范 楊，張 鼎，程 繩，王寶峰，董曉虎，辛 巍，夏浩爽

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050；2.湖北既濟(jì)電力集團(tuán)有限公司武昌分公司，湖北 武漢430000）

0 引言

超特高壓輸電線路輸電距離長(zhǎng)，線路通道運(yùn)維難度大。樹障隱患一直是阻礙線路安全運(yùn)行的重大隱患，易使空氣間隙被線路電壓擊穿引發(fā)線路閃絡(luò)、電網(wǎng)停電、林區(qū)火災(zāi)等事故。傳統(tǒng)樹障清理主要采取人工砍伐的方法，工作量大、工作效率低，且有可能在砍伐過程中引起線路跳閘和人員受傷。因此，有必要對(duì)激光輸電線路樹障清除技術(shù)進(jìn)行深入研究，為解決“樹線矛盾”提供更加安全有效的解決方案。

近年來(lái)，激光技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于高精度切割領(lǐng)域，激光具有方向性強(qiáng)、能量高、定向能量傳輸效率高等特點(diǎn)，能集中在很小的空間傳播，并在遠(yuǎn)距離形成強(qiáng)度很大的光束，因此特別適合于在地面遠(yuǎn)距離對(duì)架空輸電線路下的樹木或線上纏繞的異物進(jìn)行清除。選擇合適波長(zhǎng)和功率的激光，選用不同的激光裝置（光纖激光器和CO2激光器）將激光束精確發(fā)射到樹障或異物表面，可以通過激光對(duì)材料的光熱作用，將對(duì)象切割斷落或燒蝕損毀，從而消除線路安全隱患。在實(shí)際應(yīng)用中，由于光纖激光器的光電轉(zhuǎn)化效率比CO2激光器的要高，在切割質(zhì)量及速度上，光纖激光器優(yōu)于CO2激光器，因此本文選擇光纖激光器為激光發(fā)射裝置。同時(shí)，由于激光不導(dǎo)電，因此可以帶電進(jìn)行作業(yè)；激光的最大射程可達(dá)120 m，可以遠(yuǎn)程作業(yè)[1]。

1 激光器硬件開發(fā)

線激光清除裝置全自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由光纖激光器、可調(diào)紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號(hào)傳輸器和圖像識(shí)別控制面板組成。激光清障裝置通過高倍鏡攝像頭和信號(hào)傳輸器的結(jié)合，不僅能大大提升瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，而且能遠(yuǎn)距離操控激光器；通過顏色感應(yīng)開關(guān)能根據(jù)設(shè)定瞄準(zhǔn)目標(biāo)的顏色自動(dòng)啟動(dòng)激光器開關(guān)進(jìn)行工作；通過云臺(tái)遙控器無(wú)線操控電動(dòng)云臺(tái)，方便調(diào)整瞄準(zhǔn)角度［22-24］。

1.1 激光發(fā)射端設(shè)計(jì)開發(fā)

線激光清除樹障裝置由光纖激光器模塊、振鏡模塊、電源模塊、瞄準(zhǔn)模塊組成。其中，光纖激光器模塊包括光纖激光器，通過光纖的QBH輸出頭與振鏡模塊相連接；振鏡模塊包括X 軸方向振鏡，X 軸方向掃瞄鏡，Y 軸方向振鏡，Y 軸方向掃瞄鏡，場(chǎng)鏡通過振鏡控制，使之發(fā)出線激光，用于清除樹障；電源模塊用于激光裝置的供電；瞄準(zhǔn)模塊包括激光瞄準(zhǔn)器，用于樹障在開啟激光器前先進(jìn)行瞄準(zhǔn)。

當(dāng)需要進(jìn)行樹障清除時(shí)，啟動(dòng)電源前，先將激光發(fā)射口對(duì)準(zhǔn)地面，打開光纖激光器和激光瞄準(zhǔn)器，通過調(diào)節(jié)激光瞄準(zhǔn)器的螺母進(jìn)行微調(diào)，使得光纖激光器與激光瞄準(zhǔn)器的準(zhǔn)星一致。通過振鏡x 軸和y 軸的快速偏轉(zhuǎn)，光纖激光器的點(diǎn)激光可近似轉(zhuǎn)變?yōu)榫€激光。

1.2 激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

線激光清除裝置采用的全自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由光纖激光器、可調(diào)紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號(hào)傳輸器和圖像識(shí)別控制面板組成。該裝置通過高倍鏡攝像頭和信號(hào)傳輸器的結(jié)合，不僅能大大提升瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，而且能遠(yuǎn)距離操控激光器；通過顏色感應(yīng)開關(guān)，根據(jù)設(shè)定瞄準(zhǔn)目標(biāo)的顏色自動(dòng)啟動(dòng)激光器開關(guān)進(jìn)行工作；通過云臺(tái)遙控器無(wú)線操控電動(dòng)云臺(tái)，方便調(diào)整瞄準(zhǔn)角度。

2 激光清除樹障實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

樹木的種類非常繁多，輸電線路附近能夠成為樹障的樹木通常為喬木，喬木樹體高大，通常為6至十幾米。本文選取6 類樹種進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況和對(duì)比分析，選用平面高斯熱源模型，通過使用有限元仿真軟件進(jìn)行建模，仿真分析激光面熱源作用在樹木表面的輻射情況。通過建立仿真模型開展數(shù)值計(jì)算，并和激光試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析研究，分析6 種類型樹木在不同能量密度的光輻照下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，進(jìn)而確定激光清除樹障的能量密度閾值和最佳清洗參數(shù)［2-4］。

200 W 激光進(jìn)行清障工作時(shí)，相同的能量照射在不同的面積內(nèi)，能量密度就不相同。相同的能量，面積越大，能量密度就越小，反之，面積越小，能量密度就越大。能量密度越大，相同的時(shí)間相同的面積，吸收的能量越大，激光清障越集中，清障效率更高。在設(shè)計(jì)點(diǎn)激光與線激光的選擇上，經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)后得出數(shù)據(jù)，在點(diǎn)激光光斑半徑為0.012 m，線激光尺寸為0.03 m×0.001 m時(shí)，點(diǎn)激光的光斑面積為0.000 452 16 m2，線激光窄條面積為0.000 03 m2。點(diǎn)激光光斑面積約為線激光窄條面積的15 倍，在相同能量照射下，線激光的能量密度約為點(diǎn)激光能量密度的15倍，即線激光清障效率約為點(diǎn)激光效率的15倍。因此，為了提高樹障清除工效，在保證清除效果的激光能量密度條件下，在本文的實(shí)驗(yàn)中，使用適當(dāng)?shù)闹瓮哥R，在適當(dāng)距離將圓柱形激光束擴(kuò)展為條帶狀，增大激光作用面積，從而將點(diǎn)激光束轉(zhuǎn)換為線激光束，以提高激光清洗的工作效率。

在激光清除樹障的過程中，200 W 的連續(xù)激光器可滿足大部分樹障清除要求［5-7］，其在遠(yuǎn)處的功率密度一般應(yīng)達(dá)到250 000～300 000 W/m2。為研究激光清障過程中激光對(duì)于樹木的燒灼情況，本文使用ANSYS進(jìn)行熱分析，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。線激光作為面熱源施加在樹木的表面以模擬線激光照射在樹木上，線激光的長(zhǎng)度為0.03 m，線激光寬度為0.001 m，熱流密度為400 000 J/m2·s，設(shè)置樹木的初始溫度為20 ℃［8］。

2.1 不同樹木的點(diǎn)激光輻照仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)6 種樹木的不同屬性，即在國(guó)際單位制下分別賦予其密度、熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容三項(xiàng)物理量。6種樹木的密度、熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容的參數(shù)列于表1，木材的比熱基本上不受樹種的影響，約為2 400 J/kg·℃。

對(duì)于6 種不同的樹木，激光照射中心點(diǎn)溫度上升速率均隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)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［9-11］。在第10 s 時(shí)，點(diǎn)激光照射紅松中心溫度達(dá)到2 023.28 ℃，這一溫度由中心向四周逐漸降低，如圖1。泡桐激光照射中心點(diǎn)溫度最高，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。

2.2 不同樹木的線激光輻照仿真數(shù)據(jù)分析

本文用200 W功率線激光作為窄面熱源施加在樹木表面15 s，該過程中6種樹木的照射窄面中心光點(diǎn)處的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 線激光照射溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curve after Linear laser irradiation

泡桐激光照射窄面中心溫度最高，麻櫟對(duì)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(wú)幾。線激光照射在窄面10 s 時(shí)，泡桐窄面溫度達(dá)到1 238.79 ℃，紅松的795.362 ℃與杉木的762.084 ℃溫度處于同一檔，黃花落葉松和西南樺溫度略低，為520.99 ℃和517.321 ℃，麻櫟溫度最低，為378.516 ℃。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?。?2-14］，熱導(dǎo)系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

從圖3中可以看出，隨著激光照射過程的進(jìn)行，窄面溫度遠(yuǎn)超過木材的250～300 ℃的燃點(diǎn)，且大部分樹木窄面溫度在4 s～6 s 已超過400 ℃。因此，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(shí)際情況延長(zhǎng)清障時(shí)間。

表2 線激光照射六種樹木10 s時(shí)的最高溫度Table 2 The maximum temperature at which a linear laser could hit six trees for 10 seconds

2.3 線激光輻照實(shí)驗(yàn)應(yīng)力仿真實(shí)驗(yàn)

激光清障過程中，激光熱量集中照射在樹木上會(huì)導(dǎo)致樹木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)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?。?5-16］。以下為紅松10 s時(shí)的應(yīng)力分布云圖。

應(yīng)力沿樹木表面的徑向分布如圖3 所示，該應(yīng)力分布云圖反應(yīng)的是樹木表面經(jīng)過線激光照射的窄條面積上的應(yīng)力分布情況。在激光加熱時(shí)，僅在激光光斑的覆蓋區(qū)域內(nèi)熱效應(yīng)明顯，與激光光斑的邊緣位置產(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(shí)間的延長(zhǎng)而增大，有助于切斷樹木。

圖3 線激光照射第10 s紅松應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution nephogram of red pine at 10 s irradiated by linear laser

在加熱從1 s 至15 s 的過程中，第1 s 時(shí)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 mm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5 mm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(gè)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；最大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近窄條邊緣一側(cè)。從圖3中可以看出，輻照時(shí)間達(dá)到10 s時(shí)，拉應(yīng)力值達(dá)到883 MPa，超過了其抗拉強(qiáng)度，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)樹木破裂等情況［17-18］。

2.4 激光對(duì)輸電導(dǎo)地線的損傷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用較薄的ACSR 導(dǎo)體（LGJ-300/20）研究激光輻照對(duì)導(dǎo)體的影響。導(dǎo)體被放置在距離激光光源1 m 的地方，光斑大小約為16 mm，激光能量密度設(shè)置為50～300 W/cm2，照射時(shí)間為1 min。圖4為照射前后導(dǎo)體表面的情況，能量密度為300 W/cm2用x射線譜對(duì)輻照前后的導(dǎo)體進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，其表面組成沒有變化，微觀形貌也沒有變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光功率密度從50 W/cm2調(diào)整到300 W/cm2時(shí)，導(dǎo)體沒有損傷。

對(duì)于架空地線（GJ-80 型）的兩個(gè)樣品，利用光纖激光光源在距離為1 m 的每個(gè)樣品上進(jìn)行3 次激光輻照實(shí)驗(yàn)。輻照時(shí)間為1 min，激光能量密度分別為150 W/cm2和300 W/cm2，照射前后地線外觀如圖5 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖4 線激光照射導(dǎo)線前后對(duì)比圖Fig.4 Before and after laser irradiation of the wire

當(dāng)輻照時(shí)間為1 min時(shí)，絞合鍍鋅鋼絲表面有一定程度的變化。通過x 射線光譜檢測(cè)，地線的主要成分為Zn、Fe、Co，分別為96.155%、3.535%、0.046%。樣品表面主要為Zn。150 W/cm2激光照射后，鋅和鐵的成分比例分別變?yōu)?0.904%和8.636%，表明材料表面的鋅含量降低。在300 W/cm2激光照射后，鋅和鐵的比例分別變?yōu)?4.312%和15.392%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低功率激光且輻照時(shí)間較短的情況下，激光光束對(duì)架空地線影響不大，高能量密度和長(zhǎng)時(shí)間激光照射對(duì)架空地線表面鍍鋅層損傷較?。?9-21］。

3 激光切割樹障實(shí)驗(yàn)

圖5 激光照射對(duì)地線的影響Fig.5 Effect of laser irradiation on ground wire

本文針對(duì)不同種類不同粗細(xì)的樹木，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，研究激光清障的實(shí)際效果。通過實(shí)驗(yàn)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(shí)際情況延長(zhǎng)清障時(shí)間。

圖6 試驗(yàn)布置圖Fig.6 Test layout situation

在實(shí)驗(yàn)過程中，啟動(dòng)電源開關(guān)，將激光器對(duì)準(zhǔn)距離20 m左右的樹障，按下發(fā)射按鈕，激光照射一瞬間，樹木被點(diǎn)燃，被照射部分持續(xù)燃燒，逐漸深入內(nèi)部。之后上下移動(dòng)激光器，照射另一部分，一段時(shí)間后，樹木被切斷，停止發(fā)射激光，切斷電源。

圖7 樹木切斷效果Fig.7 The tree cutting renderings

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)輸電線路樹障類型不同的特征，通過計(jì)算得到激光作用下樹木的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，開展不同類型樹木、不同粗細(xì)樹木情況下的線激光試驗(yàn)，揭示線激光清除樹木的機(jī)制。通過使用激光源對(duì)導(dǎo)地線進(jìn)行照輻實(shí)驗(yàn)，研究激光清障方法對(duì)導(dǎo)地線的影響［27-30］。同時(shí)，基于線激光技術(shù)清除樹木的作用原理，本文進(jìn)行輸電線路樹障清除裝置研制，裝置包括高能量激光主機(jī)、能量光纖、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、控制軟件及云臺(tái)組成，并且通過樹木的切割實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了激光清障裝置可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作、高效率、自動(dòng)完成樹障清除。

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為了避免一直沉溺于如此地負(fù)面情緒和循環(huán)中，工作之余，我會(huì)更多地閱讀一些心理學(xué)類書記和管理類書記，充實(shí)和疏導(dǎo)自己。

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