輸電線路上異物的激光遠(yuǎn)程清除裝置及方法研究

姜文東，王笑棠，初金良，葉吉超，徐恩和

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310000；2.杭州聚順科技有限公司，杭州 310000）

激光遠(yuǎn)程消除裝置在輸電線路異物清除上具有重要性應(yīng)用地位，在整個(gè)裝置研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)際線路異物類型，結(jié)合導(dǎo)線安全規(guī)程要求，研究出熔塑料膜及雜物的裝置，根據(jù)激光的能量高、方向性好的特點(diǎn)，將適當(dāng)能量的激光束照射到遠(yuǎn)處高壓線異物上，使其完全灼燒，或者將纏繞在高壓線上的部分燒毀使之掉落。

本項(xiàng)目基于上述設(shè)想，對(duì)架空線路異物、導(dǎo)線在激光輻照下的特性進(jìn)行了研究，針對(duì)研究結(jié)果，研制了大功率可控紅外激光發(fā)生及智能控制單元，形成了可用于遠(yuǎn)程異物激光清除的電網(wǎng)異物激光清除器，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)和帶電線路實(shí)際消缺試用，實(shí)驗(yàn)和試用結(jié)果證明，該設(shè)備能夠?qū)芸站€路異物進(jìn)行快速安全的帶電清除，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性。對(duì)于高壓輸電線路的安全運(yùn)行和管理具有重要性保障意義。

1 輸電線路異物激光遠(yuǎn)程消除需求分析

輸電線路架設(shè)在整個(gè)電力傳輸控制體系構(gòu)建中占據(jù)著重要的位置，輸電線路分布點(diǎn)多面廣，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，在運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)風(fēng)箏等異物纏繞導(dǎo)、地線，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)相間短路，造成停電事故，垂落的異物和燒斷損毀的導(dǎo)線還有可能造成人畜傷亡，極大威脅到供電安全。

目前主要依靠一些傳統(tǒng)的方法清除異物，這些方式不僅成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，而且對(duì)人員和設(shè)備的要求極高，還具有極大危險(xiǎn)性，面對(duì)各種輸電線路異物，亟須一種安全、可靠、方便快捷的異物清除裝置。

2 常見異物材料的激光燒蝕性能

在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)激光達(dá)到一定的功率密度后，功率密度越高，需要的輻照時(shí)間越短，功率密度越低，需要的輻照時(shí)間越長(zhǎng)，激光輻照物體時(shí)，會(huì)被反射、吸收、透射，而最終作用于物體的能量，是被物體吸收的部分，因此反射和透射的越少，被吸收的能量越多。異物材料的多樣性，使得光熱作用也會(huì)不同，淺色表面對(duì)光具有更強(qiáng)的反射作用，對(duì)激光的吸收率較小，測(cè)試出來(lái)的最小功率密度更具有普遍適用性。

式中，W為輻照表平面的激光總功率；R為光斑半徑。由公式可以看出，激光功率密度與功率成正比，與光斑大小成反比。激光光束發(fā)射的距離越遠(yuǎn)，光斑發(fā)散越大，功率密度越小，因此在遠(yuǎn)距離處光斑半徑與距離的關(guān)系為 ：θ=2λ/（πw0）=2w（z）/z

激光器從運(yùn)行方式上分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。本項(xiàng)目中對(duì)脈沖激光燒蝕異物的性能進(jìn)行了一定研究，目的是為了測(cè)試其燒蝕效果是否比連續(xù)激光器更好，從而選擇最優(yōu)的激光光源，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以看出，連續(xù)激光的作用效果要強(qiáng)于脈沖激光，高重復(fù)頻率脈沖激光效果優(yōu)于低重復(fù)頻率的激光作用效果。

3 架空線路主體部件激光耐受特性研究

輸電線路主體部件主要是金屬導(dǎo)線、地線、橫擔(dān)、熔絲、避雷器、絕緣子等，激光清除異物的過(guò)程中，存在激光直接照射主體部件的可能性，因此，需要對(duì)架空線路主體部件的激光耐受特性進(jìn)行研究，確定各部件是否能夠經(jīng)受激光的輻照，從而確定激光清除異物的適用范圍。通過(guò)試驗(yàn)得知，激光對(duì)瓷、玻璃和復(fù)合絕緣子均可造成損傷，因此為了架空線路設(shè)施的安全，對(duì)于桿塔上纏繞絕緣子的異物，不宜采用激光直接輻照清除，如有需求，應(yīng)考慮精確控制激光光束避開絕緣子。

實(shí)驗(yàn)表明，近距離位置未整形激光光束功率密度較大，導(dǎo)線被輻照后，電阻率變化非常小，遠(yuǎn)距離下清異激光功率密度較低，對(duì)單股導(dǎo)線的電阻率和最大拉伸力等性能幾乎沒有影響。因此，可以認(rèn)為電網(wǎng)異物激光清除器所發(fā)射的激光，對(duì)架空導(dǎo)線影響有限，不會(huì)對(duì)造成導(dǎo)線實(shí)質(zhì)性損傷和性能衰減，對(duì)導(dǎo)線是安全的。

4 輸電線路異物激光遠(yuǎn)程消除裝置研究

輸電線路異物激光遠(yuǎn)程消除裝置的應(yīng)用中有很多的部分構(gòu)成，整個(gè)裝置的構(gòu)成有以下幾部分：一是激光光源系統(tǒng)，光纖激光器具有體積小、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，而且光路通過(guò)光纖輸出，可以很靈活的設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，是理想的異物清除光源。二是光束準(zhǔn)直系統(tǒng)，激光光束傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離時(shí)由于光束發(fā)散，會(huì)造成光斑面積增大，功率密度降低的情況，而且光在空氣中傳輸會(huì)因?yàn)槲?、散射等因素造成能量損耗，因此要進(jìn)行遠(yuǎn)程異物清除，需要對(duì)激光光束進(jìn)行處理。三是瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，由高精密數(shù)控云臺(tái)、電子望遠(yuǎn)鏡式瞄準(zhǔn)鏡和可見指示光系統(tǒng)組成，四是控制系統(tǒng)，要求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括激光器控制、供電系統(tǒng)控制、冷卻系統(tǒng)控制、云臺(tái)控制、望遠(yuǎn)調(diào)焦控制，并與安全控制系統(tǒng)相互配合。

5 輸電線路異物激光遠(yuǎn)程消除步驟

輸電線路異物激光遠(yuǎn)程消除裝置的應(yīng)用中，形成電網(wǎng)異物激光清除作業(yè)指導(dǎo)書和操作規(guī)范，確保激光清除裝置發(fā)揮實(shí)效。整個(gè)清除步驟為：

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察并確定異物的位置和所在方向，鎖定目標(biāo)位置和清除角度，并做好現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。

（2）將激光裝置進(jìn)行固定，設(shè)定好對(duì)應(yīng)的功率和發(fā)射角度，保障出光路徑中無(wú)遮擋，利用控制手柄進(jìn)行瞄準(zhǔn)并微調(diào)。

（3）按照作業(yè)指導(dǎo)書逐步進(jìn)行開機(jī)和出光操作，完成異物清除。

激光清除示意圖如圖1所示：

圖1 輸電線路異物激光清除示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

基于項(xiàng)目理論和實(shí)驗(yàn)研究成果，以光纖激光器為核心，設(shè)計(jì)了光源系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)光束準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)光纖激光進(jìn)行整形，使其可發(fā)射到更遠(yuǎn)的地方，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采用基于精密云臺(tái)和長(zhǎng)焦攝像機(jī)的瞄準(zhǔn)方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程目標(biāo)的望遠(yuǎn)觀察和精確切割?；谖锫?lián)網(wǎng)和控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了安全管理控制系統(tǒng)方案，為下一步實(shí)現(xiàn)激光清除器的推廣提供了技術(shù)積累。通過(guò)不斷地研究和嘗試，在模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)消缺應(yīng)用中，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，研制出功能滿足預(yù)期的電網(wǎng)異物激光清除裝置（如下圖2所示）并形成電網(wǎng)異物激光清除作業(yè)指導(dǎo)書和操作規(guī)范，確保激光清異設(shè)備發(fā)揮實(shí)效，項(xiàng)目的研究成果可為電網(wǎng)線路巡檢工作提供有效的技術(shù)支撐，有助于提高異物清除效率，降低工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，解決電網(wǎng)異物清除困難的問(wèn)題，提升電網(wǎng)異物清除智能化水平。

圖2 電網(wǎng)異物激光遠(yuǎn)程清除裝置