基于线激光技术的输电线路树障清除装置研制及应用研究

范 杨，张 鼎，程 绳，王宝峰，董晓虎，辛 巍，夏浩爽

（1.国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉430050；2.湖北既济电力集团有限公司武昌分公司，湖北 武汉430000）

0 引言

超特高压输电线路输电距离长，线路通道运维难度大。树障隐患一直是阻碍线路安全运行的重大隐患，易使空气间隙被线路电压击穿引发线路闪络、电网停电、林区火灾等事故。传统树障清理主要采取人工砍伐的方法，工作量大、工作效率低，且有可能在砍伐过程中引起线路跳闸和人员受伤。因此，有必要对激光输电线路树障清除技术进行深入研究，为解决“树线矛盾”提供更加安全有效的解决方案。

近年来，激光技术发展迅速，被广泛应用于高精度切割领域，激光具有方向性强、能量高、定向能量传输效率高等特点，能集中在很小的空间传播，并在远距离形成强度很大的光束，因此特别适合于在地面远距离对架空输电线路下的树木或线上缠绕的异物进行清除。选择合适波长和功率的激光，选用不同的激光装置（光纤激光器和CO2激光器）将激光束精确发射到树障或异物表面，可以通过激光对材料的光热作用，将对象切割断落或烧蚀损毁，从而消除线路安全隐患。在实际应用中，由于光纤激光器的光电转化效率比CO2激光器的要高，在切割质量及速度上，光纤激光器优于CO2激光器，因此本文选择光纤激光器为激光发射装置。同时，由于激光不导电，因此可以带电进行作业；激光的最大射程可达120 m，可以远程作业[1]。

1 激光器硬件开发

线激光清除装置全自动瞄准系统由光纤激光器、可调紫光激光器、合束镜、半反半透镜、反光镜、高倍镜摄像头、信号传输器和图像识别控制面板组成。激光清障装置通过高倍镜摄像头和信号传输器的结合，不仅能大大提升瞄准系统的准确率，而且能远距离操控激光器；通过颜色感应开关能根据设定瞄准目标的颜色自动启动激光器开关进行工作；通过云台遥控器无线操控电动云台，方便调整瞄准角度［22-24］。

1.1 激光发射端设计开发

线激光清除树障装置由光纤激光器模块、振镜模块、电源模块、瞄准模块组成。其中，光纤激光器模块包括光纤激光器，通过光纤的QBH输出头与振镜模块相连接；振镜模块包括X 轴方向振镜，X 轴方向扫瞄镜，Y 轴方向振镜，Y 轴方向扫瞄镜，场镜通过振镜控制，使之发出线激光，用于清除树障；电源模块用于激光装置的供电；瞄准模块包括激光瞄准器，用于树障在开启激光器前先进行瞄准。

当需要进行树障清除时，启动电源前，先将激光发射口对准地面，打开光纤激光器和激光瞄准器，通过调节激光瞄准器的螺母进行微调，使得光纤激光器与激光瞄准器的准星一致。通过振镜x 轴和y 轴的快速偏转，光纤激光器的点激光可近似转变为线激光。

1.2 激光瞄准系统设计

线激光清除装置采用的全自动瞄准系统由光纤激光器、可调紫光激光器、合束镜、半反半透镜、反光镜、高倍镜摄像头、信号传输器和图像识别控制面板组成。该装置通过高倍镜摄像头和信号传输器的结合，不仅能大大提升瞄准系统的准确率，而且能远距离操控激光器；通过颜色感应开关，根据设定瞄准目标的颜色自动启动激光器开关进行工作；通过云台遥控器无线操控电动云台，方便调整瞄准角度。

2 激光清除树障实验设计

树木的种类非常繁多，输电线路附近能够成为树障的树木通常为乔木，乔木树体高大，通常为6至十几米。本文选取6 类树种进行仿真实验，根据实际情况和对比分析，选用平面高斯热源模型，通过使用有限元仿真软件进行建模，仿真分析激光面热源作用在树木表面的辐射情况。通过建立仿真模型开展数值计算，并和激光试验数据对比分析研究，分析6 种类型树木在不同能量密度的光辐照下温度场和应力场变化规律，进而确定激光清除树障的能量密度阈值和最佳清洗参数［2-4］。

200 W 激光进行清障工作时，相同的能量照射在不同的面积内，能量密度就不相同。相同的能量，面积越大，能量密度就越小，反之，面积越小，能量密度就越大。能量密度越大，相同的时间相同的面积，吸收的能量越大，激光清障越集中，清障效率更高。在设计点激光与线激光的选择上，经过数次试验后得出数据，在点激光光斑半径为0.012 m，线激光尺寸为0.03 m×0.001 m时，点激光的光斑面积为0.000 452 16 m2，线激光窄条面积为0.000 03 m2。点激光光斑面积约为线激光窄条面积的15 倍，在相同能量照射下，线激光的能量密度约为点激光能量密度的15倍，即线激光清障效率约为点激光效率的15倍。因此，为了提高树障清除工效，在保证清除效果的激光能量密度条件下，在本文的实验中，使用适当的柱形透镜，在适当距离将圆柱形激光束扩展为条带状，增大激光作用面积，从而将点激光束转换为线激光束，以提高激光清洗的工作效率。

在激光清除树障的过程中，200 W 的连续激光器可满足大部分树障清除要求［5-7］，其在远处的功率密度一般应达到250 000～300 000 W/m2。为研究激光清障过程中激光对于树木的烧灼情况，本文使用ANSYS进行热分析，在仿真分析的过程中模拟使用功率200 W的连续激光照射在树木上。线激光作为面热源施加在树木的表面以模拟线激光照射在树木上，线激光的长度为0.03 m，线激光宽度为0.001 m，热流密度为400 000 J/m2·s，设置树木的初始温度为20 ℃［8］。

2.1 不同树木的点激光辐照仿真数据分析

根据6 种树木的不同属性，即在国际单位制下分别赋予其密度、热导系数、比热容三项物理量。6种树木的密度、热导系数、比热容的参数列于表1，木材的比热基本上不受树种的影响，约为2 400 J/kg·℃。

对于6 种不同的树木，激光照射中心点温度上升速率均随加热时间的延长逐渐减缓，这是由于树木的热导率随着温度的升高而逐渐减小，从而使得温度的升高速率减缓［9-11］。在第10 s 时，点激光照射红松中心温度达到2 023.28 ℃，这一温度由中心向四周逐渐降低，如图1。泡桐激光照射中心点温度最高，达到3 627.45 ℃，红松的2 023.28 ℃与杉木的1 997.6 ℃温度处于同一档，黄花落叶松和西南桦温度略低，为1 319.75 ℃和1 362.58 ℃，麻栎温度最低，为964.356 ℃。这说明在温度很高的情况下，热导系数的大小决定了树木表面温度的大小，热导系数越小，树木的表面温度越高。

2.2 不同树木的线激光辐照仿真数据分析

本文用200 W功率线激光作为窄面热源施加在树木表面15 s，该过程中6种树木的照射窄面中心光点处的温度变化情况如图2所示。

图2 线激光照射温度变化曲线Fig.2 Temperature change curve after Linear laser irradiation

泡桐激光照射窄面中心温度最高，麻栎对应该区域温度最低，黄花落叶松与西南桦该区域温度相当，红松与杉木温度相差无几。线激光照射在窄面10 s 时，泡桐窄面温度达到1 238.79 ℃，红松的795.362 ℃与杉木的762.084 ℃温度处于同一档，黄花落叶松和西南桦温度略低，为520.99 ℃和517.321 ℃，麻栎温度最低，为378.516 ℃。这说明在温度很高的情况下，热导系数的大小决定了树木表面温度的大小［12-14］，热导系数越小，树木的表面温度越高。

从图3中可以看出，随着激光照射过程的进行，窄面温度远超过木材的250～300 ℃的燃点，且大部分树木窄面温度在4 s～6 s 已超过400 ℃。因此，该线激光清障装置在清除树障的过程中，较细的树枝，5 s 内即已清除；直径为6 cm 的树枝15 s～30 s 可完成清除；大于6 cm 的树枝或树干视粗细与实际情况延长清障时间。

表2 线激光照射六种树木10 s时的最高温度Table 2 The maximum temperature at which a linear laser could hit six trees for 10 seconds

2.3 线激光辐照实验应力仿真实验

激光清障过程中，激光热量集中照射在树木上会导致树木上产生较大的热应力，这种应力会使得树木产生微小的变形，从仿真中可以看到，激光直接照射区域的结构位移较大，沿着两端逐渐减小［15-16］。以下为红松10 s时的应力分布云图。

应力沿树木表面的径向分布如图3 所示，该应力分布云图反应的是树木表面经过线激光照射的窄条面积上的应力分布情况。在激光加热时，仅在激光光斑的覆盖区域内热效应明显，与激光光斑的边缘位置产生很大的温差，从而产生较大的热应力。这一应力随着激光照射时间的延长而增大，有助于切断树木。

图3 线激光照射第10 s红松应力分布云图Fig.3 Stress distribution nephogram of red pine at 10 s irradiated by linear laser

在加热从1 s 至15 s 的过程中，第1 s 时的应力分布均衡，随着激光辐照过程的进行，距离窄体中心外6 mm至12 mm的范围内应力急剧升高，在两侧均出现峰值，形成驼峰形的应力分布，在中心向径向直径5 mm椭圆形区域内均为压应力，即窄条中心压应力最大。压应力在5 mm边缘转为拉应力，在整个辐照过程中，压应力值的增大都没有超过树木的抗压强度。拉应力值在向径向变化的过程中，经过两次震荡，迅速衰减为零；最大的拉应力出现在靠近窄条边缘一侧。从图3中可以看出，辐照时间达到10 s时，拉应力值达到883 MPa，超过了其抗拉强度，此时会出现树木破裂等情况［17-18］。

2.4 激光对输电导地线的损伤实验

实验采用较薄的ACSR 导体（LGJ-300/20）研究激光辐照对导体的影响。导体被放置在距离激光光源1 m 的地方，光斑大小约为16 mm，激光能量密度设置为50～300 W/cm2，照射时间为1 min。图4为照射前后导体表面的情况，能量密度为300 W/cm2用x射线谱对辐照前后的导体进行了检测。结果表明，其表面组成没有变化，微观形貌也没有变化。试验结果表明，当激光功率密度从50 W/cm2调整到300 W/cm2时，导体没有损伤。

对于架空地线（GJ-80 型）的两个样品，利用光纤激光光源在距离为1 m 的每个样品上进行3 次激光辐照实验。辐照时间为1 min，激光能量密度分别为150 W/cm2和300 W/cm2，照射前后地线外观如图5 所示，实验结果见表3。

图4 线激光照射导线前后对比图Fig.4 Before and after laser irradiation of the wire

当辐照时间为1 min时，绞合镀锌钢丝表面有一定程度的变化。通过x 射线光谱检测，地线的主要成分为Zn、Fe、Co，分别为96.155%、3.535%、0.046%。样品表面主要为Zn。150 W/cm2激光照射后，锌和铁的成分比例分别变为90.904%和8.636%，表明材料表面的锌含量降低。在300 W/cm2激光照射后，锌和铁的比例分别变为84.312%和15.392%。实验结果表明，低功率激光且辐照时间较短的情况下，激光光束对架空地线影响不大，高能量密度和长时间激光照射对架空地线表面镀锌层损伤较小［19-21］。

3 激光切割树障实验

图5 激光照射对地线的影响Fig.5 Effect of laser irradiation on ground wire

本文针对不同种类不同粗细的树木，进行了大量实验，研究激光清障的实际效果。通过实验得知，该线激光清障装置在清除树障的过程中，较细的树枝，5 s内即已清除；直径为6 cm 的树枝15 s～30 s 可完成清除；大于6 cm的树枝或树干视粗细与实际情况延长清障时间。

图6 试验布置图Fig.6 Test layout situation

在实验过程中，启动电源开关，将激光器对准距离20 m左右的树障，按下发射按钮，激光照射一瞬间，树木被点燃，被照射部分持续燃烧，逐渐深入内部。之后上下移动激光器，照射另一部分，一段时间后，树木被切断，停止发射激光，切断电源。

图7 树木切断效果Fig.7 The tree cutting renderings

4 结语

本文针对输电线路树障类型不同的特征，通过计算得到激光作用下树木的温度场和应力场数据，开展不同类型树木、不同粗细树木情况下的线激光试验，揭示线激光清除树木的机制。通过使用激光源对导地线进行照辐实验，研究激光清障方法对导地线的影响［27-30］。同时，基于线激光技术清除树木的作用原理，本文进行输电线路树障清除装置研制，装置包括高能量激光主机、能量光纤、瞄准系统、控制软件及云台组成，并且通过树木的切割实验，验证了激光清障装置可以实现远距离操作、高效率、自动完成树障清除。

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为了避免一直沉溺于如此地负面情绪和循环中，工作之余，我会更多地阅读一些心理学类书记和管理类书记，充实和疏导自己。

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