输电线路便携式激光除冰装置研析

摘要：输电线路覆冰会导致输电线路的坍塌和线路的坠落，是冬季电网最大的隐患之一，因此，为避免线路的破坏，必须对其进行有效的除冰或除冰处理。激光除冰技术是一种非接触式、快速、能量传递和转化的新技术。本文以激光除冰的能量转换进行理论研究，并结合实验数据，研究不同条件下，激光除冰过程中的能量转换机制，得到不同条件下，冰芯温度的演化。

关键词：高能激光；除冰；实验研究；应用

近年来，高功率激光装置逐步用于电网除冰，由于其非接触、高速、能量传输和能量转化等优势，已成为一种新的、高效的电力系统除冰方式。本项目拟从激光的电磁特性出发，阐明激光除冰机理，探索影响其除冰效果的关键因素，归纳已有的除冰装置的基本特征，并提出今后需要解决的关键科学问题。

1.覆冰类型分析

相态变化，只要将水蒸气或水蒸气排出，就会有一道光束射向剩下的冰块。当气温降至0摄氏度以下时，水汽会凝结成白色，透明或不透明的冰块，就是冰。若输电线上覆有冰，将形成雾凇、混凇、软凇、雪凇、白霜等5种覆冰方式。在这些类型中，雾凇等具有高密度、高黏性等特点，对输电线路构成了极大的威胁。为此，以纯冰为试验对象，来模拟真实的冰况。利用激光对冰进行辐照，使其表面形貌发生改变，从而实现脱冰的目的。

2.激光除冰数值模拟研究

2.1开展体热源Nd∶YAG激光除冰实验及研究

实验采用激光参数为：以5J的单个脉冲能量，60Hz的重复频率，1毫秒的脉冲宽度，8毫米的输出光斑，5kW的峰值功率，300W的平均功率，波长1.064微米。通过试验：（1）探讨了在同样的激光能量下，静态熔融物冰具有较大的优点，即较低的能量强度和较高的能量密度；（2）研究了在不能一次性熔断的情况下，使用快停和运动扫剪两种方法，小点的激光除冰具有优点。

2.2开展高功率CO2激光除冰实验及研究

实验系统的参数为：以300W的功率，17毫米×30毫米的光斑，1200毫米/分钟的切割和扫描速度为1200毫米。引线的直径为30毫米，覆冰后的引线的直径为110毫米。通过对导线一侧的冰进行除冰试验，然后将其180°角从一侧融化到导线的一侧，分别测量两个过程的除冰速度、脱冰效率以及水平方向的冰线速度。通过试验：（1）利用二氧化碳激光器对冰进行辐照试验，考察了不同能量密度下，水蒸气的温度随激光能量的增大而改变。（2）研究在二氧化碳激光作用下，冰的大部分能量都会被吸收，导致冰层融化，乃至气化。当一种材料被用激光烧熔之后，接着用另一种材料来进行相变。

2.3除雾凇的方式及过程研究

研究如何提高清除雾凇的速度和效率。目前，在目前的激光科技发展中，使用300W的激光，如果只靠热熔的方式，是无法达到理想的，并且还可以通过其他的除冰方式（如铲冰、打冰、振动等）来加速除冰过程，并使激光能够将焦点集中在具有高附着性的冰层上。在此基础上，提出了一种基于非均匀覆冰引起的母线非均匀摆动的方法。根据比尔-兰博特定律，激光能量在冰层中的吸收可以表示为： [ A = \alpha P ] 其中，( A ) 是吸收的能量，( \alpha ) 是吸收系数，( P ) 是激光功率。

2.4除冰激光器的研究与选型

通过对Nd：YAG与CO2激光器性能的基础上，选取了适宜的激光器种类。通过试验和理论分析，探讨了覆冰对电气设备的影响。（1）导线激光除冰的实验及对金属导线的损伤研究，导线激光除冰实验系统参数为：所选用的丝束试样的直径为30毫米，覆冰量为63毫米、110毫米。实验结果表明：1毫秒的脉宽，60Hz的重复频率，550V的泵浦电压，300W的激光输出，获得32毫米的焦斑，4毫米的焦斑。该课题的研究结果将确保设备在进行除冰时不会损伤到电线。（2）绝缘子激光除冰的实验及对瓷绝缘子表面激光损伤研究，目前，输电线路上的绝缘子按照电介质材料可以分为：将其划分为陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子和有机复合绝缘子。该课题的研究结果将确保在对绝缘子进行除冰时，设备不会对绝缘子产生损伤。

3. 激光除冰装置实验研究

3.1 激光参数对除冰效率的影响

实验研究表明，激光的波长、功率、光斑直径等参数对除冰效率有显著影响。例如，一项研究通过调整激光重复频率、扫描速度和激光入射功率，系统地探讨了这些参数对微/纳米装饰尺寸和形状的影响，从而影响了冰附着力和光热除冰能力。

3.2 激光除冰装置的研究现状

目前，激光除冰装置的研究主要集中在光源类型和光学系统设计上。高功率激光器，尤其是光纤激光器的性能迅速发展，使得激光融冰在电网上的应用成为可能。

3.3 实验装置图

                                 （图1：便携式激光除冰装置）

5. 实际应用案例

     一项研究提出了使用高功率中红外光纤激光器对高压复合绝缘子进行激光除冰的方法。由于中红外激光可以被冰/水有效吸收，该方法在室外除冰实验中展现出良好的效果。

                       （图2：便携式激光除冰前）

（图3：便携式激光除冰后）

6.安全使用保障措施研究

这种设备所使用的激光是一种高功率的激光，这种激光的强度高、能量大，如果使用得不好，会对人体的肌肤和眼部产生损伤。从安全性角度出发，对其进行了控制。一是使用双光束，一种是指示激光，一种是切割激光。其中，以可见度高而能量低的可见光作为导向激光，以不可见的高能量密度激光作为切削激光。二是在除冰机中加入了调整电源的作用。通过对驱动器的输出电流进行控制，从而对激光器的输出功率进行控制，将功率从低到高逐渐调整到较好的去霜效果，从而避免了由于突然启动高功率所引起的非预期损伤。三是采取了一种保险的方式。在操作过程中，为避免误操作，须先开启激光光开关；要开启激光，就必须开启指令。四是为工地上的作业工人提供专用的带有反射作用的防护眼镜，以避免光线对眼部的损伤。五是对激光装置的安全间距进行了检测。在生产过程中，通过对不同的空间点进行温度升高实验，确定其对人体及物体损伤的最短距离，以此来指导施工，减少人员伤亡。

结束语：

综上所述，由于使用高功率的激光除冰，其作用范围可达30米以上。在除冰过程中无需断电操作。另外，在碰到金属物体时，会发生折射，碰到非金属物体时，只会被切断，所以不用考虑会破坏电气，从而极大地提升安全性。另外，便携高能激光除冰技术的研究和应用正在快速发展。随着激光技术的进步和成本的降低，预计激光除冰将在更多领域得到应用。未来的研究可以集中在提高激光能量利用效率、优化激光参数设置以及开发更高效的激光除冰设备上适用范围广。

参考文献

[1] 谢晓全.高原山区输电线路除冰装置设计研究[J].昆明理工大学,2020(05):154-157.

[2] 陈胜,张贵新,徐曙光,等.电网中激光除冰技术分析[J].清华大学学报：自然科学版,2022(10):156-158.

[3] 李桂冬,杨照辉.输电线路的覆冰研究与分析[J].应用能源技术,2023(05):152-154.

[4] 刘智颖，等. 激光除冰光学系统的设计与参数分析[J]. 光子学报，2018, 47(8): 0822001-7.