徐鑫，方春華，智李，丁璨，董曉虎，程繩，孫維，陶玉寧

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

國內(nèi)架空輸電線路覆蓋廣泛，且線路走廊多倚傍樹林，樹木距離架空線路過近會(huì)導(dǎo)致線路跳閘故障。近年來，中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，線路通道內(nèi)的樹木已成為線路運(yùn)行的重大隱患，由對(duì)線路通道內(nèi)超過安全距離的樹木放電引起的線路閃絡(luò)、電網(wǎng)停電、林區(qū)火災(zāi)等事故屢見不鮮，給線路的安全運(yùn)行帶來了巨大的災(zāi)難，所以保證穩(wěn)定供電是國家電力部門的首要任務(wù)。工作人員會(huì)不定期地對(duì)架空線路下樹障進(jìn)行清除，人工清除樹障的方式花費(fèi)的成本高、時(shí)間長且存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于高能激光清除輸電線路樹障時(shí)，可帶電工作，無須停電，工作人員無須登高工作，在地面即可完成，消除了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，利用高能激光器清除架空線路樹障的作業(yè)方式在國內(nèi)逐漸興起[1-3]。

高能激光被用于架空線路樹障的清除工作中，而由于目前高能激光器輸出的是圓形點(diǎn)激光，能量密度分散，并且在瞄準(zhǔn)過程中樹枝會(huì)由于微風(fēng)輕微擺動(dòng)，造成點(diǎn)激光清除樹障時(shí)清除速度慢、清除效果并不理想等問題[4-7]。

線激光因其能量密度集中，在清除較粗樹障時(shí)具有明顯優(yōu)勢。線激光灼燒樹木表面時(shí)會(huì)引起表面溫升，達(dá)到樹木的燃燒點(diǎn)，激光照射面會(huì)劇烈燃燒，完全燃燒分解脫落后，激光照射下一層，能量密度越大，線激光長度越長，理論上效率越高[8-11]。因此，針對(duì)線激光清除樹障效率和清除機(jī)制開展研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外激光研究發(fā)展迅速，激光溫度計(jì)算數(shù)據(jù)隨著仿真軟件的發(fā)展進(jìn)步日趨精確可靠，從而使得科研人員能夠?qū)Σ煌募す庾饔脤?duì)象進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[12]研究了激光輻照導(dǎo)線溫升規(guī)律和溫度場分布研究，以有效評(píng)估特定條件下激光輻照對(duì)架空導(dǎo)線損傷；文獻(xiàn)[13]通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了異物材料和導(dǎo)線的激光燒蝕特性；文獻(xiàn)[14]兼顧激光燒灼和熱升溫的過程，分析激光功率密度對(duì)燒蝕質(zhì)量和燒蝕厚度的影響；文獻(xiàn)[15]概括了激光武器的原理和特點(diǎn)，并對(duì)研究激光燒蝕機(jī)理的方法與數(shù)值模擬進(jìn)行了總結(jié)。

上述文獻(xiàn)研究了激光對(duì)導(dǎo)線的相關(guān)仿真與試驗(yàn)，但利用激光清除樹障的仿真與試驗(yàn)的研究較少，本文考慮點(diǎn)、線激光切割樹障的有限元模型，對(duì)不同種類、粗細(xì)的樹障分析仿真對(duì)比，計(jì)算不同時(shí)刻的溫度場和清障所需時(shí)間，同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)、線激光清除樹障實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證清障理論與仿真結(jié)論，結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)討論點(diǎn)、線激光的清障效率問題。

1 仿真模型的建立

高能激光器發(fā)出連續(xù)激光照射在需要切割的樹障上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的面吸收。樹障作為單質(zhì)且連續(xù)的介質(zhì)，其內(nèi)部的導(dǎo)熱過程遵循傅立葉定律，在樹障的內(nèi)部任取一個(gè)體積元v，單位時(shí)間內(nèi)通過其邊界S傳入體積元內(nèi)部產(chǎn)生的熱能之和等于該體積元物質(zhì)的焓增加量。根據(jù)能量守恒定律，熱傳導(dǎo)方程可以用來研究樹障內(nèi)部的溫度分布情況。在仿真計(jì)算中忽略折射、熱傳導(dǎo)、反射等影響，其瞬態(tài)傳熱方程為

式中：T為樹障表面溫度，是時(shí)間變數(shù)t與空間變數(shù)（xyz）的函數(shù)； ?T/?t是樹障中某點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的變化率；ρ為樹障的密度；k為樹障的導(dǎo)熱系數(shù)；c為樹障的比熱容；I為照射激光的功率密度；ε為史蒂夫玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10–6W/（m2·C2）。

點(diǎn)激光作為面熱源施加在樹障上時(shí)，呈高斯模型分布加載在樹障表面[16-19]。此模型切合實(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，平面高斯熱源分布如圖1所示。

圖1 平面高斯熱源分布Fig. 1 Distribution of plane Gaussian heat source

線激光熱源模型呈現(xiàn)窄條狀分布，假設(shè)窄條狀的每一點(diǎn)都近似呈高斯分布，則在樹障表面上窄條狀線熱源任意一點(diǎn)（x，y）上的熱流密度為

式中：e為樹障對(duì)激光的吸收系數(shù)；r為輻射在樹障上的窄條寬度；P為激光器功率。

樹障模型直徑為0.06 m，長度為0.15 m。采用Ansys有限元法，選取SOLID70實(shí)體熱單元進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱分析。初始溫度設(shè)定為20 ℃，在空氣對(duì)流系數(shù)為10 W/（m2·℃）的環(huán)境下，用200 W功率的線激光作為面熱源加載在樹木表面15 s。激光照射窄面長度為 0.03 m，寬度為 0.001 m，則熱流密度為 400 kJ/（m2·s）。

本文分別對(duì)紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐、麻櫟6類樹種進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置樹木的初始溫度為20 ℃。對(duì)6種樹木的屬性，即在國際單位制下分別賦予其密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容3項(xiàng)物理量。具體參數(shù)[20-25]如表1所示。

表1 樹木的物理特性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of trees

2 溫度分布特性

在點(diǎn)、線激光照射樹木表面15 s過程中，6種樹木激光照射中心溫度變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著點(diǎn)激光清除過程的進(jìn)行，表面中心最高溫度達(dá)到了1000 ℃，遠(yuǎn)超過木材的250～300 ℃的燃點(diǎn)，且大部分樹木表面最高溫度在4～6 s已超過400 ℃。線激光表面最高溫度略高于點(diǎn)激光，其曲線變化趨勢皆一致。

圖2 點(diǎn)激光燒灼下6種樹木表面最高溫度變化曲線Fig. 2 The maximum surface temperature curves of six types of trees under point laser cauterization

對(duì)于6種不同的樹木，線激光照射面中心溫度上升速率隨加熱時(shí)間的延長逐漸減緩，這是由于樹木的導(dǎo)熱系數(shù)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。在第15 s時(shí)，泡桐表面最高溫度達(dá)到1259.20 ℃，紅松的最高溫度為798.88 ℃，略高于杉木的768.14 ℃，麻櫟溫度最低，為378.52 ℃。導(dǎo)熱系數(shù)的大小決定了樹木表面溫度的大小，導(dǎo)熱系數(shù)越小，樹木的表面溫度越高。

溫度沿樹木表面軸向分布見圖3和圖4。該距離反映的是一條經(jīng)過激光照射光斑中心處于樹木軸向表面的路徑上的溫度分布情況。其中75 mm坐標(biāo)值位于激光照射中心。

圖3 點(diǎn)激光軸向路徑溫度分布曲線Fig. 3 Temperature distribution curves along point laser axial path

圖4 線激光軸向路徑溫度分布曲線Fig. 4 Temperature distribution curves alone line laser axial path

在這條經(jīng)過點(diǎn)、線激光照射的軸向路徑上，溫度的分布呈高斯分布，并以激光照射面中心向兩側(cè)對(duì)稱分布。因?yàn)辄c(diǎn)激光照射面大，軸向受熱距離寬，所以曲線一開始呈現(xiàn)出溫度隨距離下降相對(duì)緩慢的趨勢，在照射面寬度為5～10 mm的邊界區(qū)域，溫度急劇下降，這說明激光照射樹木時(shí)，只有被照射區(qū)域溫度能夠達(dá)到燃點(diǎn)，其余區(qū)域溫度一直保持在較低的溫度，即僅在激光照射區(qū)域熱效應(yīng)明顯。

當(dāng)激光照射在樹木表面時(shí)，忽略燃燒的影響，熱量會(huì)從外表面逐漸傳遞至內(nèi)部，從而其深度方向也出現(xiàn)溫度變化。樹木上的點(diǎn)、線激光照射窄面中心所在的深度方向上的溫度分布截面如圖5所示，6種樹木上的點(diǎn)、線激光照射窄面中心所在的深度方向上的溫度變化曲線如圖6所示。熱量在深度方向上傳遞的規(guī)律與在表面?zhèn)鬟f情況相似，在激光照射面深度為3～5 mm的區(qū)域內(nèi)溫度急劇下降。

圖5 點(diǎn)、線激光灼燒深度方向溫度分布云圖Fig. 5 Temperature distribution cloud map in the direction of point and line laser burning depth

圖6 點(diǎn)、線激光灼燒深度方向溫度變化曲線Fig. 6 Temperature distribution curves in the direction of point and line laser burning depth

3 灼燒效率

本文中灼燒效率指單位時(shí)間內(nèi)激光燒灼樹木的深度。樹木材料屬于可燃性材料，隨著激光的照射時(shí)間的延長，激光照射面會(huì)劇烈燃燒，待完全燃燒分解脫落，激光照射下一層，由表及里，進(jìn)行樹障的清除。采用6種樹木進(jìn)行點(diǎn)、線激光效率對(duì)比情況一致，這里以直徑60 mm的泡桐為例。

點(diǎn)激光照射泡桐樹木表面，在2 s時(shí)，樹木被灼燒深度為0.85 mm，樹木的最大溫度達(dá)到了402.36 ℃；在 162 s時(shí)，溫度達(dá)到了 417.53 ℃，此時(shí)樹木已被燒穿。2 s時(shí)點(diǎn)激光灼燒泡桐情況見圖7a），162 s時(shí)點(diǎn)激光灼燒泡桐情況見圖7b）、圖7c）。從圖6可以看出，凹坑如“V”形，即隨著激光照射時(shí)間的增加，凹坑在照射方向上表現(xiàn)為坑底深度逐漸加深，坑口筒徑逐步張開，從坑底到坑口形成子彈頭形的灼燒孔，即坑口孔徑要大于坑底孔徑。

圖7 點(diǎn)激光燒灼樹木不同時(shí)刻形態(tài)變化Fig. 7 Simulation of point laser cauterization

當(dāng)采用線激光照射時(shí)，在2 s時(shí)，樹木被灼燒深度為11.15 mm，樹木的最大溫度達(dá)到了421.5 ℃；在11 s時(shí)，溫度達(dá)到了425 ℃，此時(shí)樹木已被燒穿。2 s時(shí)線激光灼燒泡桐過程見圖8a），11 s時(shí)線激光灼燒泡桐過程見圖8b）、圖8c）。其灼燒形狀從軸向截面上觀察，與點(diǎn)激光灼燒形狀類似，坑口孔徑大于坑底，唯一不同的是，線激光灼燒為長橢圓形，而點(diǎn)激光為正圓形。

圖8 線激光燒灼樹木不同時(shí)刻形態(tài)變化Fig. 8 Simulation of line laser cauterization

圖9中，采用相同功率的激光器，計(jì)算可知，點(diǎn)激光平均灼燒速度為0.37 mm/s，線激光平均灼燒速度為 5.45 mm/s，線激光 11 s就灼燒穿了 60 mm的泡桐樹木，而點(diǎn)激光需要14倍以上的時(shí)間，因此線激光灼燒的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于點(diǎn)激光灼燒的效率。

圖9 灼燒深度隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Curve of burning depth versus time

4 灼燒實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

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)樹障進(jìn)行清除是完全可行的。激光清障裝置選用風(fēng)冷光纖激光器，最大輸出功率為200 W，輸出形式為點(diǎn)、線激光可切換，工作距離可達(dá)200 m。本文所設(shè)計(jì)的激光清障裝置見圖10，其中各部分構(gòu)件分別為風(fēng)冷連續(xù)光纖激光器、高清攝像頭、控制顯示平板、三腳架、云臺(tái)。

圖10 激光清障裝置Fig. 10 Laser barrier-removal device

為了實(shí)時(shí)獲取激光灼燒樹木時(shí)的溫度，采用紅外熱成像儀進(jìn)行測溫，采用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)。

本實(shí)驗(yàn)使用直徑是41.46、50.70、89.23 mm的麻櫟樹木作為試品，根據(jù)仿真的結(jié)果可知，在激光灼燒的過程中，熱影響區(qū)域只在一個(gè)較小的范圍進(jìn)行，所以使用以上樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是可行的，3種樣品的初始狀態(tài)見圖11。

圖11 41.46 mm、50.7 mm、89.23 mm麻櫟樹干樣品Fig. 11 Tree trunk samples of quercus acutissima of 41.46 mm, 50.7 mm and 89.23 mm in diameter

200 W峰值功率分別以點(diǎn)、線激光形式直接照射，直至麻櫟燒穿為止。實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光控制器、紅外熱成像儀、拍攝系統(tǒng)同步工作。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

紅外熱成像儀拍攝的熱成像如圖12所示，圖12中為89.23 mm的麻櫟樹木在點(diǎn)激光照射下每隔15 s一張的熱成像圖，最高溫度均為276 ℃，這與線激光照射時(shí)最高溫度相同。

圖12 熱成像圖Fig. 12 Thermal images

點(diǎn)、線激光燒穿麻櫟時(shí)間如表2所示。

表2 點(diǎn)、線激光燒穿麻櫟時(shí)間Table 2 Burn-through time of quercus acutissima by point and line laser

燒穿89.23 mm的麻櫟樹干，使用點(diǎn)激光需要120 s，使用線激光需要 14.2 s，使用點(diǎn)激光所需時(shí)間約為線激光的8.45倍；50.7 mm和41.46 mm的麻櫟樹木則為7.04倍與6.53倍，而仿真中線激光效率約為點(diǎn)激光的14.73倍，這是由于仿真忽略了樹木的濕度等因素，造成仿真與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)無法完全對(duì)應(yīng)，但仍然可以得出，線激光清障的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于點(diǎn)激光清障的效率。

5 架空線路樹障清除應(yīng)用

樹障與架空線路距離太近，可能造成區(qū)域性的停電事故，線激光清除架空線路樹障裝置對(duì)比以往清除經(jīng)驗(yàn)，具有節(jié)省資源調(diào)配，簡化部門協(xié)調(diào)，降低工作勞動(dòng)力，提高作業(yè)效率，減少人力投入的優(yōu)勢。利用高能激光清障裝置進(jìn)行清障作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員可選擇交通狀況良好、方便車輛通行的目標(biāo)就近處進(jìn)行作業(yè)，這進(jìn)一步解決了傳統(tǒng)清除方式不得不靠近樹障進(jìn)行作業(yè)的缺陷，且對(duì)作業(yè)人員技能水平要求不高，作業(yè)前進(jìn)行簡單培訓(xùn)即可操作。

6 結(jié)論

（1）激光照射樹木時(shí)，照射面中心溫升速度隨加熱時(shí)間的延長逐漸減緩，因?yàn)闃淠镜膶?dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，導(dǎo)熱系數(shù)改變從而影響溫升速度。（2）激光灼燒樹木時(shí)，僅在激光照射區(qū)域熱效應(yīng)明顯，其余區(qū)域溫度一直保持在較低的溫度。（3）采用相同功率的激光器，線激光溫度始終是高于點(diǎn)激光，點(diǎn)激光平均灼燒速度為0.37 mm/s，線激光平均灼燒速度為 5.45 mm/s，線激光灼燒穿相同樹木所需時(shí)間遠(yuǎn)小于點(diǎn)激光所需時(shí)間，說明線激光清障的效率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于點(diǎn)激光的。