线激光清除架空线路树障时温度和效率分析

徐鑫，方春华，智李，丁璨，董晓虎，程绳，孙维，陶玉宁

(1. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2. 国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

国内架空输电线路覆盖广泛，且线路走廊多倚傍树林，树木距离架空线路过近会导致线路跳闸故障。近年来，中国林业产业发展迅速，线路通道内的树木已成为线路运行的重大隐患，由对线路通道内超过安全距离的树木放电引起的线路闪络、电网停电、林区火灾等事故屡见不鲜，给线路的安全运行带来了巨大的灾难，所以保证稳定供电是国家电力部门的首要任务。工作人员会不定期地对架空线路下树障进行清除，人工清除树障的方式花费的成本高、时间长且存在巨大的安全风险。由于高能激光清除输电线路树障时，可带电工作，无须停电，工作人员无须登高工作，在地面即可完成，消除了高空作业的风险，利用高能激光器清除架空线路树障的作业方式在国内逐渐兴起[1-3]。

高能激光被用于架空线路树障的清除工作中，而由于目前高能激光器输出的是圆形点激光，能量密度分散，并且在瞄准过程中树枝会由于微风轻微摆动，造成点激光清除树障时清除速度慢、清除效果并不理想等问题[4-7]。

线激光因其能量密度集中，在清除较粗树障时具有明显优势。线激光灼烧树木表面时会引起表面温升，达到树木的燃烧点，激光照射面会剧烈燃烧，完全燃烧分解脱落后，激光照射下一层，能量密度越大，线激光长度越长，理论上效率越高[8-11]。因此，针对线激光清除树障效率和清除机制开展研究具有现实意义。

目前，国内外激光研究发展迅速，激光温度计算数据随着仿真软件的发展进步日趋精确可靠，从而使得科研人员能够对不同的激光作用对象进行研究。文献[12]研究了激光辐照导线温升规律和温度场分布研究，以有效评估特定条件下激光辐照对架空导线损伤；文献[13]通过理论分析和试验验证，研究了异物材料和导线的激光烧蚀特性；文献[14]兼顾激光烧灼和热升温的过程，分析激光功率密度对烧蚀质量和烧蚀厚度的影响；文献[15]概括了激光武器的原理和特点，并对研究激光烧蚀机理的方法与数值模拟进行了总结。

上述文献研究了激光对导线的相关仿真与试验，但利用激光清除树障的仿真与试验的研究较少，本文考虑点、线激光切割树障的有限元模型，对不同种类、粗细的树障分析仿真对比，计算不同时刻的温度场和清障所需时间，同时进行点、线激光清除树障实验，验证清障理论与仿真结论，结合仿真与实验讨论点、线激光的清障效率问题。

1 仿真模型的建立

高能激光器发出连续激光照射在需要切割的树障上时，会出现很强的面吸收。树障作为单质且连续的介质，其内部的导热过程遵循傅立叶定律，在树障的内部任取一个体积元v，单位时间内通过其边界S传入体积元内部产生的热能之和等于该体积元物质的焓增加量。根据能量守恒定律，热传导方程可以用来研究树障内部的温度分布情况。在仿真计算中忽略折射、热传导、反射等影响，其瞬态传热方程为

式中：T为树障表面温度，是时间变数t与空间变数（xyz）的函数； ∂T/∂t是树障中某点温度对时间的变化率；ρ为树障的密度；k为树障的导热系数；c为树障的比热容；I为照射激光的功率密度；ε为史蒂夫玻尔兹曼常数，5.67×10–6W/（m2·C2）。

点激光作为面热源施加在树障上时，呈高斯模型分布加载在树障表面[16-19]。此模型切合实际，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，平面高斯热源分布如图1所示。

图1 平面高斯热源分布Fig. 1 Distribution of plane Gaussian heat source

线激光热源模型呈现窄条状分布，假设窄条状的每一点都近似呈高斯分布，则在树障表面上窄条状线热源任意一点（x，y）上的热流密度为

式中：e为树障对激光的吸收系数；r为辐射在树障上的窄条宽度；P为激光器功率。

树障模型直径为0.06 m，长度为0.15 m。采用Ansys有限元法，选取SOLID70实体热单元进行三维稳态和瞬态的热分析。初始温度设定为20 ℃，在空气对流系数为10 W/（m2·℃）的环境下，用200 W功率的线激光作为面热源加载在树木表面15 s。激光照射窄面长度为 0.03 m，宽度为 0.001 m，则热流密度为 400 kJ/（m2·s）。

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。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、导热系数、比热容3项物理量。具体参数[20-25]如表1所示。

表1 树木的物理特性参数Table 1 Physical property parameters of trees

2 温度分布特性

在点、线激光照射树木表面15 s过程中，6种树木激光照射中心温度变化情况如图2所示。

从图2可以看出，随着点激光清除过程的进行，表面中心最高温度达到了1000 ℃，远超过木材的250～300 ℃的燃点，且大部分树木表面最高温度在4～6 s已超过400 ℃。线激光表面最高温度略高于点激光，其曲线变化趋势皆一致。

图2 点激光烧灼下6种树木表面最高温度变化曲线Fig. 2 The maximum surface temperature curves of six types of trees under point laser cauterization

对于6种不同的树木，线激光照射面中心温度上升速率随加热时间的延长逐渐减缓，这是由于树木的导热系数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。在第15 s时，泡桐表面最高温度达到1259.20 ℃，红松的最高温度为798.88 ℃，略高于杉木的768.14 ℃，麻栎温度最低，为378.52 ℃。导热系数的大小决定了树木表面温度的大小，导热系数越小，树木的表面温度越高。

温度沿树木表面轴向分布见图3和图4。该距离反映的是一条经过激光照射光斑中心处于树木轴向表面的路径上的温度分布情况。其中75 mm坐标值位于激光照射中心。

图3 点激光轴向路径温度分布曲线Fig. 3 Temperature distribution curves along point laser axial path

图4 线激光轴向路径温度分布曲线Fig. 4 Temperature distribution curves alone line laser axial path

在这条经过点、线激光照射的轴向路径上，温度的分布呈高斯分布，并以激光照射面中心向两侧对称分布。因为点激光照射面大，轴向受热距离宽，所以曲线一开始呈现出温度随距离下降相对缓慢的趋势，在照射面宽度为5～10 mm的边界区域，温度急剧下降，这说明激光照射树木时，只有被照射区域温度能够达到燃点，其余区域温度一直保持在较低的温度，即仅在激光照射区域热效应明显。

当激光照射在树木表面时，忽略燃烧的影响，热量会从外表面逐渐传递至内部，从而其深度方向也出现温度变化。树木上的点、线激光照射窄面中心所在的深度方向上的温度分布截面如图5所示，6种树木上的点、线激光照射窄面中心所在的深度方向上的温度变化曲线如图6所示。热量在深度方向上传递的规律与在表面传递情况相似，在激光照射面深度为3～5 mm的区域内温度急剧下降。

图5 点、线激光灼烧深度方向温度分布云图Fig. 5 Temperature distribution cloud map in the direction of point and line laser burning depth

图6 点、线激光灼烧深度方向温度变化曲线Fig. 6 Temperature distribution curves in the direction of point and line laser burning depth

3 灼烧效率

本文中灼烧效率指单位时间内激光烧灼树木的深度。树木材料属于可燃性材料，随着激光的照射时间的延长，激光照射面会剧烈燃烧，待完全燃烧分解脱落，激光照射下一层，由表及里，进行树障的清除。采用6种树木进行点、线激光效率对比情况一致，这里以直径60 mm的泡桐为例。

点激光照射泡桐树木表面，在2 s时，树木被灼烧深度为0.85 mm，树木的最大温度达到了402.36 ℃；在 162 s时，温度达到了 417.53 ℃，此时树木已被烧穿。2 s时点激光灼烧泡桐情况见图7a），162 s时点激光灼烧泡桐情况见图7b）、图7c）。从图6可以看出，凹坑如“V”形，即随着激光照射时间的增加，凹坑在照射方向上表现为坑底深度逐渐加深，坑口筒径逐步张开，从坑底到坑口形成子弹头形的灼烧孔，即坑口孔径要大于坑底孔径。

图7 点激光烧灼树木不同时刻形态变化Fig. 7 Simulation of point laser cauterization

当采用线激光照射时，在2 s时，树木被灼烧深度为11.15 mm，树木的最大温度达到了421.5 ℃；在11 s时，温度达到了425 ℃，此时树木已被烧穿。2 s时线激光灼烧泡桐过程见图8a），11 s时线激光灼烧泡桐过程见图8b）、图8c）。其灼烧形状从轴向截面上观察，与点激光灼烧形状类似，坑口孔径大于坑底，唯一不同的是，线激光灼烧为长椭圆形，而点激光为正圆形。

图8 线激光烧灼树木不同时刻形态变化Fig. 8 Simulation of line laser cauterization

图9中，采用相同功率的激光器，计算可知，点激光平均灼烧速度为0.37 mm/s，线激光平均灼烧速度为 5.45 mm/s，线激光 11 s就灼烧穿了 60 mm的泡桐树木，而点激光需要14倍以上的时间，因此线激光灼烧的效率远远高于点激光灼烧的效率。

图9 灼烧深度随时间变化曲线Fig. 9 Curve of burning depth versus time

4 灼烧实验

4.1 实验设备和方法

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光纤激光器，最大输出功率为200 W，输出形式为点、线激光可切换，工作距离可达200 m。本文所设计的激光清障装置见图10，其中各部分构件分别为风冷连续光纤激光器、高清摄像头、控制显示平板、三脚架、云台。

图10 激光清障装置Fig. 10 Laser barrier-removal device

为了实时获取激光灼烧树木时的温度，采用红外热成像仪进行测温，采用秒表进行计时。

本实验使用直径是41.46、50.70、89.23 mm的麻栎树木作为试品，根据仿真的结果可知，在激光灼烧的过程中，热影响区域只在一个较小的范围进行，所以使用以上样品进行实验是可行的，3种样品的初始状态见图11。

图11 41.46 mm、50.7 mm、89.23 mm麻栎树干样品Fig. 11 Tree trunk samples of quercus acutissima of 41.46 mm, 50.7 mm and 89.23 mm in diameter

200 W峰值功率分别以点、线激光形式直接照射，直至麻栎烧穿为止。实验时，激光控制器、红外热成像仪、拍摄系统同步工作。

4.2 实验结果

红外热成像仪拍摄的热成像如图12所示，图12中为89.23 mm的麻栎树木在点激光照射下每隔15 s一张的热成像图，最高温度均为276 ℃，这与线激光照射时最高温度相同。

图12 热成像图Fig. 12 Thermal images

点、线激光烧穿麻栎时间如表2所示。

表2 点、线激光烧穿麻栎时间Table 2 Burn-through time of quercus acutissima by point and line laser

烧穿89.23 mm的麻栎树干，使用点激光需要120 s，使用线激光需要 14.2 s，使用点激光所需时间约为线激光的8.45倍；50.7 mm和41.46 mm的麻栎树木则为7.04倍与6.53倍，而仿真中线激光效率约为点激光的14.73倍，这是由于仿真忽略了树木的湿度等因素，造成仿真与实验的数据无法完全对应，但仍然可以得出，线激光清障的效率远远高于点激光清障的效率。

5 架空线路树障清除应用

树障与架空线路距离太近，可能造成区域性的停电事故，线激光清除架空线路树障装置对比以往清除经验，具有节省资源调配，简化部门协调，降低工作劳动力，提高作业效率，减少人力投入的优势。利用高能激光清障装置进行清障作业时，作业人员可选择交通状况良好、方便车辆通行的目标就近处进行作业，这进一步解决了传统清除方式不得不靠近树障进行作业的缺陷，且对作业人员技能水平要求不高，作业前进行简单培训即可操作。

6 结论

（1）激光照射树木时，照射面中心温升速度随加热时间的延长逐渐减缓，因为树木的导热系数随温度升高而降低，导热系数改变从而影响温升速度。（2）激光灼烧树木时，仅在激光照射区域热效应明显，其余区域温度一直保持在较低的温度。（3）采用相同功率的激光器，线激光温度始终是高于点激光，点激光平均灼烧速度为0.37 mm/s，线激光平均灼烧速度为 5.45 mm/s，线激光灼烧穿相同树木所需时间远小于点激光所需时间，说明线激光清障的效率是远远高于点激光的。