輸電線路上異物的激光遠程清除裝置及方法研究

姜文東，王笑棠，初金良，葉吉超，徐恩和

（1.國網浙江省電力公司，杭州 310000；2.杭州聚順科技有限公司，杭州 310000）

激光遠程消除裝置在輸電線路異物清除上具有重要性應用地位，在整個裝置研發過程中，通過實際線路異物類型，結合導線安全規程要求，研究出熔塑料膜及雜物的裝置，根據激光的能量高、方向性好的特點，將適當能量的激光束照射到遠處高壓線異物上，使其完全灼燒，或者將纏繞在高壓線上的部分燒毀使之掉落。

本項目基于上述設想，對架空線路異物、導線在激光輻照下的特性進行了研究，針對研究結果，研制了大功率可控紅外激光發生及智能控制單元，形成了可用于遠程異物激光清除的電網異物激光清除器，并進行了現場模擬實驗和帶電線路實際消缺試用，實驗和試用結果證明，該設備能夠對架空線路異物進行快速安全的帶電清除，具有創新性和實用性。對于高壓輸電線路的安全運行和管理具有重要性保障意義。

1 輸電線路異物激光遠程消除需求分析

輸電線路架設在整個電力傳輸控制體系構建中占據著重要的位置，輸電線路分布點多面廣，地形復雜，環境惡劣，在運行維護過程中經常發現風箏等異物纏繞導、地線，嚴重的會引發相間短路，造成停電事故，垂落的異物和燒斷損毀的導線還有可能造成人畜傷亡，極大威脅到供電安全。

目前主要依靠一些傳統的方法清除異物，這些方式不僅成本高、耗時長，而且對人員和設備的要求極高，還具有極大危險性，面對各種輸電線路異物，亟須一種安全、可靠、方便快捷的異物清除裝置。

2 常見異物材料的激光燒蝕性能

在試驗過程中，當激光達到一定的功率密度后，功率密度越高，需要的輻照時間越短，功率密度越低，需要的輻照時間越長，激光輻照物體時，會被反射、吸收、透射，而最終作用于物體的能量，是被物體吸收的部分，因此反射和透射的越少，被吸收的能量越多。異物材料的多樣性，使得光熱作用也會不同，淺色表面對光具有更強的反射作用，對激光的吸收率較小，測試出來的最小功率密度更具有普遍適用性。

式中，W為輻照表平面的激光總功率；R為光斑半徑。由公式可以看出，激光功率密度與功率成正比，與光斑大小成反比。激光光束發射的距離越遠，光斑發散越大，功率密度越小，因此在遠距離處光斑半徑與距離的關系為 ：θ=2λ/（πw0）=2w（z）/z

激光器從運行方式上分為連續激光器和脈沖激光器。本項目中對脈沖激光燒蝕異物的性能進行了一定研究，目的是為了測試其燒蝕效果是否比連續激光器更好，從而選擇最優的激光光源，經過試驗可以看出，連續激光的作用效果要強于脈沖激光，高重復頻率脈沖激光效果優于低重復頻率的激光作用效果。

3 架空線路主體部件激光耐受特性研究

輸電線路主體部件主要是金屬導線、地線、橫擔、熔絲、避雷器、絕緣子等，激光清除異物的過程中，存在激光直接照射主體部件的可能性，因此，需要對架空線路主體部件的激光耐受特性進行研究，確定各部件是否能夠經受激光的輻照，從而確定激光清除異物的適用范圍。通過試驗得知，激光對瓷、玻璃和復合絕緣子均可造成損傷，因此為了架空線路設施的安全，對于桿塔上纏繞絕緣子的異物，不宜采用激光直接輻照清除，如有需求，應考慮精確控制激光光束避開絕緣子。

實驗表明，近距離位置未整形激光光束功率密度較大，導線被輻照后，電阻率變化非常小，遠距離下清異激光功率密度較低，對單股導線的電阻率和最大拉伸力等性能幾乎沒有影響。因此，可以認為電網異物激光清除器所發射的激光，對架空導線影響有限，不會對造成導線實質性損傷和性能衰減，對導線是安全的。

4 輸電線路異物激光遠程消除裝置研究

輸電線路異物激光遠程消除裝置的應用中有很多的部分構成，整個裝置的構成有以下幾部分：一是激光光源系統，光纖激光器具有體積小、效率高、光束質量好等優點，而且光路通過光纖輸出，可以很靈活的設計整個系統，是理想的異物清除光源。二是光束準直系統，激光光束傳輸到遠距離時由于光束發散，會造成光斑面積增大，功率密度降低的情況，而且光在空氣中傳輸會因為吸收、散射等因素造成能量損耗，因此要進行遠程異物清除，需要對激光光束進行處理。三是瞄準系統，由高精密數控云臺、電子望遠鏡式瞄準鏡和可見指示光系統組成，四是控制系統，要求對整個系統進行控制，包括激光器控制、供電系統控制、冷卻系統控制、云臺控制、望遠調焦控制，并與安全控制系統相互配合。

5 輸電線路異物激光遠程消除步驟

輸電線路異物激光遠程消除裝置的應用中，形成電網異物激光清除作業指導書和操作規范，確保激光清除裝置發揮實效。整個清除步驟為：

（1）根據現場觀察并確定異物的位置和所在方向，鎖定目標位置和清除角度，并做好現場的安全管理。

（2）將激光裝置進行固定，設定好對應的功率和發射角度，保障出光路徑中無遮擋，利用控制手柄進行瞄準并微調。

（3）按照作業指導書逐步進行開機和出光操作，完成異物清除。

激光清除示意圖如圖1所示：

圖1 輸電線路異物激光清除示意圖

6 結束語

基于項目理論和實驗研究成果，以光纖激光器為核心，設計了光源系統，并設計光束準直系統對光纖激光進行整形，使其可發射到更遠的地方，瞄準系統采用基于精密云臺和長焦攝像機的瞄準方式，可實現遠程目標的望遠觀察和精確切割。基于物聯網和控制技術，設計了安全管理控制系統方案，為下一步實現激光清除器的推廣提供了技術積累。通過不斷地研究和嘗試，在模擬實驗和現場消缺應用中，逐步積累經驗，研制出功能滿足預期的電網異物激光清除裝置（如下圖2所示）并形成電網異物激光清除作業指導書和操作規范，確保激光清異設備發揮實效，項目的研究成果可為電網線路巡檢工作提供有效的技術支撐，有助于提高異物清除效率，降低工作風險和勞動強度，解決電網異物清除困難的問題，提升電網異物清除智能化水平。

圖2 電網異物激光遠程清除裝置