激光清障技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

張志博， 王一波， 張梓奎， 王華偉， 張貴新， 尤正軍

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；3. 浙江泰侖電力集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電能在生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模也有了極大的增長(zhǎng)。截至2019年底，我國(guó)110 kV及以上的輸電線路長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到109.34萬(wàn)km，交流1 000 kV和直流800 kV及以上的特高壓輸電線路長(zhǎng)度也已達(dá)到了35 583 km[1]。附著在輸電線路上的各類(lèi)障礙物成為輸電設(shè)備尤其是高壓輸電線路安全工作、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的巨大威脅[2]。

常見(jiàn)的線路障礙物包括塑料薄膜、鳥(niǎo)窩、覆冰、樹(shù)障等。塑料薄膜等電網(wǎng)懸掛異物會(huì)纏繞導(dǎo)線與地線，可能引發(fā)相間短路故障；樹(shù)障會(huì)使得高壓線絕緣距離減小，可能造成放電，引起林區(qū)火災(zāi)；線路覆冰過(guò)重可能引起線路斷裂，還可能造成絕緣子冰閃、導(dǎo)線舞動(dòng)、設(shè)備損壞等后果[2—4]。這些障礙物不僅會(huì)引發(fā)停電事故，造成電網(wǎng)損壞，還可能造成更大的間接經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)已有不少新聞報(bào)道了由線路障礙造成的嚴(yán)重事故。電網(wǎng)懸掛異物會(huì)對(duì)列車(chē)牽引線路形成重大威脅，2017年4月，上海地鐵1號(hào)線因一個(gè)氣球引發(fā)區(qū)段延誤，造成了惡劣影響[5]。我國(guó)是輸電線路覆冰災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，覆冰事故持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋面積大[6]。2020年11月，東北高鐵因雨雪天氣導(dǎo)致的接觸網(wǎng)覆冰而大范圍停運(yùn)，僅長(zhǎng)琿線就有近279 km線路受到影響[7]。

對(duì)于電網(wǎng)懸掛異物，目前已有的處理方式包括停電作業(yè)法，利用絕緣軟梯、屏蔽服、絕緣操作桿等簡(jiǎn)易工具的人工處理法及吊臂車(chē)處理法等[8]。這些處理方法各有缺點(diǎn)，比如停電作業(yè)法會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)損失且有時(shí)間限制；人工處理法有較高的安全隱患且操作困難，處理過(guò)程受天氣與線路結(jié)構(gòu)影響；吊臂車(chē)處理法對(duì)道路條件要求較高，不適合在復(fù)雜地形中使用。其他方法如清障機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、直升機(jī)等有技術(shù)不成熟、操作復(fù)雜、成本高昂等缺點(diǎn)，目前還無(wú)法大規(guī)模使用[9—10]。

對(duì)于線路與絕緣子覆冰，傳統(tǒng)的處理方式包括機(jī)械方法破冰、熱方法融冰、混合除冰等。機(jī)械方法破冰通過(guò)刮鏟或電脈沖使覆冰產(chǎn)生應(yīng)力而脫落，熱方法融冰通過(guò)回路中的電流熱等方式使覆冰融化。但這些方法都有不足，熱方法融冰能耗較高，而機(jī)械方法破冰雖然能耗較小，但除冰時(shí)需要中斷電力供應(yīng)，操作繁瑣，效率不高[11—13]。

近年來(lái)，高功率激光器技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)室中的半導(dǎo)體激光器巴條輸出最大達(dá)到上千瓦，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%～70%，光纖激光器功率最大也達(dá)到千瓦級(jí)[14—15]。使用激光處理線路障礙作為一種新型方案，具有無(wú)接觸、速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在不停電的情況下也能從地面準(zhǔn)確高效地清除輸電線路上的障礙物。此方法能明顯降低人力、物力成本，提升作業(yè)的安全性，具有極大的發(fā)展與應(yīng)用前景。

文中介紹了利用高功率激光器清除電網(wǎng)中常見(jiàn)障礙物的基本原理，綜述了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用；總結(jié)了激光器波長(zhǎng)、激光功率、光斑直徑等參數(shù)對(duì)于清障效果的影響，分析了清障過(guò)程中激光是否會(huì)對(duì)導(dǎo)線、絕緣子等設(shè)備造成影響，以供電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)人員參考。

1 激光清障技術(shù)原理、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

激光清障技術(shù)的基本原理為激光與材料的相互作用。激光對(duì)材料的作用是光的高頻電磁場(chǎng)與材料中電子相互作用的結(jié)果，激光的波長(zhǎng)、功率等參數(shù)與材料自身屬性的不同，其作用效果也會(huì)有很大不同。當(dāng)激光波長(zhǎng)位于紅外區(qū)時(shí)，激光照射障礙物常發(fā)生激光熱蒸發(fā)效應(yīng)，使得障礙物溫度升高至熔化、蒸發(fā)，若障礙物的內(nèi)部產(chǎn)生較大溫差，還可能產(chǎn)生熱應(yīng)力。激光清障技術(shù)正是利用此特性實(shí)現(xiàn)了熔穿、切割異物或融化覆冰[16—17]。

目前激光清障技術(shù)的應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：清除電網(wǎng)懸掛異物、清除絕緣子與導(dǎo)線上的覆冰、清除樹(shù)障。文中將分別對(duì)其原理、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要介紹。

1.1 激光清除電網(wǎng)懸掛異物

1.1.1 激光清除電網(wǎng)懸掛異物的原理與研究現(xiàn)狀

電網(wǎng)懸掛異物通常為非金屬材料即塑料和化纖制品，包括塑料薄膜、風(fēng)箏、風(fēng)箏線、廣告布等，下文統(tǒng)稱(chēng)為“異物”。異物一般通過(guò)繞圈、重力支撐、黏附3種方式與輸配電線、地線接觸糾纏。激光清除異物的基本原理為發(fā)射激光遠(yuǎn)程作用于纏掛或黏附部位，利用激光的熱效應(yīng)使異物熔化并將其擊落[18]。

相比另外2種障礙物，異物的組成類(lèi)型較為復(fù)雜，不同波長(zhǎng)的激光對(duì)于不同類(lèi)型、不同顏色的異物吸收率不同，這要求在設(shè)計(jì)清障儀時(shí)選擇波長(zhǎng)合適的激光器，文獻(xiàn)[19—20]對(duì)比了光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、CO2激光器等常見(jiàn)激光器對(duì)不同異物的清除效果。不同類(lèi)型、厚度的異物熔穿所需的激光功率密度也不同，這要求激光器發(fā)射的激光功率密度必須達(dá)到某一閾值才能快速熔穿絕大多數(shù)的異物。由于異物通常纏繞在輸電線路上，照射異物的同時(shí)會(huì)不可避免地加熱導(dǎo)線，因此必須控制激光功率密度與照射時(shí)間以免對(duì)導(dǎo)線造成損傷，文獻(xiàn)[18,21—22]針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了理論仿真與實(shí)驗(yàn)。

激光異物清除裝置主要包括激光器、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等部分，文獻(xiàn)[23—24]主要關(guān)注激光清障原理分析與清障儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而文獻(xiàn)[25—27]主要針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等輔助裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前激光清障儀所采用的激光功率多為100～300 W，若激光誤操作照射到人體，可能會(huì)對(duì)人體造成傷害，因此有學(xué)者提出了一些安全防護(hù)裝置的構(gòu)想[27]。在使用激光器時(shí)，可以在周?chē)胖贸暡▊鞲衅骰蚣t外傳感器用于周界監(jiān)視，當(dāng)有人或動(dòng)物通過(guò)時(shí)，則控制激光停止出光；在電動(dòng)云臺(tái)中放置傳感器，當(dāng)設(shè)備傾倒超過(guò)某一角度時(shí)，則控制激光停止出光。燃燒、脫落的異物通常帶有余溫，使用過(guò)程中還須注意火災(zāi)危險(xiǎn)。

1.1.2 激光清除電網(wǎng)懸掛異物的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光處理異物技術(shù)近年來(lái)已在輸電線路運(yùn)行維護(hù)中投入應(yīng)用。2016年，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院研制了CO2激光清障裝置并用其清除了市區(qū)輸電線路上纏繞的風(fēng)箏線；2016年，東莞供電局使用激光清除9項(xiàng)線路飄掛物；2017年，浙江電網(wǎng)利用激光清障儀在92 m外清除了1 000 kV輸電線路上懸掛的遮陽(yáng)膜，耗時(shí)約30 s；河北電網(wǎng)、重慶電網(wǎng)、甘肅電力、湖南電力等也都開(kāi)始使用激光清除輸電線路上的塑料膜、布條等異物[18—19,28]。這項(xiàng)技術(shù)大大提升了工作效率，降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，避免了大量因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 激光清除覆冰

1.2.1 激光除冰的原理與研究現(xiàn)狀

激光清除覆冰的思路大體分為2種：一種是利用大功率脈沖激光照射導(dǎo)線和冰層截面，通過(guò)產(chǎn)生的應(yīng)力波將覆冰震碎，中國(guó)物理研究院應(yīng)用電子研究所曾進(jìn)行過(guò)這方面的研究[29]，但這種設(shè)備十分笨重，無(wú)法應(yīng)用于清除絕緣子覆冰且很可能對(duì)導(dǎo)線造成損害；另一種是利用激光的熱效應(yīng)加熱冰層使其熔化，結(jié)合因溫差產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力使冰層或冰柱脫落。相較而言，第二種方法更加實(shí)用。

激光波長(zhǎng)是影響除冰效率的一大因素，這是因?yàn)榧す獠ㄩL(zhǎng)會(huì)極大地影響激光在冰層中的穿透深度，從而影響除冰時(shí)的激光作用效應(yīng)與除冰效果[30]。除此之外，激光功率與光斑直徑也是影響除冰效率的重要因素[31]。清除絕緣子表面覆冰時(shí)，必須將激光功率密度與照射時(shí)間控制在一個(gè)安全閾值下，否則絕緣子可能糊化變色，甚至斷裂[32]。

美國(guó)、日本等早在上世紀(jì)就已開(kāi)展了激光除冰的相關(guān)研究[2,33—34]，而我國(guó)的相關(guān)研究相較國(guó)外起步較晚。2006年以來(lái)，華中科技大學(xué)使用CO2激光與Nd:YAG激光器進(jìn)行了一系列理論仿真與除冰實(shí)驗(yàn)[31—32,35—36]；清華大學(xué)與南方電網(wǎng)公司技術(shù)研究中心合作進(jìn)行了半導(dǎo)體激光器處理覆冰的研究，利用理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究了激光波長(zhǎng)、激光功率、光斑直徑等參數(shù)對(duì)于處理效果的影響[11,30,37—38]；中國(guó)物理研究院也曾進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[29]。

1.2.2 激光除冰的應(yīng)用現(xiàn)狀

清華大學(xué)與南方電網(wǎng)科學(xué)研究院曾合作研制了1臺(tái)總輸出功率為300 W的半導(dǎo)體激光清障儀并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示[37]。

表1 現(xiàn)場(chǎng)除冰試驗(yàn)結(jié)果

除冰效率與成本是制約激光除冰技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，但由于能量消耗過(guò)大且處理效率低，目前很少直接利用激光清除導(dǎo)線與桿塔覆冰，更可行的應(yīng)用方式是使用激光緊急處理絕緣子表面覆冰，防止絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)放電。另外，作為尚未廣泛使用的新技術(shù)，激光除冰對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求也較高[12]。也有文獻(xiàn)認(rèn)為，除了清除線路覆冰，還可將激光應(yīng)用于去除風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉的表面覆冰[26]，但仍未有具體的相關(guān)研究。

1.3 激光清除樹(shù)障

樹(shù)障一直是阻礙線路安全運(yùn)行的重大隱患，傳統(tǒng)的人工砍伐方法工作量大、工作效率低，且在作業(yè)過(guò)程中可能引起線路跳閘與人員受傷。利用激光作用于物質(zhì)的熱效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)，并使用合適波長(zhǎng)與功率的激光可將樹(shù)障切斷或燒蝕損毀[4]。與異物清除不同的是，清除樹(shù)障需要更高的激光功率，同時(shí)，樹(shù)木茂盛的地區(qū)多為地形復(fù)雜的山區(qū)或森林地區(qū)，大型設(shè)備難以進(jìn)入，這對(duì)清障儀的體積與便攜性提出了要求[19]。CO2激光器在100 W以上就必須使用水冷，體積較大且不適合戶外運(yùn)輸使用；相較而言，光纖激光器在光電轉(zhuǎn)化效率與光束質(zhì)量方面都優(yōu)于CO2激光器，更適用于樹(shù)障清除。

國(guó)網(wǎng)湖北電力有限公司進(jìn)行了激光樹(shù)障清除裝置的研制及相應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[4]，使用功率為200 W的光纖激光器，將激光束轉(zhuǎn)換為線激光束。仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)照射10 s時(shí)，根據(jù)木材不同，照射點(diǎn)表面溫度可達(dá)378～1 238 ℃，這一溫度遠(yuǎn)超木材250～300 ℃的燃點(diǎn)，同時(shí)在照射過(guò)程中樹(shù)木內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力也有利于切斷樹(shù)木。在實(shí)際試驗(yàn)中，使用裝置照射20 m遠(yuǎn)的樹(shù)枝，對(duì)于較細(xì)的樹(shù)枝，5 s內(nèi)即已清除；直徑為6 cm的約需15～30 s；大于6 cm的則視情況而定。

2 激光器類(lèi)型與激光清障關(guān)鍵參數(shù)的影響選擇

2.1 激光器類(lèi)型對(duì)比

激光是通過(guò)刺激原子導(dǎo)致電子躍遷釋放輻射能量而產(chǎn)生的具有同調(diào)性的增強(qiáng)光子束，具有單色性好、高亮度、光束準(zhǔn)直性好等特點(diǎn)[39]。按照工作物質(zhì)物態(tài)可把激光器分為以下幾類(lèi)：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等?，F(xiàn)有研究與應(yīng)用中，常用于清障的激光器主要包括光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、CO2激光器，其波長(zhǎng)、輸出功率、體積等參數(shù)各不相同。激光器是清障儀的核心部件，不同類(lèi)型會(huì)對(duì)清障儀的性能、設(shè)計(jì)等造成極大影響，因此設(shè)計(jì)清障儀時(shí)需要根據(jù)需求選擇合適的激光器。

表2簡(jiǎn)單對(duì)比了不同類(lèi)型激光器的特點(diǎn)[11,14]。CO2激光器的光電效率低，非金屬物質(zhì)對(duì)CO2激光吸收較好；半導(dǎo)體激光器體積最小、耗電較少，但光束準(zhǔn)直性較差；而光纖激光器維護(hù)方便，適合工程使用。

表2 不同類(lèi)型激光器的特點(diǎn)

2.2 激光波長(zhǎng)對(duì)清障的影響

2.2.1 激光波長(zhǎng)對(duì)異物清除效果的影響

對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光，異物的透過(guò)率與吸收率不同，因此其熔穿所需要的功率密度也不同。塑料薄膜是一種常見(jiàn)的異物，文獻(xiàn)[20]對(duì)比了光纖(波長(zhǎng)1 064 nm)、CO2(波長(zhǎng)10 600 nm)、半導(dǎo)體(波長(zhǎng)980 nm)激光對(duì)于不同顏色、厚度的塑料薄膜的處理效果，并測(cè)量了塑料膜對(duì)激光的透射率，其結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。測(cè)量發(fā)現(xiàn)CO2激光對(duì)透明塑料膜的熔穿效果最好，這與透射率的測(cè)量結(jié)果是相符的；對(duì)于有色塑料薄膜，雖光纖激光器的透射率最低，但由于反射散射的影響，CO2激光的熔穿功率仍遠(yuǎn)低于其他2種激光；對(duì)于10 mm厚的黃色塑料薄膜，CO2激光的最小熔穿功率密度為0.013 3 W/mm2。

圖1 不同厚度的透明塑料薄膜對(duì)于激光的透射率

圖2 不同顏色的10 mm厚塑料薄膜對(duì)激光的透射率

文獻(xiàn)[19]對(duì)比了CO2激光與光纖激光處理黑白A4紙與透明、黑色塑料薄膜的效果，發(fā)現(xiàn)處理黑色薄膜與黑色A4紙時(shí)，兩者差距不大，但處理透明塑料薄膜與白色A4紙時(shí)，光纖激光的效果遠(yuǎn)不如CO2激光。盡管在實(shí)驗(yàn)室中光纖激光處理透明塑料薄膜的表現(xiàn)不佳，但實(shí)地試驗(yàn)中，光纖激光也能有效切割，只是用時(shí)稍長(zhǎng)。這可能是因?yàn)閷?shí)際使用中塑料薄膜往往層層纏繞且由于長(zhǎng)期使用導(dǎo)致透明度明顯下降。

相比于光纖激光，CO2激光對(duì)于異物尤其是白色與透明異物的處理效果更好，但是光纖激光器有著功率及體積上的優(yōu)勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)所需處理的異物綜合考慮選擇。

2.2.2 激光波長(zhǎng)對(duì)除冰效果的影響

高功率、高能量的激光與冰的相互作用會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，不同波長(zhǎng)的激光在冰層中的穿透深度不同，因此不同波長(zhǎng)的激光作用于冰層可視為不同類(lèi)型的熱源，對(duì)除冰效果會(huì)產(chǎn)生影響。圖3為不同波長(zhǎng)的光在純冰中傳輸?shù)奈障禂?shù)。

圖3 不同波長(zhǎng)的光在純冰中的吸收系數(shù)

當(dāng)吸收系數(shù)較小的激光(如半導(dǎo)體激光)照射時(shí)，激光穿透深度相對(duì)冰層厚度較大，可將激光看作體熱源，表面與一定厚度內(nèi)的覆冰同時(shí)吸收激光能量，從而溫度上升。而由于冰層內(nèi)部的溫差，冰層上、下表面和內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分布，這會(huì)使冰塊變得疏松甚至出現(xiàn)裂紋或碎裂，能有效提高激光除冰效率。當(dāng)吸收系數(shù)較大的激光(如CO2激光)照射時(shí)，可看作面熱源，發(fā)生相變的冰集中于冰層表面，形成逐層融化現(xiàn)象。而過(guò)程中熱應(yīng)力的影響范圍相對(duì)有限，主要依靠激光的熱效應(yīng)達(dá)到除冰效果。根據(jù)文獻(xiàn)[31,35—36]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在使用波長(zhǎng)為1.064 mm的Nd:YAG激光照射后，堅(jiān)硬的冰塊變得疏松，沿著冰塊的應(yīng)力分布方向作用機(jī)械力，便可使冰塊輕松地?cái)嗔衙撀洌@是提高除冰效率的一種思路。而使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的CO2激光時(shí)，應(yīng)力的影響大大減小。

實(shí)際應(yīng)用中，激光的穿透深度并非越高越好。文獻(xiàn)[11,30]進(jìn)行了紅外波段的808 nm、980 nm、1 075 nm的激光融穿覆冰的對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。

表3 不同波長(zhǎng)激光融冰試驗(yàn)效果對(duì)比

由表3可知，808 nm激光的穿透深度較大，但980 nm激光與1 075 nm激光的除冰效率遠(yuǎn)高于808 nm激光。這是由于808 nm激光的穿透深度過(guò)大，較多激光能量作用在覆冰物體表面，通過(guò)反射損耗了。在考慮到覆冰厚度的前提下，穿透深度適中的激光能更好完成加熱接觸面與切割覆冰的任務(wù)，更適用于激光清障儀。

2.3 激光功率、光斑直徑對(duì)除冰效率的影響

影響激光處理覆冰效果的因素有激光功率、光斑直徑、初始溫度、覆冰厚度、激光波長(zhǎng)等，若使用脈沖激光器還有脈沖峰值功率與脈沖頻率等。文中主要介紹激光功率與光斑直徑的影響，覆冰初始溫度與覆冰厚度取決于自然環(huán)境，因此不再介紹。

由文獻(xiàn)[30,37—38]的仿真結(jié)果可知，當(dāng)融穿2 cm的覆冰時(shí)，隨著激光功率增加，覆冰融穿時(shí)間不斷減小，在激光功率超過(guò)70 W后，除冰效果提升并不顯著，此時(shí)制造激光除冰設(shè)備的成本將會(huì)大幅度提高；當(dāng)光斑減小時(shí)，覆冰融穿時(shí)間也隨之減小，當(dāng)光斑直徑小于8 mm時(shí)，融穿時(shí)間的變化不再顯著，當(dāng)光斑過(guò)小時(shí)，激光功率密度較大，容易對(duì)電力設(shè)備造成損害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，如圖4所示。實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)激光功率為50 W、光斑直徑為10 mm時(shí)，融穿2 cm的冰層約需37 s[11,38]。

圖4 激光功率與光斑直徑的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

激光光斑直徑并非越小越好，當(dāng)使用聚焦小光斑(直徑100 mm)作用于冰塊時(shí)，雖然聚焦點(diǎn)附近的冰塊產(chǎn)生破壞，但是破壞范圍十分有限，不足以影響冰塊整體。光斑減小，融穿冰柱速度雖然加快，但熱影響區(qū)域小，除冰速度反而可能減?。辉谝欢ǖ募す夤β拭芏认?，增大光斑，光斑熱影響區(qū)域變大，除冰體積也相應(yīng)增加[31]。在文獻(xiàn)[11]進(jìn)行的模擬覆冰除冰實(shí)驗(yàn)中，利用功率為50 W、光斑直徑為10 mm的半導(dǎo)體激光清除厚度為2 cm、直徑約120 mm的圓柱體冰層，采取先切割再整體掃描的方式，覆冰脫落約需2 min。據(jù)估計(jì)，清除一片絕緣子上初始溫度為-5 ℃、厚度約為1～3 cm的覆冰需要用時(shí)5～15 min。

2.4 激光功率密度與照射時(shí)間的安全閾值問(wèn)題

在激光清障過(guò)程中，激光照射如導(dǎo)線、絕緣子等的電力設(shè)備是不可避免的，長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的照射可能對(duì)其造成損害。在實(shí)際清障作業(yè)中，必須將激光功率密度與照射時(shí)間控制在安全閾值之下。

2.4.1 激光照射對(duì)絕緣子的影響

在實(shí)際的清障作業(yè)中，清除絕緣子表面覆冰是最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景之一，激光功率密度與激光照射時(shí)間是絕緣子表面激光破壞的重要參量，因此有必要對(duì)不同類(lèi)型的絕緣子所能承受的光功率密度與照射時(shí)間閾值進(jìn)行研究。

目前使用的絕緣子分為瓷絕緣子、復(fù)合絕緣子和玻璃絕緣子。由于激光能穿透玻璃絕緣子，激光照射不會(huì)對(duì)玻璃絕緣子表面產(chǎn)生影響。通常認(rèn)為復(fù)合絕緣子的激光功率閾值低于瓷絕緣子，瓷絕緣子的顏色會(huì)影響其對(duì)激光的吸收能力[33,37]。

絕緣子的激光損傷需要綜合考慮其抗熱沖擊能力和抗拉閾值。當(dāng)激光照射絕緣子表面時(shí)，激光作用區(qū)域的絕緣子表面溫度會(huì)上升，光斑邊緣會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。 對(duì)于瓷絕緣子，當(dāng)激光照射時(shí)間增加，其表面溫度超過(guò)其抗熱沖擊能力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)糊狀變色現(xiàn)象；當(dāng)激光繼續(xù)照射，由溫差引起的拉應(yīng)力可能超過(guò)抗拉閾值，應(yīng)力破壞導(dǎo)致絕緣子斷裂。對(duì)于復(fù)合絕緣子，由于其燃點(diǎn)較低，受到激光照射時(shí)，易受到燃燒破壞，燃燒后的絕緣子部位呈現(xiàn)白色[33]。

目前已有很多學(xué)者與技術(shù)人員實(shí)際測(cè)量或仿真了絕緣子的安全閾值，由于不同研究實(shí)驗(yàn)所用激光器與絕緣子類(lèi)型不同，下面分別列舉以供參考。

文獻(xiàn)[37]研究了使用波長(zhǎng)980 nm的半導(dǎo)體激光照射對(duì)不同顏色、類(lèi)型絕緣子的影響，結(jié)果如表4所示。照射一段時(shí)間后，瓷絕緣子瓷釉表面出現(xiàn)變色，而激光照射對(duì)復(fù)合絕緣子的憎水性影響不大。

表4 不同類(lèi)型絕緣子的安全閾值

文獻(xiàn)[36]研究了波長(zhǎng)10 600 nm 的CO2激光對(duì)白色瓷絕緣子的影響，激光器的光斑直徑為5 mm。當(dāng)激光功率小于17 W時(shí)，激光照射1 min或3 min，絕緣子表面均未出現(xiàn)裂紋，因此認(rèn)為絕緣子的激光功率密度上限為0.866 W/mm2。在實(shí)際工程中，由于有冰水混合物的保護(hù)，這一數(shù)值可能稍有提高。

文獻(xiàn)[32]研究了使用長(zhǎng)脈沖Nd:YAG激光照射瓷絕緣子的影響，激光器輸出功率為268 W，光斑直徑為38 mm，脈沖寬度為1 ms，重復(fù)頻率為60 Hz。當(dāng)激光斜入射約20 s后，絕緣子表面出現(xiàn)了糊狀痕跡，此時(shí)入射激光能量為4.73 J/mm2，平均功率密度為0.236 5 W/mm2；功率密度不變，當(dāng)激光正入射約47 s后，絕緣子斷裂，此時(shí)的入射激光能量為11.1 J/mm2。

2片瓷絕緣子的球碗連接處為鋼帽，激光照射這一部位同樣可能對(duì)絕緣子造成影響。文獻(xiàn)[40]仿真得到了激光照射鋼帽時(shí)的溫度與應(yīng)力分布，激光功率設(shè)定為200 W，光斑直徑為24 mm，功率密度為0.442 W/mm2，照射60 s。由仿真結(jié)果可知，瓷件最高溫度為96 ℃，遠(yuǎn)低于熱破壞閾值，但溫差引起的熱應(yīng)力最大可達(dá)821 MPa，可能對(duì)絕緣子鋼帽與瓷片造成損害。

2.4.2 激光照射對(duì)導(dǎo)線的影響

激光長(zhǎng)時(shí)間照射導(dǎo)線可能引起導(dǎo)線溫度上升，也可能對(duì)導(dǎo)線造成電學(xué)故障和力學(xué)性能退化。

文獻(xiàn)[21—22]對(duì)CO2激光照射LGJ-300/20導(dǎo)線的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，當(dāng)激光吸收率取極端值100%時(shí)，鋼芯線上最高溫度為349.335 ℃，鋁絞線上最高溫度為361.379 ℃，達(dá)不到鍍鋅層的熔點(diǎn)，也無(wú)法對(duì)鋁絞線與鋼芯線造成損害。光潔鋁對(duì)于10.6 mm激光吸收率約為0.019，因此實(shí)際溫度應(yīng)該遠(yuǎn)比仿真低。在近距離(5 cm)下利用光束半徑為3.5 mm、功率密度為2.598 W/mm2的100 W激光照射導(dǎo)線10 min，測(cè)量發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線電阻率隨溫度上升而增加，變化不大時(shí)，其最大變化百分比為4%；最大拉伸力隨照射時(shí)間的增加有所下降，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在遠(yuǎn)距離下的照射實(shí)驗(yàn)中，激光對(duì)導(dǎo)線的影響更小。

1 060 nm的激光對(duì)于銅和鋁等金屬的吸收率更高，因此光纖激光相比CO2激光對(duì)導(dǎo)線造成的損害更大。有研究使用光纖激光器在20 m以內(nèi)燒灼400 mm2的鋼芯鋁絞線10 min后，導(dǎo)線逐漸出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象，而相同條件下使用CO2激光則無(wú)反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，輸電線路對(duì)地距離一般不會(huì)如此低，且激光不會(huì)對(duì)準(zhǔn)固定點(diǎn)超過(guò)1 min，可以認(rèn)為CO2激光與光纖激光清除異物基本不會(huì)對(duì)導(dǎo)線造成損害[19,24]。

3 總結(jié)與展望

文中主要綜述了激光清障技術(shù)已有的研究與應(yīng)用，以供電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)人員在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)參考。激光波長(zhǎng)、功率等參數(shù)會(huì)極大地影響激光清障效果，激光波長(zhǎng)會(huì)影響材料對(duì)激光的吸收系數(shù)與激光在材料中的穿透深度，而激光功率則會(huì)影響清障效率。實(shí)施清障作業(yè)時(shí)，也必須控制激光功率密度與照射時(shí)間，以免對(duì)電力設(shè)備造成損害。

激光清障裝置的核心為高功率激光器，高功率激光器的功率、體積、光束質(zhì)量、耐用性等參數(shù)是影響清障裝置性能的重要因素。CO2激光雖因其波長(zhǎng)對(duì)非金屬材料的作用效果較好，但無(wú)水冷的CO2激光器性能較差，且激光光束質(zhì)量不好，通常只用于近距離清障。光纖激光器與半導(dǎo)體激光器在光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)化效率等方面都優(yōu)于CO2激光器，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，光纖激光器的成本也已經(jīng)大大降低，這2類(lèi)激光器在清障領(lǐng)域已有逐漸取代CO2激光器的趨勢(shì)。

根據(jù)使用激光器的不同與應(yīng)用場(chǎng)景的不同，目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同清障裝置。激光清除懸掛異物的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在清除覆冰與樹(shù)障方面，受制于清障效率與成本等因素，仍然有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，激光清障技術(shù)可以高效、無(wú)接觸地清除電網(wǎng)上的常見(jiàn)異物，具有廣闊的發(fā)展前景。

激光器性能的進(jìn)步也為清障裝置的設(shè)計(jì)提供了更多的可能。近年來(lái)，高功率激光器尤其光纖激光器的性能進(jìn)步十分迅速，無(wú)水冷的商用光纖激光器最大功率已達(dá)到1 000 W，水冷的甚至可達(dá)幾萬(wàn)瓦，同時(shí)激光器的成本與體積也大大下降了。因?yàn)榍宄€路障礙物通常并不需要很高的激光功率，但作業(yè)環(huán)境卻通常比較復(fù)雜，所以小型化、便攜化可能是未來(lái)清障儀發(fā)展的趨勢(shì)。目前，已有技術(shù)人員研發(fā)了槍型的激光清障儀，重量?jī)H為6 kg，完全可以單人攜帶使用。未來(lái)完全可能出現(xiàn)安裝于無(wú)人機(jī)上的激光清障儀，無(wú)人機(jī)可以巡線飛行，利用激光雷達(dá)、圖像處理技術(shù)等識(shí)別前方線路上的障礙物并及時(shí)進(jìn)行清除。除了應(yīng)用于清障領(lǐng)域，激光技術(shù)還可以應(yīng)用于絕緣子清洗、驅(qū)鳥(niǎo)等領(lǐng)域，將來(lái)甚至可能出現(xiàn)綜合不同功能的集成激光裝置，但以目前的激光器技術(shù)還很難做到這一點(diǎn)。