高壓輸電線覆冰連續激光清除系統設計與實驗研究

周藝環,馮思朦,蔡 勇,王文森

(1.國網陜西省電力公司,陜西 西安 710054;2.中國科學院西安光學精密機械研究所,陜西 西安 710119;3.國網陜西省電力公司電力科學研究院,陜西 西安 710054)

1 引 言

隨著西部大開發、西電東送電力發展的不斷實施,我國有越來越多的高壓電網分布在高海拔、峽谷、河流等多水易結冰區域,這些將會使輸電線路不可避免的出現覆冰現象。高壓輸電線覆冰會導致線路垂度過大,過重則引起線路墜斷或者線桿倒塌,絕緣子覆冰發生橋接閃絡炸裂等事故,是威脅電網正常運行的一個重要因素。據不完全統計,我國自20世紀50年代以來,僅由于輸電線路覆冰造成的事故就高達5000余次,出現了多區域、大面積的電網故障,對我國的經濟發展造成了不可估量的損失。因此,高壓輸電線覆冰清除研究對我國電力系統的安全可靠運行至關重要[1-4]。

高壓輸電線距離地面較高,環境復雜,覆冰清除較為困難,處理不當會產生安全問題。傳統的輸電線路覆冰清除方法主要有熱力融冰、機械除冰和被動除冰三種[5-7]。熱力融冰是通過在導線上附加熱源或導線基于焦耳效應自身發熱除冰,磁滯損耗大,發熱慢,效率低。機械除冰是采用施加外力清除導線覆冰的方法,通常需要操作者現場執行,需耗費大量人力,操作繁瑣,存在很大的安全隱患,效率也不高。被動除冰則主要依靠外界自然力量如風力、溫度變化、地球引力等清除覆冰,具有不確定性,可靠性也不高,無法應用于緊急情況的輸電線路除冰。激光作為一種新型光源,具有方向性強、能量高、遠距離非接觸等優點,廣泛應用于軍事、工業制造、激光打標、工程結構異物清除等領域[8-9]。采用激光清除輸電線路覆冰可以達到高效、安全等目的,在高壓及特高壓電網線路覆冰清除中具有較好的應用前景[10-13]。為安全、快捷的清除高壓輸電線上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,設計了基于連續激光的高壓輸電線覆冰清除系統,搭建實驗裝置,并對不同距離和不同功率下的覆冰清除進行了實驗研究,取得了較好效果。

2 激光除冰原理

激光除冰主要原理是利用高能激光產生的熱能使覆冰融化,即激光入射到冰層,光能被冰吸收會轉化熱能,從而融冰的過程。當一束激光照射在冰上,在冰中進行傳播時,激光能量被吸收的規律有:

Iout=Iinexp(-αL)

(1)

式中,Iin為激光的輸入光強；Iout為激光在冰中傳輸一段距離后的輸出光強；α為冰的吸收系數,主要取決于激光波長；L為激光在冰中的傳輸距離。

激光在冰中傳輸一段距離后,冰層吸收的激光光強為:

ΔI=Iin-Iout

(2)

冰層吸收激光能量后產生的溫度場T為:

(L>0)(3)

式中,ρ為冰的密度；c為冰的比熱容；k為冰的熱導率梯度算子；Q為其他體熱源項；R為冰對激光的反射率。

若激光光斑半徑為r,根據能量守恒定律,則單位時間內冰吸收激光能量后在冰內部產生的熱量J與溫升ΔT之間的關系為:

J=cρπr2LΔT

(4)

由式(4)可知,激光照射覆冰后為達到清除目的,則冰內部由于溫升原因產生的熱量應積累到一定程度,即大于促使冰融化的臨界熱量。

3 激光除冰系統設計

激光清除高壓輸電線覆冰關鍵時確定激光器的參數,主要時激光的功率選擇和光斑直徑的確定。根據物質吸收激光產生熱量與激光功率之間的關系即可確定融冰所需的激光功率W為:

(5)

式中,τ為激光在冰中的透過率；η為激光能量耦合效率；t為激光照射時間。

本文中,已知純水凍成的冰密度為0.9 g/cm3,比熱容為2.1×103J/(kg·℃),假設融冰孔深20 mm,激光光斑直徑為40 mm,將-5 ℃的冰加熱到5 ℃左右,由式(4)可得激光融冰時冰吸收的熱能為474.768 J。由文獻[14]可知,波長為1060 nm的激光在冰中透過率約為0.3左右,激光能量耦合率為0.97,若照射時間為30 s,則根據式(5)可得所需激光功率約為54.38 W,即選用的激光器能量W選≥54.38 W時,則該激光器即可用于清除高壓輸電線上的覆冰。

當激光器選定后,激光除冰的效果在很大程度上與激光的光斑大小有關。由于激光能量多呈高斯分布,當激光傳輸到一定距離后,激光的光斑會發生變化,有:

(6)

式中,ω0為激光初始光斑半徑；s為傳輸距離；λ為激光波長。

通常激光清除高壓輸電線覆冰時距離較近,多為10～180 m范圍。 若選擇激光器的波長為1060 nm,通過分析可知,當激光光束發散角為8″～10″,對應的ω0=8.8636 mm和ω0=7.0909 mm時,工作距離為10～180 m處,激光光斑直徑在30 mm以內即可達到較好的除冰效果。

本文設計的高壓輸電線覆冰激光清除系統如圖1所示,主要包括激光器、控制器、激光準直器、光纖轉換頭和方向調整架五部分。激光器發出連續激光經光纖轉換頭傳輸到激光準直器中,將激光形成一條光束定向發射出去。控制器主要用于控制激光器的發射功率。方向調整架可用來帶動激光器在空中掃描和定位,從而實現激光在空中任意位置的精確定位和融冰操作。根據上述分析,系統中選用連續激光器為YLR-500-WC-Y14水冷型光纖激光器,波長為1060 nm,激光器最大輸出功率500 W,由上述分析可知能滿足融冰效果。激光準直器口徑38 mm,焦距為140 mm。

圖1 激光除冰系統

4 實驗研究

實驗前需準備好150 mm卡尺用于測量融冰孔直徑和深度,30 m直尺用于測量融冰距離,0.1 s分辨率秒表用于激光融冰計時。將普通自來水凍成尺寸為400 mm×200 mm×300 mm的冰塊,如圖2所示,冰內部會含有少量氣孔。將冰塊固定在設定距離的平臺上,通過控制器調制好激光功率,設置融冰的計時時間為30 s,每次融冰后測量融冰孔徑和深度,記錄數據。

調制激光功率,將激光束對準實驗臺放置冰塊,照射30 s,如圖3所示,可看到冰上出現錐形孔洞。當光斑直徑為15 mm時,不同功率、不同距離下融冰孔深如圖4所示。光斑直徑為10 mm時,不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖5所示。光斑直徑為20 mm時,不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖6所示。光斑直徑為30 mm時,不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖7所示。光斑直徑為38 mm時,不同功率、不同距離下融冰孔徑如圖8所示。

圖2 實驗用冰塊

圖3 激光照射30 s后冰上的孔洞

圖4 光斑直徑為15 mm時不同距離不同功率下的融冰孔深

圖5 光斑直徑為10 mm時不同距離不同功率下的融冰孔徑

由圖3可以看出,本文設計的激光融冰系統能有效用于高壓輸電線的除冰。圖4中,功率和距離相同時,功率越大,融冰孔深就越大,符合實際情況；相同功率下,距離越遠融冰孔深降低,主要是因為激光傳輸距離增加會導致激光衰減和光斑發散,能量有所發散。

圖6 光斑直徑為20 mm時不同距離不同功率下的融冰孔徑

圖7 光斑直徑為30 mm時不同距離不同功率下的融冰孔徑

圖8 光斑直徑為38 mm時不同距離不同功率下的融冰孔徑

由圖5、圖6、圖7和圖8可知,激光光斑直徑較小而功率較大時,融冰孔徑比光斑直徑略小,激光光斑直徑較大而功率較小時,融冰孔徑則大于光斑直徑。產生該現象的主要原因是,激光能量呈高斯分布,光斑直徑越大,能量越不聚焦,則光斑直徑小而功率大時,融冰時間短,融冰孔徑主要由激光光斑有效作用面積決定,導致融冰孔徑略小于光斑直徑；光斑直徑大而功率小時,融冰時間相對增加,則激光融冰時冰孔直徑會慢慢擴張,導致融冰孔徑略大于光斑直徑。

5 結 論

高壓輸電線覆冰會造成線路墜斷或者線桿倒塌等重大事故,是威脅電網正常運行的一個重要因素,須對其進行清除。傳統高壓輸電線除冰方法安全性低、可靠性差、效率不高且需耗費大量人力和財力,采用激光清除輸電線路覆冰可以達到高效、安全等目的,在高壓及特高壓電網線路覆冰清除中具有較好的應用前景。為安全、快捷地清除高壓輸電線上的覆冰,本文分析研究了激光除冰的原理,設計了基于連續激光的高壓輸電線覆冰清除系統,搭建實驗裝置,并對不同距離和不同功率下的覆冰清除進行了實驗研究,取得了較好效果。實驗結果表明,該系統能有效用于高壓輸電線覆冰清除,結構簡單,安裝調試方便,成本低,易于操作,可以滿足工程實踐需求。本文研究成果可為高壓輸電線激光清除系統的設計提供理論和實驗數據。