周藝環(huán),馮思朦,蔡 勇,王文森

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司,陜西 西安 710054;2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安 710119;3.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710054)

1 引 言

隨著西部大開發(fā)、西電東送電力發(fā)展的不斷實(shí)施,我國有越來越多的高壓電網(wǎng)分布在高海拔、峽谷、河流等多水易結(jié)冰區(qū)域,這些將會(huì)使輸電線路不可避免的出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。高壓輸電線覆冰會(huì)導(dǎo)致線路垂度過大,過重則引起線路墜斷或者線桿倒塌,絕緣子覆冰發(fā)生橋接閃絡(luò)炸裂等事故,是威脅電網(wǎng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國自20世紀(jì)50年代以來,僅由于輸電線路覆冰造成的事故就高達(dá)5000余次,出現(xiàn)了多區(qū)域、大面積的電網(wǎng)故障,對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了不可估量的損失。因此,高壓輸電線覆冰清除研究對我國電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要[1-4]。

高壓輸電線距離地面較高,環(huán)境復(fù)雜,覆冰清除較為困難,處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生安全問題。傳統(tǒng)的輸電線路覆冰清除方法主要有熱力融冰、機(jī)械除冰和被動(dòng)除冰三種[5-7]。熱力融冰是通過在導(dǎo)線上附加熱源或?qū)Ь€基于焦耳效應(yīng)自身發(fā)熱除冰,磁滯損耗大,發(fā)熱慢,效率低。機(jī)械除冰是采用施加外力清除導(dǎo)線覆冰的方法,通常需要操作者現(xiàn)場執(zhí)行,需耗費(fèi)大量人力,操作繁瑣,存在很大的安全隱患,效率也不高。被動(dòng)除冰則主要依靠外界自然力量如風(fēng)力、溫度變化、地球引力等清除覆冰,具有不確定性,可靠性也不高,無法應(yīng)用于緊急情況的輸電線路除冰。激光作為一種新型光源,具有方向性強(qiáng)、能量高、遠(yuǎn)距離非接觸等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)制造、激光打標(biāo)、工程結(jié)構(gòu)異物清除等領(lǐng)域[8-9]。采用激光清除輸電線路覆冰可以達(dá)到高效、安全等目的,在高壓及特高壓電網(wǎng)線路覆冰清除中具有較好的應(yīng)用前景[10-13]。為安全、快捷的清除高壓輸電線上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,設(shè)計(jì)了基于連續(xù)激光的高壓輸電線覆冰清除系統(tǒng),搭建實(shí)驗(yàn)裝置,并對不同距離和不同功率下的覆冰清除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好效果。

2 激光除冰原理

激光除冰主要原理是利用高能激光產(chǎn)生的熱能使覆冰融化,即激光入射到冰層,光能被冰吸收會(huì)轉(zhuǎn)化熱能,從而融冰的過程。當(dāng)一束激光照射在冰上,在冰中進(jìn)行傳播時(shí),激光能量被吸收的規(guī)律有:

Iout=Iinexp(-αL)

(1)

式中,Iin為激光的輸入光強(qiáng)；Iout為激光在冰中傳輸一段距離后的輸出光強(qiáng)；α為冰的吸收系數(shù),主要取決于激光波長；L為激光在冰中的傳輸距離。

激光在冰中傳輸一段距離后,冰層吸收的激光光強(qiáng)為:

ΔI=Iin-Iout

(2)

冰層吸收激光能量后產(chǎn)生的溫度場T為:

(L>0)(3)

式中,ρ為冰的密度；c為冰的比熱容；k為冰的熱導(dǎo)率梯度算子；Q為其他體熱源項(xiàng)；R為冰對激光的反射率。

若激光光斑半徑為r,根據(jù)能量守恒定律,則單位時(shí)間內(nèi)冰吸收激光能量后在冰內(nèi)部產(chǎn)生的熱量J與溫升ΔT之間的關(guān)系為:

J=cρπr2LΔT

(4)

由式(4)可知,激光照射覆冰后為達(dá)到清除目的,則冰內(nèi)部由于溫升原因產(chǎn)生的熱量應(yīng)積累到一定程度,即大于促使冰融化的臨界熱量。

3 激光除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光清除高壓輸電線覆冰關(guān)鍵時(shí)確定激光器的參數(shù),主要時(shí)激光的功率選擇和光斑直徑的確定。根據(jù)物質(zhì)吸收激光產(chǎn)生熱量與激光功率之間的關(guān)系即可確定融冰所需的激光功率W為:

(5)

式中,τ為激光在冰中的透過率；η為激光能量耦合效率；t為激光照射時(shí)間。

本文中,已知純水凍成的冰密度為0.9 g/cm3,比熱容為2.1×103J/(kg·℃),假設(shè)融冰孔深20 mm,激光光斑直徑為40 mm,將-5 ℃的冰加熱到5 ℃左右,由式(4)可得激光融冰時(shí)冰吸收的熱能為474.768 J。由文獻(xiàn)[14]可知,波長為1060 nm的激光在冰中透過率約為0.3左右,激光能量耦合率為0.97,若照射時(shí)間為30 s,則根據(jù)式(5)可得所需激光功率約為54.38 W,即選用的激光器能量W選≥54.38 W時(shí),則該激光器即可用于清除高壓輸電線上的覆冰。

當(dāng)激光器選定后,激光除冰的效果在很大程度上與激光的光斑大小有關(guān)。由于激光能量多呈高斯分布,當(dāng)激光傳輸?shù)揭欢ň嚯x后,激光的光斑會(huì)發(fā)生變化,有:

(6)

式中,ω0為激光初始光斑半徑；s為傳輸距離；λ為激光波長。

通常激光清除高壓輸電線覆冰時(shí)距離較近,多為10～180 m范圍。 若選擇激光器的波長為1060 nm,通過分析可知,當(dāng)激光光束發(fā)散角為8″～10″,對應(yīng)的ω0=8.8636 mm和ω0=7.0909 mm時(shí),工作距離為10～180 m處,激光光斑直徑在30 mm以內(nèi)即可達(dá)到較好的除冰效果。

本文設(shè)計(jì)的高壓輸電線覆冰激光清除系統(tǒng)如圖1所示,主要包括激光器、控制器、激光準(zhǔn)直器、光纖轉(zhuǎn)換頭和方向調(diào)整架五部分。激光器發(fā)出連續(xù)激光經(jīng)光纖轉(zhuǎn)換頭傳輸?shù)郊す鉁?zhǔn)直器中,將激光形成一條光束定向發(fā)射出去?？刂破髦饕糜诳刂萍す馄鞯陌l(fā)射功率。方向調(diào)整架可用來帶動(dòng)激光器在空中掃描和定位,從而實(shí)現(xiàn)激光在空中任意位置的精確定位和融冰操作。根據(jù)上述分析,系統(tǒng)中選用連續(xù)激光器為YLR-500-WC-Y14水冷型光纖激光器,波長為1060 nm,激光器最大輸出功率500 W,由上述分析可知能滿足融冰效果。激光準(zhǔn)直器口徑38 mm,焦距為140 mm。

圖1 激光除冰系統(tǒng)

4 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)前需準(zhǔn)備好150 mm卡尺用于測量融冰孔直徑和深度,30 m直尺用于測量融冰距離,0.1 s分辨率秒表用于激光融冰計(jì)時(shí)。將普通自來水凍成尺寸為400 mm×200 mm×300 mm的冰塊,如圖2所示,冰內(nèi)部會(huì)含有少量氣孔。將冰塊固定在設(shè)定距離的平臺(tái)上,通過控制器調(diào)制好激光功率,設(shè)置融冰的計(jì)時(shí)時(shí)間為30 s,每次融冰后測量融冰孔徑和深度,記錄數(shù)據(jù)。

調(diào)制激光功率,將激光束對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)放置冰塊,照射30 s,如圖3所示,可看到冰上出現(xiàn)錐形孔洞。當(dāng)光斑直徑為15 mm時(shí),不同功率、不同距離下融冰孔深如圖4所示。光斑直徑為10 mm時(shí),不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖5所示。光斑直徑為20 mm時(shí),不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖6所示。光斑直徑為30 mm時(shí),不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖7所示。光斑直徑為38 mm時(shí),不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖8所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用冰塊

圖3 激光照射30 s后冰上的孔洞

圖4 光斑直徑為15 mm時(shí)不同距離不同功率下的融冰孔深

圖5 光斑直徑為10 mm時(shí)不同距離不同功率下的融冰孔徑

由圖3可以看出,本文設(shè)計(jì)的激光融冰系統(tǒng)能有效用于高壓輸電線的除冰。圖4中,功率和距離相同時(shí),功率越大,融冰孔深就越大,符合實(shí)際情況；相同功率下,距離越遠(yuǎn)融冰孔深降低,主要是因?yàn)榧す鈧鬏斁嚯x增加會(huì)導(dǎo)致激光衰減和光斑發(fā)散,能量有所發(fā)散。

圖6 光斑直徑為20 mm時(shí)不同距離不同功率下的融冰孔徑

圖7 光斑直徑為30 mm時(shí)不同距離不同功率下的融冰孔徑

圖8 光斑直徑為38 mm時(shí)不同距離不同功率下的融冰孔徑

由圖5、圖6、圖7和圖8可知,激光光斑直徑較小而功率較大時(shí),融冰孔徑比光斑直徑略小,激光光斑直徑較大而功率較小時(shí),融冰孔徑則大于光斑直徑。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是,激光能量呈高斯分布,光斑直徑越大,能量越不聚焦,則光斑直徑小而功率大時(shí),融冰時(shí)間短,融冰孔徑主要由激光光斑有效作用面積決定,導(dǎo)致融冰孔徑略小于光斑直徑；光斑直徑大而功率小時(shí),融冰時(shí)間相對增加,則激光融冰時(shí)冰孔直徑會(huì)慢慢擴(kuò)張,導(dǎo)致融冰孔徑略大于光斑直徑。

5 結(jié) 論

高壓輸電線覆冰會(huì)造成線路墜斷或者線桿倒塌等重大事故,是威脅電網(wǎng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素,須對其進(jìn)行清除。傳統(tǒng)高壓輸電線除冰方法安全性低、可靠性差、效率不高且需耗費(fèi)大量人力和財(cái)力,采用激光清除輸電線路覆冰可以達(dá)到高效、安全等目的,在高壓及特高壓電網(wǎng)線路覆冰清除中具有較好的應(yīng)用前景。為安全、快捷地清除高壓輸電線上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,設(shè)計(jì)了基于連續(xù)激光的高壓輸電線覆冰清除系統(tǒng),搭建實(shí)驗(yàn)裝置,并對不同距離和不同功率下的覆冰清除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能有效用于高壓輸電線覆冰清除,結(jié)構(gòu)簡單,安裝調(diào)試方便,成本低,易于操作,可以滿足工程實(shí)踐需求。本文研究成果可為高壓輸電線激光清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。