高 峰,刘 阳,肖茂森,唐露甜

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院,陕西 西安 710054;2.国网陕西省电力公司西安供电公司,陕西 西安 710032; 3.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119)

1 引 言

高压及特高压电网是电力系统中进行远距离大规模电能输送的重要物理传导网络。输电线路常年暴露在自然环境中,由于自然风力或人为原因,经常会出现涤纶布、尼龙、树枝等各类异物搭接在导线、杆塔或绝缘子等电网设施上的情况,产生线路短路、跳闸等故障隐患,以陕西电网架空输电线路运行情况为例,每年由异物搭挂在线路上导致的故障跳闸约占全部数量的30 %左右。这些故障隐患会造成重大供电安全事故,故须对缠绕在电网设施上的异物进行清除。

高压线距离地面较高,环境复杂,清除异物较为困难,处理不当会产生安全问题。传统的输电线路异物清除方法主要有通过人工清除、绝缘斗臂车人工清除、多旋翼无人机升空近距离火烧清除以及悬吊机器人清除等[1-4],但是上述清除高压电线异物的方法有的仅适合中低配电网的除障,适应面较窄；有的操作性差,易受风向与环境的影响,且对输电线路的危险性高；有的作业程序复杂、时间长、工作强度大,安全性也不高。激光作为一种新型光源,具有方向性强、速度快、能量高、灵活精确等优点,广泛应用于军事、工业制造、激光打标、工程结构异物清除等领域[5-7]。采用激光清除输电线路缠绕塑料等非金属异物可以达到高效、安全、效率高等目的[8-10],在高压及特高压电网线路异物清除中具有较好的应用前景。目前,高压输电线路异物激光清除研究多集中在结构设计方面,对激光与聚合物的作用机理、激光清除聚合物实验测试方面的研究较少。为安全、快捷的清除高压输电线上的异物,本文分析研究了激光清除聚合物的原理,设计了高压输电线异物激光清除系统,搭建了实验装置,并对七种常见输电线异物进行了清除实验研究,取得了较好效果。

2 激光清除聚合物的原理

激光辐照聚合物时,如果激光能量足够大,则聚合物通过光化学反应产生分解现象；如果激光能量不够大,则聚合物产生光热反应,热能积累到一定程度产生热解。实际激光照射聚合物时为光化学反应和光热反应共存的情况。但是,影响激光烧蚀聚合物的因素很复杂,除了与物质的比热、热传导率、吸收率、吸收因子等有关,还与加热过程中蒸发焓、融化或其他相变化的影响有关。因此,可把烧蚀过程描述为一个二能级系统,即聚合物吸收光能由基态变化到激发态,释放能量则由激发态回归基态。考虑到激光能量强度较大,而作用时间通常较短,文中实验中激光与聚合物的作用时间最长不超过30 s,实际均在3 s以内,故可忽略自发辐射。

假设激光垂直辐照聚合物,烧蚀最开始出现在聚合物表面深度x=0处。激光强度半径ω比光渗透深度la和热渗透深度lT大的多,故可将整个过程看作是一维的。若激光强度I为:

(1)

式中,σ为激光吸收横截面积；NA、NA*分别为基态和激发态的粒子数。

聚合物表面受激光辐照后的温度场T可用热扩散方程表示为:

(2)

式中,ρ、c、k为材料的热物理常数,与位置和温度有关；为梯度算子；Q为其他体热源项；α为材料的光吸收系数；R为材料表面对激光的反射率。

设定边界条件和初始条件,对式(2)求解即可得到聚合物内部的温度场。聚合物吸收激光能量后在聚合物内部产生的热量J与温升ΔT之间的关系为:

J=C·m·ΔT

(3)

式中,C为聚合物的比热容；m为激光照射范围内聚合物的质量。

激光照射聚合物后为达到清除目的,则聚合物内部由于温升原因产生的热量应积累到一定程度,即大于促使聚合物分解的临界热量。

根据物质吸收激光产生热量与激光功率之间的关系即可确定清除聚合物所需的激光功率W为:

(4)

式中,τ为激光透过率；η为激光能量耦合效率；t为激光照射时间。

由式(3)可知,当选用的激光器能量W选≥W时,则该激光器即可用于清除输电线上的聚合物。

3 激光清除系统设计

本文设计的激光清除高压输电线聚合物系统如图1所示,主要包括激光发射与监控单元、激光指向二维转台、显示操纵单元和电池组四部分。激光发射与监控单元安装在一个腔体内,由光纤外接激光发生器和监控相机组成。光纤外接激光发生器发出的激光经过反射、扩束、变焦等光学变换输出到保护窗口外,监控相机为不低于20×可变焦相机,中心十字刻线与烧蚀点调整到重合位置,可通过观察显示图像,确定烧蚀位置。激光指向二维转台由方位旋转单元和俯仰旋转单元构成,主要用来带动激光发射与监控单元在空中扫描和定位,从而实现激光在空中任意位置的精确定位和烧蚀操作。为实现上述功能,本文中将激光指向二维转台设计成一个双轴U-O转台,整个转台由底座、外框轴系、内框轴系三大部分组成。转台采用U-O结构,即O形内框绕横滚轴旋转,角度为-15°～+45°；U型框架绕方位轴旋转,角度为-150°～+150°。显示操纵单元分为监控相机的显示器和二维转台的位置移动操控器,是系统总体的控制与监控单元。系统所有可设参数与状态信息查询都可以在此完成,状态信号与控制命令由控制软件通过输入输出线缆传送到设备各组成单元中。 电池组则为该系统提供动力电源。

图1 激光清除聚合物系统结构

4 实验研究

根据设计的系统结构搭建如图2所示实物装置。结合系统各部件功能,通常可将设备封装在三个工作箱内,分别为激光发射单元与转台箱、激光发生单元箱、电池与三脚架附件箱。实验开始前,运输三个工作箱到距离异物约50～150 m范围内时,将设备架设,出光位置调整到大致朝向待清除异物。打开监控相机,根据显示器显示,操纵转台以中速搜索异物位置,调整光轴到输出异物大致位置。通过变焦、缩放相机视场,结合二维转台转动操作,在显示器内监视并移动显示十字线到需要烧蚀的异物处。由于烧蚀激光与显示十字线同轴,指示位置即为烧蚀的起点,转动至烧蚀位置后,可开启烧蚀模式,发射高能激光进行工作。通过监控相机的拍摄结果观察烧蚀情况,调整转动速度,最终完成异物清除。依照输电线异物清除的工作特点,设计高压输电线激光异物清除设备工作流程如图3所示。

图2 实验装置

图3 激光清除输电线异物工作流程

图2实验装置中采用波长为1064 nm光纤激光器,可实现0～300 W激光连续输出,监控单元采用同轴50×调焦可见光近红外相机。转台采用高性能直流力矩电机直接驱动,驱动元件选择功率放大器WSA050-10搭建电路作为电机的驱动器,角度测量和反馈元件采用高精度角度编码器。供电模式采用锂电池逆变220AC,可保证不小于3 h的持续供电。

实验时首先调试好激光器,在电缆上布设好不同材质的聚合物试样,如图4所示。设备朝向布设的电缆,上电开启监控,将激光器转向电缆,对准烧蚀部位,进行烧蚀光对焦,设定激光器能量参数,按下“打开激光”按钮,发射高能激光,通过监控装置观察图像,如若出现图5所示情况,即判定可以烧蚀；若激光照射超过30 s,未出现图5所示情况,则判定不能烧蚀。最后,当观察到聚合物异物被切割脱落电缆即可关闭激光器,结束本次任务,观察电缆,记录实验数据。

实验环境为室外温度25 ℃,设置激光器与待烧蚀聚合物试样距离为100 m,调节激光器功率为180 W,光斑直径约为15 mm,实验现场如图6所示。激光清除高压输电线聚合物实验结果如表1所示。由于上述聚合物的燃点均在350 ℃以下,而高压线缆为钢芯铝绞线,铝合金与钢材的熔点为660 ℃与1350 ℃,远高于聚合物的燃点,且燃烧时间较短,故难以对线缆造成烧蚀损伤,激光清除聚合物后,观察线缆发现均无明显烧蚀痕迹,如图7所示。

图4 聚合物试样

图5 烧蚀监控

图6 实验现场

表1 实验结果

图7 烧蚀后的线缆

5 结 论

高压及特高压电网是电力系统中进行远距离大规模电能输送的重要物理传导网络。输电线路暴露在自然环境中,常被塑料等非金属异物缠绕,易造成重大供电安全事故,故须清除异物。由于高压线距离地面较高,环境复杂,清除异物较为困难,传统的停电后电工或机器人上线摘除和等电位带电作业清除高压电线异物的方法需要投入较多的人力、物力,且作业程序复杂、时间长、工作强度大,安全性低。激光具有方向性强、速度快、能量高、灵活精确等优点,在输电线路缠绕聚合物清除方面具有较好的应用前景。为安全、快捷的清除高压输电线上的异物,本文分析研究了激光清除聚合物的原理,设计了高压输电线异物激光清除系统,搭建了实验装置,并对七种常见输电线异物进行了清除实验研究。实验结果表明,本文设计的激光清除设备可对高压输电线上常见的异物进行有效清除,结构简单,安装调试容易,便于操作,易于实现远距离、完全非接触清除,对光缆实现了完全无损,且具有高效、快捷、安全性高等优点,对大部分异物的清除仅需不到3 s时间。