高壓輸電線聚合物激光清除系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

高 峰,劉 陽,肖茂森,唐露甜

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710054;2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司,陜西 西安 710032; 3.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安 710119)

1 引 言

高壓及特高壓電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離大規(guī)模電能輸送的重要物理傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。輸電線路常年暴露在自然環(huán)境中,由于自然風(fēng)力或人為原因,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滌綸布、尼龍、樹枝等各類異物搭接在導(dǎo)線、桿塔或絕緣子等電網(wǎng)設(shè)施上的情況,產(chǎn)生線路短路、跳閘等故障隱患,以陜西電網(wǎng)架空輸電線路運(yùn)行情況為例,每年由異物搭掛在線路上導(dǎo)致的故障跳閘約占全部數(shù)量的30 %左右。這些故障隱患會(huì)造成重大供電安全事故,故須對(duì)纏繞在電網(wǎng)設(shè)施上的異物進(jìn)行清除。

高壓線距離地面較高,環(huán)境復(fù)雜,清除異物較為困難,處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生安全問題。傳統(tǒng)的輸電線路異物清除方法主要有通過人工清除、絕緣斗臂車人工清除、多旋翼無人機(jī)升空近距離火燒清除以及懸吊機(jī)器人清除等[1-4],但是上述清除高壓電線異物的方法有的僅適合中低配電網(wǎng)的除障,適應(yīng)面較窄；有的操作性差,易受風(fēng)向與環(huán)境的影響,且對(duì)輸電線路的危險(xiǎn)性高；有的作業(yè)程序復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大,安全性也不高。激光作為一種新型光源,具有方向性強(qiáng)、速度快、能量高、靈活精確等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)制造、激光打標(biāo)、工程結(jié)構(gòu)異物清除等領(lǐng)域[5-7]。采用激光清除輸電線路纏繞塑料等非金屬異物可以達(dá)到高效、安全、效率高等目的[8-10],在高壓及特高壓電網(wǎng)線路異物清除中具有較好的應(yīng)用前景。目前,高壓輸電線路異物激光清除研究多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,對(duì)激光與聚合物的作用機(jī)理、激光清除聚合物實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面的研究較少。為安全、快捷的清除高壓輸電線上的異物,本文分析研究了激光清除聚合物的原理,設(shè)計(jì)了高壓輸電線異物激光清除系統(tǒng),搭建了實(shí)驗(yàn)裝置,并對(duì)七種常見輸電線異物進(jìn)行了清除實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好效果。

2 激光清除聚合物的原理

激光輻照聚合物時(shí),如果激光能量足夠大,則聚合物通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生分解現(xiàn)象；如果激光能量不夠大,則聚合物產(chǎn)生光熱反應(yīng),熱能積累到一定程度產(chǎn)生熱解。實(shí)際激光照射聚合物時(shí)為光化學(xué)反應(yīng)和光熱反應(yīng)共存的情況。但是,影響激光燒蝕聚合物的因素很復(fù)雜,除了與物質(zhì)的比熱、熱傳導(dǎo)率、吸收率、吸收因子等有關(guān),還與加熱過程中蒸發(fā)焓、融化或其他相變化的影響有關(guān)。因此,可把燒蝕過程描述為一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng),即聚合物吸收光能由基態(tài)變化到激發(fā)態(tài),釋放能量則由激發(fā)態(tài)回歸基態(tài)?？紤]到激光能量強(qiáng)度較大,而作用時(shí)間通常較短,文中實(shí)驗(yàn)中激光與聚合物的作用時(shí)間最長(zhǎng)不超過30 s,實(shí)際均在3 s以內(nèi),故可忽略自發(fā)輻射。

假設(shè)激光垂直輻照聚合物,燒蝕最開始出現(xiàn)在聚合物表面深度x=0處。激光強(qiáng)度半徑ω比光滲透深度la和熱滲透深度lT大的多,故可將整個(gè)過程看作是一維的。若激光強(qiáng)度I為:

(1)

式中,σ為激光吸收橫截面積；NA、NA*分別為基態(tài)和激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)。

聚合物表面受激光輻照后的溫度場(chǎng)T可用熱擴(kuò)散方程表示為:

(2)

式中,ρ、c、k為材料的熱物理常數(shù),與位置和溫度有關(guān)；為梯度算子；Q為其他體熱源項(xiàng)；α為材料的光吸收系數(shù)；R為材料表面對(duì)激光的反射率。

設(shè)定邊界條件和初始條件,對(duì)式(2)求解即可得到聚合物內(nèi)部的溫度場(chǎng)。聚合物吸收激光能量后在聚合物內(nèi)部產(chǎn)生的熱量J與溫升ΔT之間的關(guān)系為:

J=C·m·ΔT

(3)

式中,C為聚合物的比熱容；m為激光照射范圍內(nèi)聚合物的質(zhì)量。

激光照射聚合物后為達(dá)到清除目的,則聚合物內(nèi)部由于溫升原因產(chǎn)生的熱量應(yīng)積累到一定程度,即大于促使聚合物分解的臨界熱量。

根據(jù)物質(zhì)吸收激光產(chǎn)生熱量與激光功率之間的關(guān)系即可確定清除聚合物所需的激光功率W為:

(4)

式中,τ為激光透過率；η為激光能量耦合效率；t為激光照射時(shí)間。

由式(3)可知,當(dāng)選用的激光器能量W選≥W時(shí),則該激光器即可用于清除輸電線上的聚合物。

3 激光清除系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的激光清除高壓輸電線聚合物系統(tǒng)如圖1所示,主要包括激光發(fā)射與監(jiān)控單元、激光指向二維轉(zhuǎn)臺(tái)、顯示操縱單元和電池組四部分。激光發(fā)射與監(jiān)控單元安裝在一個(gè)腔體內(nèi),由光纖外接激光發(fā)生器和監(jiān)控相機(jī)組成。光纖外接激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過反射、擴(kuò)束、變焦等光學(xué)變換輸出到保護(hù)窗口外,監(jiān)控相機(jī)為不低于20×可變焦相機(jī),中心十字刻線與燒蝕點(diǎn)調(diào)整到重合位置,可通過觀察顯示圖像,確定燒蝕位置。激光指向二維轉(zhuǎn)臺(tái)由方位旋轉(zhuǎn)單元和俯仰旋轉(zhuǎn)單元構(gòu)成,主要用來帶動(dòng)激光發(fā)射與監(jiān)控單元在空中掃描和定位,從而實(shí)現(xiàn)激光在空中任意位置的精確定位和燒蝕操作。為實(shí)現(xiàn)上述功能,本文中將激光指向二維轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)成一個(gè)雙軸U-O轉(zhuǎn)臺(tái),整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)由底座、外框軸系、內(nèi)框軸系三大部分組成。轉(zhuǎn)臺(tái)采用U-O結(jié)構(gòu),即O形內(nèi)框繞橫滾軸旋轉(zhuǎn),角度為-15°～+45°；U型框架繞方位軸旋轉(zhuǎn),角度為-150°～+150°。顯示操縱單元分為監(jiān)控相機(jī)的顯示器和二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置移動(dòng)操控器,是系統(tǒng)總體的控制與監(jiān)控單元。系統(tǒng)所有可設(shè)參數(shù)與狀態(tài)信息查詢都可以在此完成,狀態(tài)信號(hào)與控制命令由控制軟件通過輸入輸出線纜傳送到設(shè)備各組成單元中。 電池組則為該系統(tǒng)提供動(dòng)力電源。

圖1 激光清除聚合物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建如圖2所示實(shí)物裝置。結(jié)合系統(tǒng)各部件功能,通常可將設(shè)備封裝在三個(gè)工作箱內(nèi),分別為激光發(fā)射單元與轉(zhuǎn)臺(tái)箱、激光發(fā)生單元箱、電池與三腳架附件箱。實(shí)驗(yàn)開始前,運(yùn)輸三個(gè)工作箱到距離異物約50～150 m范圍內(nèi)時(shí),將設(shè)備架設(shè),出光位置調(diào)整到大致朝向待清除異物。打開監(jiān)控相機(jī),根據(jù)顯示器顯示,操縱轉(zhuǎn)臺(tái)以中速搜索異物位置,調(diào)整光軸到輸出異物大致位置。通過變焦、縮放相機(jī)視場(chǎng),結(jié)合二維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)操作,在顯示器內(nèi)監(jiān)視并移動(dòng)顯示十字線到需要燒蝕的異物處。由于燒蝕激光與顯示十字線同軸,指示位置即為燒蝕的起點(diǎn),轉(zhuǎn)動(dòng)至燒蝕位置后,可開啟燒蝕模式,發(fā)射高能激光進(jìn)行工作。通過監(jiān)控相機(jī)的拍攝結(jié)果觀察燒蝕情況,調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)速度,最終完成異物清除。依照輸電線異物清除的工作特點(diǎn),設(shè)計(jì)高壓輸電線激光異物清除設(shè)備工作流程如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 激光清除輸電線異物工作流程

圖2實(shí)驗(yàn)裝置中采用波長(zhǎng)為1064 nm光纖激光器,可實(shí)現(xiàn)0～300 W激光連續(xù)輸出,監(jiān)控單元采用同軸50×調(diào)焦可見光近紅外相機(jī)。轉(zhuǎn)臺(tái)采用高性能直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)元件選擇功率放大器WSA050-10搭建電路作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器,角度測(cè)量和反饋元件采用高精度角度編碼器。供電模式采用鋰電池逆變220AC,可保證不小于3 h的持續(xù)供電。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先調(diào)試好激光器,在電纜上布設(shè)好不同材質(zhì)的聚合物試樣,如圖4所示。設(shè)備朝向布設(shè)的電纜,上電開啟監(jiān)控,將激光器轉(zhuǎn)向電纜,對(duì)準(zhǔn)燒蝕部位,進(jìn)行燒蝕光對(duì)焦,設(shè)定激光器能量參數(shù),按下“打開激光”按鈕,發(fā)射高能激光,通過監(jiān)控裝置觀察圖像,如若出現(xiàn)圖5所示情況,即判定可以燒蝕；若激光照射超過30 s,未出現(xiàn)圖5所示情況,則判定不能燒蝕。最后,當(dāng)觀察到聚合物異物被切割脫落電纜即可關(guān)閉激光器,結(jié)束本次任務(wù),觀察電纜,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室外溫度25 ℃,設(shè)置激光器與待燒蝕聚合物試樣距離為100 m,調(diào)節(jié)激光器功率為180 W,光斑直徑約為15 mm,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。激光清除高壓輸電線聚合物實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由于上述聚合物的燃點(diǎn)均在350 ℃以下,而高壓線纜為鋼芯鋁絞線,鋁合金與鋼材的熔點(diǎn)為660 ℃與1350 ℃,遠(yuǎn)高于聚合物的燃點(diǎn),且燃燒時(shí)間較短,故難以對(duì)線纜造成燒蝕損傷,激光清除聚合物后,觀察線纜發(fā)現(xiàn)均無明顯燒蝕痕跡,如圖7所示。

圖4 聚合物試樣

圖5 燒蝕監(jiān)控

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 燒蝕后的線纜

5 結(jié) 論

高壓及特高壓電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離大規(guī)模電能輸送的重要物理傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。輸電線路暴露在自然環(huán)境中,常被塑料等非金屬異物纏繞,易造成重大供電安全事故,故須清除異物。由于高壓線距離地面較高,環(huán)境復(fù)雜,清除異物較為困難,傳統(tǒng)的停電后電工或機(jī)器人上線摘除和等電位帶電作業(yè)清除高壓電線異物的方法需要投入較多的人力、物力,且作業(yè)程序復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大,安全性低。激光具有方向性強(qiáng)、速度快、能量高、靈活精確等優(yōu)點(diǎn),在輸電線路纏繞聚合物清除方面具有較好的應(yīng)用前景。為安全、快捷的清除高壓輸電線上的異物,本文分析研究了激光清除聚合物的原理,設(shè)計(jì)了高壓輸電線異物激光清除系統(tǒng),搭建了實(shí)驗(yàn)裝置,并對(duì)七種常見輸電線異物進(jìn)行了清除實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的激光清除設(shè)備可對(duì)高壓輸電線上常見的異物進(jìn)行有效清除,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝調(diào)試容易,便于操作,易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、完全非接觸清除,對(duì)光纜實(shí)現(xiàn)了完全無損,且具有高效、快捷、安全性高等優(yōu)點(diǎn),對(duì)大部分異物的清除僅需不到3 s時(shí)間。