基于Fernald计算方法的激光清扫装置的设计

吴伟文， 刘颖， 方义治， 朱子龙， 黄秉权

(广东电网有限责任公司珠海供电局，广东，珠海 519000)

0 引言

电力设备通常裸露在外界环境，其工作性能及工作状态与外界环境有直接的关系，由于长期无人清洁，其表面很容易布满灰尘等异物，尤其在潮湿的环境中，容易在设备的表面长满 “绿苔”等污秽，这些现象使得电气设备的工作性能受到直接或者间接的影响，因此，就需要一种清洁装置实现电力设备的自动化清洁。

针对上述技术问题，大量的作者对电力设备领域内的清扫装置进行了研究，比如专利号为CN201821516063.2的文献[1]公开了一种复合绝缘子智能清污装置，该装置在结构上设置承载驱动装置、升降装置和清扫装置，虽然在一定程度上实现了电气设备的清扫功能，提高了电气设备的利用效率，但是障碍识别难度大。专利号为CN201720833959.2的文献[2]公开了一种复合绝缘子清洗装置，该装置在结构上包括预喷淋系统、毛刷清洗系统、清水喷淋系统和风干系统，虽然能够使电力设备表面上的灰尘及杂质被有效地清除，但仍旧无法实现故障信息的智能化识别。

针对上述技术的不足，本研究探讨一种新型的激光清扫装置，能够实现电力设备表面故障物体的自动化、智能化识别，实现电力设备正常运行运行过程中的维护。

1 清扫装置技术原理架构设计

在本研究的技术方案设计中，装置在硬件结构上包括升降操控部分、控制主机部分、光学系统部分等关键部件[3]。升降操控部分包括移动底座(拖车)、绝缘升降台、电机导轨丝杆、激光清洗出光组件固定及俯仰调整台等。该模块能够控制升降台、电机导轨丝杆的工作，其中的控制主机部分包括主控制器、材料参数调节设定组件、激光器控制组件、反馈式焦距调节组件、镜头温度控制组件、视频监视组件、电源模块等。光学系统部分包括激光光源、光纤耦合组件、导光光缆、激光清洗出光组件等[4]。通过上述模块的配合能够实现清扫装置的自动化、智能化控制。其硬件结构示意图如图1所示。

图1 硬件结构示意图

下面结合图1，对本研究的硬件结构进行详细说明。

在升降操控部分设计中，升降操控部分的设计尺寸为 30 cm×30 cm×330 cm(整体收缩后高度180 cm，顶部圆形固定台面直径30 cm)，可通过连接绝缘支撑杆(2 m)最高升至530 cm，另外移动底座(拖车)高度约20 cm，顶部平台分层安装后激光出光口距离平台高度约50 cm，综合起来激光出光口离地高度可到600 cm[5]。通过上述方式的设置，本研究的方案能够适用于6 m高的设备清扫。该部分在顶端正中心位置采用分层结构安装旋转结构、电机、电源、激光清洗组件等。在升降台移动过程中，升降台处于收缩状况，收缩状态下整体高度180 cm左右，在路面不平、坑洼地方升降台不会发生倒塌现象；在升降台移动至操作地点时，操作地点不平整，可通过调整升降台底部4根螺杆实现水平，螺杆可调整范围0～10 cm[6]。

在控制主机部分中，关键部件包括起控制作用的主控制器和材料参数调节设定组件、激光器控制组件、反馈式焦距调节组件、镜头温度控制组件、视频监视组件、电源模块等7大子系统，控制架构示意图如图2所示。

图2 设备整体架构示意图

主控制器包括操作端控制器和激光头控制器2部分，2个控制器都采用ARM或单片机作为CPU，相互之间以光纤作为传输通道，采用ModBus通信协议，操作端控制器连接材料参数设定系统和激光器控制系统，扫描端控制器连接反馈式焦距调节系统[7]、镜头温度控制系统和视频监视系统。激光器控制系统主要包括激光脉冲驱动控制、激光状态监测2部分，其中激光脉冲驱动系统由CPLD[7]产生，激光状态监控由操作端控制器采集，并在触摸屏上显示。反馈式焦距调节系统设计采用高速激光测距模块对激光出光处至待清扫的对象距离进行实时的测量，将距离数据反馈给扫描端控制器，实时动态调整变形镜片组的焦距，实现激光的焦点始终作用在待清扫对象上[8]。镜头温度控制系统设计，将多个PTC元件制冷面集成到镜头传热集中点隔圈镜筒外侧，PTC发热面通过散热器连接激光扫描头的外壳，以整个金属外壳作为散热面，同时配有风扇散热。

光学系统部分主要由激光光源、光纤耦合组件、导光光缆、激光清洗出光组件组成。该光学系统在工作时，激光器启动工作状态，输出激光光束，发出的激光通过光纤通道，将接收到的光输送至激光耦合镜头，通过该镜头对输出的激光进行耦合处理。耦合后的激光输出至激光整形聚焦系统，通过激光整形聚焦系统对其接收到的激光束进行整形、聚焦等处理。然后将该激光束输送至振镜系统，振镜系统对接收到的光进行振动处理，振动处理后的光经由出光单元被射在待清洗的电力设备上。通过上述工作原理，电力设备上的污染物由于照射原因，在很短的时间内聚焦，并将电力设备上的污垢通过振动—熔化—蒸发—燃烧等具体步骤，其间发生物理或者化学反应，将其上的污垢降解，基材则直接将激光反射出去而不被损伤，实现对电力设备的清洗。

2 激光清洗方案

通过激光清洗技术实现电网电路的故障清扫，该技术采用了回波传播技术和能量传递技术实现故障的定位。在输电线路中，复合绝缘子长期暴露户外，其上的污垢表现形式不一，通过激光雷达探测输电线路区域上的故障[9]。图3为激光探测方案示意图。

图3 激光探测方案示意图

下面结合图3对激光探测原理进行说明。首先通过构建方程，检测出电网电路中存在的污物，通过激光投射情况反应出污物大小。其中，激光投过污物的方程为

(1)

式中，假设在清洗装置中设置的激光器输出的光束波长定义为λ0，波长的宽度定义为τ，经过准直镜后，波长光束反射到外界，使得电网中的污物被穿透，激光在穿透污物的过程中，能量逐步被散射[10]并逐级衰减，最终被激光光学体系中一般分面积接收。根据式(1)可以进行以下解释：P(z)表示激光探测方案中光学器件收到的光学功率值；z表示距离污物的长度；P0表示清洗装置中激光光束的发射功率；c表示激光光束输出的光速；τ表示清洗装置中激光束产生的脉冲宽度；β(z)表示清洗装置中激光光束后向进行激光散射的系数，该系数通过人工设置；A(z)表示清洗装置中激光光束投射污物后接收机显示的有效面积；α(z)表示激光光束投射污物后的激光能量被衰减后的消光系数，α(z)在应用过程中为未知数，具体计算过程中可以参考人工设置方法。然后启动Fernald算法模型[11]即式(2)：

(2)

式中，α为污物密度，下角m为污物存在环境下的大气分子。式(2)表示激光探测过程中出现的回波信号与电网电路中待清洗污物存在的光学性质之间的函数关系式。该函数关系式中未知数通过常规工作经验得出。

在式(2)中，βm(z)表示污物分子被投射后的散射系数，βa(z)表示污物被投射后的散射系数，αm(z)、αa(z)分别表示消光系数。βa(z)和αa(z)可以通过Fernald计算方法，计算式可以记作：

(3)

通过式(3)可以进而获取βa(z)和αa(z)之间的关系式。在实际计算工作中，假设给予一定的赋值，则存在以下关系式：

(4)

为了进一步量化本研究方案，假设激光器的波长介于532 nm至1 064 nm之间，令S1在40至50之间进行取值，则激光投过污物后的散射系数βa(z)和消光系数αa(z)通过以下关系式表示：

(5)

(6)

式中，λ=532 nm，则污物被投过后，存在的散射系数与消光系数之间的比值取值为50，则有S1=50。其中：

αa(z)=50βa(z)

(7)

通过上述方程，根据电网线路中污物存在情况，能够获取污物大小，进而采用适当的措施进行清洗，提高了污物定位和清洗能力。

3 试验分析及结果

下面对上述清除污垢的试验过程进行说明，启动的软件为COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，该软件能够模拟清洗污垢的各种不同物理过程，该软件具有较强的计算性能和多物理场直接耦合能力。COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台如图4所示。

图4 COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台

系统工作时通过PC电脑接入进行控制，其界面如图5所示。

图5 系统工作控制界面

在仿真时，设置一个三层材料的三维饼状圆柱体来模拟所研究的清洗模型，横截面半径是25 mm，最上层空气层为5 mm，污秽层厚度随污秽等级而变化(比如CaSO4等)，底层硅橡胶HTV为10 mm。

在清洗过程中，需要在绝缘材料容许的情况下设计恰当的激光作用来得到足够的清洗速度，以满足效率要求。以典型污秽CaSO4为例子，研究在激光作用下温度应力场分布情况。仿真时的模型条件：激光功率为70 W、90°入射、光斑半径1 mm、污秽厚度为20 μm、激光作用时间0.2 s。其中单层CaSO4污秽计算结果的三维温度、应力、位移分布图分别如图6所示。

(a)三维温度

激光是高斯光束，垂直入射时在{x,y}平面内光斑圆形对称，所以径向切面上的分布可代表全部信息。激光入射对材料进行加热，热传导导致温度变化和热应力的产生。

表1为在功率70 W、T0=0.2 s下，各污级清洗效果参数。

表1 清洗效果参数表

通过表1的设置，然后利用激光技术分别以不同角度入射CaSO4表面，并计算其参数结果。计算结果如表2所示。

表2 不同角度入射CaSO4表面计算结果示意表

然后再以不同角度入射SiO2表面，则输出的计算结果如表3所示。

表3 不同角度入射SiO2表面计算结果

两种单成分污秽的温度、应力结果具有类似的规律，激光从90°到30°入射过程中，可以明显看到激光在污秽表面光斑从圆形拉长，光斑面积变大，单位面积激光能量降低，温度应力都随之下降。

在污秽抗拉强度值以上的区域宽度既有可能增加，也有可能减小。上述实验说明，本研究的方法具有较好的技术效果。

4 总结

本研究针对现有技术的不足，设计出一种新型的清扫装置，该装置通过关键技术设计实现了不同电网线路故障清扫。本研究采用回波传播技术和能量传递技术实现故障的定位，通过激光定位技术实现待清扫故障信息的定位，实现了障碍物清扫，通过COMSOL Multiphysics对复合绝缘子的激光清扫污秽过程进行了充分的仿真计算。本研究具有一定的技术优势，但是上述实验过程中仍旧会出现诸多问题，这需要进一步研究和探索。