線激光清除輸電線路樹障溫度場和應(yīng)力場分析

吳 軍 1，程 繩 1，董曉虎 1，范 楊 1，林 磊 1，方春華 ，徐 鑫

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

當(dāng)樹木靠近輸電線路，會導(dǎo)致跳閘、短路等現(xiàn)象發(fā)生。樹障一直是阻礙輸電線路安全運(yùn)行的最大隱患。為了保障穩(wěn)定供電，國家電力部門工作人員會不定期修剪樹枝，清除樹障。傳統(tǒng)的清障方式采用電鋸進(jìn)行登高清除，這種方式存在觸電、登高等安全隱患。

近年來，利用高能激光器清除輸電線路樹障的作業(yè)方式逐漸普及［1-3］，激光由于其能量集中，可遠(yuǎn)距離進(jìn)行作業(yè)，不導(dǎo)電等特性，特別適合于在地面遠(yuǎn)距離對架空輸電線路樹障進(jìn)行清除。而線激光具有獨(dú)特的優(yōu)勢，切割效率更高［4-9］。

目前國內(nèi)外針對激光在電力行業(yè)的應(yīng)用研究有很多。文獻(xiàn)［10］通過理論分析和多物理場有限元仿真，分析研究了激光作用下的導(dǎo)線局部溫度變化和溫度場分布，討論激光裝置在異物清除時，是否可能引起導(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。文獻(xiàn)［11］采用有限元分析軟件ANSYS對激光與普通瓷、氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、堇青石瓷作用后的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到氧化鋁瓷具有較好的抗熱應(yīng)力破壞性能，并進(jìn)行了Nd：YAG連續(xù)激光照射絕緣子表面實驗，得到絕緣子表面溫度與照射時間和損傷類型的關(guān)系。文獻(xiàn)［12］忽略材料的光穿透效應(yīng)、熱擴(kuò)散效應(yīng)以及溫度變化對材料物理參數(shù)的影響，用ANSYS有限元法對脈沖激光線源照射瓷質(zhì)絕緣子時引起的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了特定功率激光作用下瓷質(zhì)絕緣子的瞬態(tài)溫度場分布及溫升范圍，并得到了不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時間的變化關(guān)系及同一時刻沿軸向和徑向路徑節(jié)點(diǎn)溫度的分布曲線。

上述文獻(xiàn)研究了激光針對導(dǎo)線、瓷絕緣子進(jìn)行照射討論是否有損傷等問題進(jìn)行研究，并進(jìn)行了溫度場等研究。目前，采用激光技術(shù)清除樹障的研究較少。本文通過Ansys進(jìn)行線激光清除樹障溫度場和應(yīng)力場的仿真，計算研究溫度及應(yīng)力分布規(guī)律，同時進(jìn)行線激光清除樹障實驗，驗證線激光清除樹障的可行性。

1 仿真模型的建立

“樹線矛盾”一直是電力系統(tǒng)所重視的問題，能夠成為樹障的樹木通常為喬木［13-15］。本文分別對紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐、麻櫟6類樹種進(jìn)行仿真實驗。樹木實物圖見圖1。

圖1 樹木實物圖Fig.1 Physical picture of trees

樹木仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 樹木仿真模型Fig.2 Tree simulation model

本仿真重點(diǎn)為研究激光對樹木的作用機(jī)理，為使得模型更符合實際，本文采用的仿真模型模擬的樹木尺寸為：直徑0.06 m，長度0.15 m，建模時嚴(yán)格按照尺寸建模。

仿真熱源采用平面高斯熱源模型［16-19］，見圖3。此模型更加切合實際，它是將熱源能量按高斯函數(shù)分布在一定半徑的圓內(nèi)，從而模擬光斑熱量分布為中間高、邊緣低的特征。

圖3 平面高斯熱源模型Fig.3 Plane gaussian heat source model

激光在大氣中傳播時，其衰減水平受到環(huán)境因素的制約，包括大氣的組成成分、各組分的濃度分布、溫濕度、大氣壓強(qiáng)以及氣溶膠的特性。特別是激光在受到大氣中大氣分子和氣溶膠的散射和吸收時，激光能量將會急劇下降，波長為1 064 nm的激光在大氣中的衰減系數(shù)較小，發(fā)射該波長的連續(xù)光纖激光器技術(shù)成熟、工作可靠，其被廣泛應(yīng)用于激光測距，制導(dǎo)以及國防軍事上的光電對抗領(lǐng)域，激光的大氣透過率是描述激光傳輸特性的重要參數(shù)。

63880部隊的陳前榮博士后根據(jù)實際需要，利用FASCODE計算了1 064 nm激光在中緯度地區(qū)夏季條件下的激光透過率，并利用計算的3萬條數(shù)據(jù)建立了1 064 nm激光的大氣透過率數(shù)據(jù)庫，并將其運(yùn)用到激光制導(dǎo)武器作戰(zhàn)以及光電對抗仿真課題的研究匯總。解決了實時計算存在的耗時高、實時性差的問題，其得出的10 km能見度內(nèi)不同斜程透過率曲線見圖4［20-24］。

從圖4中可以看出，對于圖中每一條曲線，體現(xiàn)出仰角越大，激光的透過率越高的趨勢。當(dāng)距離在0～1 km范圍時，仰角對激光的透過率幾乎沒有影響。斜程為1.5 km是仰角對激光透過率產(chǎn)生不同影響的分水嶺。對于激光清除樹障而言，其選擇的距離小于200 m，這也是本文設(shè)計的激光清除輸電線路異物裝置選用光纖激光器的有效工作距離，而該距離對應(yīng)的激光透過率為0.98。可見，激光在用于清除異物的環(huán)境下，其能量損失是可以忽略的。

本文使用ANSYS熱分析，考慮一個較為全面的環(huán)境，在仿真分析的過程中模擬使用功率200 W的連續(xù)激光照射在樹木上。激光作為平面熱源施加在樹木的表面以模擬激光照射在樹木上。設(shè)置樹木的初始溫度為20℃。對6種樹木的屬性，即在國際單位制下分別賦予其密度、熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容3項物理量。6種樹木的密度、熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容的參數(shù)［25-31］列于表1。

表1 樹木的物理特性參數(shù)Tabble 1 Physical characteristic parameters of trees

木材的比熱容基本上不受樹種的影響，約為2 400 J/kg·℃。

2 溫度場特性分析

激光照射樹木時，對紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹木進(jìn)行仿真研究。紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹木的溫度分布曲線圖如圖5。

圖5 溫度分布曲線圖Fig.5 Temperature distribution curve

由圖5可知，對于6種不同的樹木，激光照射中心點(diǎn)溫度上升速率隨加熱時間的延長逐漸減緩，這是由于樹木的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而逐漸減小，從而使得溫度的升高速率減緩。

激光清除不同種類樹木的溫度有所不同，第10 s時紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹木的溫度分布云圖如圖6。

由圖6可知，在第10 s時，紅松窄面中心溫度達(dá)到2 023.28℃，這一溫度由窄面沿著表面逐漸降低；泡桐激光照射中心點(diǎn)溫度最高，麻櫟對應(yīng)該區(qū)域溫度最低，黃花落葉松與西南樺該區(qū)域溫度相當(dāng)，紅松與杉木溫度相差無幾。線激光照射在窄面10 s時，泡桐窄面溫度達(dá)到3 627.45℃，紅松的2 023.28℃與杉木的1 997.6℃溫度處于同一檔，黃花落葉松和西南樺溫度略低，為1 319.75℃和1 362.58℃，麻櫟溫度最低，為964.356℃。這說明在溫度很高的情況下，熱導(dǎo)系數(shù)的大小決定了樹木表面溫度的大小，熱導(dǎo)系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

圖6 6種樹木第10 s時表面溫度分布云圖Fig.6 Cloud chart of surface temperature distribution of six kinds of trees at 10 s

3 應(yīng)力場特性分析

激光清障過程中，激光熱量集中照射在樹木上會導(dǎo)致樹木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會使得樹木產(chǎn)生微小的變形，從仿真中可以看到，激光直接照射區(qū)域的結(jié)構(gòu)位移較大，沿著兩端逐漸減小。紅松、杉木、西南樺、黃花落葉松、麻櫟、泡桐10 s時的應(yīng)力分布云圖見圖7。

應(yīng)力沿樹木表面的徑向分布如圖7所示，該距離反應(yīng)的是一條經(jīng)過線激光照射窄條上路徑上的應(yīng)力分布情況。在激光加熱時，僅在激光光斑的覆蓋區(qū)域內(nèi)熱效應(yīng)明顯，在激光光斑的邊緣位置樹木表面溫度變化劇烈，產(chǎn)生很大的溫差，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這一應(yīng)力隨著激光照射時間的延長而增大，有助于切斷樹木。

圖7 6種樹木第10 s時表面應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud chart of surface stress distribution of six kinds of trees at 10 s

在加熱從1 s至15 s的過程中，第1 s時的應(yīng)力分布均衡，隨著激光輻照過程的進(jìn)行，距離窄體中心外6至12 mm的范圍內(nèi)應(yīng)力急劇升高，在兩側(cè)均出現(xiàn)峰值，形成駝峰形的應(yīng)力分布，在中心向徑向直徑5mm橢圓形區(qū)域內(nèi)均為壓應(yīng)力，即窄條中心壓應(yīng)力最大。壓應(yīng)力在5 mm邊緣轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，在整個輻照過程中，壓應(yīng)力值的增大都沒有超過樹木的抗壓強(qiáng)度。拉應(yīng)力值在向徑向變化的過程中，經(jīng)過兩次震蕩，迅速衰減為零。從圖中可以看出，輻照時間達(dá)到10 s時，拉應(yīng)力的值達(dá)到了883 MPa，超過了其抗拉強(qiáng)度，此時會出現(xiàn)樹木斷裂等情況。

4 激光清除樹障實驗

利用激光優(yōu)良的熱效應(yīng)，選擇合適的激光參數(shù)，使用對樹障進(jìn)行清除是完全可行的。激光清障裝置選用風(fēng)冷連續(xù)激光器，最大輸出功率為200 W，輸出形式為線激光，線激光光斑約為0.001 m×0.03 m的長方形窄條，工作距離可達(dá)200 m。實驗裝置操作圖見圖8。

圖8 實驗裝置操作圖Fig.8 Experimental layout

針對不同種類不同粗細(xì)的樹木，進(jìn)行了大量的實驗，研究激光清障的實際效果。激光清除樹障燒蝕過程見圖9。

圖9 激光清除樹障燒蝕完整過程Fig.9 Complete ablation process of laser clearing tree barrier

激光照射樹木時，激光能量被樹木吸收，樹木吸收了激光的熱量，自身溫度逐漸升高，產(chǎn)生大量的可燃性煙霧，隨即樹木溫度到達(dá)燃點(diǎn)，發(fā)生燃燒現(xiàn)象。隨著時間的推移，激光照射區(qū)域溫度持續(xù)上升，該區(qū)域木材劇烈燃燒，發(fā)生碳化現(xiàn)象，木材木質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，一段時間后，樹障由于被照射出木質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸小于自身重力，無法繼續(xù)支撐樹障，樹障掉落，達(dá)到清除樹障的目的。激光清除樹障燒蝕效果圖見圖10。

圖10 激光清除樹障燒蝕效果圖Fig.10 Ablation effect of laser clearing tree barrier

通過實驗得知，該線激光清障裝置在清除樹障的過程中，較細(xì)的樹枝，5 s內(nèi)即已清除；直徑為6 cm的樹枝15 s～30 s可完成清除；大于6 cm的樹枝或樹干視粗細(xì)與實際情況延長清障時間。

5 結(jié)論

1）激光清除樹障時，激光照射中心點(diǎn)溫度上升速率隨加熱時間的延長逐漸減緩，這是由于樹木的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而逐漸減小，從而使得溫度的升高速率減緩。

2）在溫度很高的情況下，熱導(dǎo)系數(shù)大小決定了樹木表面溫度的大小，熱導(dǎo)系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

3）激光清障過程中，激光熱量集中照射在樹木上會導(dǎo)致樹木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會使得樹木產(chǎn)生形變、斷裂。

4）在激光清除樹障實驗過程中，30 s內(nèi)可清除直徑為6 cm的樹枝，激光應(yīng)用于清障工作有很高的效率。