背景

在持續(xù)低 溫陰雨天氣下，空氣中的過冷水滴（雨、霧）碰撞到近地面溫度低于0℃的物體表面而迅速凍結(jié)，形成覆蓋物體表面分層結(jié)構(gòu)的冰殼現(xiàn)象被貴州當(dāng)?shù)匦蜗蟮胤Q為“凝凍”。凝凍災(zāi)害主要發(fā)生我國南方山區(qū)特別是云貴高原，湖北、江西、安徽、浙江及福建等省的山區(qū)也時有出現(xiàn)。輸電線路和設(shè)備覆冰凝凍會導(dǎo)致冰閃、短路、斷線,甚至倒塔等問題,進而引發(fā)電力系統(tǒng)故障。所以，每到冬天特別是寒潮期間，南方電網(wǎng)必須要啟動抗冰保電工作，及時去除線路覆冰，保障電網(wǎng)安全運行和電力穩(wěn)定供應(yīng)。

圖1. 2008 年，因線路覆冰而被拉倒的輸電鐵塔

目前國家電網(wǎng)常見的除冰手段有：竹竿/鐵錘手動除冰、便攜式機械除冰裝置、直流融冰裝置、除冰機器人、噴火無人機、激光除冰炮、覆冰智能預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)等。這些方法有的需要停電作業(yè)，有的耗費能量較多，有的對作業(yè)人員操作要求較高，除冰過程具有較大的危險性，除冰效率無法保障，并伴隨一定程度的經(jīng)濟損失。

圖2. 機器人自動線路除冰

具體來說，便攜式機械除冰裝置、直流融冰裝置、除冰機器人這樣的除冰方式非常適合于應(yīng)對附著于輸電線纜上的凝凍，原因是輸電線纜形狀單一，自身機械強度高，損傷閾值高，便攜機械除冰裝置或除冰機器人可以通過在輸電線纜上快速移動機械式除冰，直流融冰裝置實際上是上個世紀(jì)愛迪生直流輸電法與特斯拉交流輸電法互掐的反向應(yīng)用，即利用直流輸電線損高（線損即電力損失為熱能）的特點，停掉交流電，整流為直流電而對整段線纜快速加熱融冰。

圖3. 實驗室內(nèi)模擬的覆雪污閃

但以上方式均不適合應(yīng)對輸電電路內(nèi)絕緣子的融冰任務(wù)，原因是為了保證絕緣效能，絕緣子表面積會遠(yuǎn)大于線纜，本身形狀也更為復(fù)雜難以被機械裝置自動除冰，且絕緣子自身的機械強度和損傷閾值是比輸電線纜差的，施加過大的機械外力的話可能被損壞。但是又不能棄絕緣子掛冰問題而不顧，否則很可能會出現(xiàn)冰閃或者說污閃。

圖4. 人工清潔絕緣子

對于所以絕緣子這類復(fù)雜機構(gòu)的覆冰問題往往不得不采用人工除冰法，導(dǎo)致了除冰效率低和工傷危險性高的問題，無人機遠(yuǎn)程遙控除冰也會受制于絕緣子附近框架結(jié)構(gòu)交織，容易發(fā)生撞機問題。

此時引入激光除冰是一個安全高效的除冰方式，另外激光不單單可以除冰，還可以清除輸電線路系統(tǒng)上偶爾附著的塑料袋，風(fēng)箏等異物，我們統(tǒng)一稱之為激光除障

對于絕緣子類的近年來新發(fā)展的激光除障技術(shù)有著無接觸、速度快、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點，不需停電，便可遠(yuǎn)距離高效地清除輸電線路上的障礙物。因其優(yōu)良性能越來越受到除冰行業(yè)的關(guān)注。本文分享激光除障技術(shù)基本原理和影響因素，并分享最新一代激光清障儀（摻銩激光）在除冰領(lǐng)域的成果。最終效果表明，激 光除冰是安全高效的高壓復(fù)合絕緣子除冰方法。

激光除障基本原理

激光除障是激光與材料相互作用的結(jié)果。當(dāng)激光波長位于材料吸收峰值附近時，材料劇烈吸收激光，形成熱蒸發(fā)效應(yīng)，使得材料溫度升高以至熔化、蒸發(fā)，實現(xiàn)了對材料的熔穿、切割目的。如果材料內(nèi)局部產(chǎn)生了較大的溫差，進而使得其內(nèi)部產(chǎn)生顯著熱應(yīng)力，在重力、內(nèi)應(yīng)力、表面張力等綜合因素影響下，材料將發(fā)生碎裂，激光除冰技術(shù)正是應(yīng)用了此原理得以實現(xiàn)。

激光除障優(yōu)點：

1. 激光系統(tǒng)可以通過選擇合適波長，控制加熱功率等方式做到快速的，選擇性的加熱，從而在快速的除冰除障的同時保護輸電線系統(tǒng)本體不受損傷。
2. 激光光束輸出的準(zhǔn)直性高，可以方便的做到聚焦到數(shù)米或數(shù)十米之外且沒有大的損耗；可以方便的附加導(dǎo)引激光，做到所見即所得。這樣操作者可在地面上即可完成對輸電塔上結(jié)構(gòu)復(fù)雜器件（比如絕緣子）的對準(zhǔn)與清障。
3. 激光清障是無接觸操作，高壓輸電線路可保持工作狀態(tài)，帶電操作。

綜上，激光除障技術(shù)有著無接觸、速度快、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點，不需停電，便可遠(yuǎn)距離高效地清除輸電線路上的障礙物。因其優(yōu)良性能越來越受到除冰行業(yè)的關(guān)注。

接下來，我們會繼續(xù)分享激光除障技術(shù)詳細(xì)的影響因素，并分享最新一代激光清障儀（2um摻銩激光）在除冰領(lǐng)域的成果。最終效果表明，激光除冰是安全高效的高壓絕緣子除冰方法。

典型影響因素分析

實際使用中，激光參數(shù)選擇（如：輸出波長、功率密度、光斑直徑、脈沖頻率等），冰層自身特性（如：初始溫度、覆冰厚度等），現(xiàn)場環(huán)境條件（如空氣濕度、溫度、風(fēng)速等），都會對除冰效果產(chǎn)生影響。

典型影響因素分析
1. 激光波長

綜合考慮激光在冰層中的穿透深度，以及冰對激光的吸收效應(yīng)如5所示，近紅外波段的激光更適合除冰。

波長較長的激光(如10.6μm激光)照射時，冰層表現(xiàn)為面熱源特性，表面逐層融化；波長較短的激光（如1.0 - 2.0um波段的激光）照射時，由于激光穿透深度較大，冰層表現(xiàn)為體熱源特性，除冰層表面的溫度上升外，冰層內(nèi)部同時被加熱，進而產(chǎn)生了熱應(yīng)力分布 。應(yīng)力作用會使照射位置附近的覆冰變得疏松，在重力作用下最終掉落。有實驗顯示，使用1.064um波長的大功率脈沖激光源，在重力與內(nèi)應(yīng)力作用下震碎線路覆冰。但其所用激光器功率過高，不適于民用，也無法用于絕緣子除冰。盡管如此，利用體熱源特性，可以將熱效應(yīng)與應(yīng)力作用結(jié)合起來，其在相同功率下的除冰效果，通常優(yōu)于僅利用面熱源特性除冰。

圖 5  激光在純冰中的吸收系數(shù)與激光波長的關(guān)系曲線

2. 功率密度

激光功率密度必須達到一定的閾值，才可以有效清除障礙物。在確定所用激光器功率時，除障礙物本身性質(zhì)外，還必須考慮大氣對激光吸收、散射作用的影響，如表 1所示，同時必須考慮障礙物附近電力設(shè)備(如絕緣子) 的損傷閾值。當(dāng)輻照時間為1min時，白色陶瓷絕緣子的安全閾值為 0.7 W/mm2，硅橡膠絕緣子的安全閾值為 0.18 W/mm2，如6所示。

圖6 激光功率密度與熔穿效果

表 1北京市 10.6 μm 激光大氣傳輸仿真

仿真環(huán)境	一月平均透射率	七月平均透射率
晴朗天氣	0.964	0.985
霧霾天氣	0.640	0.635
小雨天氣	0.747	0.750

其他激光參數(shù)

有實驗表明，當(dāng)平均功率相同時，使用脈沖型激光器清除障礙物比連續(xù)型激光器效果更好。

激光清障儀（除冰儀）技術(shù)介紹

激光加熱是遠(yuǎn)程在線除冰的潛在解決方案，它具有平均功率高、除冰效果好、方向性好、工作距離長等優(yōu)點。此外，其便攜式特性使其可以應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)境。

目前，用于除冰的激光源工作波長主要為 1.0um 或 10.6um波段。1.0μm波段激光器可以從低成本半導(dǎo)體激光器，或光纖激光器中獲得。然而，冰對1.0μm波段激光的吸收系數(shù)較小，導(dǎo)致除冰效率低。而10.6 μm波段激光容易被大氣中的水分子吸收，因此對使用環(huán)境非常敏感， 并且需要不斷維護，例如更換 CO2 氣體，激光器功率提高后，還需要進行水冷，不利于外場實驗。

最新一代激光清障儀（1940nm摻銩激光器），是一種安全高效的高壓復(fù)合絕緣子除冰設(shè)備。近年來，二極管泵浦摻銩光纖激光器發(fā)展迅速，平均輸出功率>1000 W。高功率摻銩光纖激光器具有巨大的除冰應(yīng)用潛力。與1.0μm激光器相比，1940nm 激光器在激光除冰方面具有明顯的優(yōu)勢。進一步測量薄水樣在1800 至2200 nm 范圍內(nèi)的吸收光譜，結(jié)果顯示對1940nm激光具有極高的吸收，如圖 3所示。因此，1940 nm 激光器不僅可以有效除冰，又因穿透深度小也避免了復(fù)合絕緣子的損傷。

圖 3 各個激光波段對水的吸收值

測試表明，當(dāng)入射光強度25 W∕cm2，實驗冰柱可在28 s 內(nèi)被切斷。因此，高功率1940nm 摻銩光纖激光器是高壓復(fù)合絕緣子激光除冰的理想光源。

產(chǎn)品推薦