架空輸電線路激光遠(yuǎn)程融冰試驗(yàn)及分析

張秉良 ，張都清 ，韓梁

（1.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

覆冰是威脅電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素之一，雨雪冰凍天氣可導(dǎo)致輸電線路大面積覆冰，造成冰閃跳閘、供電中斷、斷線倒塔等事件，引起大面積停電事故，帶來(lái)重大的直接及間接經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)是輸電線路覆冰較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，近年來(lái)，大面積冰災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。2005年2月，嚴(yán)重的覆冰導(dǎo)致華中電網(wǎng)輸電線路發(fā)生多次跳閘，甚至發(fā)生倒塔、斷線等事故［1］。2008年1月，中國(guó)南方大范圍高強(qiáng)度的低溫雨雪冰凍天氣導(dǎo)致多個(gè)省份的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動(dòng)、覆冰等多種冰雪災(zāi)害，個(gè)別地區(qū)甚至中斷電力達(dá)10余天［2］，造成直接經(jīng)濟(jì)損失上千億元，間接經(jīng)濟(jì)損失更大［3］。

目前，國(guó)內(nèi)外輸電線路除冰和融冰方法有數(shù)十種，概括起來(lái)可分為熱融冰方法、機(jī)械除冰方法、被動(dòng)除冰方法和混合除冰方法4類，普遍存在耗能高、安全性差、操作繁瑣、除冰效率低等問(wèn)題［4-5］。激光技術(shù)具有方向性強(qiáng)、能量定向傳輸效率高、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)輸電線路激光除冰新技術(shù)開(kāi)展研究。文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［6］對(duì)半導(dǎo)體激光除冰系統(tǒng)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，對(duì)激光與冰的作用過(guò)程進(jìn)行理論模擬，并研制了半導(dǎo)體激光除冰裝置，但該裝置采用絕緣桿操作，不適用于輸電線路現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］圍繞輸電線路中的絕緣子、高壓導(dǎo)線表面覆冰展開(kāi)激光除冰研究，建立了面熱源和體熱源輻照冰的理論模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，但亦未達(dá)到實(shí)用水平。

使用目前已被廣泛應(yīng)用的激光除異物裝置［8-9］，模擬輸電線路覆冰情況，對(duì)導(dǎo)線、地線開(kāi)展融冰試驗(yàn)，在驗(yàn)證激光除異物裝置除冰效果的同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、操作技巧進(jìn)行了總結(jié)和分析，對(duì)激光除冰技術(shù)的發(fā)展提供一定參考與指導(dǎo)。

1 激光除異物裝置

激光除異物裝置是運(yùn)用激光的高準(zhǔn)直特性及不同物質(zhì)對(duì)激光能量吸收率不同的原理，發(fā)射特定波段和功率的激光，通過(guò)電子瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)，可在輸電線路不斷電情況下對(duì)纏繞其上的風(fēng)箏線、尼龍繩、釣魚(yú)線、彩帶、農(nóng)用塑料膜等常見(jiàn)異物進(jìn)行瞄準(zhǔn)、掃描、熔斷，從而達(dá)到清除目的，目前我國(guó)主要采用1 064 nm波段光纖激光和10.6 μm波段CO2激光。激光除異物技術(shù)示意如圖1所示，常見(jiàn)金屬和常見(jiàn)異物材料的熱屬性參數(shù)如表1所示。

圖1 激光除異物技術(shù)示意

表1 常見(jiàn)金屬和常見(jiàn)異物材料的熱屬性參數(shù)

2 融冰試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用1064 nm波段的連續(xù)紅外激光，光纖激光器相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 光纖激光器相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)截取15 cm長(zhǎng)度新導(dǎo)線、新地線、生銹地線各2段，放入冷庫(kù)中冷凍成型，冰層厚度約2 cm；激光對(duì)樣本工作距離30 m；試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度0℃。

2.2 激光定點(diǎn)照射試驗(yàn)

光纖激光器輸出功率設(shè)置為160 W，分別瞄準(zhǔn)冰層表面或冰層中的導(dǎo)線或地線，固定光點(diǎn)連續(xù)照射5 min，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象如表3所示。

表3 定點(diǎn)照射融冰試驗(yàn)現(xiàn)象

圖2 定點(diǎn)照射5 min后融冰效果

通過(guò)以上試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光照射瞄準(zhǔn)透明度較高的冰塊表面時(shí)，大部分激光能量被透射或反射，融冰效果較差；如透過(guò)冰層照射導(dǎo)線或地線，會(huì)因?qū)Ь€或地線吸光發(fā)熱及水蒸汽的作用加快融冰，但長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)引起線體尤其是舊地線過(guò)熱，可能會(huì)損傷電力設(shè)備；定點(diǎn)照射時(shí)，因新導(dǎo)線、新地線熱導(dǎo)率較高，冰層與導(dǎo)線或地線接觸面冰層融化面積較大，且在重力作用下出現(xiàn)松動(dòng)，舊地線則因氧化層熱傳導(dǎo)差，冰層融化面積較小，冰層仍較堅(jiān)固。

2.3 激光移動(dòng)切割試驗(yàn)

光纖激光器輸出功率設(shè)置為160 W，瞄準(zhǔn)冰層中的導(dǎo)線或地線后沿導(dǎo)線或地線緩慢移動(dòng)光點(diǎn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象如表4所示。

表4 移動(dòng)切割融冰試驗(yàn)現(xiàn)象

通過(guò)以上試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：如激光瞄準(zhǔn)冰層中的導(dǎo)線或地線并緩慢沿線切割，會(huì)達(dá)到一定除冰效果，除冰速度約3 cm／min；舊地線因氧化層吸光率較高，融冰速度較新導(dǎo)線或地線速度快。

圖3 沿線移動(dòng)切割除冰試驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

使用1 064 nm波段連續(xù)紅外激光進(jìn)行融冰試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)目前技術(shù)除冰速率較慢，采用最大輸入功率800 W，最大輸出功率200 W，中心帶寬3 nm，風(fēng)冷方式時(shí)，除冰速率約3 cm／min，且能量消耗較大，每處理1 cm長(zhǎng)2 cm厚冰層耗能約18 kJ，難以實(shí)現(xiàn)大面積快速除冰；另一方面，由于大功率激光器會(huì)對(duì)復(fù)合絕緣子、陶瓷絕緣子、地線等設(shè)備造成損傷，操作人員需經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)后方可執(zhí)行除冰任務(wù)。因此，現(xiàn)有激光技術(shù)在輸電線路除冰中仍存在較大局限。增加激光功率提升清除效率的同時(shí)，提高激光對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的安全性，將是未來(lái)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，而高峰值功率脈沖激光在輸電線路除冰中的應(yīng)用則是另一個(gè)重要研究方向。