基于Fernald計算方法的激光清掃裝置的設(shè)計

吳偉文， 劉穎， 方義治， 朱子龍， 黃秉權(quán)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東，珠海 519000)

0 引言

電力設(shè)備通常裸露在外界環(huán)境，其工作性能及工作狀態(tài)與外界環(huán)境有直接的關(guān)系，由于長期無人清潔，其表面很容易布滿灰塵等異物，尤其在潮濕的環(huán)境中，容易在設(shè)備的表面長滿 “綠苔”等污穢，這些現(xiàn)象使得電氣設(shè)備的工作性能受到直接或者間接的影響，因此，就需要一種清潔裝置實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的自動化清潔。

針對上述技術(shù)問題，大量的作者對電力設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)的清掃裝置進(jìn)行了研究，比如專利號為CN201821516063.2的文獻(xiàn)[1]公開了一種復(fù)合絕緣子智能清污裝置，該裝置在結(jié)構(gòu)上設(shè)置承載驅(qū)動裝置、升降裝置和清掃裝置，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的清掃功能，提高了電氣設(shè)備的利用效率，但是障礙識別難度大。專利號為CN201720833959.2的文獻(xiàn)[2]公開了一種復(fù)合絕緣子清洗裝置，該裝置在結(jié)構(gòu)上包括預(yù)噴淋系統(tǒng)、毛刷清洗系統(tǒng)、清水噴淋系統(tǒng)和風(fēng)干系統(tǒng)，雖然能夠使電力設(shè)備表面上的灰塵及雜質(zhì)被有效地清除，但仍舊無法實(shí)現(xiàn)故障信息的智能化識別。

針對上述技術(shù)的不足，本研究探討一種新型的激光清掃裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備表面故障物體的自動化、智能化識別，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備正常運(yùn)行運(yùn)行過程中的維護(hù)。

1 清掃裝置技術(shù)原理架構(gòu)設(shè)計

在本研究的技術(shù)方案設(shè)計中，裝置在硬件結(jié)構(gòu)上包括升降操控部分、控制主機(jī)部分、光學(xué)系統(tǒng)部分等關(guān)鍵部件[3]。升降操控部分包括移動底座(拖車)、絕緣升降臺、電機(jī)導(dǎo)軌絲桿、激光清洗出光組件固定及俯仰調(diào)整臺等。該模塊能夠控制升降臺、電機(jī)導(dǎo)軌絲桿的工作，其中的控制主機(jī)部分包括主控制器、材料參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)定組件、激光器控制組件、反饋式焦距調(diào)節(jié)組件、鏡頭溫度控制組件、視頻監(jiān)視組件、電源模塊等。光學(xué)系統(tǒng)部分包括激光光源、光纖耦合組件、導(dǎo)光光纜、激光清洗出光組件等[4]。通過上述模塊的配合能夠?qū)崿F(xiàn)清掃裝置的自動化、智能化控制。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

下面結(jié)合圖1，對本研究的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

在升降操控部分設(shè)計中，升降操控部分的設(shè)計尺寸為 30 cm×30 cm×330 cm(整體收縮后高度180 cm，頂部圓形固定臺面直徑30 cm)，可通過連接絕緣支撐桿(2 m)最高升至530 cm，另外移動底座(拖車)高度約20 cm，頂部平臺分層安裝后激光出光口距離平臺高度約50 cm，綜合起來激光出光口離地高度可到600 cm[5]。通過上述方式的設(shè)置，本研究的方案能夠適用于6 m高的設(shè)備清掃。該部分在頂端正中心位置采用分層結(jié)構(gòu)安裝旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、電機(jī)、電源、激光清洗組件等。在升降臺移動過程中，升降臺處于收縮狀況，收縮狀態(tài)下整體高度180 cm左右，在路面不平、坑洼地方升降臺不會發(fā)生倒塌現(xiàn)象；在升降臺移動至操作地點(diǎn)時，操作地點(diǎn)不平整，可通過調(diào)整升降臺底部4根螺桿實(shí)現(xiàn)水平，螺桿可調(diào)整范圍0～10 cm[6]。

在控制主機(jī)部分中，關(guān)鍵部件包括起控制作用的主控制器和材料參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)定組件、激光器控制組件、反饋式焦距調(diào)節(jié)組件、鏡頭溫度控制組件、視頻監(jiān)視組件、電源模塊等7大子系統(tǒng)，控制架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備整體架構(gòu)示意圖

主控制器包括操作端控制器和激光頭控制器2部分，2個控制器都采用ARM或單片機(jī)作為CPU，相互之間以光纖作為傳輸通道，采用ModBus通信協(xié)議，操作端控制器連接材料參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)和激光器控制系統(tǒng)，掃描端控制器連接反饋式焦距調(diào)節(jié)系統(tǒng)[7]、鏡頭溫度控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)。激光器控制系統(tǒng)主要包括激光脈沖驅(qū)動控制、激光狀態(tài)監(jiān)測2部分，其中激光脈沖驅(qū)動系統(tǒng)由CPLD[7]產(chǎn)生，激光狀態(tài)監(jiān)控由操作端控制器采集，并在觸摸屏上顯示。反饋式焦距調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計采用高速激光測距模塊對激光出光處至待清掃的對象距離進(jìn)行實(shí)時的測量，將距離數(shù)據(jù)反饋給掃描端控制器，實(shí)時動態(tài)調(diào)整變形鏡片組的焦距，實(shí)現(xiàn)激光的焦點(diǎn)始終作用在待清掃對象上[8]。鏡頭溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，將多個PTC元件制冷面集成到鏡頭傳熱集中點(diǎn)隔圈鏡筒外側(cè)，PTC發(fā)熱面通過散熱器連接激光掃描頭的外殼，以整個金屬外殼作為散熱面，同時配有風(fēng)扇散熱。

光學(xué)系統(tǒng)部分主要由激光光源、光纖耦合組件、導(dǎo)光光纜、激光清洗出光組件組成。該光學(xué)系統(tǒng)在工作時，激光器啟動工作狀態(tài)，輸出激光光束，發(fā)出的激光通過光纖通道，將接收到的光輸送至激光耦合鏡頭，通過該鏡頭對輸出的激光進(jìn)行耦合處理。耦合后的激光輸出至激光整形聚焦系統(tǒng)，通過激光整形聚焦系統(tǒng)對其接收到的激光束進(jìn)行整形、聚焦等處理。然后將該激光束輸送至振鏡系統(tǒng)，振鏡系統(tǒng)對接收到的光進(jìn)行振動處理，振動處理后的光經(jīng)由出光單元被射在待清洗的電力設(shè)備上。通過上述工作原理，電力設(shè)備上的污染物由于照射原因，在很短的時間內(nèi)聚焦，并將電力設(shè)備上的污垢通過振動—熔化—蒸發(fā)—燃燒等具體步驟，其間發(fā)生物理或者化學(xué)反應(yīng)，將其上的污垢降解，基材則直接將激光反射出去而不被損傷，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的清洗。

2 激光清洗方案

通過激光清洗技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電路的故障清掃，該技術(shù)采用了回波傳播技術(shù)和能量傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的定位。在輸電線路中，復(fù)合絕緣子長期暴露戶外，其上的污垢表現(xiàn)形式不一，通過激光雷達(dá)探測輸電線路區(qū)域上的故障[9]。圖3為激光探測方案示意圖。

圖3 激光探測方案示意圖

下面結(jié)合圖3對激光探測原理進(jìn)行說明。首先通過構(gòu)建方程，檢測出電網(wǎng)電路中存在的污物，通過激光投射情況反應(yīng)出污物大小。其中，激光投過污物的方程為

(1)

式中，假設(shè)在清洗裝置中設(shè)置的激光器輸出的光束波長定義為λ0，波長的寬度定義為τ，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后，波長光束反射到外界，使得電網(wǎng)中的污物被穿透，激光在穿透污物的過程中，能量逐步被散射[10]并逐級衰減，最終被激光光學(xué)體系中一般分面積接收。根據(jù)式(1)可以進(jìn)行以下解釋：P(z)表示激光探測方案中光學(xué)器件收到的光學(xué)功率值；z表示距離污物的長度；P0表示清洗裝置中激光光束的發(fā)射功率；c表示激光光束輸出的光速；τ表示清洗裝置中激光束產(chǎn)生的脈沖寬度；β(z)表示清洗裝置中激光光束后向進(jìn)行激光散射的系數(shù)，該系數(shù)通過人工設(shè)置；A(z)表示清洗裝置中激光光束投射污物后接收機(jī)顯示的有效面積；α(z)表示激光光束投射污物后的激光能量被衰減后的消光系數(shù)，α(z)在應(yīng)用過程中為未知數(shù)，具體計算過程中可以參考人工設(shè)置方法。然后啟動Fernald算法模型[11]即式(2)：

(2)

式中，α為污物密度，下角m為污物存在環(huán)境下的大氣分子。式(2)表示激光探測過程中出現(xiàn)的回波信號與電網(wǎng)電路中待清洗污物存在的光學(xué)性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系式。該函數(shù)關(guān)系式中未知數(shù)通過常規(guī)工作經(jīng)驗(yàn)得出。

在式(2)中，βm(z)表示污物分子被投射后的散射系數(shù)，βa(z)表示污物被投射后的散射系數(shù)，αm(z)、αa(z)分別表示消光系數(shù)。βa(z)和αa(z)可以通過Fernald計算方法，計算式可以記作：

(3)

通過式(3)可以進(jìn)而獲取βa(z)和αa(z)之間的關(guān)系式。在實(shí)際計算工作中，假設(shè)給予一定的賦值，則存在以下關(guān)系式：

(4)

為了進(jìn)一步量化本研究方案，假設(shè)激光器的波長介于532 nm至1 064 nm之間，令S1在40至50之間進(jìn)行取值，則激光投過污物后的散射系數(shù)βa(z)和消光系數(shù)αa(z)通過以下關(guān)系式表示：

(5)

(6)

式中，λ=532 nm，則污物被投過后，存在的散射系數(shù)與消光系數(shù)之間的比值取值為50，則有S1=50。其中：

αa(z)=50βa(z)

(7)

通過上述方程，根據(jù)電網(wǎng)線路中污物存在情況，能夠獲取污物大小，進(jìn)而采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行清洗，提高了污物定位和清洗能力。

3 試驗(yàn)分析及結(jié)果

下面對上述清除污垢的試驗(yàn)過程進(jìn)行說明，啟動的軟件為COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件，該軟件能夠模擬清洗污垢的各種不同物理過程，該軟件具有較強(qiáng)的計算性能和多物理場直接耦合能力。COMSOL Multiphysics多物理場仿真平臺如圖4所示。

圖4 COMSOL Multiphysics多物理場仿真平臺

系統(tǒng)工作時通過PC電腦接入進(jìn)行控制，其界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作控制界面

在仿真時，設(shè)置一個三層材料的三維餅狀圓柱體來模擬所研究的清洗模型，橫截面半徑是25 mm，最上層空氣層為5 mm，污穢層厚度隨污穢等級而變化(比如CaSO4等)，底層硅橡膠HTV為10 mm。

在清洗過程中，需要在絕緣材料容許的情況下設(shè)計恰當(dāng)?shù)募す庾饔脕淼玫阶銐虻那逑此俣龋詽M足效率要求。以典型污穢CaSO4為例子，研究在激光作用下溫度應(yīng)力場分布情況。仿真時的模型條件：激光功率為70 W、90°入射、光斑半徑1 mm、污穢厚度為20 μm、激光作用時間0.2 s。其中單層CaSO4污穢計算結(jié)果的三維溫度、應(yīng)力、位移分布圖分別如圖6所示。

(a)三維溫度

激光是高斯光束，垂直入射時在{x,y}平面內(nèi)光斑圓形對稱，所以徑向切面上的分布可代表全部信息。激光入射對材料進(jìn)行加熱，熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度變化和熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

表1為在功率70 W、T0=0.2 s下，各污級清洗效果參數(shù)。

表1 清洗效果參數(shù)表

通過表1的設(shè)置，然后利用激光技術(shù)分別以不同角度入射CaSO4表面，并計算其參數(shù)結(jié)果。計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同角度入射CaSO4表面計算結(jié)果示意表

然后再以不同角度入射SiO2表面，則輸出的計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同角度入射SiO2表面計算結(jié)果

兩種單成分污穢的溫度、應(yīng)力結(jié)果具有類似的規(guī)律，激光從90°到30°入射過程中，可以明顯看到激光在污穢表面光斑從圓形拉長，光斑面積變大，單位面積激光能量降低，溫度應(yīng)力都隨之下降。

在污穢抗拉強(qiáng)度值以上的區(qū)域?qū)挾燃扔锌赡茉黾樱灿锌赡軠p小。上述實(shí)驗(yàn)說明，本研究的方法具有較好的技術(shù)效果。

4 總結(jié)

本研究針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計出一種新型的清掃裝置，該裝置通過關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了不同電網(wǎng)線路故障清掃。本研究采用回波傳播技術(shù)和能量傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的定位，通過激光定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)待清掃故障信息的定位，實(shí)現(xiàn)了障礙物清掃，通過COMSOL Multiphysics對復(fù)合絕緣子的激光清掃污穢過程進(jìn)行了充分的仿真計算。本研究具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，但是上述實(shí)驗(yàn)過程中仍舊會出現(xiàn)諸多問題，這需要進(jìn)一步研究和探索。