大于污秽粘附力，则污染物将脱落。抑或是高能量的激光束在焦点处能产生高温，直接使附着脏物瞬间气化、蒸发或分解，使附着物快速脱离工件表面。采用高分辨光学显微镜对激光清洗前后的伞裙表面进行观测，观察其表面形貌及损伤情况，并拍摄清洗前后的图片进行分析。

Figure 2.  The polluted insulator for laser cleaning experiments

由于3种绝缘子基底材料的光吸收特性、导热系数及抗热冲击能力不同，过高的激光功率、能量或扫描速率过低，会造成清洗件的基材形变或烧损；若扫描速率过快或激光能量密度不足时，则出现清洗效果不佳的现象。基于相同的激光清洗平台，通过调整脉冲激光参数、扫描速率、光斑重叠率等，开展了一系列清洗实验。

清洗质量与清洗效率是判断激光清洗效果的主要两个指标。激光清洗的光斑重叠率对清洗效率有重要影响，在激光脉冲重复频率固定的情况下，光斑重叠率越大，材料表面积内作用的光斑数量越多，则清洗时间越长，效率越低。为提高清洗效率，重叠率应尽可能小，并同时保证清洗质量。激光扫描速率会影响激光工作方向的光斑重叠率，光斑重叠率直接影响到激光能量的累积，这种热效应会通过热传导传到加工物上，并影响激光清洗质量。光斑重叠率O可表示为^[19]：

式中，v为激光扫描速率，D为激光的光斑直径, f为激光的脉冲重复频率。

图 3中分别给出了3种绝缘子(玻璃绝缘子、瓷绝缘子、石胶绝缘子)在特定的激光参数设置下，不同激光扫描速率的表面污秽清洁效果。其中，图 3a的参数为：激光脉冲宽度100ns，重复频率500kHz，单脉冲能量0.4mJ；图 3b的参数为：激光脉冲宽度100ns，重复频率500kHz，单脉冲能量0.16mJ；图 3c的参数为：激光脉冲宽度20ns，重复频率为1000kHz，单脉冲能量为0.02mJ。图中数据为扫描速率。

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

由图 3a可以发现，玻璃绝缘子由于具有较高的透光率，达到有效清洁所需的激光脉冲能量相对较高，当固定激光单脉冲能量为0.4mJ，重复频率为500kHz，将激光扫描速率设定为5m/s时，可以完全去除污秽、达到清洗阈值，若继续降低扫描速率，虽然线能量继续增加，但是热积累程度仍未造成基底材料的破坏，因此清洗效果在扫描速率为1m/s~5m/s的情况下基本一致。提高扫描速率至7m/s, 则观察到附着表面的大颗粒污秽被清洗掉，小颗粒污秽依然残留，这是因为小颗粒污秽的吸附力比大颗粒污秽吸附力强。当速率提高至9m/s，大部分污秽仍继续残留，清洁效果越差。

如图 3b所示，瓷绝缘子通常为带釉瓷面，可用于提高机械强度与防水浸润，该釉面结构相当于一玻璃薄层。在瓷绝缘子激光清洗的过程中，固定激光单脉冲能量为0.16mJ，重复频率500kHz，将激光扫描速率设定为5m/s时，可以有效进行清洁，而激光扫描速率降低至7m/s、提高光斑重叠率的情况下，过多的热积累则容易破坏绝缘子的釉表面，开始形成气泡状的微损伤，若继续提高光斑重叠率，将会严重地出现凹凸不平的洼坑。

如图 3c所示，硅橡胶绝缘子与陶瓷、玻璃绝缘子相比，基底导热系数小、抗热冲击能力差，所需的激光清洁能量较小，若脉冲能量密度太大则容易造成基底损坏。采用0.02mJ的激光脉冲能量，重复频率1000kHz，在激光扫描速率为5m/s时, 可以较好地清洗硅橡胶绝缘子。提高激光扫描速率或降低光斑重叠率时清洁效果不佳，反之，降低激光扫描速率至3m/s时，绝缘子表面开始产生微裂纹、破坏基底材料。

为了达到最佳清洗效率，将扫描速率设置在最大值10m/s，分别进行玻璃绝缘子、瓷绝缘子及硅橡胶绝缘子的激光参数优化，获得最佳清洗参数。在单次清洗的状态下进行激光清洗作业，清洗区域面积20mm×30mm时，仅需要1.8s，清洗效率可以达到3.4cm²/s。

在激光清洗过程中，光斑覆盖区域与光斑相邻区域存在瞬时温升，随着激光在绝缘子表面的扫描光斑区域的叠加，可形成热积累，因此随着扫描速率提升，需要提高激光脉冲能量以获得最佳激光清洁质量。当固定激光扫描速率在10m/s，优化后获得的玻璃绝缘子最佳清洗激光参数为激光能量密度约26.3J/cm²，脉冲频率100kHz；瓷绝缘子的参数为激光能量密度约26.3J/cm²，脉冲频率200kHz；硅橡胶绝缘子的优化参数为激光能量密度约1.05J/cm²，脉冲频率1000kHz。图 4是3种基材(玻璃、陶瓷和硅橡胶)绝缘子的激光清洗前、后对比图。该情况下绝缘子无发生基底损伤并具有显著的清洁效果。

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

采用自主研制的脉冲MOPA光纤激光器搭建激光清洗平台，通过灵活使用不同激光参数与清洗速率进行了绝缘子激光清洗的实验。针对常见的3种绝缘子材料，分析各自的激光清洗效果；在一定的扫描速率或光斑重叠率下，在过高或偏低的激光清洗能量的结果可比拟在一定激光设定参数下，其扫描速率偏低或过高的清洗结果。当热积累过多时，除了玻璃绝缘子样品，其它绝缘子容易出现基底变质、损坏。热积累不够时，则无法达到有效的清洗效果。基于清洗装置的最高激光扫描速率10m/s，获得了玻璃绝缘子、瓷绝缘子及硅橡胶绝缘子的优化后激光能量密度，分别约为26.3J/cm², 26.3J/cm², 1.05J/cm²，同时激光清洗效率可达3.4cm²/s。

从实验结果来看，多参数可选的MOPA光纤激光器经过参数调整可满足各种材料表面清洁，并且仍有较高的激光能量余量，因此未来还能更进一步改善激光清洗装置，如加大激光加工光斑，以获得更高的清洗效率。配合智能化系统与激光清洗装备升级，激光清洗技术有望实现电力绝缘子领域的清洁应用。