变电设备激光除冰技术的应用分析

王帅，李忠涛，张辉，贺平，王成

（1. 贵州电网公司铜仁供电局，贵州 铜仁 554300；2. 贵州电网公司安顺供电局，贵州 铜仁 561000）

0 前言

自20 世纪40 年代以来，因覆冰引发的事故一直是国内外电力系统所遭受的严重自然灾害之一[1]。变电设备覆冰是指在气象、地形、风速以及温湿度等多因素影响下，空气中过冷水滴被设备表面捕获并冻结的物理过程。变电设备覆冰可能导致绝缘闪络，进而引起设备损坏。变电站内开关设备因为冻结可能无法正常操作，延误电网的恢复和重建速度。如果采用电动强行合闸或分闸，容易对机构和设备造成损害。此外，变电设备覆冰也可能延误线路交流短路电流融冰的倒闸操作任务，错失融冰最佳时机[2]。

近年来，高功率激光器技术取得了迅猛发展。在实验室环境中，半导体激光器线阵和迭阵输出功率已经达到上千瓦，而光电转换效率高达60%～70%。光纤激光器最大功率也达到千瓦级。目前这些研究进展已经引发将激光技术用于输电线路清障的研究和应用[3]。激光具有单色性好、能量高、方向性好、远距离传输效率高等特性。使用激光技术对输电线路和变电设备进行除冰时，无需在电网内部增加额外设备。此外，激光本身不导电，因此可以在不断电的情况下有效去除冰层。这为激光除冰技术提供了巨大的优势和应用潜力。

本文首先介绍自然冰的结构和光学特性，在浅析激光与冰的热力作用的基础上，阐述激光除冰的原理。然后，总结了现有的激光除冰研究成果。最后，根据激光技术的发展趋势，对未来激光除冰技术的应用进行展望。

1 冰的结构及其对激光的吸收特性

1.1 冰的晶体结构

冰是地球上最常见的分子晶体，在一定的压强和温度下，在实验室环境中，可以制备超过20 种不同的晶相和非晶结构的冰[4]。存在于在低压条件下的三种分别是普通的六角冰Ih（hexagonal ice）、 亚稳态立方冰Ic（cubic form ice）和无定形或玻璃冰。其中，无定形冰并非晶体构造，其产生的环境要求极端寒冷的真空和高辐射条件，几乎不会在地球上自然存在。冰Ic 与冰Ih 有几乎相同的密度和晶格常数，冰Ic 只在温度约为235K 时由纯水滴均匀结晶形成，又或者在77K 时由高密度冰减压相变得到。冰Ih 是地球上观测到的唯一广泛存在的自然冰。

冰Ih 属于六方晶系，是一种非常典型的氢键型晶体。在冰Ih 中，每个氧原子周围都有四个与之最相邻且等距的氧原子，这四个氧原子相互连线呈正四面体结构[5]，如图1 所示。在两两最相邻的氧原子之间的连线上，可以放置两个氢原子。氢原子能够与其中一个氧原子结合形成氢氧共价键O-H，同时与另一个氧原子形成氢键。氢原子在两个位置上放置的随机性体现出了冰Ih 的无序特性。冰Ih 的晶格结构呈现为一个带顶锥的三棱柱体，具有非常轻微的双折射效应，因此冰Ih 的折射率随晶体的取向和光的偏振方向而略有变化。对于质地均匀的冰块，双折射的作用通常很轻微，可以忽略。

图1 冰Ih的正四面体结构[6]

1.2 冰对激光的吸收特性

激光的本质是一种具有高度一致的光子光学特性、能量密度高度集中的光源。根据冰的光学特性，当激光辐照到冰块表面时，仅有部分激光能量被表面吸收，而其余能量会透过冰层并继续传播。激光能量随着入射深度的增加而逐渐减小。当冰层厚度足够大时，激光能量可以被视为完全吸收。根据朗伯比尔(Bouguer-Lambert) 定律，激光强度随着传播距离的增加成指数衰减：

式中，I为激光强度(W/m2)，z是激光的入射深度(m)，α为冰对光的线性吸收系数，其计算公式如下：

式中，nim是复折射率的虚部，λ是入射光波长。

在进行物质对光的吸收、反射、散射的理论计算中，需要测量物质对波长的复折射率。复折射率的实部代表吸收性介质的折射率，虚部则代表光波传播过程中的衰减速度。上世纪80 年代，Warren[7]通过对多篇文献数据的整理和计算，得到了在零下7℃时冰Ih 对波长在紫外线和远红外线范围内的光波复折射率的实部和虚部的数值。早在21 世纪初，刘健等[8]在分析云的热力学相态时，利用联机公共目录检索系统(Online Public Access Catalogues， 简称OPAC)数据分析了水和冰的折射指数虚部在0.25～2 μm 波段内随波长的变化。他们指出当波长小于1.0 μm 时，水和冰对辐射几乎没有吸收，但在波长接近1.6 μm 时，它们的吸收辐射能力明显加强，且存在显著差异，冰的吸收辐射能力大于水，如图2 所示。

图2 水和冰在特定波段上的折射指数虚部随波长的变化[8]

2008 年，Warren 和Brandt[9]对其之前的测量结果进行了修正，获得了更精确的波长范围从160 nm 到1400 nm 的可见光和近可见光、波长范围从1.4 μm 到200 μm 的红外光等波段的光以及波长可达1000 mm 的微波照射冰块时分别对应的复折射率虚部，部分结果如图3 所示。

图3 不同激光波长对应的复折射率虚部[9]

从图3 中可以看出，冰在不同波长的激光照射下具有巨大差异的复折射率虚部值，从而导致吸收系数存在数量级从10-2至106的巨大变化。一般情况下，当吸收系数较大时，冰层表面可以吸收相当大部分的激光能量，此时激光可以视为面热源；反之，当吸收系数较小时，大部分激光能量会传递到物质内部，导致物质的温度整体上升，此时激光可以视为体热源。以此为前提，华中科技大学的齐丽君[10]通过求解一定假设条件下的面热源和体热源的热传导方程，得到了面热源和体热源激光辐照冰块后的温度场分布。作者进一步指出作用于物质的激光热源类型不仅取决于吸收系数的大小，还与冰块的厚度有关，提出使用激光作用的物质厚度与激光在物质中光学穿透深度的比值来描述吸收特性对激光与物质作用的影响，这有助于区分经简化的一维和二维方程求解热传导问题的适用范围。

2 激光与冰的相互作用的热力模型

当激光照射冰块表面时，由于不同波长的激光在冰的内部穿透深度存在显著差异，激光与冰的作用存在两种不同方式。一是激光能量在冰块表面被完全吸收，表面熔化的热变形不受任何约束，此时一般不产生应力。另一种情况是激光穿透冰层并被整体吸收。此时，冰块内部温度场分布不均，不同部分的温度差异使得它们的膨胀程度不一致，从而引起应力的产生，此时激光与冰的作用是一个涉及热力耦合的多物理场问题。下面对这两种不同的热力作用进行概述。

2.1 激光对冰层的热流密度和热传导方程

2.1.1 面热源模型

当激光模式为基横模（TEM00）且光束质量较高时，激光能量分布遵循高斯分布。高斯面热源模型假设激光能量为正态分布，其中激光中心具有最高的能量，而距离中心越远的位置，能量逐渐越小。对于功率为P，光斑半径为ω 的基模高斯光束，其功率密度分布可以表示为[11]：

该热源模型的能量分布如图4 所示。

图4 高斯面热源模型[12]

2.1.2 体热源模型

在冰层各向同性的情况下，冰层吸收激光能量后的能量密度分布应与激光输入的能量密度分布保持一致。激光辐照冰块的过程中，使光轴与冰块表面垂直，以冰块表面为XY 平面，光轴为Z 轴，光斑中心为原点建立一个直角坐标系，并以该直角坐标系中的原点作为原点，Z轴不变，建立一个柱坐标系（O, r, θ, z），如图5 所示。

图5 体热源模型[13]

入射面中心处的热流密度q（0, 0, 0）可以表示为：

任意截面上中心处的热流密度q(0, 0,z)可以表示为：

式中：R为冰块表面对激光的反射率，P为激光功率（W）。

与光轴垂直、深度为z的冰块截面任意位置的热流密度可以表示为：

热流密度在相应的直角坐标系中的表达式：

式中，q(0, 0,z) 是截面中心热流密度（W/m2），r0是激光入射表面的光斑半径（m），RZ是截面中心光斑半径（m），β是光轴与光束边缘夹角。

2.1.3 热传导方程

将吸收的激光能量作为输入热源，冰层中的温度分布将随时间不断变化。假设冰层各向同性，冰层内温度场可以用Fourier 导热定律来描述，即：

式中，ρ(T),c(T),λ(T) 分别是温度T 下冰的密度、比热容和导热系数。q(x,y,z,t)是单位体积热源强度。

2.2 激光辐照冰层的热应力和应力波

激光辐照冰块过程中，由于冰块内部温度分布不均会导致产生热应力，而未被辐射区域也会对辐射区域的变形产生约束作用，进而产生应力。温度和热应力分布会引发初始裂纹的产生。当热应力分布在裂纹尖端满足扩展失稳的要求时，裂纹还会进一步扩展。在后续外力作用下，这些裂纹可以有效降低冰的破坏阈值。冰的耐压的破坏阈值远大于耐拉的破坏阈值。在低应变速率（ε<10-3S-1）下，冰晶内部均匀产生微裂纹并经历重结晶过程，抗压破坏受力曲线表现出明显的塑性。而在较高应变速率（ε>2.5×10-3S-1）下，冰块表现出明显的脆性特征。冰块受力后，应力集中会集中在某些区域，导致细小裂纹向四周迅速扩展，最终导致冰块整体崩碎，此时，冰块破裂过程不存在明显的塑性区域[14]。

哈尔滨工业大学的王彦秋[13]利用有限元方法对激光辐照冰的过程开展了仿真研究。他通过对比激光辅助前后冰块内部的应力分布状态，研究了面载荷、局部载荷破冰过程中激光的辅助效果。结果显示，在单独面载荷作用下，冰块内最大拉应力值为0.02 MPa，最大压应力值仅为0.11 MPa。在相同工况下，添加激光热源后，冰块内部的最大拉应力值增加到1.13 MPa，最大压应力值增加到1.11 MPa。当在局部载荷下添加热源后，第一主应力和第三主应力也都明显增大。这表明在一定载荷范围内，激光的加入可以有效提高冰块的应力值，达到辅助载荷破冰的效果。王书鹏[15]开展了激光辅助静压载荷和冲击载荷破冰的实验研究。研究发现在各自最佳的激光布点效果下，分别降低了约70%、50% 的破冰载荷。此外，针对激光破冰问题，他提出了一种预定轨迹布点诱导裂纹整体扩展的布点方法，结果显示，辅助破冰效果相同的情况下可以分别节省激光输入能量约44%和33%。尽管上述研究是针对激光辅助荷载破冰开展的，但是关于激光辐射冰层过程中应力分布规律及特征同样适用于其他领域的激光除冰技术。

除此之外，激光辐射冰层时还会产生应力波。1961 年，美国学者J.EMichds 发现脉冲激光作用在材料表面时能产生高强度的冲击波，也称应力波。高功率（≥109W/cm3）、短脉冲（纳秒量级）激光照射材料时，材料表层迅速吸收能量发生爆炸性汽化，同时产生高温、高压的向外喷射的稠密等离子体，诱发产生高压冲击波。根据物质相分界面上的边界条件，激光直接辐照材料表面的等离子体对固相界面的压强为[16]：

式中：p是固相界面冲击波压强（Pa），τ是激光脉冲宽度（s），I是激光强度（W/cm2）。

激光辐照冰时，产生的高温、高压等离子体同样会形成一个极短暂的爆炸过程，这会导致应力波的产生。这种应力波可以传播到冰层内部，导致冰块内部的应力和应变分布发生急剧变化。冰的结合力约为10 MPa。当收到超过冰的弹性限度的冲击力时，冰的内部可能会产生孔隙，原本密实的冰会变得疏松，而当冰融化成水时，体积的缩小又会在冰的内部产生更多孔隙，进一步增加冰的疏松性。这些内部孔隙会导致结合力减弱。在冲击波压力作用下，冰层可能形成更多孔隙，更容易脱落。

3 变电设备激光除冰方法

对于变电站除冰，国内目前主要采用的方式是停电后人工敲打等机械手段来除冰。这种方法容易造成设备损坏、工作效率低，覆冰严重时的除冰效果有限。此外，对于隔离开关等的动触头部位的覆冰，使用木榔头、木棍等工具难以有效清除。因此，为了确保变电设备在长期雨雪冰冻天气下的安全运行，迫切需要研究高效可行的除冰技术。

美国、日本等国家早在上世纪就开展了激光除冰技术的研究。1973 年，Clark 等[17] 为了探究高功率激光应用于辅助破冰船破冰的可行性，进行了波长为10.6 μm 的50 W 功率CO2激光器照射冰层的实验，由于功率太低未发现裂纹的产生。Lee[18]对冰与三种基材之间形成的硬币形状的裂纹扩展的临界压力和表征冰与基材之间结合强度的表面能进行了研究。Sakurai等[19]探索将CO2激光器用于冰雪钻孔的应用。他们在实验中发现冰层的熔化速度随着激光强度的增加和冰层密度的降低而增加，而雪的熔化速度随着雪的密度的增加而降低。实验中激光照射固体冰的熔化速度几乎比理论速度低65%。分析表明指出钻孔中积累的融水带来的侧向热损失，导致速度减慢。最后，研究提出了使用光纤来耦合激光器以减小融水效应，从而减小激光能量的损耗。

在国内，与激光除冰的相关研究起步较晚。2007 年，华中科技大学的朱卫华[20]针对输电线路的激光除冰开展相关研究。他在对激光除冰进行理论分析前提下，选定除冰系统所用激光器类型和冰型，开展绝缘子的激光损伤实验，得到双伞型绝缘子的损伤阈值为86.6 W/cm2。接着，在利用CO2激光器热融除冰和CO2激光器热融辅助重力脱落除冰的实验研究中，他发现同样去除1 kg 的柱体冰块，后者所需能量和时间都明显小于前者。刘磊[21]开展了短脉冲固体激光器和长脉冲固体激光器对覆于陶瓷片上的1 kg 冰块的除冰效率的对比研究。研究发现二者所需能量大小接近，但长脉冲固体激光器的除冰效率远大于短脉冲激光器。谷山强等[22]利用CO2激光器和Nd:YAG 固体激光器对绝缘子串进行了除冰试验和安全性试验。研究发现，在CO2激光器照射下，冰层几乎不存在应力分布区，而在Nd:YAG 激光照射瓷绝缘子冰层11分钟后，轻轻敲击绝缘子串的覆冰部分，激光辐射区域的冰层呈现块状脱落，而未辐射区域的冰层则呈现颗粒状脱落。这表明热应力的存在使得冰层内部结构更加松动。结合覆冰自重或其它机械除冰方式，都可以显著提高激光除冰的效果。此外，绝缘子安全阈值与激光入射角度有关，激光入射角度越大，则绝缘子的安全阈值越高。复合绝缘子的安全阈值明显低于瓷绝缘子的安全阈值。

清华大学的张贵新、陈胜等[23-25]为了克服现有的CO2激光除冰系统体积大、重量重、效率低等缺点，采用激光二极管串并联和多路输出方式提高输出激光功率。他们成功研发了波长为980 nm、最大输出激光功率为300 W 的半导体激光除冰系统，并利用Ansys 有限元软件研究了冰块初始温度、激光功率、光斑直径等参数对于除冰效果的影响。仿真结果显示，当激光功率为50 W、光斑直径为10 mm、冰块厚度为2 cm、初始温度在-5～0 ℃范围内变化时，融穿冰块所需时间先是迅速减少，随后减少速度逐渐减慢。当光斑直径固定为10 mm 时，随着激光功率的增加，融穿2 cm 厚度冰块所需时间不断减少，但是，减少速度逐渐减慢，这表明随着激光功率的进一步增加，获得的增益效果并不理想，反而会增加成本。当改变光斑直径时，融穿所需时间随着激光光斑直径的减小而减小，但是融穿所需时间的减小速率也逐渐减慢。分析原因，可能是激光光斑减小在增大功率密度的同时，激光与冰层的热作用接触面积在减小。因此，在利用激光技术除冰时，还需要选择合适的功率和光斑直径。

4 结束语

本文首先介绍了冰的结构和冰层对不同波长激光的吸收特性，接着阐述了激光辐照冰层时二者之间的相互作用机理，最后，对变电设备激光除冰方法的相关研究进行了综述。结论如下：

1）根据冰层对不同波长激光的吸收特性，以冰层厚度和激光的光学穿透距离之比为参考，可划分为两个作用模式：体热源与面热源。

2）激光清除覆冰的方法分为两种：一种是利用大功率脉冲激光通过产生应力波来震碎覆冰，另一种是利用激光的热效应将冰层加热，使其熔化，并结合温差产生的内部应力使冰层或冰柱脱落。

3）Nd:YAG 固体激光可在激光作用区域覆冰内部产生热应力，此时若结合机械敲打等除冰方式更易于去除覆冰。相对于CO2激光，Nd:YAG 固体激光更适合于绝缘子除冰。

4）激光融冰的速度会受到多种因素的影响，包括冰的密度、冰的初始温度、激光功率及激光的光斑直径等。在实际应用中，需要合理选择激光参数也获得最佳的除冰效果。

在激光除冰过程中，激光长时间、高强度地照射绝缘子等变电设备可能对其造成损害。而输电线路和变电设备绝缘子种类众多，因此未来对不同类型的绝缘子所能承受的激光功率密度与照射时间阈值进行深入研究至关重要，以确保在实际除冰作业中将激光功率密度与照射时间控制在安全阈值之下。除此之外，考虑到变电设备除冰作业环境通常比较复杂，小型化、便携化是未来激光除冰仪的发展趋势。另一个潜在的趋势是研制长脉冲调制高重复频率的激光器。使用长脉冲激光可以使冰层变得疏松，从而使得冰块更容易脱落，提供除冰效率。随着激光技术发展与产业化推进，高透过率、高准直性的透镜与激光器的性能将持续改进，成本也会不断下降。这将推动激光除冰技术的进一步发展和广泛应用，为电力设备和输电线路的冰层除去提供更有效的解决方案。