CN101562321B - 一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法。该方法是将脉冲CO₂激光束经聚焦透镜聚焦后在覆冰表层形成约5mm～5cm的光斑，使覆冰表层吸热脆裂，所述脉冲CO₂激光束的激光单脉冲能量为50～1000J，脉冲宽度为1μs～2μs，峰值功率大于等于10⁶W。本发明采用高峰值功率的脉冲激光辐照覆冰，覆冰在激光辐照下瞬时升温，在表面和内部产生极大的温度梯度和应力，当应力超过覆冰的断裂强度时，覆冰产生裂纹，导致脆裂，在重力作用下，覆冰脱落，达到除冰的目的。

Description

一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法

技术领域

本发明属于激光应用领域，具体涉及一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法，该方法尤其适用于野外气候条件复杂环境下的输电线路、通讯网络、电缆等的覆冰去除。

背景技术

覆冰将对高压输电线路造成灾难性的影响，比如引起塔头损坏甚至倒塌、杆塔基础破坏、绝缘子脱落及断线、导线断股及间隔棒破裂、结构件损坏等，因此从上个世纪50年代以来，输电线路覆冰严重的俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛等国家相继投入技术力量对输电线路覆冰进行观测和研究，探索输电线路覆冰机理、形成条件以及预防去除方法。几十年来，世界各国的研究人员通过不懈努力，在覆冰去除领域取得了许多研究成果。为加速覆冰研究成果和经验的交流，美国电力科学研究院(EPRI)、低温地带工程与研究实验室(CRREL)和加拿大魁北克水电公司于1982年在NewHampshire的Hanover组织召开了“第1届国际大气结构物覆冰研究会”，以后每隔2-4年在世界各地轮流召开这种学术研讨会。我国也是冰灾事故频发的国家之一。由于冰灾事故的频繁发生，我国的电力生产、运行单位也投入大量的人力物力广泛探索防冰灾、防除覆冰的措施，并取得了一定的成果。此外，对于通讯、铁路、航空、航海、交通运输等需要在室外工作的行业，覆冰的预防和去除同样重要。

防止冰害事故发生的方法从原理上讲可分为防冰方法和除冰方法。防冰方法是在物体覆冰前采取各种有效技术措施，使各种形式的冰无法积覆，或即使积覆，其总的覆冰荷载也能控制在物体可承受的范围内，如热力防冰是采取各种加热措施(铁磁材料、电磁波束、太阳能板的热吸收技术)等，使物体表面的温度在零度以上，无法结冰。除冰是物体覆冰后采取有效措施，部分或全部除去物体上覆冰。虽然防冰能有效减轻冰灾事故的影响及程度，但是在多变的自然条件下，并不能从根本上去除覆冰带来的危险。通常情况下，防冰和除冰方法必须同时采用。

目前常用的除冰方法根据原理可以分为四类：热力除冰、机械除冰、被动除冰和其他除冰方法。热力除冰是指采取各种加热措施，使其表面上覆冰融化或脱落，是目前使用最为广泛的除冰技术。目前，利用热力方法达到线路除冰目的的主要有：阻性线除冰、热气和热水除冰以及过电流和短路电流熔冰五种技术措施。这些技术措施存在装置复杂、增大线路负荷，甚至需要拉闸，因而使用起来有一定的局限性；机械除冰是使用机械外力手工或自动强制使覆冰物体上覆冰脱落的除冰方法，研制机械除冰方法的历史远早于其他类型的除冰方法，但是由于机械除冰方法在使用时存在操作困难、安全性能不完善等缺点，特别是对于野外地形条件恶劣的山区、水上等地区，应用受到极大限制，因此在线路除冰领域应用不广泛；被动除冰是指利用风、地球引力、随机散射和温度变化等自然条件来脱冰的方法。因此被动除冰技术虽然无需附加能量，但是它常常只在局部有效、单次有效，并只针对一定的冰型和在特殊条件下起作用，而且可控性差，因此并不能满足线路除冰的需要；其他除冰方法如碰撞前颗粒冻结、碰撞前颗粒加热、电晕、电子冻结等除冰技术有的已被证明无效，有的有待于进一步考察，目前应用还不广泛。事实上，目前还没有特别安全、有效、简单的除冰方法，特别是对于野外距离长、气候条件复杂、环境恶劣、维修不方便、对国民经济影响重大的高压输电线路而言，更是如此。

采用激光技术对铁轨除冰始于1989年，其基本原理是利用激光加热，使铁轨的温度高于零度，从而使积雪无法凝结成冰，或者是使覆冰熔化，但是由于当时激光功率的限制，并没有引起广大科研工作者的重视。随着激光技术的发展，激光的功率日益增长，而且激光具有高能量、无接触、易导向、可以车载、移动方便、易于实现自动化等优点。利用激光除冰在近年来又得到了华中科技大学刘磊、朱晓的注意(刘磊，朱晓，激光除冰研究，光散射学报，2006，Vol.18，No.4：379-385)，他们采用高功率连续CO₂激光器，对输电线路除冰进行了理论和实验研究，结果表明，采用激光除冰是可行的。但是由于采用的是连续CO₂激光器，除冰机制是热熔化，仍然属于热力除冰的范畴，虽然也能达到除冰的目的，但是能耗大，加热时间长，易损坏物体表皮。

发明内容

本发明的目的在于提供一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法，该方法不会损坏物体表面，能耗小，并且移动方便，并且适用于野外气候条件复杂的环境。

本发明提供的野外悬空线路的脉冲激光除冰方法，将脉冲CO₂激光束经聚焦透镜聚焦后在覆冰表层形成约5mm～5cm的光斑，使覆冰表层吸热脆裂，所述脉冲CO₂激光束的激光单脉冲能量为50J～1000J，脉冲宽度为1μs～20μs，峰值功率大于等于10⁶W。

本发明采用高峰值脉冲CO₂激光，照射覆冰，覆冰在高峰值功率脉冲激光作用下局部瞬时升温，产生极大的温度梯度和热应力，从而产生裂纹，裂纹扩展产生脆裂，在重力作用下脱落，因而所需的能耗小。而且是瞬时加热，物体表面不会受到损坏。此外该方法还具有易于自动化、能量可以调节、可以车载、易于移动等显著优点。本发明方法虽然也是采用激光，但是由于采用的是脉宽窄、峰值功率高、单脉冲能量大的激光，因此除冰的机制不再是热熔化，而是基于热应力，使覆冰脆裂，在重力作用下脱落，本发明克服了采用连续激光除冰带来能耗大，生产效率低，物体表面易热损伤等的问题。

附图说明

图1为野外的线路在气候作用下产生覆冰；

图2为高峰值功率脉冲激光作用覆冰线路示意图；

图3为高峰值功率脉冲激光作用覆冰线路产生裂纹示意图；

图4为高峰值功率脉冲激光作用覆冰线路裂纹扩展并产生脆裂示意图；

图5为脆裂的覆冰在重力作用下脱落示意图。

具体实施方式

在高峰值脉冲激光辐照下，覆冰由于瞬时吸收热量而导致局部急剧温升，由于受热不均匀，覆冰表面产生极大的温度梯度，从而导致内应力产生。如果该内应力超过了冰的抗拉强度(冰的脆性很大，其拉伸强度低)，将在覆冰强度比较薄弱的地方，如晶界、缺陷等地方产生裂纹，多脉冲作用下，裂纹扩展从而造成覆冰的脆裂，在重力作用下，脆裂的冰块脱落，从而达到除冰的目的。

本发明方法基于高峰值脉冲激光瞬时加热冰块，使冰块产生很大的局部温度梯度从而产生应力，当该热应力大于冰块的断裂破坏阈值时，冰块断裂或者产生裂纹；裂纹在后续脉冲激光作用下扩展而破裂；在重力作用下冰块自行脱落。由于该方法采用的是应力破坏机理，无需熔化全部冰块，因而所需的能耗小。此外由于是脉冲激光瞬时加热，物体表面不会受到损坏。本发明基于上述原理设计而成，下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在野外悬空的线路1表面由于气候的作用产生覆冰2。覆冰的出现将引起线路1重量增加，导致许多灾害性的事故，因此必须将其除掉。如图2所示，激光单脉冲能量在50～1000J、脉冲宽度在1μs～20μs、峰值功率在10⁶W以上的脉冲CO₂激光3经聚焦透镜4聚焦后在覆冰表层形成约5mm～5cm的光斑5，由于脉冲激光的脉冲宽度极窄，作用于覆冰表面的激光具有极高的峰值功率密度(可达10⁶W/cm²以上)，覆冰表层吸热瞬时升温。由于覆冰的热导率低(2.22W/(m×K))，因而在表层产生极大的温度梯度和应力，当产生的热应力超过了冰的抗拉强度，覆冰将产生大裂纹6或者微裂纹7，如图3所示。在后续的脉冲激光作用下，大裂纹6或者微裂纹7在热应力作用下迅速扩展8，从而使冰块产生脆裂，如图4所示。在高压输电线路等悬空线路条件下，由于脆裂的冰没有附着物，在重力作用下而脱落，从而对线路达到除冰目的，如图5所示。

Claims (1)

1.一种野外悬空线路的脉冲激光除冰方法，将脉冲CO₂激光束经聚焦透镜聚焦后在覆冰表层形成5mm～5cm的光斑，使覆冰表层吸热脆裂，所述脉冲CO₂激光束的激光单脉冲能量为50J～1000J，脉冲宽度为1μs～20μs，峰值功率大于等于10⁶W。

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