线激光清除输电线路树障温度场和应力场分析

2021-07-19董晓虎方春华

湖北电力 2021年2期

关键词：清障温度场树木

吴军 1，程绳 1，董晓虎 1，范杨 1，林磊 1，方春华，徐鑫

（1.国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北武汉 430050；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

当树木靠近输电线路，会导致跳闸、短路等现象发生。树障一直是阻碍输电线路安全运行的最大隐患。为了保障稳定供电，国家电力部门工作人员会不定期修剪树枝，清除树障。传统的清障方式采用电锯进行登高清除，这种方式存在触电、登高等安全隐患。

近年来，利用高能激光器清除输电线路树障的作业方式逐渐普及［1-3］，激光由于其能量集中，可远距离进行作业，不导电等特性，特别适合于在地面远距离对架空输电线路树障进行清除。而线激光具有独特的优势，切割效率更高［4-9］。

目前国内外针对激光在电力行业的应用研究有很多。文献［10］通过理论分析和多物理场有限元仿真，分析研究了激光作用下的导线局部温度变化和温度场分布，讨论激光装置在异物清除时，是否可能引起导线局部温度升高，局部损伤导线或影响导线正常运行。文献［11］采用有限元分析软件ANSYS对激光与普通瓷、氧化铝瓷、氧化锆瓷、堇青石瓷作用后的温度场和应力场进行了数值模拟，得到氧化铝瓷具有较好的抗热应力破坏性能，并进行了Nd：YAG连续激光照射绝缘子表面实验，得到绝缘子表面温度与照射时间和损伤类型的关系。文献［12］忽略材料的光穿透效应、热扩散效应以及温度变化对材料物理参数的影响，用ANSYS有限元法对脉冲激光线源照射瓷质绝缘子时引起的瞬态温度场进行了数值模拟，得到了特定功率激光作用下瓷质绝缘子的瞬态温度场分布及温升范围，并得到了不同位置节点温度随时间的变化关系及同一时刻沿轴向和径向路径节点温度的分布曲线。

上述文献研究了激光针对导线、瓷绝缘子进行照射讨论是否有损伤等问题进行研究，并进行了温度场等研究。目前，采用激光技术清除树障的研究较少。本文通过Ansys进行线激光清除树障温度场和应力场的仿真，计算研究温度及应力分布规律，同时进行线激光清除树障实验，验证线激光清除树障的可行性。

1 仿真模型的建立

“树线矛盾”一直是电力系统所重视的问题，能够成为树障的树木通常为乔木［13-15］。本文分别对红松、杉木、黄花落叶松、西南桦、泡桐、麻栎6类树种进行仿真实验。树木实物图见图1。

图1 树木实物图Fig.1 Physical picture of trees

树木仿真模型的结构如图2。

图2 树木仿真模型Fig.2 Tree simulation model

本仿真重点为研究激光对树木的作用机理，为使得模型更符合实际，本文采用的仿真模型模拟的树木尺寸为：直径0.06 m，长度0.15 m，建模时严格按照尺寸建模。

仿真热源采用平面高斯热源模型［16-19］，见图3。此模型更加切合实际，它是将热源能量按高斯函数分布在一定半径的圆内，从而模拟光斑热量分布为中间高、边缘低的特征。

图3 平面高斯热源模型Fig.3 Plane gaussian heat source model

激光在大气中传播时，其衰减水平受到环境因素的制约，包括大气的组成成分、各组分的浓度分布、温湿度、大气压强以及气溶胶的特性。特别是激光在受到大气中大气分子和气溶胶的散射和吸收时，激光能量将会急剧下降，波长为1 064 nm的激光在大气中的衰减系数较小，发射该波长的连续光纤激光器技术成熟、工作可靠，其被广泛应用于激光测距，制导以及国防军事上的光电对抗领域，激光的大气透过率是描述激光传输特性的重要参数。

63880部队的陈前荣博士后根据实际需要，利用FASCODE计算了1 064 nm激光在中纬度地区夏季条件下的激光透过率，并利用计算的3万条数据建立了1 064 nm激光的大气透过率数据库，并将其运用到激光制导武器作战以及光电对抗仿真课题的研究汇总。解决了实时计算存在的耗时高、实时性差的问题，其得出的10 km能见度内不同斜程透过率曲线见图4［20-24］。

从图4中可以看出，对于图中每一条曲线，体现出仰角越大，激光的透过率越高的趋势。当距离在0～1 km范围时，仰角对激光的透过率几乎没有影响。斜程为1.5 km是仰角对激光透过率产生不同影响的分水岭。对于激光清除树障而言，其选择的距离小于200 m，这也是本文设计的激光清除输电线路异物装置选用光纤激光器的有效工作距离，而该距离对应的激光透过率为0.98。可见，激光在用于清除异物的环境下，其能量损失是可以忽略的。

本文使用ANSYS热分析，考虑一个较为全面的环境，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。激光作为平面热源施加在树木的表面以模拟激光照射在树木上。设置树木的初始温度为20℃。对6种树木的属性，即在国际单位制下分别赋予其密度、热导系数、比热容3项物理量。6种树木的密度、热导系数、比热容的参数［25-31］列于表1。

表1 树木的物理特性参数Tabble 1 Physical characteristic parameters of trees

木材的比热容基本上不受树种的影响，约为2 400 J/kg·℃。

2 温度场特性分析

激光照射树木时，对红松、杉木、黄花落叶松、西南桦、泡桐和麻栎6种树木进行仿真研究。红松、杉木、黄花落叶松、西南桦、泡桐和麻栎6种树木的温度分布曲线图如图5。

图5 温度分布曲线图Fig.5 Temperature distribution curve

由图5可知，对于6种不同的树木，激光照射中心点温度上升速率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。

激光清除不同种类树木的温度有所不同，第10 s时红松、杉木、黄花落叶松、西南桦、泡桐和麻栎6种树木的温度分布云图如图6。

由图6可知，在第10 s时，红松窄面中心温度达到2 023.28℃，这一温度由窄面沿着表面逐渐降低；泡桐激光照射中心点温度最高，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。

图6 6种树木第10 s时表面温度分布云图Fig.6 Cloud chart of surface temperature distribution of six kinds of trees at 10 s

3 应力场特性分析

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。红松、杉木、西南桦、黄花落叶松、麻栎、泡桐10 s时的应力分布云图见图7。

应力沿树木表面的径向分布如图7所示，该距离反应的是一条经过线激光照射窄条上路径上的应力分布情况。在激光加热时，仅在激光光斑的覆盖区域内热效应明显，在激光光斑的边缘位置树木表面温度变化剧烈，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7 6种树木第10 s时表面应力分布云图Fig.7 Cloud chart of surface stress distribution of six kinds of trees at 10 s

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5mm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。从图中可以看出，辐照时间达到10 s时，拉应力的值达到了883 MPa，超过了其抗拉强度，此时会出现树木断裂等情况。

4 激光清除树障实验

利用激光优良的热效应，选择合适的激光参数，使用对树障进行清除是完全可行的。激光清障装置选用风冷连续激光器，最大输出功率为200 W，输出形式为线激光，线激光光斑约为0.001 m×0.03 m的长方形窄条，工作距离可达200 m。实验装置操作图见图8。

图8 实验装置操作图Fig.8 Experimental layout

针对不同种类不同粗细的树木，进行了大量的实验，研究激光清障的实际效果。激光清除树障烧蚀过程见图9。

图9 激光清除树障烧蚀完整过程Fig.9 Complete ablation process of laser clearing tree barrier

激光照射树木时，激光能量被树木吸收，树木吸收了激光的热量，自身温度逐渐升高，产生大量的可燃性烟雾，随即树木温度到达燃点，发生燃烧现象。随着时间的推移，激光照射区域温度持续上升，该区域木材剧烈燃烧，发生碳化现象，木材木质结构强度降低，一段时间后，树障由于被照射出木质结构强度逐渐小于自身重力，无法继续支撑树障，树障掉落，达到清除树障的目的。激光清除树障烧蚀效果图见图10。