变电站隔离开关激光带电清污技术分析及应用

■ 文/甘 徐 李 涛 贾 恒 浦汉辉 滕柏坚

在电力系统中，采用了数量较多的隔离开关设备，是变电站中的重要一次设备。户外用隔离开关设备在长期的运行过程中，会遭受到雨、风沙、雪等各种天气的影响，隔离开关设备中的金属导电部分易发生锈蚀，进而导致隔离开关的接触电阻增大，这样就增加了电能在传输过程中的损耗。随着激光清洗技术的发展以及在实际应用中经验的积累，可以将激光清洗技术引入对变电站隔离开关设备污秽的清扫中。本文系统介绍了变电站隔离开关激光带电清污技术，该激光带电清污技术可以用于多种不同电压等级的变电站中，对于提高变电站隔离开关的安全稳定运行水平具有一定的价值。

1 隔离开关设备的激光清污技术

1.1 隔离开关设备激光清污的基本原理

采用激光清污技术，是利用激光和附着在物体上的物质相互作用，包括发生化学反应和物理反应，进而将污秽加以清除。污秽和附着物体之间存在着一定的结合力，这个力主要表现为存在共价键、静电力以及双偶级子等，其中静电力的破坏存在一定困难。而采用激光清污技术，就是充分利用激光的高亮度性能，破坏隔离开关设备和污秽之间的作用力，但在清污的过程中，不会对设备产生损伤，图1为激光清污的基本原理示意图。

图1 激光清污的基本原理示意图

从图1可以看出，隔离开关设备上附着的污秽粒子在吸收了激光的热量之后，就会发生膨胀而破裂，进而能够克服隔离开关表面上的吸引力，从隔离开关上脱离。由于激光在隔离开关上的作用时间很短，并且能在短时间内爆发出较大的冲击力，使得污秽粒子能够具备足够的加速度从隔离开关表面摆脱吸附作用。同时，隔离开关设备中的污秽分子在接收到激光的照射作用之后，会因为受到高温而发生分解，使得设备上附着的污染物质在较短的时间内蒸发或气化。

1.2 激光的脉冲调频技术

如今，激光清污技术已经能够应用在多种不同的场合中，并且能够用来清除多种不同类型的污秽。特别是采用基于脉冲调频的激光清洗技术，能够非常方便地应用在实际的生产中，优化对隔离开关设备的清污工艺技术。在脉冲调频技术中，发射信号如图2所示。

图2 信号的调制规律

从图2中可以看出，在发射波形中共可以分为A、B、C等3 段，可以采用正斜率、负斜率和恒定频率等3 种不同的调频方式。图中的T 为脉冲的重复周期，调频周期为3 个脉冲周期。为了形成脉冲调频波，主要可以按照两个步骤来进行：一是对连续的波形采用三角波进行调频，二是开展脉冲调制。通过改变在单个调频周期内所具有的脉冲个数，就可以达到调节脉冲宽度的目的。采用基于脉冲调频的激光清污技术，还可以改善电力生产环境，不会对环境造成二次污染，也可以降低化学溶剂对隔离开关清污人员造成的伤害。

2 变电站隔离开关激光带电清污技术

2.1 激光带电清污系统的设计

隔离开关激光带电清污技术是一种绿色环保的清污技术，在实际清污中具有明显的特点。首先在使用的过程中，不需要另外使用任何化学药物，清污完成后产生的废料也只是一些固体粉末，容易回收存放。并且由于粉末体积小，也容易整理，不会对变电站的环境造成任何的污染。同时采用隔离开关激光带电清污技术，可以与机械手技术相互配合，远距离清洗隔离开关中的一些隐蔽位置或者是危险部位。并且在清污的过程中，由于操作人员和隔离开关设备保持了安全距离，可以确保操作人员的人身安全，图3为激光带电清污系统的设计方案。

图3 激光带电清污系统的设计

在图3的隔离开关激光带电清污技术方案中，计算机控制系统和光纤激光器直接相连，实现对光纤激光器重要参数的直接控制，同时能够根据清污中不同污秽与激光功率及频率输出参数调整数学模型，动态调整激光的功率及频率，使得清污装置能够清除隔离开关上多种不同类型的污染物。并且通过调整清污装置中的激光功率及频率，还可以做到有选择性地清洗隔离开关表面上的污染物。聚焦镜的频率可以选择160mm，这样就可以取得较好的聚焦效果。虽然隔离开关带电清污装置在初期投资成本上相对较高，但一旦开发好就可以长期使用，并且可以实现自动化操作，故从长期来看运行成本很低。

2.2 激光的扫描方式选择

激光的扫描方式选择也是在激光带电清污系统设计中的关键内容，激光扫描一般采用二维扫描的方式，扫描路径如图4所示，包括单向填充、双向填充、环形填充以及优化填充等几个不同的填充方式。在实际的清污过程中，选择不同的填充方式，会对隔离开关的清污效率产生直接影响。

图4 激光的扫描路径

在单向填充方式中，激光光斑经过的轨迹为直线，通过将扫描振镜进行旋转，使得光斑回到下一个扫描起点。在双向填充方式中，当某一条直线扫描轨迹完成后，就关闭激光并开始纵向位移，以相反的方向进行扫描，重新将激光打开。在环形扫描中，当某一条直线扫描轨迹完成后，不需要将激光关闭，直接进行下一次的扫描。优化填充和环形填充存在类似之处，不同之处在于激光扫描所经过的路径差异。

一般而言，采用优化填充的方式，在激光清污的过程中所花费的时间最短，清污的效率最高，并且光斑的排列也较为整齐，同时清污的质量也较高，适合用来对隔离开关进行清污。

2.3 激光清洗头的设计

在激光带电清污系统中，激光清洗头是关键组成部分，主要包括隔离组件和振镜组件等，图5为激光清洗头的3D设计图。在振镜中包括外壳、底座、场镜、扫描镜、保护罩等，并通过螺丝和螺纹的方式固定连接。在隔离组件中，包括手柄、固定器、保护罩、铝板等，以便保障激光清洗头在使用过程中的安全。

图5 激光清洗头的3D设计图

该激光清洗头的重量较轻并且方便进行拆卸，结构相对简单。在使用的过程中，也有一部分激光束会转换成为声波，这部分声波当受到污秽较硬的表层之后会发生反射，并与入射声波相互发生声波干涉，从而产生能量较高的共振声波，使得隔离开关上的污秽发生振动粉碎，进一步脱离隔离开关。故激光带电清污技术在应用的过程中，应严格把握并控制好激光的波长以及能量密度，否则容易会损伤隔离开关的基体，图6为激光清洗头的实物图。

图6 激光清洗头的实物图

由于激光具有亮度高，并且方向性强的特点，能够在较短的时间内将能量集中在一个狭小的区域内，这样就可以使得激光和污秽之间相互作用，达到清污的目的。由于隔离开关基体和隔离开关表面上所附着的污染物对激光能量的吸收系数存在着较大的差别，可以通过调整激光的波长，使得激光能量大部分都被隔离开关上的污秽所吸收，从而使得污秽膨胀或蒸发。

3 变电站隔离开关激光带电清污技术的应用

利用变电站隔离开关激光带电清污技术，可以开发激光带电清污装置，以满足技术的实用化应用需求。在激光带电清污装置中，包括激光器、控制系统、操作机构、供电系统、光学传输系统等。隔离开关激光带电清污技术在实际的应用中，应合理设计脉冲激光非接触式带电清污技术指标，这样就可以根据这些指标来指导实际的隔离开关清污操作。此外，应保证激光带电清污装置具备可移动性和高度自动化功能，这样就方便对变电站中各个位置的隔离开关进行清污。

同时，利用脉冲调频技术，可以改变激光的频率，为了分析不同频率激光的清污效果，需要对不同功率密度和频率的激光清污效果进行对比，各激光参数如表1所示。

表1 不同激光的参数

对于不同频率激光的清污效果，如图7所示。对变电站隔离开关采用激光带电清污技术清洗污秽，清污效果好，可以做到无接触式清洗。激光在清洗的过程中，会在短时间内形成等离子气体，进一步产生冲击波将隔离开关设备上的污秽或者是氧化层击碎。

图7 不同激光频率下的清污效果

图7a 虽然清洗干净，但有被二次氧化的痕迹。图7b 和7c 既清洗干净，又没有被氧化。图7d 和7e 清污不够彻底，表明所用激光的频率对清污效果具有直接的影响，频率不能过大，也不能过小，需要根据污秽物的具体情况加以选择。采用激光清污，可以将隔离开关设备上的氧化层清除得较为干净，使得设备上的氧化层厚度得到明显的降低。随着激光带电清污技术在实际中应用经验的积累，今后在更多的电力企业中将会采用激光带电清污技术，提高电力企业对隔离开关的运维技术水平。

4 结语

为了提高变电站中隔离开关设备运行的稳定性，降低电网在运行过程中所存在的风险，有必要对变电站隔离开关激光带电清污技术加以推广应用，提高对隔离开关设备的清污效率和清污质量。本文所分析的变电站隔离开关激光带电清污技术，对于推动电网企业在电力设备运维方面的技术转型升级具有重要的价值和意义，在实际应用中也取得了较好的效果，提高了电网企业的经济效益。