基于線激光技術的輸電線路樹障清除裝置研制及應用研究

范 楊，張 鼎，程 繩，王寶峰，董曉虎，辛 巍，夏浩爽

（1.國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050；2.湖北既濟電力集團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，線路通道運維難度大。樹障隱患一直是阻礙線路安全運行的重大隱患，易使空氣間隙被線路電壓擊穿引發線路閃絡、電網停電、林區火災等事故。傳統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，有必要對激光輸電線路樹障清除技術進行深入研究，為解決“樹線矛盾”提供更加安全有效的解決方案。

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

1 激光器硬件開發

線激光清除裝置全自動瞄準系統由光纖激光器、可調紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號傳輸器和圖像識別控制面板組成。激光清障裝置通過高倍鏡攝像頭和信號傳輸器的結合，不僅能大大提升瞄準系統的準確率，而且能遠距離操控激光器；通過顏色感應開關能根據設定瞄準目標的顏色自動啟動激光器開關進行工作；通過云臺遙控器無線操控電動云臺，方便調整瞄準角度［22-24］。

1.1 激光發射端設計開發

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，場鏡通過振鏡控制，使之發出線激光，用于清除樹障；電源模塊用于激光裝置的供電；瞄準模塊包括激光瞄準器，用于樹障在開啟激光器前先進行瞄準。

當需要進行樹障清除時，啟動電源前，先將激光發射口對準地面，打開光纖激光器和激光瞄準器，通過調節激光瞄準器的螺母進行微調，使得光纖激光器與激光瞄準器的準星一致。通過振鏡x 軸和y 軸的快速偏轉，光纖激光器的點激光可近似轉變為線激光。

1.2 激光瞄準系統設計

線激光清除裝置采用的全自動瞄準系統由光纖激光器、可調紫光激光器、合束鏡、半反半透鏡、反光鏡、高倍鏡攝像頭、信號傳輸器和圖像識別控制面板組成。該裝置通過高倍鏡攝像頭和信號傳輸器的結合，不僅能大大提升瞄準系統的準確率，而且能遠距離操控激光器；通過顏色感應開關，根據設定瞄準目標的顏色自動啟動激光器開關進行工作；通過云臺遙控器無線操控電動云臺，方便調整瞄準角度。

2 激光清除樹障實驗設計

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 類樹種進行仿真實驗，根據實際情況和對比分析，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值計算，并和激光試驗數據對比分析研究，分析6 種類型樹木在不同能量密度的光輻照下溫度場和應力場變化規律，進而確定激光清除樹障的能量密度閾值和最佳清洗參數［2-4］。

200 W 激光進行清障工作時，相同的能量照射在不同的面積內，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。在設計點激光與線激光的選擇上，經過數次試驗后得出數據，在點激光光斑半徑為0.012 m，線激光尺寸為0.03 m×0.001 m時，點激光的光斑面積為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激光能量密度的15倍，即線激光清障效率約為點激光效率的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，在本文的實驗中，使用適當的柱形透鏡，在適當距離將圓柱形激光束擴展為條帶狀，增大激光作用面積，從而將點激光束轉換為線激光束，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 的連續激光器可滿足大部分樹障清除要求［5-7］，其在遠處的功率密度一般應達到250 000～300 000 W/m2。為研究激光清障過程中激光對于樹木的燒灼情況，本文使用ANSYS進行熱分析，在仿真分析的過程中模擬使用功率200 W的連續激光照射在樹木上。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，設置樹木的初始溫度為20 ℃［8］。

2.1 不同樹木的點激光輻照仿真數據分析

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

對于6 種不同的樹木，激光照射中心點溫度上升速率均隨加熱時間的延長逐漸減緩，這是由于樹木的熱導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，點激光照射紅松中心溫度達到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溫度最高，達到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，熱導系數的大小決定了樹木表面溫度的大小，熱導系數越小，樹木的表面溫度越高。

2.2 不同樹木的線激光輻照仿真數據分析

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，麻櫟對應該區域溫度最低，黃花落葉松與西南樺該區域溫度相當，紅松與杉木溫度相差無幾。線激光照射在窄面10 s 時，泡桐窄面溫度達到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，熱導系數的大小決定了樹木表面溫度的大小［12-14］，熱導系數越小，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行，窄面溫度遠超過木材的250～300 ℃的燃點，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，較細的樹枝，5 s 內即已清除；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與實際情況延長清障時間。

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

2.3 線激光輻照實驗應力仿真實驗

激光清障過程中，激光熱量集中照射在樹木上會導致樹木上產生較大的熱應力，這種應力會使得樹木產生微小的變形，從仿真中可以看到，激光直接照射區域的結構位移較大，沿著兩端逐漸減小［15-16］。以下為紅松10 s時的應力分布云圖。

應力沿樹木表面的徑向分布如圖3 所示，該應力分布云圖反應的是樹木表面經過線激光照射的窄條面積上的應力分布情況。在激光加熱時，僅在激光光斑的覆蓋區域內熱效應明顯，與激光光斑的邊緣位置產生很大的溫差，從而產生較大的熱應力。這一應力隨著激光照射時間的延長而增大，有助于切斷樹木。

圖3 線激光照射第10 s紅松應力分布云圖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 時的應力分布均衡，隨著激光輻照過程的進行，距離窄體中心外6 mm至12 mm的范圍內應力急劇升高，在兩側均出現峰值，形成駝峰形的應力分布，在中心向徑向直徑5 mm橢圓形區域內均為壓應力，即窄條中心壓應力最大。壓應力在5 mm邊緣轉為拉應力，在整個輻照過程中，壓應力值的增大都沒有超過樹木的抗壓強度。拉應力值在向徑向變化的過程中，經過兩次震蕩，迅速衰減為零；最大的拉應力出現在靠近窄條邊緣一側。從圖3中可以看出，輻照時間達到10 s時，拉應力值達到883 MPa，超過了其抗拉強度，此時會出現樹木破裂等情況［17-18］。

2.4 激光對輸電導地線的損傷實驗

實驗采用較薄的ACSR 導體（LGJ-300/20）研究激光輻照對導體的影響。導體被放置在距離激光光源1 m 的地方，光斑大小約為16 mm，激光能量密度設置為50～300 W/cm2，照射時間為1 min。圖4為照射前后導體表面的情況，能量密度為300 W/cm2用x射線譜對輻照前后的導體進行了檢測。結果表明，其表面組成沒有變化，微觀形貌也沒有變化。試驗結果表明，當激光功率密度從50 W/cm2調整到300 W/cm2時，導體沒有損傷。

對于架空地線（GJ-80 型）的兩個樣品，利用光纖激光光源在距離為1 m 的每個樣品上進行3 次激光輻照實驗。輻照時間為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，實驗結果見表3。

圖4 線激光照射導線前后對比圖Fig.4 Before and after laser irradiation of the wire

當輻照時間為1 min時，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，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為90.904%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為84.312%和15.392%。實驗結果表明，低功率激光且輻照時間較短的情況下，激光光束對架空地線影響不大，高能量密度和長時間激光照射對架空地線表面鍍鋅層損傷較小［19-21］。

3 激光切割樹障實驗

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

本文針對不同種類不同粗細的樹木，進行了大量實驗，研究激光清障的實際效果。通過實驗得知，該線激光清障裝置在清除樹障的過程中，較細的樹枝，5 s內即已清除；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與實際情況延長清障時間。

圖6 試驗布置圖Fig.6 Test layout situation

在實驗過程中，啟動電源開關，將激光器對準距離20 m左右的樹障，按下發射按鈕，激光照射一瞬間，樹木被點燃，被照射部分持續燃燒，逐漸深入內部。之后上下移動激光器，照射另一部分，一段時間后，樹木被切斷，停止發射激光，切斷電源。

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

4 結語

本文針對輸電線路樹障類型不同的特征，通過計算得到激光作用下樹木的溫度場和應力場數據，開展不同類型樹木、不同粗細樹木情況下的線激光試驗，揭示線激光清除樹木的機制。通過使用激光源對導地線進行照輻實驗，研究激光清障方法對導地線的影響［27-30］。同時，基于線激光技術清除樹木的作用原理，本文進行輸電線路樹障清除裝置研制，裝置包括高能量激光主機、能量光纖、瞄準系統、控制軟件及云臺組成，并且通過樹木的切割實驗，驗證了激光清障裝置可以實現遠距離操作、高效率、自動完成樹障清除。

［參考文獻］（References）

［1］ 吳家洲.激光深熔焊接過程流體流動分析和傳熱傳質機理研究［D］.南昌：南昌大學，2018.WU Jiazhou.Fluid flow analysis and mechanism research on heat and mass transfer during deep-penetration laser welding［D］.Nanchang：Nanchang University，2018.

［2］ 馬悅.雙橢球焊接熱源模型一般式的數值模擬研究［D］.天津：河北工業大學，2015.MA Yue.Study on numerical simulation of general expression of double ellipsoidal heat source model［D］.Tianjin：Hebei University of Technology，2015.

為了避免一直沉溺于如此地負面情緒和循環中，工作之余，我會更多地閱讀一些心理學類書記和管理類書記，充實和疏導自己。

［3］ 陳前榮，王國玉，陳永光，等.1 064 nm 激光大氣透過率數據庫的建立與應用［J］. 激光與紅外，2007，37（07）：610-613.CHEN Qianrong，WANG Guoyu，CHEN Yongguang，et al.Creation and application of the atmospheric transmittance database for 1 064 nm laser［J］.Laser & Infrared，2007，37（07）：610-613.

［4］ 侯祝強.木材導熱系數的研究［J］.林業科學，1992，（02）：153-160.

［5］ 曾震武，趙云芳，袁博，等.基于ANSYS的激光反導熱力效應研究［J］.西安郵電學院學報，2011，16（S2）：7-10.ZENG Zhenwu，ZHAO Yunfang，YUAN Bo，et al.Research on thermal stress in laser anti-missile process based on ANSYS［J］.Journal of Xi'an Institute of Posts and Telecommunications，2011，16（S2）：7-10.

［6］ 王英軍.激光標準技術在電網異物清除方面應用研討［J］.中國標準化，2017，（16）：230-231.

［7］ 樓平，岳靈平，李龍.新型激光除異物技術在特高壓輸電線路的應用［J］.浙江電力，2018，37（06）：6-9.LOU Ping，YUE Lingping，LI Long.Application of new laser removal technology of foreign bodies in UHV transmission lines［J］.Zhejiang Electric Power，2018，37（06）：6-9.

［8］ 王海洋.基于圖像處理技術的輸電線路異物檢測研究［D］.吉林：東北電力大學，2017.WANG Haiyang.The research of foreign body detection on transmission line based on image processing technology［D］.Jilin：Northeast Electric Power University，2017.

［9］ 第一套輸電線路異物遠程激光快速清除儀［J］.河南電力，2016，（05）：3.

［10］ 周維維，樊衛華，姜姍.激光異物清除器裝置研究［J］.計算機測量與控制，2018，26（07）：123-127.ZHOU Weiwei，FAN Weihua，JIANG Shan.Research on laser foreign body remover device ［J］. Computer Measurement&Control，2018，26（07）：123-127.

［12］ 南方電網技術研究中心.輸電線路設備激光除冰技術實驗室研究［R］.廣州：南方電網技術研究中心，2010.

［13］ 郭維，莫潤陽.脈沖激光輻照絕緣子產生的瞬態溫度場［C］.2013中國西部聲學學術交流會論文集，2013.

［14］ 劉明亮，李博.導線異物切除剪的研制與應用［J］.電世界，2017，58（02）：12-13.

［15］ 趙元林，智勇軍，岐召陽.便攜式輸電線路異物處理裝置的研制［J］.電力安全技術，2017，19（07）：44-47.

［16］ CUI Zhe，YIN Long，WANG Qingjun，et al.A facile dip-coating process for preparing highly durable superhydrophobic surface with multi-scale structures on paint films［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2009，337（02）：531-537.

［17］ 李華，王雅斌，孫聞浩，等.用于小型化激光異物清除裝置的激光聚焦系統設計與應用［J］.自動化應用，2018，（12）：7-9.

［18］ 徐北方，馮軍淼.激光技術應用于清除超高壓架空輸電線路異物的探討［J］.農村電氣化，2019，（07）：43-46.XU Beifang，FENG Junmiao.Approach of laser technology used to clear foreign matter on EHV overhead transmission lines［J］.Rural Electrification，2019，（07）：43-46.

［19］ 劉洋，陳杰，黃清，等.輸電線路飄浮異物激光遠程清除技術、成套裝備及應用［Z］.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，2017.

［20］ 梁偉，陳杰，周志成，等.電網異物激光清除器對導線的安全性研究［J］.工業安全與環保，2017，43（08）：26-30.LIANG Wei，CHEN Jie，ZHOU Zhicheng，et al.Effect of laser-cleaner for overhead line foreign body on overhead conductors ［J］. Industrial Safety and Environmental Protection，2017，43（08）：26-30.

［21］ 黃清，魏旭，周志成.激光對架空輸電導線的溫度影響研究［J］.江蘇電機工程，2016，35（06）：45-49.HUANG Qing，WEI Xu，ZHOU Zhicheng. Research on temperature effect of laser on overhead transmission line［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（06）：45-49.

［22］ 周輝，楊穎銳，楊生蘭.輸電線路異物清除裝置研究［J］.科技創新與應用，2016，（07）：174-174，175.

［23］ 毛強.基于機載激光雷達智能測距輸電線路樹障的方法研究［J］.湖北電力，2017，41（02）：20-23.MAO Qiang.Discuss on method to intelligent detection tree barrier along power transmission line based on helicopter lidar［J］.Hubei Electric Power，2017，41（02）：20-23.

［24］ 胡軍，劉登遠，劉俊，等.咸寧輸電線路防山火跳閘措施分析［J］.湖北電力，2011，35（05）：29-30.HU Jun，LIU Dengyuan，LIU Jun，et al.Analysis on fire prevention trip measures of Xianning power transmission line［J］.Hubei Electric Power，2011，35（05）：29-30.

［25］ 董曉虎，何劍峰，張志強，等.在線電網鐵塔激光切割裝置設計［J］.湖北電力，2019，43（01）：56-60.DONG Xiaohu，HE Jianfeng，ZHANG Zhiqiang，et al.Design of intelligent remote laser cutting device for power grid tower［J］.Hubei Electric Power，2019，43（01）：56-60.

［26］ 邢文忠，陳曉彬，謝玉衛，等.基于多旋翼無人機和激光的輸電線路異物清除裝置的研究［J］.電工技術，2018，（06）：32，34.XING Wenzhong，CHEN Xiaobin，XIE Yuwei，et al.Study on foreign body removal device of transmission line based on multirotor UAV and multi freedom mechanical cutter［J］.Electric Engineering，2018，（06）：32，34.

［27］ LI Xionggang，GUO Yanming. Electric transmission line inspection system and key technologies based on UAV laser radar system［C］. Proceedings of 2018 3rd International Workshop on Materials Engineering and Computer Sciences（IWMECS 2018），2018.

［28］ Andrzej Popenda，Marek Lis，Marcjan Nowak，et al.Mathematical modelling of drive system with an elastic coupling based on formal analogy between the transmission shaft and the electric transmission line［J］.Energies，2020，13（05）：1181.

［29］ WANG Baoyi，HOU Zepeng，ZHANG Shaomin.Research on WSN secure communication method based on digital watermark for the monitoring of electric transmission lines［J］.Advances in Computer，Signals and Systems，2019.

［30］ GENG Hao，HUANG Yong，YU Shiwen，et al.Research on early warning method of overhead transmission line damage caused by typhoon disaster［J］.Procedia Computer Science，2018，130：1170-1175.