王帥，李忠濤，張輝，賀平，王成

（1. 貴州電網(wǎng)公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554300；2. 貴州電網(wǎng)公司安順供電局，貴州 銅仁 561000）

0 前言

自20 世紀40 年代以來，因覆冰引發(fā)的事故一直是國內外電力系統(tǒng)所遭受的嚴重自然災害之一[1]。變電設備覆冰是指在氣象、地形、風速以及溫濕度等多因素影響下，空氣中過冷水滴被設備表面捕獲并凍結的物理過程。變電設備覆冰可能導致絕緣閃絡，進而引起設備損壞。變電站內開關設備因為凍結可能無法正常操作，延誤電網(wǎng)的恢復和重建速度。如果采用電動強行合閘或分閘，容易對機構和設備造成損害。此外，變電設備覆冰也可能延誤線路交流短路電流融冰的倒閘操作任務，錯失融冰最佳時機[2]。

近年來，高功率激光器技術取得了迅猛發(fā)展。在實驗室環(huán)境中，半導體激光器線陣和迭陣輸出功率已經(jīng)達到上千瓦，而光電轉換效率高達60%～70%。光纖激光器最大功率也達到千瓦級。目前這些研究進展已經(jīng)引發(fā)將激光技術用于輸電線路清障的研究和應用[3]。激光具有單色性好、能量高、方向性好、遠距離傳輸效率高等特性。使用激光技術對輸電線路和變電設備進行除冰時，無需在電網(wǎng)內部增加額外設備。此外，激光本身不導電，因此可以在不斷電的情況下有效去除冰層。這為激光除冰技術提供了巨大的優(yōu)勢和應用潛力。

本文首先介紹自然冰的結構和光學特性，在淺析激光與冰的熱力作用的基礎上，闡述激光除冰的原理。然后，總結了現(xiàn)有的激光除冰研究成果。最后，根據(jù)激光技術的發(fā)展趨勢，對未來激光除冰技術的應用進行展望。

1 冰的結構及其對激光的吸收特性

1.1 冰的晶體結構

冰是地球上最常見的分子晶體，在一定的壓強和溫度下，在實驗室環(huán)境中，可以制備超過20 種不同的晶相和非晶結構的冰[4]。存在于在低壓條件下的三種分別是普通的六角冰Ih（hexagonal ice）、 亞穩(wěn)態(tài)立方冰Ic（cubic form ice）和無定形或玻璃冰。其中，無定形冰并非晶體構造，其產(chǎn)生的環(huán)境要求極端寒冷的真空和高輻射條件，幾乎不會在地球上自然存在。冰Ic 與冰Ih 有幾乎相同的密度和晶格常數(shù)，冰Ic 只在溫度約為235K 時由純水滴均勻結晶形成，又或者在77K 時由高密度冰減壓相變得到。冰Ih 是地球上觀測到的唯一廣泛存在的自然冰。

冰Ih 屬于六方晶系，是一種非常典型的氫鍵型晶體。在冰Ih 中，每個氧原子周圍都有四個與之最相鄰且等距的氧原子，這四個氧原子相互連線呈正四面體結構[5]，如圖1 所示。在兩兩最相鄰的氧原子之間的連線上，可以放置兩個氫原子。氫原子能夠與其中一個氧原子結合形成氫氧共價鍵O-H，同時與另一個氧原子形成氫鍵。氫原子在兩個位置上放置的隨機性體現(xiàn)出了冰Ih 的無序特性。冰Ih 的晶格結構呈現(xiàn)為一個帶頂錐的三棱柱體，具有非常輕微的雙折射效應，因此冰Ih 的折射率隨晶體的取向和光的偏振方向而略有變化。對于質地均勻的冰塊，雙折射的作用通常很輕微，可以忽略。

圖1 冰Ih的正四面體結構[6]

1.2 冰對激光的吸收特性

激光的本質是一種具有高度一致的光子光學特性、能量密度高度集中的光源。根據(jù)冰的光學特性，當激光輻照到冰塊表面時，僅有部分激光能量被表面吸收，而其余能量會透過冰層并繼續(xù)傳播。激光能量隨著入射深度的增加而逐漸減小。當冰層厚度足夠大時，激光能量可以被視為完全吸收。根據(jù)朗伯比爾(Bouguer-Lambert) 定律，激光強度隨著傳播距離的增加成指數(shù)衰減：

式中，I為激光強度(W/m2)，z是激光的入射深度(m)，α為冰對光的線性吸收系數(shù)，其計算公式如下：

式中，nim是復折射率的虛部，λ是入射光波長。

在進行物質對光的吸收、反射、散射的理論計算中，需要測量物質對波長的復折射率。復折射率的實部代表吸收性介質的折射率，虛部則代表光波傳播過程中的衰減速度。上世紀80 年代，Warren[7]通過對多篇文獻數(shù)據(jù)的整理和計算，得到了在零下7℃時冰Ih 對波長在紫外線和遠紅外線范圍內的光波復折射率的實部和虛部的數(shù)值。早在21 世紀初，劉健等[8]在分析云的熱力學相態(tài)時，利用聯(lián)機公共目錄檢索系統(tǒng)(Online Public Access Catalogues， 簡稱OPAC)數(shù)據(jù)分析了水和冰的折射指數(shù)虛部在0.25～2 μm 波段內隨波長的變化。他們指出當波長小于1.0 μm 時，水和冰對輻射幾乎沒有吸收，但在波長接近1.6 μm 時，它們的吸收輻射能力明顯加強，且存在顯著差異，冰的吸收輻射能力大于水，如圖2 所示。

圖2 水和冰在特定波段上的折射指數(shù)虛部隨波長的變化[8]

2008 年，Warren 和Brandt[9]對其之前的測量結果進行了修正，獲得了更精確的波長范圍從160 nm 到1400 nm 的可見光和近可見光、波長范圍從1.4 μm 到200 μm 的紅外光等波段的光以及波長可達1000 mm 的微波照射冰塊時分別對應的復折射率虛部，部分結果如圖3 所示。

圖3 不同激光波長對應的復折射率虛部[9]

從圖3 中可以看出，冰在不同波長的激光照射下具有巨大差異的復折射率虛部值，從而導致吸收系數(shù)存在數(shù)量級從10-2至106的巨大變化。一般情況下，當吸收系數(shù)較大時，冰層表面可以吸收相當大部分的激光能量，此時激光可以視為面熱源；反之，當吸收系數(shù)較小時，大部分激光能量會傳遞到物質內部，導致物質的溫度整體上升，此時激光可以視為體熱源。以此為前提，華中科技大學的齊麗君[10]通過求解一定假設條件下的面熱源和體熱源的熱傳導方程，得到了面熱源和體熱源激光輻照冰塊后的溫度場分布。作者進一步指出作用于物質的激光熱源類型不僅取決于吸收系數(shù)的大小，還與冰塊的厚度有關，提出使用激光作用的物質厚度與激光在物質中光學穿透深度的比值來描述吸收特性對激光與物質作用的影響，這有助于區(qū)分經(jīng)簡化的一維和二維方程求解熱傳導問題的適用范圍。

2 激光與冰的相互作用的熱力模型

當激光照射冰塊表面時，由于不同波長的激光在冰的內部穿透深度存在顯著差異，激光與冰的作用存在兩種不同方式。一是激光能量在冰塊表面被完全吸收，表面熔化的熱變形不受任何約束，此時一般不產(chǎn)生應力。另一種情況是激光穿透冰層并被整體吸收。此時，冰塊內部溫度場分布不均，不同部分的溫度差異使得它們的膨脹程度不一致，從而引起應力的產(chǎn)生，此時激光與冰的作用是一個涉及熱力耦合的多物理場問題。下面對這兩種不同的熱力作用進行概述。

2.1 激光對冰層的熱流密度和熱傳導方程

2.1.1 面熱源模型

當激光模式為基橫模（TEM00）且光束質量較高時，激光能量分布遵循高斯分布。高斯面熱源模型假設激光能量為正態(tài)分布，其中激光中心具有最高的能量，而距離中心越遠的位置，能量逐漸越小。對于功率為P，光斑半徑為ω 的基模高斯光束，其功率密度分布可以表示為[11]：

該熱源模型的能量分布如圖4 所示。

圖4 高斯面熱源模型[12]

2.1.2 體熱源模型

在冰層各向同性的情況下，冰層吸收激光能量后的能量密度分布應與激光輸入的能量密度分布保持一致。激光輻照冰塊的過程中，使光軸與冰塊表面垂直，以冰塊表面為XY 平面，光軸為Z 軸，光斑中心為原點建立一個直角坐標系，并以該直角坐標系中的原點作為原點，Z軸不變，建立一個柱坐標系（O, r, θ, z），如圖5 所示。

圖5 體熱源模型[13]

入射面中心處的熱流密度q（0, 0, 0）可以表示為：

任意截面上中心處的熱流密度q(0, 0,z)可以表示為：

式中：R為冰塊表面對激光的反射率，P為激光功率（W）。

與光軸垂直、深度為z的冰塊截面任意位置的熱流密度可以表示為：

熱流密度在相應的直角坐標系中的表達式：

式中，q(0, 0,z) 是截面中心熱流密度（W/m2），r0是激光入射表面的光斑半徑（m），RZ是截面中心光斑半徑（m），β是光軸與光束邊緣夾角。

2.1.3 熱傳導方程

將吸收的激光能量作為輸入熱源，冰層中的溫度分布將隨時間不斷變化。假設冰層各向同性，冰層內溫度場可以用Fourier 導熱定律來描述，即：

式中，ρ(T),c(T),λ(T) 分別是溫度T 下冰的密度、比熱容和導熱系數(shù)。q(x,y,z,t)是單位體積熱源強度。

2.2 激光輻照冰層的熱應力和應力波

激光輻照冰塊過程中，由于冰塊內部溫度分布不均會導致產(chǎn)生熱應力，而未被輻射區(qū)域也會對輻射區(qū)域的變形產(chǎn)生約束作用，進而產(chǎn)生應力。溫度和熱應力分布會引發(fā)初始裂紋的產(chǎn)生。當熱應力分布在裂紋尖端滿足擴展失穩(wěn)的要求時，裂紋還會進一步擴展。在后續(xù)外力作用下，這些裂紋可以有效降低冰的破壞閾值。冰的耐壓的破壞閾值遠大于耐拉的破壞閾值。在低應變速率（ε<10-3S-1）下，冰晶內部均勻產(chǎn)生微裂紋并經(jīng)歷重結晶過程，抗壓破壞受力曲線表現(xiàn)出明顯的塑性。而在較高應變速率（ε>2.5×10-3S-1）下，冰塊表現(xiàn)出明顯的脆性特征。冰塊受力后，應力集中會集中在某些區(qū)域，導致細小裂紋向四周迅速擴展，最終導致冰塊整體崩碎，此時，冰塊破裂過程不存在明顯的塑性區(qū)域[14]。

哈爾濱工業(yè)大學的王彥秋[13]利用有限元方法對激光輻照冰的過程開展了仿真研究。他通過對比激光輔助前后冰塊內部的應力分布狀態(tài)，研究了面載荷、局部載荷破冰過程中激光的輔助效果。結果顯示，在單獨面載荷作用下，冰塊內最大拉應力值為0.02 MPa，最大壓應力值僅為0.11 MPa。在相同工況下，添加激光熱源后，冰塊內部的最大拉應力值增加到1.13 MPa，最大壓應力值增加到1.11 MPa。當在局部載荷下添加熱源后，第一主應力和第三主應力也都明顯增大。這表明在一定載荷范圍內，激光的加入可以有效提高冰塊的應力值，達到輔助載荷破冰的效果。王書鵬[15]開展了激光輔助靜壓載荷和沖擊載荷破冰的實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)在各自最佳的激光布點效果下，分別降低了約70%、50% 的破冰載荷。此外，針對激光破冰問題，他提出了一種預定軌跡布點誘導裂紋整體擴展的布點方法，結果顯示，輔助破冰效果相同的情況下可以分別節(jié)省激光輸入能量約44%和33%。盡管上述研究是針對激光輔助荷載破冰開展的，但是關于激光輻射冰層過程中應力分布規(guī)律及特征同樣適用于其他領域的激光除冰技術。

除此之外，激光輻射冰層時還會產(chǎn)生應力波。1961 年，美國學者J.EMichds 發(fā)現(xiàn)脈沖激光作用在材料表面時能產(chǎn)生高強度的沖擊波，也稱應力波。高功率（≥109W/cm3）、短脈沖（納秒量級）激光照射材料時，材料表層迅速吸收能量發(fā)生爆炸性汽化，同時產(chǎn)生高溫、高壓的向外噴射的稠密等離子體，誘發(fā)產(chǎn)生高壓沖擊波。根據(jù)物質相分界面上的邊界條件，激光直接輻照材料表面的等離子體對固相界面的壓強為[16]：

式中：p是固相界面沖擊波壓強（Pa），τ是激光脈沖寬度（s），I是激光強度（W/cm2）。

激光輻照冰時，產(chǎn)生的高溫、高壓等離子體同樣會形成一個極短暫的爆炸過程，這會導致應力波的產(chǎn)生。這種應力波可以傳播到冰層內部，導致冰塊內部的應力和應變分布發(fā)生急劇變化。冰的結合力約為10 MPa。當收到超過冰的彈性限度的沖擊力時，冰的內部可能會產(chǎn)生孔隙，原本密實的冰會變得疏松，而當冰融化成水時，體積的縮小又會在冰的內部產(chǎn)生更多孔隙，進一步增加冰的疏松性。這些內部孔隙會導致結合力減弱。在沖擊波壓力作用下，冰層可能形成更多孔隙，更容易脫落。

3 變電設備激光除冰方法

對于變電站除冰，國內目前主要采用的方式是停電后人工敲打等機械手段來除冰。這種方法容易造成設備損壞、工作效率低，覆冰嚴重時的除冰效果有限。此外，對于隔離開關等的動觸頭部位的覆冰，使用木榔頭、木棍等工具難以有效清除。因此，為了確保變電設備在長期雨雪冰凍天氣下的安全運行，迫切需要研究高效可行的除冰技術。

美國、日本等國家早在上世紀就開展了激光除冰技術的研究。1973 年，Clark 等[17] 為了探究高功率激光應用于輔助破冰船破冰的可行性，進行了波長為10.6 μm 的50 W 功率CO2激光器照射冰層的實驗，由于功率太低未發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生。Lee[18]對冰與三種基材之間形成的硬幣形狀的裂紋擴展的臨界壓力和表征冰與基材之間結合強度的表面能進行了研究。Sakurai等[19]探索將CO2激光器用于冰雪鉆孔的應用。他們在實驗中發(fā)現(xiàn)冰層的熔化速度隨著激光強度的增加和冰層密度的降低而增加，而雪的熔化速度隨著雪的密度的增加而降低。實驗中激光照射固體冰的熔化速度幾乎比理論速度低65%。分析表明指出鉆孔中積累的融水帶來的側向熱損失，導致速度減慢。最后，研究提出了使用光纖來耦合激光器以減小融水效應，從而減小激光能量的損耗。

在國內，與激光除冰的相關研究起步較晚。2007 年，華中科技大學的朱衛(wèi)華[20]針對輸電線路的激光除冰開展相關研究。他在對激光除冰進行理論分析前提下，選定除冰系統(tǒng)所用激光器類型和冰型，開展絕緣子的激光損傷實驗，得到雙傘型絕緣子的損傷閾值為86.6 W/cm2。接著，在利用CO2激光器熱融除冰和CO2激光器熱融輔助重力脫落除冰的實驗研究中，他發(fā)現(xiàn)同樣去除1 kg 的柱體冰塊，后者所需能量和時間都明顯小于前者。劉磊[21]開展了短脈沖固體激光器和長脈沖固體激光器對覆于陶瓷片上的1 kg 冰塊的除冰效率的對比研究。研究發(fā)現(xiàn)二者所需能量大小接近，但長脈沖固體激光器的除冰效率遠大于短脈沖激光器。谷山強等[22]利用CO2激光器和Nd:YAG 固體激光器對絕緣子串進行了除冰試驗和安全性試驗。研究發(fā)現(xiàn)，在CO2激光器照射下，冰層幾乎不存在應力分布區(qū)，而在Nd:YAG 激光照射瓷絕緣子冰層11分鐘后，輕輕敲擊絕緣子串的覆冰部分，激光輻射區(qū)域的冰層呈現(xiàn)塊狀脫落，而未輻射區(qū)域的冰層則呈現(xiàn)顆粒狀脫落。這表明熱應力的存在使得冰層內部結構更加松動。結合覆冰自重或其它機械除冰方式，都可以顯著提高激光除冰的效果。此外，絕緣子安全閾值與激光入射角度有關，激光入射角度越大，則絕緣子的安全閾值越高。復合絕緣子的安全閾值明顯低于瓷絕緣子的安全閾值。

清華大學的張貴新、陳勝等[23-25]為了克服現(xiàn)有的CO2激光除冰系統(tǒng)體積大、重量重、效率低等缺點，采用激光二極管串并聯(lián)和多路輸出方式提高輸出激光功率。他們成功研發(fā)了波長為980 nm、最大輸出激光功率為300 W 的半導體激光除冰系統(tǒng)，并利用Ansys 有限元軟件研究了冰塊初始溫度、激光功率、光斑直徑等參數(shù)對于除冰效果的影響。仿真結果顯示，當激光功率為50 W、光斑直徑為10 mm、冰塊厚度為2 cm、初始溫度在-5～0 ℃范圍內變化時，融穿冰塊所需時間先是迅速減少，隨后減少速度逐漸減慢。當光斑直徑固定為10 mm 時，隨著激光功率的增加，融穿2 cm 厚度冰塊所需時間不斷減少，但是，減少速度逐漸減慢，這表明隨著激光功率的進一步增加，獲得的增益效果并不理想，反而會增加成本。當改變光斑直徑時，融穿所需時間隨著激光光斑直徑的減小而減小，但是融穿所需時間的減小速率也逐漸減慢。分析原因，可能是激光光斑減小在增大功率密度的同時，激光與冰層的熱作用接觸面積在減小。因此，在利用激光技術除冰時，還需要選擇合適的功率和光斑直徑。

4 結束語

本文首先介紹了冰的結構和冰層對不同波長激光的吸收特性，接著闡述了激光輻照冰層時二者之間的相互作用機理，最后，對變電設備激光除冰方法的相關研究進行了綜述。結論如下：

1）根據(jù)冰層對不同波長激光的吸收特性，以冰層厚度和激光的光學穿透距離之比為參考，可劃分為兩個作用模式：體熱源與面熱源。

2）激光清除覆冰的方法分為兩種：一種是利用大功率脈沖激光通過產(chǎn)生應力波來震碎覆冰，另一種是利用激光的熱效應將冰層加熱，使其熔化，并結合溫差產(chǎn)生的內部應力使冰層或冰柱脫落。

3）Nd:YAG 固體激光可在激光作用區(qū)域覆冰內部產(chǎn)生熱應力，此時若結合機械敲打等除冰方式更易于去除覆冰。相對于CO2激光，Nd:YAG 固體激光更適合于絕緣子除冰。

4）激光融冰的速度會受到多種因素的影響，包括冰的密度、冰的初始溫度、激光功率及激光的光斑直徑等。在實際應用中，需要合理選擇激光參數(shù)也獲得最佳的除冰效果。

在激光除冰過程中，激光長時間、高強度地照射絕緣子等變電設備可能對其造成損害。而輸電線路和變電設備絕緣子種類眾多，因此未來對不同類型的絕緣子所能承受的激光功率密度與照射時間閾值進行深入研究至關重要，以確保在實際除冰作業(yè)中將激光功率密度與照射時間控制在安全閾值之下。除此之外，考慮到變電設備除冰作業(yè)環(huán)境通常比較復雜，小型化、便攜化是未來激光除冰儀的發(fā)展趨勢。另一個潛在的趨勢是研制長脈沖調制高重復頻率的激光器。使用長脈沖激光可以使冰層變得疏松，從而使得冰塊更容易脫落，提供除冰效率。隨著激光技術發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化推進，高透過率、高準直性的透鏡與激光器的性能將持續(xù)改進，成本也會不斷下降。這將推動激光除冰技術的進一步發(fā)展和廣泛應用，為電力設備和輸電線路的冰層除去提供更有效的解決方案。