高压输电线覆冰连续激光清除系统设计与实验研究

周艺环,冯思朦,蔡 勇,王文森

(1.国网陕西省电力公司,陕西 西安 710054;2.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119;3.国网陕西省电力公司电力科学研究院,陕西 西安 710054)

1 引 言

随着西部大开发、西电东送电力发展的不断实施,我国有越来越多的高压电网分布在高海拔、峡谷、河流等多水易结冰区域,这些将会使输电线路不可避免的出现覆冰现象。高压输电线覆冰会导致线路垂度过大,过重则引起线路坠断或者线杆倒塌,绝缘子覆冰发生桥接闪络炸裂等事故,是威胁电网正常运行的一个重要因素。据不完全统计,我国自20世纪50年代以来,仅由于输电线路覆冰造成的事故就高达5000余次,出现了多区域、大面积的电网故障,对我国的经济发展造成了不可估量的损失。因此,高压输电线覆冰清除研究对我国电力系统的安全可靠运行至关重要[1-4]。

高压输电线距离地面较高,环境复杂,覆冰清除较为困难,处理不当会产生安全问题。传统的输电线路覆冰清除方法主要有热力融冰、机械除冰和被动除冰三种[5-7]。热力融冰是通过在导线上附加热源或导线基于焦耳效应自身发热除冰,磁滞损耗大,发热慢,效率低。机械除冰是采用施加外力清除导线覆冰的方法,通常需要操作者现场执行,需耗费大量人力,操作繁琐,存在很大的安全隐患,效率也不高。被动除冰则主要依靠外界自然力量如风力、温度变化、地球引力等清除覆冰,具有不确定性,可靠性也不高,无法应用于紧急情况的输电线路除冰。激光作为一种新型光源,具有方向性强、能量高、远距离非接触等优点,广泛应用于军事、工业制造、激光打标、工程结构异物清除等领域[8-9]。采用激光清除输电线路覆冰可以达到高效、安全等目的,在高压及特高压电网线路覆冰清除中具有较好的应用前景[10-13]。为安全、快捷的清除高压输电线上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,设计了基于连续激光的高压输电线覆冰清除系统,搭建实验装置,并对不同距离和不同功率下的覆冰清除进行了实验研究,取得了较好效果。

2 激光除冰原理

激光除冰主要原理是利用高能激光产生的热能使覆冰融化,即激光入射到冰层,光能被冰吸收会转化热能,从而融冰的过程。当一束激光照射在冰上,在冰中进行传播时,激光能量被吸收的规律有:

Iout=Iinexp(-αL)

(1)

式中,Iin为激光的输入光强；Iout为激光在冰中传输一段距离后的输出光强；α为冰的吸收系数,主要取决于激光波长；L为激光在冰中的传输距离。

激光在冰中传输一段距离后,冰层吸收的激光光强为:

ΔI=Iin-Iout

(2)

冰层吸收激光能量后产生的温度场T为:

(L>0)(3)

式中,ρ为冰的密度；c为冰的比热容；k为冰的热导率梯度算子；Q为其他体热源项；R为冰对激光的反射率。

若激光光斑半径为r,根据能量守恒定律,则单位时间内冰吸收激光能量后在冰内部产生的热量J与温升ΔT之间的关系为:

J=cρπr2LΔT

(4)

由式(4)可知,激光照射覆冰后为达到清除目的,则冰内部由于温升原因产生的热量应积累到一定程度,即大于促使冰融化的临界热量。

3 激光除冰系统设计

激光清除高压输电线覆冰关键时确定激光器的参数,主要时激光的功率选择和光斑直径的确定。根据物质吸收激光产生热量与激光功率之间的关系即可确定融冰所需的激光功率W为:

(5)

式中,τ为激光在冰中的透过率；η为激光能量耦合效率；t为激光照射时间。

本文中,已知纯水冻成的冰密度为0.9 g/cm3,比热容为2.1×103J/(kg·℃),假设融冰孔深20 mm,激光光斑直径为40 mm,将-5 ℃的冰加热到5 ℃左右,由式(4)可得激光融冰时冰吸收的热能为474.768 J。由文献[14]可知,波长为1060 nm的激光在冰中透过率约为0.3左右,激光能量耦合率为0.97,若照射时间为30 s,则根据式(5)可得所需激光功率约为54.38 W,即选用的激光器能量W选≥54.38 W时,则该激光器即可用于清除高压输电线上的覆冰。

当激光器选定后,激光除冰的效果在很大程度上与激光的光斑大小有关。由于激光能量多呈高斯分布,当激光传输到一定距离后,激光的光斑会发生变化,有:

(6)

式中,ω0为激光初始光斑半径；s为传输距离；λ为激光波长。

通常激光清除高压输电线覆冰时距离较近,多为10～180 m范围。 若选择激光器的波长为1060 nm,通过分析可知,当激光光束发散角为8″～10″,对应的ω0=8.8636 mm和ω0=7.0909 mm时,工作距离为10～180 m处,激光光斑直径在30 mm以内即可达到较好的除冰效果。

本文设计的高压输电线覆冰激光清除系统如图1所示,主要包括激光器、控制器、激光准直器、光纤转换头和方向调整架五部分。激光器发出连续激光经光纤转换头传输到激光准直器中,将激光形成一条光束定向发射出去。控制器主要用于控制激光器的发射功率。方向调整架可用来带动激光器在空中扫描和定位,从而实现激光在空中任意位置的精确定位和融冰操作。根据上述分析,系统中选用连续激光器为YLR-500-WC-Y14水冷型光纤激光器,波长为1060 nm,激光器最大输出功率500 W,由上述分析可知能满足融冰效果。激光准直器口径38 mm,焦距为140 mm。

图1 激光除冰系统

4 实验研究

实验前需准备好150 mm卡尺用于测量融冰孔直径和深度,30 m直尺用于测量融冰距离,0.1 s分辨率秒表用于激光融冰计时。将普通自来水冻成尺寸为400 mm×200 mm×300 mm的冰块,如图2所示,冰内部会含有少量气孔。将冰块固定在设定距离的平台上,通过控制器调制好激光功率,设置融冰的计时时间为30 s,每次融冰后测量融冰孔径和深度,记录数据。

调制激光功率,将激光束对准实验台放置冰块,照射30 s,如图3所示,可看到冰上出现锥形孔洞。当光斑直径为15 mm时,不同功率、不同距离下融冰孔深如图4所示。光斑直径为10 mm时,不同功率、不同距离下融冰孔径如图5所示。光斑直径为20 mm时,不同功率、不同距离下融冰孔径如图6所示。光斑直径为30 mm时,不同功率、不同距离下融冰孔径如图7所示。光斑直径为38 mm时,不同功率、不同距离下融冰孔径如图8所示。

图2 实验用冰块

图3 激光照射30 s后冰上的孔洞

图4 光斑直径为15 mm时不同距离不同功率下的融冰孔深

图5 光斑直径为10 mm时不同距离不同功率下的融冰孔径

由图3可以看出,本文设计的激光融冰系统能有效用于高压输电线的除冰。图4中,功率和距离相同时,功率越大,融冰孔深就越大,符合实际情况；相同功率下,距离越远融冰孔深降低,主要是因为激光传输距离增加会导致激光衰减和光斑发散,能量有所发散。

图6 光斑直径为20 mm时不同距离不同功率下的融冰孔径

图7 光斑直径为30 mm时不同距离不同功率下的融冰孔径

图8 光斑直径为38 mm时不同距离不同功率下的融冰孔径

由图5、图6、图7和图8可知,激光光斑直径较小而功率较大时,融冰孔径比光斑直径略小,激光光斑直径较大而功率较小时,融冰孔径则大于光斑直径。产生该现象的主要原因是,激光能量呈高斯分布,光斑直径越大,能量越不聚焦,则光斑直径小而功率大时,融冰时间短,融冰孔径主要由激光光斑有效作用面积决定,导致融冰孔径略小于光斑直径；光斑直径大而功率小时,融冰时间相对增加,则激光融冰时冰孔直径会慢慢扩张,导致融冰孔径略大于光斑直径。

5 结 论

高压输电线覆冰会造成线路坠断或者线杆倒塌等重大事故,是威胁电网正常运行的一个重要因素,须对其进行清除。传统高压输电线除冰方法安全性低、可靠性差、效率不高且需耗费大量人力和财力,采用激光清除输电线路覆冰可以达到高效、安全等目的,在高压及特高压电网线路覆冰清除中具有较好的应用前景。为安全、快捷地清除高压输电线上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,设计了基于连续激光的高压输电线覆冰清除系统,搭建实验装置,并对不同距离和不同功率下的覆冰清除进行了实验研究,取得了较好效果。实验结果表明,该系统能有效用于高压输电线覆冰清除,结构简单,安装调试方便,成本低,易于操作,可以满足工程实践需求。本文研究成果可为高压输电线激光清除系统的设计提供理论和实验数据。