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摘 要

变电设备外绝缘在室外工作容易受环境污秽的影响，可能会发生污闪事故，造成大片地区停电，影响电网安全运行。对此电力部门对污闪防治非常重视，采取各种措施减少污闪事故发生，以确保电力系统安全可靠运行。解决污闪问题最直接有效的方法是清洗绝缘子污秽，针对现有清洗方法中的不足，提出了激光清洗绝缘子污秽的新方法。激光清洗技术在许多领域有着广泛的应用，激光清洗更加安全与环保，可以远距离清洗，精确控制，对工作人员的健康和安全有了保障，不用清洗剂和水，无污染，节约水资源。

本文主要研究通过COMSOL多物理场仿真软件搭建激光清洗绝缘子污秽模型并确定相关参数，研究激光功率密度、激光扫描速率、激光光斑半径和污秽厚度四个不同工况对温度场分布的影响。在对激光清洗绝缘子表面污秽温度场的分析中，就污秽层表面来说，激光功率越大、扫描速率越慢、光斑半径越大污秽表面的温度越高；而激光功率越大、扫描速率越慢、光斑半径越大、污秽层越薄，绝缘子表面的温度越高。在功率密度为600W/cm²时污秽表面最高温度在850K左右，扫描速率100mm/s时污秽表面最高温度在890K左右，光斑半径为4mm时污秽表面最高温度在860K左右,在仿真的各种工况条件下绝缘子表面的最高温度不到400K。由于污秽层的热导率小，温度沿污秽层传导较慢，各种工况下绝缘子表面温度都不会很高，不会产生热损伤。

关键词：激光清洗；绝缘子污秽；COMSOL仿真；温度场；有限元法

Abstract

The external insulation of substation equipment is easy to be affected by environmental pollution, which may cause pollution flashover accidents, blackout in large areas, and affect the safe operation of power grid. Therefore, the power sector attaches great importance to the prevention and control of pollution flashover, and takes various measures to reduce the occurrence of pollution flashover accidents, so as to ensure the safe and reliable operation of the power system. The most direct and effective way to solve the problem of pollution flashover is to clean the insulator. In view of the shortcomings of the existing cleaning methods, a new method of laser cleaning insulator pollution is proposed. Laser cleaning technology has a wide range of applications in many fields. Laser cleaning is more safe and environmentally friendly. It can be cleaned in a long distance and controlled accurately. It can guarantee the health and safety of the staff. It does not need cleaning agent and water. It is pollution-free and saves water resources.

In this paper, the pollution model of laser cleaning insulator is built by COMSOL multi physical field simulation software and the relevant parameters are determined. The influence of power density, scanning rate, spot radius and pollution thickness on temperature field distribution is studied. In the analysis of the pollution temperature field of laser cleaning insulator surface, as for the pollution layer surface, the higher the laser power, the slower the scanning speed and the larger the spot radius, the higher the temperature of the polluted surface; while the higher the laser power, the slower the scanning speed, the larger the spot radius and the thinner the pollution layer, the higher the temperature of the insulator surface. When the power density is 600W / cm2, the maximum temperature of the polluted surface is about 850k; when the scanning speed is 100mm / s, the maximum temperature of the polluted surface is about 890k; when the spot radius is 4mm, the maximum temperature of the polluted surface is about 860k; under the simulated conditions, the maximum temperature of the insulator surface is less than 400k.Due to the low thermal conductivity of the polluted layer and the slow conduction of temperature along the polluted layer, the surface temperature of insulator under various working conditions will not be very high and will not produce thermal damage.

Key Words：laser cleaning; insulator contamination; COMSOL simulation; temperature field; finite element method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的与意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 变电设备外绝缘积污清洗问题的研究 2

1.3.2 激光清洗的研究 3

1.3.3 激光带电清洗与传统电力设备外绝缘清洗方式的比较 4

第2章 激光清洗技术 6

2.1 激光清洗原理 6

2.2 激光清洗技术的优点 7

2.3 激光清洗绝缘子污秽机理分析 7

第3章 仿真模型的建立 10

3.1 COMSOLMultiphysics仿真软件介绍 10

3.2 有限元仿真模型的搭建 10

3.2.1 模型结构分析 10

3.2.2 模型参数分析 11

3.2.3 边界条件分析 12

第4章 温度场仿真结果分析 15

4.1 激光功率密度对温度场的影响分析 15

4.2 激光扫描速率对温度场的影响分析 27

4.3 光斑半径对温度场的影响分析 36

4.4 污秽厚度对温度场的影响分析 43

4.5 对基底材料的影响分析 53

第5章 总结与展望 57

5.1 总结 57

5.2 展望 57

参考文献 58

致谢 60

第1章 绪论

1.1 研究背景

电力在现代生活中非常重要，人们的生产生活都离不开电，在电力系统中变电设备外绝占据很重要的地位。变电设备外绝缘将电位不相同的带电导体隔离，使它们不存在电气上的连接，从而保持不同的电位，它被广泛应用在电力系统中。

变电设备外绝缘也就是绝缘子长期工作在室外环境中，会受到大气中的粉尘颗粒、废气和盐碱等污染物的污染，在绝缘子表面累积成污秽层^[1]。在污秽层达到一定程度并且遇上极端天气情况时可能会发生污闪事故，严重的污闪事故会中断电网运行,甚至可能导致电网崩溃和瓦解,那样就会造成长时间、大面积的停电,直接影响到企业生产和人民日常生活的正常进行,给社会造成重大的经济损失,影响社会的安定,损害党和政府以及企业的形象^[2]。电力部门对污闪防治非常重视，采取各种措施减少污闪事故发生，以确保电力系统可以安全运行，提高供电可靠性。

清洗绝缘子污秽是一种直接有效的减少污闪事故发生的措施，常用的清洗方式有定期人工停电清扫、使用绝缘杆带电擦拭、带电水冲洗、干冰清洗以及化学清洗剂清洗等。但这些传统方法有许多的不足。激光清洗技术的高效、无接触、安全等优点在许多领域有着广泛的应用，同时激光清洗技术可以有效解决传统清洗方法中的不足。为此，本文对激光清洗技术应用到绝缘子污秽中进行初步的研究。

1.2 研究目的与意义

我国电力系统安全运行的主要威胁之一是变电设备外绝缘发生污闪事故。电力系统的输变电设备发生的污秽闪络和大面积停电事故，给人们的日常生产生活带来极大的不便，给一些企业造成了相当大的损失，影响到了国民经济的发展。环境污染是一个世界性的难题，在我国虽然大力提倡环境保护并且实施了很多措施，但大气污染仍然严重，还会存在相当长的一段时间，电力系统的防污工作仍然很严峻。

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