基于Fernald計算方法的激光清掃裝置的設計

吳偉文， 劉穎， 方義治， 朱子龍， 黃秉權

(廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東，珠海 519000)

0 引言

電力設備通常裸露在外界環境，其工作性能及工作狀態與外界環境有直接的關系，由于長期無人清潔，其表面很容易布滿灰塵等異物，尤其在潮濕的環境中，容易在設備的表面長滿 “綠苔”等污穢，這些現象使得電氣設備的工作性能受到直接或者間接的影響，因此，就需要一種清潔裝置實現電力設備的自動化清潔。

針對上述技術問題，大量的作者對電力設備領域內的清掃裝置進行了研究，比如專利號為CN201821516063.2的文獻[1]公開了一種復合絕緣子智能清污裝置，該裝置在結構上設置承載驅動裝置、升降裝置和清掃裝置，雖然在一定程度上實現了電氣設備的清掃功能，提高了電氣設備的利用效率，但是障礙識別難度大。專利號為CN201720833959.2的文獻[2]公開了一種復合絕緣子清洗裝置，該裝置在結構上包括預噴淋系統、毛刷清洗系統、清水噴淋系統和風干系統，雖然能夠使電力設備表面上的灰塵及雜質被有效地清除，但仍舊無法實現故障信息的智能化識別。

針對上述技術的不足，本研究探討一種新型的激光清掃裝置，能夠實現電力設備表面故障物體的自動化、智能化識別，實現電力設備正常運行運行過程中的維護。

1 清掃裝置技術原理架構設計

在本研究的技術方案設計中，裝置在硬件結構上包括升降操控部分、控制主機部分、光學系統部分等關鍵部件[3]。升降操控部分包括移動底座(拖車)、絕緣升降臺、電機導軌絲桿、激光清洗出光組件固定及俯仰調整臺等。該模塊能夠控制升降臺、電機導軌絲桿的工作，其中的控制主機部分包括主控制器、材料參數調節設定組件、激光器控制組件、反饋式焦距調節組件、鏡頭溫度控制組件、視頻監視組件、電源模塊等。光學系統部分包括激光光源、光纖耦合組件、導光光纜、激光清洗出光組件等[4]。通過上述模塊的配合能夠實現清掃裝置的自動化、智能化控制。其硬件結構示意圖如圖1所示。

圖1 硬件結構示意圖

下面結合圖1，對本研究的硬件結構進行詳細說明。

在升降操控部分設計中，升降操控部分的設計尺寸為 30 cm×30 cm×330 cm(整體收縮后高度180 cm，頂部圓形固定臺面直徑30 cm)，可通過連接絕緣支撐桿(2 m)最高升至530 cm，另外移動底座(拖車)高度約20 cm，頂部平臺分層安裝后激光出光口距離平臺高度約50 cm，綜合起來激光出光口離地高度可到600 cm[5]。通過上述方式的設置，本研究的方案能夠適用于6 m高的設備清掃。該部分在頂端正中心位置采用分層結構安裝旋轉結構、電機、電源、激光清洗組件等。在升降臺移動過程中，升降臺處于收縮狀況，收縮狀態下整體高度180 cm左右，在路面不平、坑洼地方升降臺不會發生倒塌現象；在升降臺移動至操作地點時，操作地點不平整，可通過調整升降臺底部4根螺桿實現水平，螺桿可調整范圍0～10 cm[6]。

在控制主機部分中，關鍵部件包括起控制作用的主控制器和材料參數調節設定組件、激光器控制組件、反饋式焦距調節組件、鏡頭溫度控制組件、視頻監視組件、電源模塊等7大子系統，控制架構示意圖如圖2所示。

圖2 設備整體架構示意圖

主控制器包括操作端控制器和激光頭控制器2部分，2個控制器都采用ARM或單片機作為CPU，相互之間以光纖作為傳輸通道，采用ModBus通信協議，操作端控制器連接材料參數設定系統和激光器控制系統，掃描端控制器連接反饋式焦距調節系統[7]、鏡頭溫度控制系統和視頻監視系統。激光器控制系統主要包括激光脈沖驅動控制、激光狀態監測2部分，其中激光脈沖驅動系統由CPLD[7]產生，激光狀態監控由操作端控制器采集，并在觸摸屏上顯示。反饋式焦距調節系統設計采用高速激光測距模塊對激光出光處至待清掃的對象距離進行實時的測量，將距離數據反饋給掃描端控制器，實時動態調整變形鏡片組的焦距，實現激光的焦點始終作用在待清掃對象上[8]。鏡頭溫度控制系統設計，將多個PTC元件制冷面集成到鏡頭傳熱集中點隔圈鏡筒外側，PTC發熱面通過散熱器連接激光掃描頭的外殼，以整個金屬外殼作為散熱面，同時配有風扇散熱。

光學系統部分主要由激光光源、光纖耦合組件、導光光纜、激光清洗出光組件組成。該光學系統在工作時，激光器啟動工作狀態，輸出激光光束，發出的激光通過光纖通道，將接收到的光輸送至激光耦合鏡頭，通過該鏡頭對輸出的激光進行耦合處理。耦合后的激光輸出至激光整形聚焦系統，通過激光整形聚焦系統對其接收到的激光束進行整形、聚焦等處理。然后將該激光束輸送至振鏡系統，振鏡系統對接收到的光進行振動處理，振動處理后的光經由出光單元被射在待清洗的電力設備上。通過上述工作原理，電力設備上的污染物由于照射原因，在很短的時間內聚焦，并將電力設備上的污垢通過振動—熔化—蒸發—燃燒等具體步驟，其間發生物理或者化學反應，將其上的污垢降解，基材則直接將激光反射出去而不被損傷，實現對電力設備的清洗。

2 激光清洗方案

通過激光清洗技術實現電網電路的故障清掃，該技術采用了回波傳播技術和能量傳遞技術實現故障的定位。在輸電線路中，復合絕緣子長期暴露戶外，其上的污垢表現形式不一，通過激光雷達探測輸電線路區域上的故障[9]。圖3為激光探測方案示意圖。

圖3 激光探測方案示意圖

下面結合圖3對激光探測原理進行說明。首先通過構建方程，檢測出電網電路中存在的污物，通過激光投射情況反應出污物大小。其中，激光投過污物的方程為

(1)

式中，假設在清洗裝置中設置的激光器輸出的光束波長定義為λ0，波長的寬度定義為τ，經過準直鏡后，波長光束反射到外界，使得電網中的污物被穿透，激光在穿透污物的過程中，能量逐步被散射[10]并逐級衰減，最終被激光光學體系中一般分面積接收。根據式(1)可以進行以下解釋：P(z)表示激光探測方案中光學器件收到的光學功率值；z表示距離污物的長度；P0表示清洗裝置中激光光束的發射功率；c表示激光光束輸出的光速；τ表示清洗裝置中激光束產生的脈沖寬度；β(z)表示清洗裝置中激光光束后向進行激光散射的系數，該系數通過人工設置；A(z)表示清洗裝置中激光光束投射污物后接收機顯示的有效面積；α(z)表示激光光束投射污物后的激光能量被衰減后的消光系數，α(z)在應用過程中為未知數，具體計算過程中可以參考人工設置方法。然后啟動Fernald算法模型[11]即式(2)：

(2)

式中，α為污物密度，下角m為污物存在環境下的大氣分子。式(2)表示激光探測過程中出現的回波信號與電網電路中待清洗污物存在的光學性質之間的函數關系式。該函數關系式中未知數通過常規工作經驗得出。

在式(2)中，βm(z)表示污物分子被投射后的散射系數，βa(z)表示污物被投射后的散射系數，αm(z)、αa(z)分別表示消光系數。βa(z)和αa(z)可以通過Fernald計算方法，計算式可以記作：

(3)

通過式(3)可以進而獲取βa(z)和αa(z)之間的關系式。在實際計算工作中，假設給予一定的賦值，則存在以下關系式：

(4)

為了進一步量化本研究方案，假設激光器的波長介于532 nm至1 064 nm之間，令S1在40至50之間進行取值，則激光投過污物后的散射系數βa(z)和消光系數αa(z)通過以下關系式表示：

(5)

(6)

式中，λ=532 nm，則污物被投過后，存在的散射系數與消光系數之間的比值取值為50，則有S1=50。其中：

αa(z)=50βa(z)

(7)

通過上述方程，根據電網線路中污物存在情況，能夠獲取污物大小，進而采用適當的措施進行清洗，提高了污物定位和清洗能力。

3 試驗分析及結果

下面對上述清除污垢的試驗過程進行說明，啟動的軟件為COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件，該軟件能夠模擬清洗污垢的各種不同物理過程，該軟件具有較強的計算性能和多物理場直接耦合能力。COMSOL Multiphysics多物理場仿真平臺如圖4所示。

圖4 COMSOL Multiphysics多物理場仿真平臺

系統工作時通過PC電腦接入進行控制，其界面如圖5所示。

圖5 系統工作控制界面

在仿真時，設置一個三層材料的三維餅狀圓柱體來模擬所研究的清洗模型，橫截面半徑是25 mm，最上層空氣層為5 mm，污穢層厚度隨污穢等級而變化(比如CaSO4等)，底層硅橡膠HTV為10 mm。

在清洗過程中，需要在絕緣材料容許的情況下設計恰當的激光作用來得到足夠的清洗速度，以滿足效率要求。以典型污穢CaSO4為例子，研究在激光作用下溫度應力場分布情況。仿真時的模型條件：激光功率為70 W、90°入射、光斑半徑1 mm、污穢厚度為20 μm、激光作用時間0.2 s。其中單層CaSO4污穢計算結果的三維溫度、應力、位移分布圖分別如圖6所示。

(a)三維溫度

激光是高斯光束，垂直入射時在{x,y}平面內光斑圓形對稱，所以徑向切面上的分布可代表全部信息。激光入射對材料進行加熱，熱傳導導致溫度變化和熱應力的產生。

表1為在功率70 W、T0=0.2 s下，各污級清洗效果參數。

表1 清洗效果參數表

通過表1的設置，然后利用激光技術分別以不同角度入射CaSO4表面，并計算其參數結果。計算結果如表2所示。

表2 不同角度入射CaSO4表面計算結果示意表

然后再以不同角度入射SiO2表面，則輸出的計算結果如表3所示。

表3 不同角度入射SiO2表面計算結果

兩種單成分污穢的溫度、應力結果具有類似的規律，激光從90°到30°入射過程中，可以明顯看到激光在污穢表面光斑從圓形拉長，光斑面積變大，單位面積激光能量降低，溫度應力都隨之下降。

在污穢抗拉強度值以上的區域寬度既有可能增加，也有可能減小。上述實驗說明，本研究的方法具有較好的技術效果。

4 總結

本研究針對現有技術的不足，設計出一種新型的清掃裝置，該裝置通過關鍵技術設計實現了不同電網線路故障清掃。本研究采用回波傳播技術和能量傳遞技術實現故障的定位，通過激光定位技術實現待清掃故障信息的定位，實現了障礙物清掃，通過COMSOL Multiphysics對復合絕緣子的激光清掃污穢過程進行了充分的仿真計算。本研究具有一定的技術優勢，但是上述實驗過程中仍舊會出現諸多問題，這需要進一步研究和探索。