激光對(duì)架空輸電導(dǎo)線的溫度影響研究

黃 清，魏 旭，周志成

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

激光對(duì)架空輸電導(dǎo)線的溫度影響研究

黃 清1，魏 旭1，周志成2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

一種基于定向能激光的異物激光清除器是一種高效、安全、方便實(shí)用的新型異物清除工具，可以帶電遠(yuǎn)程清除架空輸電線路異物。激光裝置在異物清除時(shí)，可能引起導(dǎo)線局部溫度升高，局部損傷導(dǎo)線或影響導(dǎo)線正常運(yùn)行。文中通過理論分析和多物理場(chǎng)有限元仿真，分析研究了激光作用下的導(dǎo)線局部溫度變化和溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明激光作用于導(dǎo)線時(shí)，激光吸收率和導(dǎo)線直徑對(duì)導(dǎo)線溫度影響較大；從激光輻照鋼芯鋁絞線LGJ-300/50仿真分析結(jié)果看，激光輻照造成局部溫度升高，最高溫度不超過170℃，載流導(dǎo)線局部電導(dǎo)率呈現(xiàn)與溫度相關(guān)的不均勻分布。

異物清除；激光；架空線路；導(dǎo)線；溫度

輸電線路分布點(diǎn)多面廣，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，在運(yùn)行維護(hù)過程中經(jīng)常發(fā)生風(fēng)箏、廣告條幅、遮陽網(wǎng)等異物纏繞導(dǎo)、地線，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)相間短路，造成停電事故，同時(shí)垂落的異物和燒斷損毀的導(dǎo)線還有可能造成人畜傷亡。目前，清除架空路線異物的方法主要基于絕緣桿、異物清除桿、登高車、斗臂車、吊籃等傳統(tǒng)工具[1，2]，普遍具有耗時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、需停電作業(yè)等缺點(diǎn)。且也有利用無人機(jī)噴火裝置進(jìn)行異物清除的研究[3，4]，利用遙控?zé)o人機(jī)攜帶噴火裝置飛到異物附近，噴出燃料并點(diǎn)燃，通過高溫火焰將異物燒毀，噴火裝置一般采用汽油、丁烷等燃料，火焰溫度為500～1500℃，對(duì)于鍍鋅鋼芯鋁絞線，鋅的熔點(diǎn)為420℃，若火焰噴射導(dǎo)線，可能造成鍍鋅層破壞。

激光清除異物是一種新型方法[5，6]，其利用定向能激光，采取地對(duì)空的方式快速清除架空輸電線路上的異物，實(shí)現(xiàn)帶電清除異物，具有快速、安全、便捷等優(yōu)點(diǎn)，尤其在交通不便、高桿塔、遠(yuǎn)距離等情況下具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但激光遠(yuǎn)程清除異物作業(yè)過程中，激光難免輻照到導(dǎo)線上，很多情況下還需控制光束沿導(dǎo)線灼燒切割異物纏繞處，導(dǎo)線吸收激光能量必然引起局部溫度升高，溫度升高程度和溫度場(chǎng)分布是決定導(dǎo)線是否損傷，是否影響機(jī)械性能和電學(xué)性能的主要條件。文獻(xiàn)[7]中采用輸出功率為300 W，重復(fù)頻率為60 Hz，脈沖寬度為1 ms，光斑直徑為4 mm的激光對(duì)敷冰的鋼芯鋁絞線進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示導(dǎo)線表面未見損傷；文獻(xiàn)[8]中采用500 W連續(xù)光纖激光對(duì)鋁絞線單股線纜進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，得出架空線路異物清除激光所使用的能量密度對(duì)導(dǎo)線表面無損傷。上述文獻(xiàn)僅定性地研究激光對(duì)導(dǎo)線表面的肉眼可見損傷，缺乏對(duì)激光輻照導(dǎo)線溫升規(guī)律和溫度場(chǎng)分布研究，難以有效評(píng)估特定條件下激光輻照對(duì)架空導(dǎo)線損傷。

1 理論基礎(chǔ)

激光照射在導(dǎo)線上，滿足能量守恒定律：

式（1）中：RL為導(dǎo)線表面對(duì)激光的反射率；TL為透射率；α為吸收率。

架空線路異物激光清除器采用某一波段的紅外激光，導(dǎo)線在受到總功率為P的紅外激光輻照時(shí)，吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能QR，經(jīng)熱傳導(dǎo)沿金屬導(dǎo)線擴(kuò)散，導(dǎo)線表面通過自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和熱輻射散熱將部分能量釋放到空氣中，最終達(dá)到熱平衡，吸收熱能公式為：

運(yùn)行導(dǎo)線中存在交流電流，會(huì)因焦耳熱導(dǎo)致載流溫升，熱量公式為：

式（3）中：Qj為載流產(chǎn)熱；I為導(dǎo)線中電流。

由于集膚、渦流、磁滯、臨近效應(yīng)等因素影響，輸電導(dǎo)線的交流電阻Rw大于直流電阻值，且是一個(gè)與導(dǎo)線溫度相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)激光輻照導(dǎo)致導(dǎo)線溫度Tc升高并呈一定規(guī)律的分布時(shí)，也會(huì)使得導(dǎo)線本體上各部分的電阻率升高并呈不均勻分布，原有的電流分布規(guī)律也將改變，而導(dǎo)線總電流基本是一個(gè)恒定的值，因此會(huì)進(jìn)一步加劇導(dǎo)線被激光輻照部位的載流溫升。

架空線路載流溫升計(jì)算通常采用IEEE Std 738—2006標(biāo)準(zhǔn)[9]，或者采用IEC提供的IEC 61597—1995標(biāo)準(zhǔn)[10]中推薦的摩爾根公式，綜合參考2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元仿真方法計(jì)算導(dǎo)線溫度。架空輸電導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)溫度主要受導(dǎo)線載流產(chǎn)熱、日照吸熱、對(duì)流換熱、輻射散熱的影響，穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為：

式（4）中：Qs為日照吸熱；Qc為對(duì)流換熱，對(duì)流換熱包括自然對(duì)流散熱和強(qiáng)制對(duì)流散熱；Qr為輻射散熱。

帶電運(yùn)行的鋼芯鋁絞線在激光輻照下的熱傳導(dǎo)方程、初始條件、邊界條件為[11]：

式（5）中：T為鋼芯鋁絞線溫度；λ為材料熱導(dǎo)率；x，y，z為空間直角坐標(biāo)；φ1為鋼芯單位體積發(fā)熱率；φ2為鋁線單位體積發(fā)熱率；φ3為鋁線單位體積受激光輻照發(fā)熱率；ρ為物質(zhì)密度；c為物質(zhì)比熱容；t為時(shí)間；T0為初始溫度；q為外表面某一點(diǎn)的熱流密度矢量；n為該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量；acon為對(duì)流散熱系數(shù)；Tw為發(fā)熱體表面溫度；Tf為環(huán)境溫度，此處取20℃；qr為線纜表面的凈輻射換熱熱流密度；S為導(dǎo)線的外表面。

本文不計(jì)強(qiáng)制對(duì)流散熱，只考慮自然對(duì)流散熱，自然對(duì)流散熱可采用外部自然對(duì)流散熱長(zhǎng)水平圓柱模型，圓柱直徑為2R，流體為空氣，絕對(duì)壓力為1個(gè)大氣壓，外部溫度為20℃。有限元分析中假設(shè)輻射傳熱方程為：

式（6）中：ε為表面發(fā)射率，取與吸熱系數(shù)一致的0.5；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2·K）。Tenv為環(huán)境溫度；T為導(dǎo)線表面溫度。

2 激光輻照導(dǎo)線的溫度場(chǎng)數(shù)值仿真

2.1 仿真建模

架空導(dǎo)線類型較多，如硬鋁線、鋼芯鋁絞線、鋁合金線、鋁包鋼絞線等，本文以鋼芯鋁絞線為研究對(duì)象。如圖1所示。不計(jì)芯線之間的空隙，且材料各向同性，建立幾何模型，其中長(zhǎng)度L=1000 mm，內(nèi)部圓柱為鋼芯線，計(jì)算半徑Rsteel，外層圓柱為鋁線，計(jì)算半徑RAl。對(duì)于鋁絞線，Rsteel=0。

圖1 鋼芯鋁絞線仿真幾何模型

激光光束采用高斯光束模型，實(shí)際清異過程中，激光清異設(shè)備位于地面，導(dǎo)線位于高空，因此激光只能以角度θ輻射到導(dǎo)線下部，θ為激光光束與豎直方向的夾角，θ越大，激光光束需傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，能量衰減越嚴(yán)重，因此實(shí)際工作中，θ角度不超過±30°，在此范圍內(nèi)激光輻照點(diǎn)中心位置的變化并不會(huì)太影響導(dǎo)線的溫升，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文假設(shè)激光輻照位置在導(dǎo)線正下部。導(dǎo)線的吸收率為α，由此可得鋼芯鋁絞線模型側(cè)面受激光輻照的產(chǎn)生的邊界熱源QL為：

式（7）中：α為導(dǎo)線對(duì)激光的吸收率；P為激光功率；R為導(dǎo)線半徑；ω0為輻照在導(dǎo)線上的清異激光束半徑。

仿真模型中鋼芯的電導(dǎo)率采用線性電阻率計(jì)算：

式（8）中：ρ0為來材料的參考電阻率，鋼芯線取20×10-8Ω·m；T為當(dāng)前溫度；Tref為參考溫度，取20℃；αR為電阻溫度系數(shù)，鋼芯線取0.006 51（1/K），外層鋁線采用1350鋁材料。

2.2 導(dǎo)線直徑和吸收率對(duì)輻照點(diǎn)溫度的影響

同樣材料、同等環(huán)境條件下的導(dǎo)線，在不帶電、不考慮日照的情況下，對(duì)圓柱鋁導(dǎo)線模型進(jìn)行參數(shù)化掃描仿真，研究導(dǎo)線直徑和吸收率對(duì)輻照點(diǎn)溫升的影響。激光功率P=100 W，激光波長(zhǎng)為10 640 nm，激光束半徑值約為7 mm，假設(shè)吸收率為0.9，激光的吸收率為0.019，導(dǎo)線半徑從2 mm到20 mm，步長(zhǎng)為1 mm，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光輻照導(dǎo)線最高溫度隨導(dǎo)線半徑的變化

由圖2可以看見，導(dǎo)線直徑越小，散熱能力越差，在激光輻照時(shí)，輻照點(diǎn)溫升越大。假設(shè)鋁導(dǎo)線外徑9.6 mm （110 kV及以上高壓線路導(dǎo)線半徑不小于 9.6 mm）[12]，吸收率從0～1，步長(zhǎng)為0.05，其他條件不變，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 輻照點(diǎn)溫度隨吸收率變化曲線

金屬鋁對(duì)紅外激光的吸收率很低，室溫下表面光潔鋁對(duì)10 640 nm激光的吸收率為0.019，對(duì)1064 nm激光的吸收率為0.08[13]，由圖3可見，相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線最高溫度不超過40℃。實(shí)際的吸收率與導(dǎo)線表面粗糙度、污穢程度、電阻率等因素有關(guān)系。

2.3 激光輻照下導(dǎo)線的溫度場(chǎng)仿真

采用常用典型的鋼芯鋁絞線LGJ-300/50作為仿真對(duì)象，研究導(dǎo)線溫升和溫度場(chǎng)分布。

2.3.1 導(dǎo)線載流溫度場(chǎng)分布

采用頻域穩(wěn)態(tài)仿真，在線纜上施加50 Hz的電流，電流值采用該型號(hào)導(dǎo)線最大載流725 A。日照強(qiáng)度取Is=1000 W/m2，吸熱系數(shù)，發(fā)亮新線取0.23～0.46，發(fā)黑舊導(dǎo)線取0.9～0.95，工程計(jì)算一般取0.5[14]，本文取0.5；激光功率100 W，光束半徑7 mm，激光吸收率取一個(gè)較大的值0.9。

仿真結(jié)果顯示，運(yùn)行導(dǎo)線在載流升溫、垂直日照升溫、自然對(duì)流散熱、輻射散熱的作用下，內(nèi)部溫度最大值為83.040 1℃，最小值為83.005 6℃，最大溫差僅為0.034 5℃，溫差極小，溫度分布均勻。如圖4所示。

圖4 載流、日照導(dǎo)致的導(dǎo)線界面溫度分布

2.3.2 激光輻照下導(dǎo)線的溫度場(chǎng)

當(dāng)導(dǎo)線中沒有電流，不考慮日照吸熱，導(dǎo)線初始溫度設(shè)定為20℃，激光輻照導(dǎo)線仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 激光單獨(dú)作用下的導(dǎo)線截面溫度分布

當(dāng)導(dǎo)線中沒有電流，不考慮日照吸熱，但給定導(dǎo)線初始溫度設(shè)定為上文中日照載流平衡溫度83℃，激光輻照導(dǎo)線仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6 激光單獨(dú)作用下的導(dǎo)線軸向截面溫度分布

圖7 初始溫度83℃時(shí)激光輻照截面溫度分布

圖8 初始溫度83℃時(shí)激光輻照截面溫度分布

2.3.3 激光輻照載流導(dǎo)線的溫度場(chǎng)

導(dǎo)線滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，受激光輻照時(shí)的溫度仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 帶電導(dǎo)線在激光和陽光作用下的截面溫度分布

2.3.4 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析

由溫度場(chǎng)仿真結(jié)果圖可見，激光輻照導(dǎo)線時(shí)，熱量沿導(dǎo)線各方向擴(kuò)散，并通過自然對(duì)流和表面輻射的方式傳到空氣中，因此導(dǎo)線上的溫度由輻照點(diǎn)向四周呈逐漸降低的趨勢(shì)。溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。Tmax為仿真導(dǎo)線模型上的最高溫度，Tjmin為輻照點(diǎn)截面最低溫度，Tmin為導(dǎo)線最低溫度。

圖10 帶電導(dǎo)線在激光和陽光作用下的軸向截面溫度分布

圖11 帶電導(dǎo)線在激光和陽光作用下的三維表面溫度分布

表1 溫度仿真數(shù)值 ℃

僅受激光輻照，導(dǎo)線初始溫度為20℃時(shí)，輻照點(diǎn)最高溫度為128.381℃，而導(dǎo)線初始溫度為83℃時(shí)，輻照點(diǎn)最高溫度為161.35℃，2種情況下初始溫度差為63℃，激光輻照熱平衡后最高溫度之差為32.969℃，原因是導(dǎo)線初始溫度的升高，導(dǎo)致導(dǎo)線表面溫度升高，與空氣環(huán)境溫度溫差變大，對(duì)流散熱和輻射散熱加強(qiáng)，因而熱平衡后的溫差小于63℃；

載流導(dǎo)線無激光輻照時(shí)，導(dǎo)線溫度較均勻，約為83℃；載流導(dǎo)線在受激光輻照后，輻照點(diǎn)溫度為169.507℃，溫度升高了約86℃，此溫度的升高來源于激光輻照產(chǎn)生的熱能，和局部電阻率變化而額外產(chǎn)生的焦耳熱；初始溫度為83℃的導(dǎo)線在受激光輻照后，輻照點(diǎn)溫度為161.35℃，與載流受激光輻照導(dǎo)線的最高溫度169.507℃相差8.157℃，這個(gè)溫度差值主要來源于導(dǎo)線局部電阻率變化額外產(chǎn)生的焦耳熱。

由激光輻照載流導(dǎo)線后電導(dǎo)率分布的仿真結(jié)果如圖12所示。導(dǎo)線存在電導(dǎo)率及分布不均，且與溫度的分布密切相關(guān)，電導(dǎo)率隨溫度的增加而降低。由于局部溫度升高不劇烈，導(dǎo)線輻照位置未因電導(dǎo)率變化產(chǎn)生額外焦耳熱導(dǎo)致劇烈溫升。

圖12 軸向截面電導(dǎo)率分布

3 結(jié)束語

清異激光輻照導(dǎo)線時(shí)，不考慮風(fēng)速、環(huán)境溫度變化等因素，架空導(dǎo)線的溫升受吸收率、導(dǎo)線直徑影響較大，與吸收率正相關(guān)，與導(dǎo)線直徑負(fù)相關(guān)。溫度在輻照點(diǎn)位置最高，從輻照點(diǎn)位置向四周逐漸降低，由于金屬良好的導(dǎo)熱性，熱量快速向左右方向傳導(dǎo)，并在導(dǎo)線表面與空氣進(jìn)行自然對(duì)流散熱和輻射散熱，導(dǎo)線溫度快速降低；溫度的不均勻分布導(dǎo)致載流導(dǎo)線存在局部電導(dǎo)率不均勻分布現(xiàn)象，其分布趨勢(shì)與溫度分布相關(guān)。本文有限元仿真模型采用極端原則，未考慮強(qiáng)制對(duì)流散熱和不同表面入射角吸收率的差異，實(shí)際情況下，有風(fēng)情況下的強(qiáng)制對(duì)流散熱會(huì)引起溫度的進(jìn)一步快速降低，考慮入射角吸收率后的總吸收率比本文中的設(shè)定的吸收率低，因此，本文采用的溫度分析方法和仿真模型可提供極端條件下的溫度分布，對(duì)于激光輻照導(dǎo)線的安全性分析和研究具有重要意義。

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Research on Temperature Effect of Laser on Overhead Transmission Line

HUANG Qing1,WEI Xu1,ZHOU Zhicheng2
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,China)

The foreign body cleaner based on directed energy laser is a new type of foreign body removal tool which is effective,safe,convenient,and practical.It can remove foreign bodies of overhead transmission line remotely under live working condition.When the laser device cleans foreign bodies,the local temperature rise of wire may happen,followed with local damage of wire or abnormal operation of power transmission line.Theoretical analysis and multi-physics finite element simulation are carried out to study the local temperature variation and temperature field distribution of wire under laser action. The simulation results show that the laser absorption rate and the wire diameter have great effect on wire temperature during the laser action on wire.The simulation results of laser irradiating aluminum cable steel reinforced(ACSR)LGJ-300/50 show that the laser irradiation can result in local temperature rise with the upper limit of 170℃，and the local conductivity of current carrying conductor has an uneven distribution related with temperature.

foreign body removal;laser;overhead line;wire;temperature

O532.25

A

1009-0665（2016）06-0045-05

黃 清（1968），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)分析及技術(shù)管理工作；

魏 旭（1974），男，江蘇連云港人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事高電壓及變電設(shè)備技術(shù)研究與管理工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級(jí)工程師，從事高電壓技術(shù)研究工作。

2016-08-29；

2016-10-10