输电线路激光清洗方法的研究
来源:用户上传
作者:吴尚阳
摘 要：电缆、绝缘子和连接件作为输电线路的重要组成部分由于长期暴露于室外，所以很容易被污染，尤其绝缘子具有隔绝导电部分和支撑两种主要作用，被大量用于送电线路和发电站、变电站的设备上。当绝缘子被污垢污染时，它的绝缘性能会大大下降，最终导致闪络事故。所以定期清洗是保证输电线路正常工作的重要任务，由于传统清洗方式存在效率低、危险性高和便捷性低的问题，所以该文针对输电线路中电缆、绝缘子和连接件提出了一种激光清洗的方法，从而解决目前输电线路清洗存在的问题。
关键词：输电线路 激光清洗 高重频脉冲激光
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（a）-0068-02
激光清洗（LaserCleaning）作为一项新兴的表面清洁技术，具有很多独特的优点，如清洗精度高、控制性好、与工作物质无接触等，在某些领域优越于传统的清洗技术。从20世纪80年代诞生以来，激光清洗在理论模型研究和技术应用方面取得了令人瞩目的发展，受到了产业界相关研究人员的高度重视，输电线路按其形式不同可分为高架输电线路和地下输电线路两种，目前高压输电线路主要取用高架输电线方式，这种方式的优点是可充分利用空气的高绝缘性。但由于输电线路长期暴露于空气中所以很容易受到污染，所以需要定期清洗。传统清洗方法主要有清洗机清洗、射流清洗、喷洗和水幕清洗等，但这些方法都存在着很多危险和隐患，操作不当其结果会造成更大的电力事故。而激光清洗作为一种新兴清洗方式可实现输电线路带電工作的非接触式清洗，可以解决目前传统高压输电线路清洗的问题，该文针对高压输电线路的特殊性提出了一种激光清洗的方法，从而提高高压输电线路清洗的安全性和方便性。
1 传统清洗方法
（1）清洗机清洗。
人工操作的湿润刷式清洗机由清洗罐、喷头和毛刷组成。毛刷可通过一个环抱结构固定在绝缘子上，清洗时水从喷头流出，人工操纵绝缘棒，用毛刷清洗连接件和绝缘子的各个部位。这种方法需要工人有特殊的操作技能，高空作业有一定危险性。
（2）射流清洗。
有便携式射流清洗机、射流式管道清洗装置和射流清洗车等几种不同方式。便携式射流清洗机由水罐斗加压泵和小口径喷枪组成。这种方法适用于77kV以下的送电线路及配电线路的清洗。但这种清洗装置的成本很高，用水量大，只能在重要供电线路和有充足水源的地方采用。
（3）喷洗。
使用类似消防水枪的喷头安装在可上下左右自由操作的支架上，对输电线路进行人工清洗，但水压比喷射低，一般在0.5MPa左右，只能使水流射出一定距离，这种设备成本不高，缺点是清洗过程易发生闪络事故，在大风天气作业十分困难。
（4）水幕清洗。
在台风和季风的强风状态下，绝缘子在很短时间内发生急速污染。这种设备成本过高，缺点是清洗过程易发生闪络事故。
2 激光清洗方法
采用的二维激光扫描激光清洗系统。清洗光源采IPG公司YLPN型高重频脉冲激光源。该款机型在维持输出最高平均功率30W的情况下，脉冲宽度调节范围为：8～200ns，重复频率调节范围为：30～300kHz。清洗光源输出激光束准直后激光光斑半径 R：3.5mm，发散角β：0.29mrad。准直器输出的平行光束通过二维扫描振镜系统实现样件表面全覆二维扫描清洗，其中二维扫描振镜系统聚焦场镜等效焦距为：85mm。
在清洗之前要对绝缘子被污染的程度进行评估，以确定是否有必要进行清洗，具体方法是对绝缘子附着的污垢进行定量分析，绝缘子的闪络电压（击穿电压）在80kV以下，一般就需要进行清洗。
通过计算，该系统清洗用脉冲激光在待清洗样件表面聚焦光斑直径d≈50.8μm。对清洗样件表面激光光斑进行实际测量，该激光清洗系统聚焦光斑直径 d≈50μm，与计算值相符，清洗用脉冲激光光斑尺寸是后续数值仿真及工艺实验必需的重要参数值。
该系统通过参数设置，可实现聚焦光斑在待清洗样件表面的多种方式二维扫描，用于脉冲激光清洗去除样件表面污染物。选取“弓”字型扫描方式，该扫描方式相对于“之”字形扫描及“回”字形扫描可实现X、Y两个方向的均匀光斑覆盖，提高清洗后基材表面质量均匀性。
在采用二维扫描振镜激光清洗系统进行材料烧蚀气化去除时，为了保证X方向及Y方向具有相同的光斑重叠率，Y方向的填充距离δy应等于X方向脉冲光斑之间距离δx。这样可在X、Y两个方向形成均匀性一致的激光清洗表面质量，并且为后续改变二维平面内脉冲数密度，进行低热导率污染物烧蚀气化去除深度规律研究提供一致性条件。
假定，清洗用高重频脉冲激光源重复频率为f;X方向扫描速度为Vx，扫描距离为H，脉冲光斑之间距离为δx;Y方向平移速度为Vy，平移距离为D，脉冲光斑之间距离为δy;清洗用聚焦后脉冲激光光斑直径为d。因此，在进行二维扫描去除涂漆过程中，作用于X方向脉冲总数可表示为：
首先，为了避免脉冲激光烧蚀气化污染物过程中烟尘及等离子体对污染物吸收脉冲激光产生影响，后续优化实验增加高压气体。其次，为了避免作用于污染物表面脉冲激光数超过污染物被全部烧蚀气化去除所需脉冲数，形成脉冲能量浪费及对基材产生过度破坏，将作用于材料表面最高总脉冲数设定为10×105个，其他工序脉冲总数依次递减。
3 结语
该文基于激光清洗烧蚀气化去除目标的机理，提出了采用高重频脉冲激光对高压输电线路污染物去除的方法研究。首先，该文对采用二维振镜进行激光清洗时，不同扫描方式对激光清洗表面质量影响进行了分析和选取，通过控制X、Y两个方向的光斑重叠率，得到了“弓”字型扫描方式，清洗X、Y两个方向具有相同重叠率的计算方法。其次，该文通过运算，发现高重频脉冲激光作用于低热导率材料时脉冲间隔对材料温度变化影响较小。最后，该文提出一种采用高重频、百纳秒脉冲激光进行了高压输电线路污染物清洗的方法。
参考文献
[1] 宋峰，刘淑静，牛孔贞，等.激光清洗原理与应用研究[J].清洗世界，2005，21（1）：1-6.
[2] 王泽敏，曾晓雁，黄维玲.激光清洗工艺的发展现状与展望[J].激光技术，2000，24（2）：68-73.
[3] 薄勇，耿爱从，许祖彦，等.高平均功率调Q准连续Nd：YAG 激光器[J].物理学报，2006，55（3）：1171-1175.
[5] Keisuke F，Tetsuo K，Shuichi F，et al.Diode-pumped 1 kW Q-switched Nd： YAG rod laser with high peakpower and high beam quality[J].Applied Optics，2005，44（19）： 4119-4122.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15054480.htm
