輸電線路激光除冰的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、覆冰威脅著電網(wǎng)的運(yùn)行安全。輸電線路防冰-除冰正在研究應(yīng)用的技術(shù)有30余種，主要包括涂層法、熱熔法和機(jī)械法等。激光以其高能量、單色性好、遠(yuǎn)距離傳輸效率高、非導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，成為新型的具有潛力的除冰方法之一。
　　本論文圍繞輸電線路中的絕緣子、高壓導(dǎo)線表面覆冰展開(kāi)激光除冰研究。根據(jù)不同激光波長(zhǎng)在冰內(nèi)穿透深度的不同，論文提出了輻照冰塊表面的激光應(yīng)分為面熱源和體熱源；在這一思想指導(dǎo)下，建立了面熱源和體熱源輻照冰的理論模型，進(jìn)行了面熱源和體熱源

2、除冰的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究；得到了面熱源和體熱源除冰的速度和效率、輻照后冰的形態(tài)。具體的研究結(jié)果如下：
　　（1）從熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，根據(jù)冰塊厚度與激光在冰塊內(nèi)部穿透深度的比值，得到輻照冰塊表面的激光熱源類(lèi)型判斷標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)比值大于6時(shí)，認(rèn)為此時(shí)作用的激光是面熱源，可采用一維熱傳導(dǎo)方程求解；當(dāng)比值小于6時(shí)，認(rèn)為此時(shí)作用的激光是體熱源，須采用二維熱傳導(dǎo)方程求解溫度分布。
　?。?）波長(zhǎng)為1.064μm激光輻照冰的厚度小于258mm時(shí)，

3、視為體熱源，輻照后的冰塊熱和應(yīng)力影響區(qū)域呈體分布狀態(tài)，堅(jiān)硬而透明的冰塊在激光作用后變得不透明且非常疏松，沿著應(yīng)力分布方向施加機(jī)械力輔助作用，冰塊非常容易被去除，除冰的速度得以大幅提高。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：功率為275W、光斑直徑為38mm的Nd:YAG激光器熔冰體速度為236.5mm3/s，熔冰能耗為1.33J/mm3；功率為270W、光斑直徑為4mm的激光熔冰線速度可以達(dá)到2.123mm/s。
　?。?）波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光輻照

4、冰的厚度大于38μm時(shí)，將其視為面熱源，冰塊出現(xiàn)逐層熔化的現(xiàn)象，作用后的冰塊依舊透明而堅(jiān)硬，沒(méi)有出現(xiàn)疏松狀態(tài)，幾乎不存在熱應(yīng)力影響區(qū)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：功率為2000W、光斑面積為693mm2的連續(xù)CO2激光器熔冰，其熔冰體速度為1639mm3/s，熔冰能耗為1.221J/mm3，熔冰線速度為1.318mm/s。
　?。?）理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，體熱源和面熱源激光熔冰速度和熔冰能耗近似相等，體熱源激光作用后的冰塊出現(xiàn)應(yīng)力分布和疏松狀態(tài)。因此

5、，輸電線路除冰用激光器的選擇遵循以下原則：激光在冰塊內(nèi)部有較大的穿透深度，根據(jù)輸電線路的覆冰厚度， Nd:YAG激光比CO2激光更加適用；對(duì)于同類(lèi)激光器，應(yīng)選擇更高功率或者更高能量、同一功率密度條件下更大的光斑，以保證更高除冰的速度和效率。
　?。?）論文還對(duì)輸電線路中絕緣子和高壓鋁包鋼絞線進(jìn)行了激光損傷的研究。得到：瓷絕緣子表面溫度達(dá)到250℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱損傷；產(chǎn)生斷裂損傷主要由拉應(yīng)力引起，實(shí)驗(yàn)測(cè)得激光破壞絕緣子的應(yīng)力閾值為11