破冰之旅，激光清障仪引领前行
背景
在持续低温阴雨天气下，空气中的过冷水滴（雨、雾）碰撞到近地面温度低于0℃的物体表面而迅速冻结，形成覆盖物体表面分层结构的冰壳现象被贵州当地形象地称为“凝冻”。凝冻灾害主要发生我国南方山区特别是云贵高原，湖北、江西、安徽、浙江及福建等省的山区也时有出现。输电线路和设备覆冰凝冻会导致冰闪、短路、断线,甚至倒塔等问题,进而引发电力系统故障。所以，每到冬天特别是寒潮期间，南方电网必须要启动抗冰保电工作，及时去除线路覆冰，保障电网安全运行和电力稳定供应。
图1. 2008 年，因线路覆冰而被拉倒的输电铁塔
目前国家电网常见的除冰手段有：竹竿/铁锤手动除冰、便携式机械除冰装置、直流融冰装置、除冰机器人、喷火无人机、激光除冰炮、覆冰智能预测预警系统等。这些方法有的需要停电作业，有的耗费能量较多，有的对作业人员操作要求较高，除冰过程具有较大的危险性，除冰效率无法保障，并伴随一定程度的经济损失。
图2. 机器人自动线路除冰
具体来说，便携式机械除冰装置、直流融冰装置、除冰机器人这样的除冰方式非常适合于应对附着于输电线缆上的凝冻，原因是输电线缆形状单一，自身机械强度高，损伤阈值高，便携机械除冰装置或除冰机器人可以通过在输电线缆上快速移动机械式除冰，直流融冰装置实际上是上个世纪爱迪生直流输电法与特斯拉交流输电法互掐的反向应用，即利用直流输电线损高（线损即电力损失为热能）的特点，停掉交流电，整流为直流电而对整段线缆快速加热融冰。
图3. 实验室内模拟的覆雪污闪
但以上方式均不适合应对输电电路内绝缘子的融冰任务，原因是为了保证绝缘效能，绝缘子表面积会远大于线缆，本身形状也更为复杂难以被机械装置自动除冰，且绝缘子自身的机械强度和损伤阈值是比输电线缆差的，施加过大的机械外力的话可能被损坏。但是又不能弃绝缘子挂冰问题而不顾，否则很可能会出现冰闪或者说污闪。
图4. 人工清洁绝缘子
对于所以绝缘子这类复杂机构的覆冰问题往往不得不采用人工除冰法，导致了除冰效率低和工伤危险性高的问题，无人机远程遥控除冰也会受制于绝缘子附近框架结构交织，容易发生撞机问题。
此时引入激光除冰是一个安全高效的除冰方式，另外激光不单单可以除冰，还可以清除输电线路系统上偶尔附着的塑料袋，风筝等异物，我们统一称之为激光除障
对于绝缘子类的近年来新发展的激光除障技术有着无接触、速度快、准确性高等优点，不需停电，便可远距离高效地清除输电线路上的障碍物。因其优良性能越来越受到除冰行业的关注。本文分享激光除障技术基本原理和影响因素，并分享最新一代激光清障仪（掺铥激光）在除冰领域的成果。最终效果表明，激光除冰是安全高效的高压复合绝缘子除冰方法。
激光除障基本原理激光除障是激光与材料相互作用的结果。当激光波长位于材料吸收峰值附近时，材料剧烈吸收激光，形成热蒸发效应，使得材料温度升高以至熔化、蒸发，实现了对材料的熔穿、切割目的。如果材料内局部产生了较大的温差，进而使得其内部产生显著热应力，在重力、内应力、表面张力等综合因素影响下，材料将发生碎裂，激光除冰技术正是应用了此原理得以实现。
激光除障优点：
1. 激光系统可以通过选择合适波长，控制加热功率等方式做到快速的，选择性的加热，从而在快速的除冰除障的同时保护输电线系统本体不受损伤。2. 激光光束输出的准直性高，可以方便的做到聚焦到数米或数十米之外且没有大的损耗；可以方便的附加导引激光，做到所见即所得。这样操作者可在地面上即可完成对输电塔上结构复杂器件（比如绝缘子）的对准与清障。
3. 激光清障是无接触操作，高压输电线路可保持工作状态，带电操作。
综上，激光除障技术有着无接触、速度快、准确性高等优点，不需停电，便可远距离高效地清除输电线路上的障碍物。因其优良性能越来越受到除冰行业的关注。
接下来，我们会继续分享激光除障技术详细的影响因素，并分享最新一代激光清障仪（2um掺铥激光）在除冰领域的成果。最终效果表明，激光除冰是安全高效的高压绝缘子除冰方法。
典型影响因素分析实际使用中，激光参数选择（如：输出波长、功率密度、光斑直径、脉冲频率等），冰层自身特性（如：初始温度、覆冰厚度等），现场环境条件（如空气湿度、温度、风速等），都会对除冰效果产生影响。
典型影响因素分析1. 激光波长
综合考虑激光在冰层中的穿透深度，以及冰对激光的吸收效应如5所示，近红外波段的激光更适合除冰。
波长较长的激光(如10.6μm激光)照射时，冰层表现为面热源特性，表面逐层融化；波长较短的激光（如1.0 - 2.0um波段的激光）照射时，由于激光穿透深度较大，冰层表现为体热源特性，除冰层表面的温度上升外，冰层内部同时被加热，进而产生了热应力分布 。应力作用会使照射位置附近的覆冰变得疏松，在重力作用下最终掉落。有实验显示，使用1.064um波长的大功率脉冲激光源，在重力与内应力作用下震碎线路覆冰。但其所用激光器功率过高，不适于民用，也无法用于绝缘子除冰。尽管如此，利用体热源特性，可以将热效应与应力作用结合起来，其在相同功率下的除冰效果，通常优于仅利用面热源特性除冰。
图 5 激光在纯冰中的吸收系数与激光波长的关系曲线
2. 功率密度
激光功率密度必须达到一定的阈值，才可以有效清除障碍物。在确定所用激光器功率时，除障碍物本身性质外，还必须考虑大气对激光吸收、散射作用的影响，如表 1所示，同时必须考虑障碍物附近电力设备(如绝缘子) 的损伤阈值。当辐照时间为1min时，白色陶瓷绝缘子的安全阈值为 0.7 W/mm2，硅橡胶绝缘子的安全阈值为 0.18 W/mm2，如6所示。
图6 激光功率密度与熔穿效果
表 1北京市 10.6 μm 激光大气传输仿真
|
仿真环境 |
一月平均透射率 |
七月平均透射率 |
|
晴朗天气 |
0.964 |
0.985 |
|
雾霾天气 |
0.640 |
0.635 |
|
小雨天气 |
0.747 |
0.750 |
其他激光参数
有实验表明，当平均功率相同时，使用脉冲型激光器清除障碍物比连续型激光器效果更好。
激光清障仪（除冰仪）技术介绍激光加热是远程在线除冰的潜在解决方案，它具有平均功率高、除冰效果好、方向性好、工作距离长等优点。此外，其便携式特性使其可以应对复杂的工作环境。
目前，用于除冰的激光源工作波长主要为 1.0um 或 10.6um波段。1.0μm波段激光器可以从低成本半导体激光器，或光纤激光器中获得。然而，冰对1.0μm波段激光的吸收系数较小，导致除冰效率低。而10.6 μm波段激光容易被大气中的水分子吸收，因此对使用环境非常敏感， 并且需要不断维护，例如更换 CO2 气体，激光器功率提高后，还需要进行水冷，不利于外场实验。
最新一代激光清障仪（1940nm掺铥激光器），是一种安全高效的高压复合绝缘子除冰设备。近年来，二极管泵浦掺铥光纤激光器发展迅速，平均输出功率>1000 W。高功率掺铥光纤激光器具有巨大的除冰应用潜力。与1.0μm激光器相比，1940nm 激光器在激光除冰方面具有明显的优势。进一步测量薄水样在1800 至2200 nm 范围内的吸收光谱，结果显示对1940nm激光具有极高的吸收，如图 3所示。因此，1940 nm 激光器不仅可以有效除冰，又因穿透深度小也避免了复合绝缘子的损伤。
图 3 各个激光波段对水的吸收值
测试表明，当入射光强度25 W∕cm2，实验冰柱可在28 s 内被切断。因此，高功率1940nm 掺铥光纤激光器是高压复合绝缘子激光除冰的理想光源。
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