基于線激光技術(shù)的輸電線路樹障清除裝置研制及應(yīng)用研究

范 楊，張 鼎，程 繩，王寶峰，董曉虎，辛 巍，夏浩爽

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050；2.湖北既濟電力集團有限公司武昌分公司，湖北 武漢430000）

0 引言

超特高壓輸電線路輸電距離長，線路通道運維難度大。樹障隱患一直是阻礙線路安全運行的重大隱患，易使空氣間隙被線路電壓擊穿引發(fā)線路閃絡(luò)、電網(wǎng)停電、林區(qū)火災等事故。傳統(tǒng)樹障清理主要采取人工砍伐的方法，工作量大、工作效率低，且有可能在砍伐過程中引起線路跳閘和人員受傷。因此，有必要對激光輸電線路樹障清除技術(shù)進行深入研究，為解決“樹線矛盾”提供更加安全有效的解決方案。

近年來，激光技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于高精度切割領(lǐng)域，激光具有方向性強、能量高、定向能量傳輸效率高等特點，能集中在很小的空間傳播，并在遠距離形成強度很大的光束，因此特別適合于在地面遠距離對架空輸電線路下的樹木或線上纏繞的異物進行清除。選擇合適波長和功率的激光，選用不同的激光裝置（光纖激光器和CO2激光器）將激光束精確發(fā)射到樹障或異物表面，可以通過激光對材料的光熱作用，將對象切割斷落或燒蝕損毀，從而消除線路安全隱患。在實際應(yīng)用中，由于光纖激光器的光電轉(zhuǎn)化效率比CO2激光器的要高，在切割質(zhì)量及速度上，光纖激光器優(yōu)于CO2激光器，因此本文選擇光纖激光器為激光發(fā)射裝置。同時，由于激光不導電，因此可以帶電進行作業(yè)；激光的最大射程可達120 m，可以遠程作業(yè)[1]。

1 激光器硬件開發(fā)

線激光清除裝置全自動瞄準系統(tǒng)由光纖激光器、可調(diào)紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號傳輸器和圖像識別控制面板組成。激光清障裝置通過高倍鏡攝像頭和信號傳輸器的結(jié)合，不僅能大大提升瞄準系統(tǒng)的準確率，而且能遠距離操控激光器；通過顏色感應(yīng)開關(guān)能根據(jù)設(shè)定瞄準目標的顏色自動啟動激光器開關(guān)進行工作；通過云臺遙控器無線操控電動云臺，方便調(diào)整瞄準角度［22-24］。

1.1 激光發(fā)射端設(shè)計開發(fā)

線激光清除樹障裝置由光纖激光器模塊、振鏡模塊、電源模塊、瞄準模塊組成。其中，光纖激光器模塊包括光纖激光器，通過光纖的QBH輸出頭與振鏡模塊相連接；振鏡模塊包括X 軸方向振鏡，X 軸方向掃瞄鏡，Y 軸方向振鏡，Y 軸方向掃瞄鏡，場鏡通過振鏡控制，使之發(fā)出線激光，用于清除樹障；電源模塊用于激光裝置的供電；瞄準模塊包括激光瞄準器，用于樹障在開啟激光器前先進行瞄準。

當需要進行樹障清除時，啟動電源前，先將激光發(fā)射口對準地面，打開光纖激光器和激光瞄準器，通過調(diào)節(jié)激光瞄準器的螺母進行微調(diào)，使得光纖激光器與激光瞄準器的準星一致。通過振鏡x 軸和y 軸的快速偏轉(zhuǎn)，光纖激光器的點激光可近似轉(zhuǎn)變?yōu)榫€激光。

1.2 激光瞄準系統(tǒng)設(shè)計

線激光清除裝置采用的全自動瞄準系統(tǒng)由光纖激光器、可調(diào)紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號傳輸器和圖像識別控制面板組成。該裝置通過高倍鏡攝像頭和信號傳輸器的結(jié)合，不僅能大大提升瞄準系統(tǒng)的準確率，而且能遠距離操控激光器；通過顏色感應(yīng)開關(guān)，根據(jù)設(shè)定瞄準目標的顏色自動啟動激光器開關(guān)進行工作；通過云臺遙控器無線操控電動云臺，方便調(diào)整瞄準角度。

2 激光清除樹障實驗設(shè)計

樹木的種類非常繁多，輸電線路附近能夠成為樹障的樹木通常為喬木，喬木樹體高大，通常為6至十幾米。本文選取6 類樹種進行仿真實驗，根據(jù)實際情況和對比分析，選用平面高斯熱源模型，通過使用有限元仿真軟件進行建模，仿真分析激光面熱源作用在樹木表面的輻射情況。通過建立仿真模型開展數(shù)值計算，并和激光試驗數(shù)據(jù)對比分析研究，分析6 種類型樹木在不同能量密度的光輻照下溫度場和應(yīng)力場變化規(guī)律，進而確定激光清除樹障的能量密度閾值和最佳清洗參數(shù)［2-4］。

200 W 激光進行清障工作時，相同的能量照射在不同的面積內(nèi)，能量密度就不相同。相同的能量，面積越大，能量密度就越小，反之，面積越小，能量密度就越大。能量密度越大，相同的時間相同的面積，吸收的能量越大，激光清障越集中，清障效率更高。在設(shè)計點激光與線激光的選擇上，經(jīng)過數(shù)次試驗后得出數(shù)據(jù)，在點激光光斑半徑為0.012 m，線激光尺寸為0.03 m×0.001 m時，點激光的光斑面積為0.000 452 16 m2，線激光窄條面積為0.000 03 m2。點激光光斑面積約為線激光窄條面積的15 倍，在相同能量照射下，線激光的能量密度約為點激光能量密度的15倍，即線激光清障效率約為點激光效率的15倍。因此，為了提高樹障清除工效，在保證清除效果的激光能量密度條件下，在本文的實驗中，使用適當?shù)闹瓮哥R，在適當距離將圓柱形激光束擴展為條帶狀，增大激光作用面積，從而將點激光束轉(zhuǎn)換為線激光束，以提高激光清洗的工作效率。

在激光清除樹障的過程中，200 W 的連續(xù)激光器可滿足大部分樹障清除要求［5-7］，其在遠處的功率密度一般應(yīng)達到250 000～300 000 W/m2。為研究激光清障過程中激光對于樹木的燒灼情況，本文使用ANSYS進行熱分析，在仿真分析的過程中模擬使用功率200 W的連續(xù)激光照射在樹木上。線激光作為面熱源施加在樹木的表面以模擬線激光照射在樹木上，線激光的長度為0.03 m，線激光寬度為0.001 m，熱流密度為400 000 J/m2·s，設(shè)置樹木的初始溫度為20 ℃［8］。

2.1 不同樹木的點激光輻照仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)6 種樹木的不同屬性，即在國際單位制下分別賦予其密度、熱導系數(shù)、比熱容三項物理量。6種樹木的密度、熱導系數(shù)、比熱容的參數(shù)列于表1，木材的比熱基本上不受樹種的影響，約為2 400 J/kg·℃。

對于6 種不同的樹木，激光照射中心點溫度上升速率均隨加熱時間的延長逐漸減緩，這是由于樹木的熱導率隨著溫度的升高而逐漸減小，從而使得溫度的升高速率減緩［9-11］。在第10 s 時，點激光照射紅松中心溫度達到2 023.28 ℃，這一溫度由中心向四周逐漸降低，如圖1。泡桐激光照射中心點溫度最高，達到3 627.45 ℃，紅松的2 023.28 ℃與杉木的1 997.6 ℃溫度處于同一檔，黃花落葉松和西南樺溫度略低，為1 319.75 ℃和1 362.58 ℃，麻櫟溫度最低，為964.356 ℃。這說明在溫度很高的情況下，熱導系數(shù)的大小決定了樹木表面溫度的大小，熱導系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

2.2 不同樹木的線激光輻照仿真數(shù)據(jù)分析

本文用200 W功率線激光作為窄面熱源施加在樹木表面15 s，該過程中6種樹木的照射窄面中心光點處的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 線激光照射溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curve after Linear laser irradiation

泡桐激光照射窄面中心溫度最高，麻櫟對應(yīng)該區(qū)域溫度最低，黃花落葉松與西南樺該區(qū)域溫度相當，紅松與杉木溫度相差無幾。線激光照射在窄面10 s 時，泡桐窄面溫度達到1 238.79 ℃，紅松的795.362 ℃與杉木的762.084 ℃溫度處于同一檔，黃花落葉松和西南樺溫度略低，為520.99 ℃和517.321 ℃，麻櫟溫度最低，為378.516 ℃。這說明在溫度很高的情況下，熱導系數(shù)的大小決定了樹木表面溫度的大?。?2-14］，熱導系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

從圖3中可以看出，隨著激光照射過程的進行，窄面溫度遠超過木材的250～300 ℃的燃點，且大部分樹木窄面溫度在4 s～6 s 已超過400 ℃。因此，該線激光清障裝置在清除樹障的過程中，較細的樹枝，5 s 內(nèi)即已清除；直徑為6 cm 的樹枝15 s～30 s 可完成清除；大于6 cm 的樹枝或樹干視粗細與實際情況延長清障時間。

表2 線激光照射六種樹木10 s時的最高溫度Table 2 The maximum temperature at which a linear laser could hit six trees for 10 seconds

2.3 線激光輻照實驗應(yīng)力仿真實驗

激光清障過程中，激光熱量集中照射在樹木上會導致樹木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會使得樹木產(chǎn)生微小的變形，從仿真中可以看到，激光直接照射區(qū)域的結(jié)構(gòu)位移較大，沿著兩端逐漸減?。?5-16］。以下為紅松10 s時的應(yīng)力分布云圖。

應(yīng)力沿樹木表面的徑向分布如圖3 所示，該應(yīng)力分布云圖反應(yīng)的是樹木表面經(jīng)過線激光照射的窄條面積上的應(yīng)力分布情況。在激光加熱時，僅在激光光斑的覆蓋區(qū)域內(nèi)熱效應(yīng)明顯，與激光光斑的邊緣位置產(chǎn)生很大的溫差，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這一應(yīng)力隨著激光照射時間的延長而增大，有助于切斷樹木。

圖3 線激光照射第10 s紅松應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution nephogram of red pine at 10 s irradiated by linear laser

在加熱從1 s 至15 s 的過程中，第1 s 時的應(yīng)力分布均衡，隨著激光輻照過程的進行，距離窄體中心外6 mm至12 mm的范圍內(nèi)應(yīng)力急劇升高，在兩側(cè)均出現(xiàn)峰值，形成駝峰形的應(yīng)力分布，在中心向徑向直徑5 mm橢圓形區(qū)域內(nèi)均為壓應(yīng)力，即窄條中心壓應(yīng)力最大。壓應(yīng)力在5 mm邊緣轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，在整個輻照過程中，壓應(yīng)力值的增大都沒有超過樹木的抗壓強度。拉應(yīng)力值在向徑向變化的過程中，經(jīng)過兩次震蕩，迅速衰減為零；最大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近窄條邊緣一側(cè)。從圖3中可以看出，輻照時間達到10 s時，拉應(yīng)力值達到883 MPa，超過了其抗拉強度，此時會出現(xiàn)樹木破裂等情況［17-18］。

2.4 激光對輸電導地線的損傷實驗

實驗采用較薄的ACSR 導體（LGJ-300/20）研究激光輻照對導體的影響。導體被放置在距離激光光源1 m 的地方，光斑大小約為16 mm，激光能量密度設(shè)置為50～300 W/cm2，照射時間為1 min。圖4為照射前后導體表面的情況，能量密度為300 W/cm2用x射線譜對輻照前后的導體進行了檢測。結(jié)果表明，其表面組成沒有變化，微觀形貌也沒有變化。試驗結(jié)果表明，當激光功率密度從50 W/cm2調(diào)整到300 W/cm2時，導體沒有損傷。

對于架空地線（GJ-80 型）的兩個樣品，利用光纖激光光源在距離為1 m 的每個樣品上進行3 次激光輻照實驗。輻照時間為1 min，激光能量密度分別為150 W/cm2和300 W/cm2，照射前后地線外觀如圖5 所示，實驗結(jié)果見表3。

圖4 線激光照射導線前后對比圖Fig.4 Before and after laser irradiation of the wire

當輻照時間為1 min時，絞合鍍鋅鋼絲表面有一定程度的變化。通過x 射線光譜檢測，地線的主要成分為Zn、Fe、Co，分別為96.155%、3.535%、0.046%。樣品表面主要為Zn。150 W/cm2激光照射后，鋅和鐵的成分比例分別變?yōu)?0.904%和8.636%，表明材料表面的鋅含量降低。在300 W/cm2激光照射后，鋅和鐵的比例分別變?yōu)?4.312%和15.392%。實驗結(jié)果表明，低功率激光且輻照時間較短的情況下，激光光束對架空地線影響不大，高能量密度和長時間激光照射對架空地線表面鍍鋅層損傷較?。?9-21］。

3 激光切割樹障實驗

圖5 激光照射對地線的影響Fig.5 Effect of laser irradiation on ground wire

本文針對不同種類不同粗細的樹木，進行了大量實驗，研究激光清障的實際效果。通過實驗得知，該線激光清障裝置在清除樹障的過程中，較細的樹枝，5 s內(nèi)即已清除；直徑為6 cm 的樹枝15 s～30 s 可完成清除；大于6 cm的樹枝或樹干視粗細與實際情況延長清障時間。

圖6 試驗布置圖Fig.6 Test layout situation

在實驗過程中，啟動電源開關(guān)，將激光器對準距離20 m左右的樹障，按下發(fā)射按鈕，激光照射一瞬間，樹木被點燃，被照射部分持續(xù)燃燒，逐漸深入內(nèi)部。之后上下移動激光器，照射另一部分，一段時間后，樹木被切斷，停止發(fā)射激光，切斷電源。

圖7 樹木切斷效果Fig.7 The tree cutting renderings

4 結(jié)語

本文針對輸電線路樹障類型不同的特征，通過計算得到激光作用下樹木的溫度場和應(yīng)力場數(shù)據(jù)，開展不同類型樹木、不同粗細樹木情況下的線激光試驗，揭示線激光清除樹木的機制。通過使用激光源對導地線進行照輻實驗，研究激光清障方法對導地線的影響［27-30］。同時，基于線激光技術(shù)清除樹木的作用原理，本文進行輸電線路樹障清除裝置研制，裝置包括高能量激光主機、能量光纖、瞄準系統(tǒng)、控制軟件及云臺組成，并且通過樹木的切割實驗，驗證了激光清障裝置可以實現(xiàn)遠距離操作、高效率、自動完成樹障清除。

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為了避免一直沉溺于如此地負面情緒和循環(huán)中，工作之余，我會更多地閱讀一些心理學類書記和管理類書記，充實和疏導自己。

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