吳 軍 1，程 繩 1，董曉虎 1，范 楊 1，林 磊 1，方春華 ，徐 鑫

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

當(dāng)樹(shù)木靠近輸電線路，會(huì)導(dǎo)致跳閘、短路等現(xiàn)象發(fā)生。樹(shù)障一直是阻礙輸電線路安全運(yùn)行的最大隱患。為了保障穩(wěn)定供電，國(guó)家電力部門工作人員會(huì)不定期修剪樹(shù)枝，清除樹(shù)障。傳統(tǒng)的清障方式采用電鋸進(jìn)行登高清除，這種方式存在觸電、登高等安全隱患。

近年來(lái)，利用高能激光器清除輸電線路樹(shù)障的作業(yè)方式逐漸普及［1-3］，激光由于其能量集中，可遠(yuǎn)距離進(jìn)行作業(yè)，不導(dǎo)電等特性，特別適合于在地面遠(yuǎn)距離對(duì)架空輸電線路樹(shù)障進(jìn)行清除。而線激光具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，切割效率更高［4-9］。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)激光在電力行業(yè)的應(yīng)用研究有很多。文獻(xiàn)［10］通過(guò)理論分析和多物理場(chǎng)有限元仿真，分析研究了激光作用下的導(dǎo)線局部溫度變化和溫度場(chǎng)分布，討論激光裝置在異物清除時(shí)，是否可能引起導(dǎo)線局部溫度升高，局部損傷導(dǎo)線或影響導(dǎo)線正常運(yùn)行。文獻(xiàn)［11］采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)激光與普通瓷、氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、堇青石瓷作用后的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到氧化鋁瓷具有較好的抗熱應(yīng)力破壞性能，并進(jìn)行了Nd：YAG連續(xù)激光照射絕緣子表面實(shí)驗(yàn)，得到絕緣子表面溫度與照射時(shí)間和損傷類型的關(guān)系。文獻(xiàn)［12］忽略材料的光穿透效應(yīng)、熱擴(kuò)散效應(yīng)以及溫度變化對(duì)材料物理參數(shù)的影響，用ANSYS有限元法對(duì)脈沖激光線源照射瓷質(zhì)絕緣子時(shí)引起的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了特定功率激光作用下瓷質(zhì)絕緣子的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布及溫升范圍，并得到了不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系及同一時(shí)刻沿軸向和徑向路徑節(jié)點(diǎn)溫度的分布曲線。

上述文獻(xiàn)研究了激光針對(duì)導(dǎo)線、瓷絕緣子進(jìn)行照射討論是否有損傷等問(wèn)題進(jìn)行研究，并進(jìn)行了溫度場(chǎng)等研究。目前，采用激光技術(shù)清除樹(shù)障的研究較少。本文通過(guò)Ansys進(jìn)行線激光清除樹(shù)障溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真，計(jì)算研究溫度及應(yīng)力分布規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行線激光清除樹(shù)障實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證線激光清除樹(shù)障的可行性。

1 仿真模型的建立

“樹(shù)線矛盾”一直是電力系統(tǒng)所重視的問(wèn)題，能夠成為樹(shù)障的樹(shù)木通常為喬木［13-15］。本文分別對(duì)紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐、麻櫟6類樹(shù)種進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。樹(shù)木實(shí)物圖見(jiàn)圖1。

圖1 樹(shù)木實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of trees

樹(shù)木仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 樹(shù)木仿真模型Fig.2 Tree simulation model

本仿真重點(diǎn)為研究激光對(duì)樹(shù)木的作用機(jī)理，為使得模型更符合實(shí)際，本文采用的仿真模型模擬的樹(shù)木尺寸為：直徑0.06 m，長(zhǎng)度0.15 m，建模時(shí)嚴(yán)格按照尺寸建模。

仿真熱源采用平面高斯熱源模型［16-19］，見(jiàn)圖3。此模型更加切合實(shí)際，它是將熱源能量按高斯函數(shù)分布在一定半徑的圓內(nèi)，從而模擬光斑熱量分布為中間高、邊緣低的特征。

圖3 平面高斯熱源模型Fig.3 Plane gaussian heat source model

激光在大氣中傳播時(shí)，其衰減水平受到環(huán)境因素的制約，包括大氣的組成成分、各組分的濃度分布、溫濕度、大氣壓強(qiáng)以及氣溶膠的特性。特別是激光在受到大氣中大氣分子和氣溶膠的散射和吸收時(shí)，激光能量將會(huì)急劇下降，波長(zhǎng)為1 064 nm的激光在大氣中的衰減系數(shù)較小，發(fā)射該波長(zhǎng)的連續(xù)光纖激光器技術(shù)成熟、工作可靠，其被廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距，制導(dǎo)以及國(guó)防軍事上的光電對(duì)抗領(lǐng)域，激光的大氣透過(guò)率是描述激光傳輸特性的重要參數(shù)。

63880部隊(duì)的陳前榮博士后根據(jù)實(shí)際需要，利用FASCODE計(jì)算了1 064 nm激光在中緯度地區(qū)夏季條件下的激光透過(guò)率，并利用計(jì)算的3萬(wàn)條數(shù)據(jù)建立了1 064 nm激光的大氣透過(guò)率數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其運(yùn)用到激光制導(dǎo)武器作戰(zhàn)以及光電對(duì)抗仿真課題的研究匯總。解決了實(shí)時(shí)計(jì)算存在的耗時(shí)高、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，其得出的10 km能見(jiàn)度內(nèi)不同斜程透過(guò)率曲線見(jiàn)圖4［20-24］。

從圖4中可以看出，對(duì)于圖中每一條曲線，體現(xiàn)出仰角越大，激光的透過(guò)率越高的趨勢(shì)。當(dāng)距離在0～1 km范圍時(shí)，仰角對(duì)激光的透過(guò)率幾乎沒(méi)有影響。斜程為1.5 km是仰角對(duì)激光透過(guò)率產(chǎn)生不同影響的分水嶺。對(duì)于激光清除樹(shù)障而言，其選擇的距離小于200 m，這也是本文設(shè)計(jì)的激光清除輸電線路異物裝置選用光纖激光器的有效工作距離，而該距離對(duì)應(yīng)的激光透過(guò)率為0.98。可見(jiàn)，激光在用于清除異物的環(huán)境下，其能量損失是可以忽略的。

本文使用ANSYS熱分析，考慮一個(gè)較為全面的環(huán)境，在仿真分析的過(guò)程中模擬使用功率200 W的連續(xù)激光照射在樹(shù)木上。激光作為平面熱源施加在樹(shù)木的表面以模擬激光照射在樹(shù)木上。設(shè)置樹(shù)木的初始溫度為20℃。對(duì)6種樹(shù)木的屬性，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3項(xiàng)物理量。6種樹(shù)木的密度、熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容的參數(shù)［25-31］列于表1。

表1 樹(shù)木的物理特性參數(shù)Tabble 1 Physical characteristic parameters of trees

木材的比熱容基本上不受樹(shù)種的影響，約為2 400 J/kg·℃。

2 溫度場(chǎng)特性分析

激光照射樹(shù)木時(shí)，對(duì)紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹(shù)木進(jìn)行仿真研究。紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹(shù)木的溫度分布曲線圖如圖5。

圖5 溫度分布曲線圖Fig.5 Temperature distribution curve

由圖5可知，對(duì)于6種不同的樹(shù)木，激光照射中心點(diǎn)溫度上升速率隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減緩，這是由于樹(shù)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。

激光清除不同種類樹(shù)木的溫度有所不同，第10 s時(shí)紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹(shù)木的溫度分布云圖如圖6。

由圖6可知，在第10 s時(shí)，紅松窄面中心溫度達(dá)到2 023.28℃，這一溫度由窄面沿著表面逐漸降低；泡桐激光照射中心點(diǎn)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(shuō)明在溫度很高的情況下，熱導(dǎo)系數(shù)的大小決定了樹(shù)木表面溫度的大小，熱導(dǎo)系數(shù)越小，樹(shù)木的表面溫度越高。

圖6 6種樹(shù)木第10 s時(shí)表面溫度分布云圖Fig.6 Cloud chart of surface temperature distribution of six kinds of trees at 10 s

3 應(yīng)力場(chǎng)特性分析

激光清障過(guò)程中，激光熱量集中照射在樹(shù)木上會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)使得樹(shù)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，沿著兩端逐漸減小。紅松、杉木、西南樺、黃花落葉松、麻櫟、泡桐10 s時(shí)的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7。

應(yīng)力沿樹(shù)木表面的徑向分布如圖7所示，該距離反應(yīng)的是一條經(jīng)過(guò)線激光照射窄條上路徑上的應(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，在激光光斑的邊緣位置樹(shù)木表面溫度變化劇烈，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(shù)木。

圖7 6種樹(shù)木第10 s時(shí)表面應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud chart of surface stress distribution of six kinds of trees at 10 s

在加熱從1 s至15 s的過(guò)程中，第1 s時(shí)的應(yīng)力分布均衡，隨著激光輻照過(guò)程的進(jìn)行，距離窄體中心外6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5mm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(guò)程中，壓應(yīng)力值的增大都沒(méi)有超過(guò)樹(shù)木的抗壓強(qiáng)度。拉應(yīng)力值在向徑向變化的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)兩次震蕩，迅速衰減為零。從圖中可以看出，輻照時(shí)間達(dá)到10 s時(shí)，拉應(yīng)力的值達(dá)到了883 MPa，超過(guò)了其抗拉強(qiáng)度，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)樹(shù)木斷裂等情況。

4 激光清除樹(shù)障實(shí)驗(yàn)

利用激光優(yōu)良的熱效應(yīng)，選擇合適的激光參數(shù)，使用對(duì)樹(shù)障進(jìn)行清除是完全可行的。激光清障裝置選用風(fēng)冷連續(xù)激光器，最大輸出功率為200 W，輸出形式為線激光，線激光光斑約為0.001 m×0.03 m的長(zhǎng)方形窄條，工作距離可達(dá)200 m。實(shí)驗(yàn)裝置操作圖見(jiàn)圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置操作圖Fig.8 Experimental layout

針對(duì)不同種類不同粗細(xì)的樹(shù)木，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，研究激光清障的實(shí)際效果。激光清除樹(shù)障燒蝕過(guò)程見(jiàn)圖9。

圖9 激光清除樹(shù)障燒蝕完整過(guò)程Fig.9 Complete ablation process of laser clearing tree barrier

激光照射樹(shù)木時(shí)，激光能量被樹(shù)木吸收，樹(shù)木吸收了激光的熱量，自身溫度逐漸升高，產(chǎn)生大量的可燃性煙霧，隨即樹(shù)木溫度到達(dá)燃點(diǎn)，發(fā)生燃燒現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，激光照射區(qū)域溫度持續(xù)上升，該區(qū)域木材劇烈燃燒，發(fā)生碳化現(xiàn)象，木材木質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，一段時(shí)間后，樹(shù)障由于被照射出木質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸小于自身重力，無(wú)法繼續(xù)支撐樹(shù)障，樹(shù)障掉落，達(dá)到清除樹(shù)障的目的。激光清除樹(shù)障燒蝕效果圖見(jiàn)圖10。

圖10 激光清除樹(shù)障燒蝕效果圖Fig.10 Ablation effect of laser clearing tree barrier

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，該線激光清障裝置在清除樹(shù)障的過(guò)程中，較細(xì)的樹(shù)枝，5 s內(nèi)即已清除；直徑為6 cm的樹(shù)枝15 s～30 s可完成清除；大于6 cm的樹(shù)枝或樹(shù)干視粗細(xì)與實(shí)際情況延長(zhǎng)清障時(shí)間。

5 結(jié)論

1）激光清除樹(shù)障時(shí)，激光照射中心點(diǎn)溫度上升速率隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減緩，這是由于樹(shù)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。

2）在溫度很高的情況下，熱導(dǎo)系數(shù)大小決定了樹(shù)木表面溫度的大小，熱導(dǎo)系數(shù)越小，樹(shù)木的表面溫度越高。

3）激光清障過(guò)程中，激光熱量集中照射在樹(shù)木上會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)使得樹(shù)木產(chǎn)生形變、斷裂。

4）在激光清除樹(shù)障實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，30 s內(nèi)可清除直徑為6 cm的樹(shù)枝，激光應(yīng)用于清障工作有很高的效率。