架空输电线路激光远程融冰试验及分析

张秉良 ，张都清 ，韩梁

（1.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

覆冰是威胁电力系统安全可靠运行的重要因素之一，雨雪冰冻天气可导致输电线路大面积覆冰，造成冰闪跳闸、供电中断、断线倒塔等事件，引起大面积停电事故，带来重大的直接及间接经济损失。我国是输电线路覆冰较为严重的国家之一，近年来，大面积冰灾事故时有发生。2005年2月，严重的覆冰导致华中电网输电线路发生多次跳闸，甚至发生倒塔、断线等事故［1］。2008年1月，中国南方大范围高强度的低温雨雪冰冻天气导致多个省份的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰等多种冰雪灾害，个别地区甚至中断电力达10余天［2］，造成直接经济损失上千亿元，间接经济损失更大［3］。

目前，国内外输电线路除冰和融冰方法有数十种，概括起来可分为热融冰方法、机械除冰方法、被动除冰方法和混合除冰方法4类，普遍存在耗能高、安全性差、操作繁琐、除冰效率低等问题［4-5］。激光技术具有方向性强、能量定向传输效率高、非接触式等优点，目前国内外已对输电线路激光除冰新技术开展研究。文献［4］和文献［6］对半导体激光除冰系统进行理论设计，对激光与冰的作用过程进行理论模拟，并研制了半导体激光除冰装置，但该装置采用绝缘杆操作，不适用于输电线路现场应用。文献［7］围绕输电线路中的绝缘子、高压导线表面覆冰展开激光除冰研究，建立了面热源和体热源辐照冰的理论模型，并进行了数值模拟和实验研究，但亦未达到实用水平。

使用目前已被广泛应用的激光除异物装置［8-9］，模拟输电线路覆冰情况，对导线、地线开展融冰试验，在验证激光除异物装置除冰效果的同时，对试验现象、操作技巧进行了总结和分析，对激光除冰技术的发展提供一定参考与指导。

1 激光除异物装置

激光除异物装置是运用激光的高准直特性及不同物质对激光能量吸收率不同的原理，发射特定波段和功率的激光，通过电子瞄准系统和远程准直聚焦系统，可在输电线路不断电情况下对缠绕其上的风筝线、尼龙绳、钓鱼线、彩带、农用塑料膜等常见异物进行瞄准、扫描、熔断，从而达到清除目的，目前我国主要采用1 064 nm波段光纤激光和10.6 μm波段CO2激光。激光除异物技术示意如图1所示，常见金属和常见异物材料的热属性参数如表1所示。

图1 激光除异物技术示意

表1 常见金属和常见异物材料的热属性参数

2 融冰试验

2.1 试验条件

试验采用1064 nm波段的连续红外激光，光纤激光器相关参数如表2所示。

表2 光纤激光器相关参数

试验截取15 cm长度新导线、新地线、生锈地线各2段，放入冷库中冷冻成型，冰层厚度约2 cm；激光对样本工作距离30 m；试验时环境温度0℃。

2.2 激光定点照射试验

光纤激光器输出功率设置为160 W，分别瞄准冰层表面或冰层中的导线或地线，固定光点连续照射5 min，观察试验现象如表3所示。

表3 定点照射融冰试验现象

图2 定点照射5 min后融冰效果

通过以上试验现象发现：当激光照射瞄准透明度较高的冰块表面时，大部分激光能量被透射或反射，融冰效果较差；如透过冰层照射导线或地线，会因导线或地线吸光发热及水蒸汽的作用加快融冰，但长时间作用会引起线体尤其是旧地线过热，可能会损伤电力设备；定点照射时，因新导线、新地线热导率较高，冰层与导线或地线接触面冰层融化面积较大，且在重力作用下出现松动，旧地线则因氧化层热传导差，冰层融化面积较小，冰层仍较坚固。

2.3 激光移动切割试验

光纤激光器输出功率设置为160 W，瞄准冰层中的导线或地线后沿导线或地线缓慢移动光点，观察试验现象如表4所示。

表4 移动切割融冰试验现象

通过以上试验现象发现：如激光瞄准冰层中的导线或地线并缓慢沿线切割，会达到一定除冰效果，除冰速度约3 cm／min；旧地线因氧化层吸光率较高，融冰速度较新导线或地线速度快。

图3 沿线移动切割除冰试验

3 结语

使用1 064 nm波段连续红外激光进行融冰试验，发现目前技术除冰速率较慢，采用最大输入功率800 W，最大输出功率200 W，中心带宽3 nm，风冷方式时，除冰速率约3 cm／min，且能量消耗较大，每处理1 cm长2 cm厚冰层耗能约18 kJ，难以实现大面积快速除冰；另一方面，由于大功率激光器会对复合绝缘子、陶瓷绝缘子、地线等设备造成损伤，操作人员需经专业培训后方可执行除冰任务。因此，现有激光技术在输电线路除冰中仍存在较大局限。增加激光功率提升清除效率的同时，提高激光对电网设备的安全性，将是未来重点研究内容，而高峰值功率脉冲激光在输电线路除冰中的应用则是另一个重要研究方向。