1、61第 52 卷2024 年 4 月Vol.52 No.2Apr.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER输电线路激光融冰技术的应用现状及发展分析王帅，赵辉，姚登辉，李忠涛，代爱民（贵州电网有限责任公司铜仁供电局，贵州 铜仁 554300）摘要：输电线路覆冰会造成杆塔倒塌及电网线路坠断，是冬季电网运行的主要威胁，需要及时采取除冰或融冰措施，防止线路损坏。激光融冰无接触、速度快、能量传输及转换效率高，是一种新型高效的电网除冰方法。本文主要从能量吸收与分布的角度阐释了激光融冰的机理，基于比尔-兰博特定律分析了激光融冰过程中的能量转化，给出了冰层中心温度随时间的变化规律。同时，
2、分析了波长、功率、光斑直径等参数对融冰效率的影响，总结了冰层的表面反射率、内部杂质的散射率和吸收率等因素共同影响下的激光能量耦合效率，为激光除冰设备评估和优化调控提供了理论基础。最后，介绍了激光融冰装置的研究现状，讨论了激光设备光源类型和光学系统设计。高功率激光器尤其光纤激光器性能的迅速发展使激光融冰在电网上的应用成为可能。关键词：激光；融冰；输电线路；覆冰Application Status and Development Analysis of Laser Ice Melting Technology for Transmission LinesWang Shuai,Zhao Hui,Ya
3、o Denghui,Li Zhongtao,Dai Aimin（Tongren Power Supply Bureau,Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Tongren 554300,Guizhou,China）Abstract:Transmission line icing will cause tower collapse and power grid line breaking,which is the main threat to the normal operation of the power grid in winter,and it is necessar
4、y to take de-icing measures in time to prevent line damage.Laser is a new and efficient power grid de-icing method with non-contact,fast speed,high energy transmission,and conversion efficiency.In this paper,the mechanism of laser ice melting is explained from the perspective of energy absorption an
5、d distribution,the laser energy conversion process is described by the Beer-Rambert law,and the variation of ice center temperature with time is obtained.The effects of wavelength,power,spot diameter,and other parameters on the ice melting efficiency were analyzed,and it was shown that the surface r
6、eflectivity of the ice layer,the scattering rate,and the absorption rate of internal impurities and other factors jointly affected the energy coupling efficiency of the laser,and the loss of the laser on the icing equipment also needed to be evaluated and optimized.The rapid development of the perfo
7、rmance of high-power lasers,especially fiber lasers,makes it possible to apply laser ice melting in the power grid.Key words:Laser;Melting ice;Transmission lines;Icing中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）02-0061-050前言在我国西南云贵地区，冬季冷空气频繁南下，与来自孟加拉湾的暖湿气流相遇后，受云贵高原地形阻滞，形成了“云贵准静止锋”。大气中冷暖空气交汇形成逆温层，为上下冷，中间暖的结
8、构，大气上方为冰晶层，中间为暖层，下面为冷层，其温度通常低于 0。当雨水从空中洒落时，导致近地面出现凝冻现象，杆塔、树木以及道路表面会出现薄冰。凝冻现象导致的线路和设备覆冰会增加电网冰闪、短路、断线以及倒塌倾覆的风险，极易引发电力系统故障。当覆冰厚度超过设计值的 50%时，就要采取必要的除冰或融冰措施，防止输电线路和设备损坏。较为常用的电网输电线路除冰/融冰方法以传统的机械破冰1-2为主，随后发展出电热融冰3-4，混合融冰5-6等方法。其中，机械破冰方法主要是通过机械设备刮铲或者脉冲振荡进行除冰，这种方法能耗小、成本低，但操作过程中脱冰62云南电力技术第 52 卷2024 年第 2 期量不易控
9、制7，需要改进设备和控制方式；电热融冰方法简单，操作方便，效率较高，但是融冰过程中能耗较高，经济性较差；混合融冰方法在设计上对能耗和融冰效率都有所兼顾，但是现有研究中所表现出的整体效率仍然不高。近年来，随着激光技术的迅速发展，高功率激光设备逐渐应用到电网融冰中，激光具有无接触、速度快、能量传输及转换效率高的优点，逐渐发展为一种新型高效的电网融冰方法。本文基于激光的电磁特性阐释了激光融冰机理，探究了影响融冰效率的主要因素，总结了现有融冰设备的主要特点，指出了激光融冰技术未来亟待解决的问题。1激光融冰机理与普通光源相比，激光是一种特性优越的可控电磁波，具有高方向性、高单色性、高相干性、高亮度等优点
10、。激光是高斯光束的一种，其功率分布满足高斯函数，即横截面中心处强度最大，光强随着与中心处距离的增大逐渐减弱。如图 1 所示，大部分光强分布在有效截面半径 rb的圆形区域内，被称为有效截面。图1激光功率密度分布激光融冰方法通过连续激光照射，使覆冰设备的冰层吸收激光能量从而实现融冰的目的。激光在冰面及冰层中传播时，能量被冰层吸收，吸收过程的能量转换可以用比尔兰博特定律8计算，当假设入射光为单色平行且不发生散射或反射时，其表达式如下：Iout=Iinexp(d)（1）其中，Iin为激光入射功率，Iout为激光经过入射距离之后的剩余功率，d 为入射距离，为吸收系数。不同波长的光在纯冰中的吸收系数如图
11、2 所示。吸收系数与光在冰中的传输距离成反比，吸收系数越大，光在冰中的传输距离越短。图2光在纯冰中的吸收系数17在激光照射下，光斑中心处的冰面表面温度迅速上升，而光斑中心周围的区域温度变化较慢。冰面温度在一段时间内处于非稳态，位于光斑中心的冰面持续向周围区域的冰层传递吸收的热量，直至冰层溶解。在静止激光束下，冰层表面温度场可以用（2）式描述9：（2）其中，P1为激光功率，W；A 为激光吸收率；R 为激光光斑半径，m；t 为加热时间，s；a 为热扩散系数，m2/s；k 为导热系数，W/(m)；utt=，tt 为时间增量。由式（2）可以推导出光斑中心处冰层温度随时间的变化规律如下：（3）2影响因素
12、分析激光穿过冰层过程中，由于光的波长、能量、透过率、吸收率、冰层厚度和初始温度等参数不同，冰层融化所需的功率密度和时间都有差别，本文对较为重要的影响因素进行分析和阐述。2.1波长不同波长的激光在冰层中穿透深度不同，光透过率也存在差别，会对融冰效果产生较大的影响。基于能量守恒，冰层吸收激光产生的热量 J（W）与激光功率 W（W）之间的关系如下：（4）式中，为激光在冰中的透过率；t 为照射时间，s；为激光能量耦合效率，与冰层的表面反射率、内部杂质的散射率和吸收率等因素63输电线路激光融冰技术的应用现状及发展分析第 52 卷2024 年第 2 期有关10。根据公式（4）可以计算激光功率大小，从而确定
13、合适的激光器。从目前的研究来看，冰对波长为 980 nm的激光吸收更好，吸收系数更大11；而波长为 1080 nm 的激光融冰效果稍差12，但对其他异物清除效率更高。张志博等13同时比对了三种波长激光透射率，发现功率为 10 W，光斑直径为 4 mm 时，808 nm 激光透射率达到70%以上，且融冰直径为 2 mm，深度可以达到1 mm；980 nm 激光透射率则为 30%，融冰直径 7 mm，覆冰被击穿；而 1075 nm 波长的激光透射率仅为 23%，融冰直径 67 mm，覆冰被击穿。由此可知透射率高的激光虽然透射能力强，但是集中在冰层的能量有限，融冰效率反而较低。2.2功率激光功率用于
14、表征融冰的能量大小。在一般情况下，功率越大，覆冰融穿的时间越小。然而，这种对应关系并非线性，当达到一定功率后，融冰效果的提升并不明显，而且设备成本也显著提升。当光斑直径较小时，持续提高激光功率还有击穿电力设备的风险。因此，在选择激光功率，进行激光发生器设计时，需综合考虑光斑直径、激光功率和制造成本等因素。在设计除冰装置时，还应该考虑电气设备的保护，因此需要合理控制光功率密度。当激光穿透玻璃绝缘子时，激光照射对玻璃绝缘子表面不产生影响，赵宇明14等对瓷和复合绝缘子在不同功率和照射时间激光下的状态变化，获得了合适的功率阈值，为不同材料的电气元件防护提供了设计参考。2.3光斑直径激光器类型确定后，光
15、斑大小直接影响激光融冰的效果。激光在传输过程中呈高斯分布规律，光斑半径变化由公式（5）确定：（5）式 中，R(0)为 光 斑 初 始 半 径，m；s 为 传输距离，m；为激光波长，nm。以电网应用中激光清除高压输电线路的覆冰为例，传输距离一般在 180 m 以内，当波长为 980 nm 时，当激光光束发散角为 10，对应的初始光斑直径为 8.8636 mm 和 7.0909 mm 时，光斑直径在30 mm 以内融冰效果较好15。2.4激光对线路设施的影响在利用激光对线路或者设备融冰的同时，也应该考虑激光能量对电网其他设施可能存在的损伤影响。金属材料对激光的反射和吸收随着波长不同而相应变化。一般
16、来说，反射率随着波长增加而增大，吸收率随波长增加而减小。研究表明，电网超高压架空输电线路使用的钢芯铝导线，在 1.06 m 波段受光纤激光的损害较大16。徐北方等17研究了不同类型激光器在不同照射距离下对线路的损毁状态，通过实验对比了 CO2激光器和光纤激光器在 1060 m 距离对线路的灼伤情况。研究发现照射距离在5060 m 距离时，超高压输电线路在两种激光器照射下均未发生熔化灼伤。进一步缩小照射距离为 20 m 以内时，光纤激光照射的导线熔断，而 CO2激光照射的导线完好。以此可知，金属反射率随激光波长的变化而变化，激光融冰在超高压线路应用不会对导线损伤，但距离较近的低空导线，尤其是地线
17、有损伤风险。激光除冰不仅可能会对导线带来损伤，在清除绝缘子表面覆冰时也可能会对绝缘子表面造成激光损伤。激光照射到绝缘子时，首先发生被照射区域的温度上升，从而引起绝缘子表面热应力，当热应力超过材料本身承受抗热应力值，就会发生性状改变，继续照射就会发生断裂15。绝缘子的激光损伤是激光能量引起的表面温度变化和热应力综合作用的结果，绝缘子材料的抗热冲击能力是重要因素。其中，绝缘子表面颜色也会影响激光的吸收。此外，不同类型绝缘子承受的激光功率密度和照射时间均不同。目前，常用的复合绝缘子的激光功率阈值低于陶瓷绝缘子14。3激光融冰装置研究现状3.1激光源目前的激光融冰产品按激光介质不同分为固体激光器、气体
18、激光器、光纤激光器和液体激光器。受激发物质的性质不同，产生的激光性质也有差异，主要体现在波长和光束质量上。不同的激光有各自不同的特点，适用的范围也不同18-19。固体激光器以半导体材料为主，一般来说体积小，耗电量低，但是光束的准直性64云南电力技术第 52 卷2024 年第 2 期较差13。CO2激光在大气中的散射和吸收损耗小，非金属对激光束的吸收较好。光纤激光器在空气中衰减相对大，但维护方便，适合工程使用，现有的激光融冰设备主要以 CO2激光器和光纤激光器居多17。表 1 给出了 CO2激光器和光纤激光器的特点对比。表1CO2激光器和光纤激光器特点对比13 参数CO2激光器光纤激光器波长/n
19、m1060010002000功率/W数十千瓦1000电光效率约5.5%20%30%冷却方式 水冷（100 W以下风冷）水冷或风冷光学设计远场准直、镜头体积大，但透明障碍物效果好发散角小，光束质量好，准直或聚焦的光斑小，光能量密度高3.2光学系统参数为满足不同融冰情况下的实际现场需求，激光融冰设备应该具有可调节功能，相应的光学系统需要进行对应设计与分析，以实现不同距离下不同尺寸光斑的照射，达到最优融冰效果。刘智颖等20基于实际激光融冰过程对光斑尺寸与作用距离的需求，设计了作用距离为100500 m，光斑尺寸为 200600 mm 可调光学系统，并通过模拟仿真和实验手段进行验证。激光作用距离及光斑
20、尺寸与调焦距离关系式如下：（7）式中，x 为调焦距离，L 为作用距离；Ds为光斑直径；DT为光学元件通光孔径；f 为系统的物方焦距；f 为系统的像方焦距。当作用距离一定时，光斑尺寸与调焦距离基本成线性关系，且线性关系的斜率随作用距离的增大而减小，可以直接考虑成线性关系，通过公式（7）获得特定距离及光斑尺寸下调焦距离计算数据如表 2所示。在实验验证后他们修正计算方法，从而证明该融冰系统的可靠性。表2不同作用距离及特定光斑尺寸下调焦距离20 L/mx/mmDs/mm200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 6001005.11 6.26 7.41 8.54 9
21、.6610.7811.8912.9914.0815.1616.241503.40 4.17 4.94 5.71 6.47 7.23 7.98 8.73 9.47 10.2210.952002.55 3.13 3.71 4.29 4.86 5.44 6.01 6.57 7.14 7.70 8.272502.04 2.51 2.97 3.43 3.90 4.36 4.82 5.27 5.73 6.18 6.643001.70 2.09 2.48 2.86 3.25 3.63 4.02 4.40 4.78 5.17 5.553501.46 1.79 2.13 2.46 2.79 3.12 3.45
22、3.78 4.11 4.44 4.774001.28 1.57 1.86 2.15 2.44 2.73 3.02 3.31 3.60 3.89 4.184501.13 1.39 1.65 1.91 2.17 2.43 2.69 2.94 3.20 3.46 3.715001.0210251.49 1.72 1.96 2.19 2.42 2.65 2.88 3.12 3.353.3激光融冰设备研究现状自 20 世纪 90 年代国内外开始研究激光融冰技术后，逐渐出现了基于激光辐射技术的融冰设备。朱晓等21-22采用 CO2激光器设计功率16 W、光斑 12 mm 的激光融冰装置，经过理论论证和实际
23、测试融冰效果明显。张贵新等23采用有限元模型研究激光融冰机理，开发出基于大功率半导体融冰技术的高压输电线路融冰设备，对多因素下的融冰效果进行了验证。国网江苏电力公司17研制输电线路异物远程激光快速清洁仪实现激光融冰与异物清障，取得较好的效果。叶高呈等24提出了一种基于激光技术的新型输电线路融冰方法，设计四轮行走模式的融冰移动平台，提高了作业效率和可靠性。Zhou 等15设计了基于连续激光的高压输电线覆冰清除系统，测试了不同距离和不同功率下融冰效果，获得激光参数与融冰效果的定性定量关系，应用于高压输电线路操作方便，效果明显。4结束语本文主要从能量吸收与分布的角度阐释了激光融冰的机理，分析了波长、
24、功率、光斑直径等参数对融冰效率的影响，介绍了激光融冰装置的研究现状，对激光设备光源类型、光学系统设计进行了分析和讨论，主要得到如下结论。1）激光在冰层中传播时，被冰层吸收的能量转换过程可以用比尔兰博特定律计算，分析在激光照射下冰层中心及表面的变化规律，并获得冰层中心温度随时间的变化规律。2）分析激光波长、功率、光斑直径等因素对激光融冰效果的影响。冰层的表面反射率、内部杂质的散射率和吸收率等因素共同影响激光的能量耦合效率，激光对覆冰设备的损伤也需要进行评估和优化调控。3）从光源和光学系统设计等角度综述了目前激光融冰设备的开发及应用现状，高功率激光器尤其光纤激光器性能的迅速发展使激光融冰在电网上的
25、应用成为可能。参考文献1 梁显涛,廖梓杰,林俞先.一种新型的高压线巡检除冰设备J.广西农业机械化,2020,(01):39-45.65输电线路激光融冰技术的应用现状及发展分析第 52 卷2024 年第 2 期2 周维维,樊卫华,姜姗.激光异物清除器装置研究J.计算机测量与控制,2018,26(7):123-127.3 陈科全.覆冰输电线路脱冰动力响应及机械式除冰方法研究D.重庆:重庆大学,2012.4 牛格图,李孝林,张鑫,等.输电导线脱冰过程的动力响应分析J.内蒙古电力技术,2021,39(04):82-85.DOI:10.19929/ki.nmgdljs.2021.0085.5 霍云飞.5
26、00 kV输电线路防覆冰技术改造J.内蒙古电力技术,2019,37(02):81-83.6 蒋明,赵汉棣,马小强.高压输电线路覆冰及防冰、除冰技术综述J.电力安全技术,2020,22(4):26-32.7 陈良惠,杨国文,刘育衔.半导体激光器研究进展J.中国激光,2020,47(5):13-31.8 魏有.基于有限元分析的激光与物质相互作用数值仿真方法研究D.长春:长春理工大学,2017.9 闵光云,刘小会,严波,等.覆冰四分裂导线的气动特性与舞动特性J.科学技术与工程,2020,20(21):8607-8615.10 Mayerhfer T G,Dabrowska A,Schwaighofe
27、r A,et al.Beyond Beers Law:why the index of refraction depends(almost)linearly on concentrationJ.Chemphyschem:a European journal of chemical physics and physical chemistry,2020,21(8):707-711.11 刘翼.隧道激光除冰巡检装置结构设计与能耗分析研究D.太原:中北大学,202312 郑毅招.车载式铁路隧道除冰与接触网异物清除一体化装置研制D.西安:西安理工大学,2023.13 陈胜,张贵新,徐曙光,等.电网中激
28、光除冰技术分析J.清华大学学报(自然科学版),2011,51(01):47-52.14 Jie Chen,Wei Liang,Zhijian Zhang,et al.Study on laser removal technology of foreign bodies on overhead transmission linesJ.Laser Technology,2017,41(5):659-663.15 张志博,王一波,张梓奎,等.激光清障技术在电网中的应用现状与发展J.电力工程技术,2022,3(41):45-51.16 Yuming Zhao,Guixin Zhang,Bing Luo
29、,et al.The technology of high power semiconductor laser de-icingJ.Southern Power System Technology,2011,5(5):60-64.17 Yihuang Zhou,Simeng Feng,Yong Cai,et.al.Design and experimental study of CW laser cleaning system for high voltage transmission lines ice-coveredJ.Laser&Infrared,2021,1(15):41-45.18
30、李健，黄京.远程电网异物激光清除器的研究与设计J.武汉职业技术学院学报.2022,21(1):113-116.19 徐北方,冯军森.激光技术应用于清除超高压架空输电线路异物的探讨J.农村电气化,2019,7(386):43-46.20 王狮凌,房丰洲.大功率激光器及其发展J.激光与光电子学进展,2017,54(9):51-64.21 姜来,周洁,杨静琦,等.激光异物清理系统的光束发射系统设计J.电子测量技术,2021,44(1):26-30.22 刘智颖,穆竺,王加科,等.激光除冰光学系统的设计与参数分析J.光子学报,2018,8(47):0822001.23 Qi Lijun,Zhu Xia
31、o,Zhu Changhong,et,al.Numerical simulation and experiment research of laser damage of porcelain insulator surfaceJ.Laser Technology,2011,35(6):844-848.24 Zhu Weihua,Zhu Xiao,Zhu Changhong,et.al.Research on hot melting de-icing method using CO2 laserJ.OpticsOptoelectronic Technology,2007,5(3):41-42,5
32、4.25 Zhang Guixin,Chen Shen,Xu Shuguang,et.al.Application and research of laser de-icing in power systemC.2010 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference.Atlanta,GA,USA.IEEE,2010:470-473.26 叶高呈,邹德华,邝江华,等.基于移动机载平台的输电线绝缘子激光除冰机构设计J.武汉纺织大学学报,2022,8(35):33-37.收稿日期：2024-04-16作者简介：王帅，贵州电网公司铜仁供电局。
