線激光清除輸電線路樹障溫度場和應力場分析

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

（1.國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

當樹木靠近輸電線路，會導致跳閘、短路等現象發生。樹障一直是阻礙輸電線路安全運行的最大隱患。為了保障穩定供電，國家電力部門工作人員會不定期修剪樹枝，清除樹障。傳統的清障方式采用電鋸進行登高清除，這種方式存在觸電、登高等安全隱患。

近年來，利用高能激光器清除輸電線路樹障的作業方式逐漸普及［1-3］，激光由于其能量集中，可遠距離進行作業，不導電等特性，特別適合于在地面遠距離對架空輸電線路樹障進行清除。而線激光具有獨特的優勢，切割效率更高［4-9］。

目前國內外針對激光在電力行業的應用研究有很多。文獻［10］通過理論分析和多物理場有限元仿真，分析研究了激光作用下的導線局部溫度變化和溫度場分布，討論激光裝置在異物清除時，是否可能引起導線局部溫度升高，局部損傷導線或影響導線正常運行。文獻［11］采用有限元分析軟件ANSYS對激光與普通瓷、氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、堇青石瓷作用后的溫度場和應力場進行了數值模擬，得到氧化鋁瓷具有較好的抗熱應力破壞性能，并進行了Nd：YAG連續激光照射絕緣子表面實驗，得到絕緣子表面溫度與照射時間和損傷類型的關系。文獻［12］忽略材料的光穿透效應、熱擴散效應以及溫度變化對材料物理參數的影響，用ANSYS有限元法對脈沖激光線源照射瓷質絕緣子時引起的瞬態溫度場進行了數值模擬，得到了特定功率激光作用下瓷質絕緣子的瞬態溫度場分布及溫升范圍，并得到了不同位置節點溫度隨時間的變化關系及同一時刻沿軸向和徑向路徑節點溫度的分布曲線。

上述文獻研究了激光針對導線、瓷絕緣子進行照射討論是否有損傷等問題進行研究，并進行了溫度場等研究。目前，采用激光技術清除樹障的研究較少。本文通過Ansys進行線激光清除樹障溫度場和應力場的仿真，計算研究溫度及應力分布規律，同時進行線激光清除樹障實驗，驗證線激光清除樹障的可行性。

1 仿真模型的建立

“樹線矛盾”一直是電力系統所重視的問題，能夠成為樹障的樹木通常為喬木［13-15］。本文分別對紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐、麻櫟6類樹種進行仿真實驗。樹木實物圖見圖1。

圖1 樹木實物圖Fig.1 Physical picture of trees

樹木仿真模型的結構如圖2。

圖2 樹木仿真模型Fig.2 Tree simulation model

本仿真重點為研究激光對樹木的作用機理，為使得模型更符合實際，本文采用的仿真模型模擬的樹木尺寸為：直徑0.06 m，長度0.15 m，建模時嚴格按照尺寸建模。

仿真熱源采用平面高斯熱源模型［16-19］，見圖3。此模型更加切合實際，它是將熱源能量按高斯函數分布在一定半徑的圓內，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，其衰減水平受到環境因素的制約，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，激光能量將會急劇下降，波長為1 064 nm的激光在大氣中的衰減系數較小，發射該波長的連續光纖激光器技術成熟、工作可靠，其被廣泛應用于激光測距，制導以及國防軍事上的光電對抗領域，激光的大氣透過率是描述激光傳輸特性的重要參數。

63880部隊的陳前榮博士后根據實際需要，利用FASCODE計算了1 064 nm激光在中緯度地區夏季條件下的激光透過率，并利用計算的3萬條數據建立了1 064 nm激光的大氣透過率數據庫，并將其運用到激光制導武器作戰以及光電對抗仿真課題的研究匯總。解決了實時計算存在的耗時高、實時性差的問題，其得出的10 km能見度內不同斜程透過率曲線見圖4［20-24］。

從圖4中可以看出，對于圖中每一條曲線，體現出仰角越大，激光的透過率越高的趨勢。當距離在0～1 km范圍時，仰角對激光的透過率幾乎沒有影響。斜程為1.5 km是仰角對激光透過率產生不同影響的分水嶺。對于激光清除樹障而言，其選擇的距離小于200 m，這也是本文設計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，而該距離對應的激光透過率為0.98?？梢?，激光在用于清除異物的環境下，其能量損失是可以忽略的。

本文使用ANSYS熱分析，考慮一個較為全面的環境，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。激光作為平面熱源施加在樹木的表面以模擬激光照射在樹木上。設置樹木的初始溫度為20℃。對6種樹木的屬性，即在國際單位制下分別賦予其密度、熱導系數、比熱容3項物理量。6種樹木的密度、熱導系數、比熱容的參數［25-31］列于表1。

表1 樹木的物理特性參數Tabble 1 Physical characteristic parameters of trees

木材的比熱容基本上不受樹種的影響，約為2 400 J/kg·℃。

2 溫度場特性分析

激光照射樹木時，對紅松、杉木、黃花落葉松、西南樺、泡桐和麻櫟6種樹木進行仿真研究。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，對于6種不同的樹木，激光照射中心點溫度上升速率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。

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

由圖6可知，在第10 s時，紅松窄面中心溫度達到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。

圖6 6種樹木第10 s時表面溫度分布云圖Fig.6 Cloud chart of surface temperature distribution of six kinds of trees at 10 s

3 應力場特性分析

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。紅松、杉木、西南樺、黃花落葉松、麻櫟、泡桐10 s時的應力分布云圖見圖7。

應力沿樹木表面的徑向分布如圖7所示，該距離反應的是一條經過線激光照射窄條上路徑上的應力分布情況。在激光加熱時，僅在激光光斑的覆蓋區域內熱效應明顯，在激光光斑的邊緣位置樹木表面溫度變化劇烈，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7 6種樹木第10 s時表面應力分布云圖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5mm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。從圖中可以看出，輻照時間達到10 s時，拉應力的值達到了883 MPa，超過了其抗拉強度，此時會出現樹木斷裂等情況。

4 激光清除樹障實驗

利用激光優良的熱效應，選擇合適的激光參數，使用對樹障進行清除是完全可行的。激光清障裝置選用風冷連續激光器，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的長方形窄條，工作距離可達200 m。實驗裝置操作圖見圖8。

圖8 實驗裝置操作圖Fig.8 Experimental layout

針對不同種類不同粗細的樹木，進行了大量的實驗，研究激光清障的實際效果。激光清除樹障燒蝕過程見圖9。

圖9 激光清除樹障燒蝕完整過程Fig.9 Complete ablation process of laser clearing tree barrier

激光照射樹木時，激光能量被樹木吸收，樹木吸收了激光的熱量，自身溫度逐漸升高，產生大量的可燃性煙霧，隨即樹木溫度到達燃點，發生燃燒現象。隨著時間的推移，激光照射區域溫度持續上升，該區域木材劇烈燃燒，發生碳化現象，木材木質結構強度降低，一段時間后，樹障由于被照射出木質結構強度逐漸小于自身重力，無法繼續支撐樹障，樹障掉落，達到清除樹障的目的。激光清除樹障燒蝕效果圖見圖10。

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

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。

5 結論

1）激光清除樹障時，激光照射中心點溫度上升速率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。

2）在溫度很高的情況下，熱導系數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。

3）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形變、斷裂。

4）在激光清除樹障實驗過程中，30 s內可清除直徑為6 cm的樹枝，激光應用于清障工作有很高的效率。