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输电线路激光除冰的理论与实验研究

齐丽君  
【摘要】:覆冰威胁着电网的运行安全。输电线路防冰-除冰正在研究应用的技术有30余种,主要包括涂层法、热熔法和机械法等。激光以其高能量、单色性好、远距离传输效率高、非导电等优点,成为新型的具有潜力的除冰方法之一。 本论文围绕输电线路中的绝缘子、高压导线表面覆冰展开激光除冰研究。根据不同激光波长在冰内穿透深度的不同,论文提出了辐照冰块表面的激光应分为面热源和体热源;在这一思想指导下,建立了面热源和体热源辐照冰的理论模型,进行了面热源和体热源除冰的数值模拟和实验研究;得到了面热源和体热源除冰的速度和效率、辐照后冰的形态。具体的研究结果如下: (1)从热传导方程出发,根据冰块厚度与激光在冰块内部穿透深度的比值,得到辐照冰块表面的激光热源类型判断标准:当比值大于6时,认为此时作用的激光是面热源,可采用一维热传导方程求解;当比值小于6时,认为此时作用的激光是体热源,须采用二维热传导方程求解温度分布。 (2)波长为1.064μm激光辐照冰的厚度小于258mm时,视为体热源,辐照后的冰块热和应力影响区域呈体分布状态,坚硬而透明的冰块在激光作用后变得不透明且非常疏松,沿着应力分布方向施加机械力辅助作用,冰块非常容易被去除,除冰的速度得以大幅提高。实验测得:功率为275W、光斑直径为38mm的Nd:YAG激光器熔冰体速度为236.5mm~3/s,熔冰能耗为1.33J/mm~3;功率为270W、光斑直径为4mm的激光熔冰线速度可以达到2.123mm/s。 (3)波长为10.6μm的CO_2激光辐照冰的厚度大于38μm时,将其视为面热源,冰块出现逐层熔化的现象,作用后的冰块依旧透明而坚硬,没有出现疏松状态,几乎不存在热应力影响区。实验测得:功率为2000W、光斑面积为693mm2的连续CO_2激光器熔冰,其熔冰体速度为1639mm~3/s,熔冰能耗为1.221J/mm~3,熔冰线速度为1.318mm/s。 (4)理论与实验研究表明,体热源和面热源激光熔冰速度和熔冰能耗近似相等,体热源激光作用后的冰块出现应力分布和疏松状态。因此,输电线路除冰用激光器的选择遵循以下原则:激光在冰块内部有较大的穿透深度,根据输电线路的覆冰厚度,Nd:YAG激光比CO_2激光更加适用;对于同类激光器,应选择更高功率或者更高能量、同一功率密度条件下更大的光斑,以保证更高除冰的速度和效率。 (5)论文还对输电线路中绝缘子和高压铝包钢绞线进行了激光损伤的研究。得到:瓷绝缘子表面温度达到250℃时,会出现热损伤;产生断裂损伤主要由拉应力引起,实验测得激光破坏绝缘子的应力阈值为11.1J/mm2。复合绝缘子在激光照射后极易出现燃烧现象。高压导线在高功率激光照射一段时间后,未见损伤现象。


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