引言：滇东属亚热带、温带共存的高原季风立体气候，地形复杂、高差大，气候类型从南亚热带到寒温带兼备，在冬季极易覆冰。覆冰对电网顺利运行具有非常严重的影响，就会造成非常多的冰雪灾害不良状况发生。现阶段电网输电线路除冰可以利用非常多的方式，主要有热力融冰法、机械除冰法、自然除冰法。这些常用的方法存在作业难度大、需要停电、损伤导线、机动性不强，除冰效率不高的缺点，越来越不能满足目前除冰工作要求。本文通过对激光远距离切割技术的研究，提出了一种可以在不停电的情况下可以快速除冰的方法。
1.背景
滇东及滇东北地区是云南省电线覆冰重、特重、超重冰区的主要分布地区也是电线覆冰灾害事故发生的主要地区。覆冰对于电网的顺利工作造成了非常不利的影响，非常多的不良状况会出现，由于覆冰特别重，所以就会造成一些相关设备被损坏；严重时会造成电网被损坏、停电现象，这样就会使得经济利益遭受到了非常严重的损坏。
能源的需求与日俱增，电网稳定至关重要，覆冰对于电网的顺利工作造成了非常不利的影响，非常多的不良状况会出现，由于覆冰特别重，所以就会造成一些相关设备被损坏；严重时会造成电网被损坏、停电现象，这样就会使得经济利益遭受到了非常严重的损坏。所以，详细研究输电线路的防冰-除冰能力对于电网顺利工作是非常重要的。
2.研究现状
目前电网输电线路除冰方式较多，包括直流融冰、交流方式融冰等，这些覆冰一定条件下可能发生冰凌桥接闪络，有必要进行输电线路除冰融冰方式研究，但目前输电线路设备尚无较好的融冰方式(王昌幼.输电线路导地线异物处理方法.青海电力,2014(3))。激光除冰应用于输电线路除冰具有一定的可行性，根据激光的一些特殊性质(功率特别高、高光束质量特别高、稳定性特别好)来做出详细分析，现阶段在除冰的方法上主要有两个：其一，主要运用了激光的能量特别高、强度特别大、亮度特别高的特性，相关工作人员能够把激光的能量充分应用到解决覆冰现象上。其二，主要发挥了激光的脉冲、应力波的作用，凭借脉冲激光进行照射操作，激光冲击可以很好的在冰块里边得到非常强应力波，这样就可以很好的把冰融化掉。激光除冰设备具有非常多的优点，体积特别小，重量特别小，携带起来比较方便，操作起来比较容易，可以在非常不好的环境下进行除冰工作(康建文.激光焊接技术的研究现状与发展趋势展望.产业与科技论坛,2013(5))。随着科学技术的进一步发展，各种激光技术也得到了非常快速的发展，高透过率、高准直性的透镜与激光器的性能不断得以提高，价格一直在往下降低，这样就会很好的推动激光除冰技术的快速发展，这样的技术得到了广泛应用。
3.覆冰类型和参数的研究
当天气特别冷的时候，空气里边的水气由于处在0℃以下，所以就会结冰附着在输电线路上面，这样就会形成覆冰（图1所示）。覆冰主要有下面：
1）雨凇：当大气温度比0℃低的时候，在风刮的特别大的时候，大气里边的一些水汽就会附着在输电线路上面得到覆冰。它的密度非常高，大概是0.9-0.92g/cm3，特别硬、能够得到冰柱，特别容易粘合，出现非常大的负荷。
2）混合凇：当大气温度比0℃低的时候，在风刮的特别大的时候，大气里边的一些水汽就会附着在输电线路上面得到雨凇与雾凇混合冻结覆冰。它的密度非常大，大概是0.6-0.9g/cm3，特别容易粘合，是雨凇和雾凇交替生长得到，这样就会对输电线路造成非常严重的损坏。
3）软雾凇：当大气温度比0℃低的时候，在风刮的特别大的时候，大气里边的一些水汽就会附着在输电线路上面得到雨凇与雾凇混合冻结覆冰。它的密度非常小，大概就是0.3-0.6g/cm3，不太容易粘合。
4）积雪：冬天下雪落到输电线路上得到的，它的密度非常小，不太容易粘合。
5）白霜：空气里边的水汽在低于0℃以下得到，它的密度大概就是0.05-0.3g/cm3，对输电线路不会造成多大损坏。
图3-1 滇北线路雾淞灾害图片
在上述五种覆冰类型中，对于输电线路威胁最大的是雨凇和混合凇覆冰，其密度大、粘合力强。其中，雨凇覆冰的特性参数与纯冰较为接近。因此项目研究过程中，进行实验时将采用纯水形成的冰作为实验样品，以模拟实际的雨凇覆冰。激光辐照冰的过程中，会出现相态变化，当水或者蒸汽被排出时，激光便可以直接照射到剩余的冰块上。
4.激光除冰过程的研究
通过对激光除冰的过程的分析和实验，为今后的产品开发的最终实现提供实验依据。根据当前的实验研究的进展情况，我们得出基本结论有：
1）不管冰对激光的吸收能力怎么样，一旦激光能量被冰块吸收，温度就会变得明显提高，这样就会出现熔化或气化的情况，这样子除冰特别容易。
2）当冰吸收系数较小的激光如波长为1.064µm的Nd:YAG激光作用于冰块的上表面时，能量沿着激光传输的方向迅速传输到冰块内部，冰块的上表面、内部甚至冰块的下表面温度均会上升。激光功率密度是重要的影响因素：功率密度越高，沿着光束传播方向熔穿冰块的速度（即熔冰线速度）越快；在以冰柱熔穿为前提条件下，激光功率越高或者光斑越大，单位时间内熔化冰的体积（即熔冰体速度）越多；而熔化相同体积冰所消耗的能量差异较小。当沿着光束传播方向的冰块被熔穿后，所加能量只能通过热传导方式影响周围的冰块，如果此时移动光斑照射未熔化区域，会提高除冰的速度和效率。
3）当冰吸收系数较大的激光如波长为10.6µm的CO2激光作用于冰块上表面时，冰块的表面和轴向非常浅的区域温度会上升。随着照射时间的增加，冰块发生相变的区域逐渐沿径向和轴向扩展，径向扩展速度大于轴向，冰块的相变过程呈现逐层熔化的形式。高功率密度的激光使冰块表面的温度迅速上升，同时可以在最短时间里边达到沸点，数值模拟中的最高温度已经远远超过 100℃，可以预计在使用过程中如果蒸汽不能及时完全地排出，会吸收耗费激光能量，造成激光传输到冰块的下一层就会特别有难度，使熔穿冰块的速度减慢。激光功率是影响熔冰体速度、熔冰能耗的重要因素，因为吸收系数特别大，光斑大小的影响非常不值一提。
4）在使用研究模拟中，发现的影响激光除冰结果的重要因素（如图2所示）。首先是激光照射冰柱，如果激光和冰块不移动，当照射点的冰温度上升出现相变，并且产生的水和蒸汽被去除后，光斑直接作用于未熔化的冰层，热传导速度会更快。其次是激光照射冰块时，冰表面的反射、冰内部杂质的散射和吸收等影响，会耗费一部分激光能量，使得除冰速度有所降低。最后是实验中冰块放置的方式、激光作用冰块部位，会影响冰发生相变时产生的水和蒸汽排除速度。如果水和蒸汽及时排出，则除冰速度会提高。
图2 实验定能除冰试验
总而言之，经过相关实践检验可以得知激光除冰是非常可靠的，激光的一些参数不一样，除冰的情况就会大大不同。激光在得到广泛的运用过程当中，一定要充分了解激光输出功率、合适的激光光斑直径、适宜的冰吸收系数等激光参数，这样就可以使得激光除冰速度得到明显提升，同时可以把非常多的覆冰都除去。
5.激光除冰技术的特点
激光除冰技术利用的是激光远距离切割技术，它通过将聚焦的高功率密度激光束照射被切割的物体，使被照射的材料迅速升温熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而击穿物体，随着装置的移动，使异物连续形成宽度很窄的切缝，从而实现对物体的切割(康建文.激光焊接技术的研究现状与发展趋势展望.产业与科技论坛,2013(5))。使用激光除冰技术实现了非接触式除冰、不断电除冰、远距离除冰、并且不会对电力设备造成伤害，降低了除冰工作的劳动强度，提高了除冰的效率。
6.除冰装置关键技术研究
6.1 激光除覆冰装置供电技术研究
激光除覆冰要求功率大，启动时的电流较高，供电能力要求高。300W的激光器致少需要配置1500W的电源，另外雾淞覆盖面积大，清除需要花费很长时间。因此需要配置足够的电源才能供应。所有选择何种电源供电是本项目研究内容之一。
6.2 激光除冰装置指示技术研究
切割激光是能量密度很大的光束，伤害性比较大。为了安全起见，使用时尽量减少光束的打开时间，一来增加了安全性，二来降低了功率损耗。因此激光设计时需要增加指示激光器。由于粗切割的位置距离较远，为了方便观察除冰装置将配备瞄准镜。将该瞄准镜安装在除冰装置的外壳上面，使用的时候利用望远镜观察无远处的指示激光的光斑得知当前的瞄准情况。
6.3 激光除冰装置低温保障技术研究
覆冰期间，周边环境温度很底，为了维持激光最佳25度的工作温度，装置需配置具有加热和降温功能，可以通过电热风扇或者其它方式来维持。
6.4 激光除冰光学准直技术研究
激光光束从激光器中发射出来后，发散角较大，距离增加时功率密度会大大降低，因此需要在激光光束前面配置准直装置，使得光束作用距离更远，切割的速度更高(尹同芳.不同扩束镜对激光切割质量的影响研究.秋季国际pcb技术/信息论坛,2012年增刊-020305)。
6.5 除冰方式及过程的研究
研究如何提高清除雾凇的速度和效率。根据目前激光发展的情况，采用功率300W的激光，仅仅依靠热熔的作用，速度较慢，则可以辅助其它除冰方法，如刮铲、敲击、导线振动、高压蒸汽等熔冰方法，将热作用和应力作用有机结合起来，使得除冰变得更快，激光能够把一些不好去除的覆冰很好去除掉，考虑到不均匀脱冰导致母线不均匀的舞动带来的不利因素。在进行雾淞切割时宜进行分段切割的方式，使用其出现局部疏松，再辅以其他方式而去除；结合重力作用去除重点部位的雾凇或者冰柱。
6.6 安全保障措施的研究
装置所采用的激光属于高功率激光，该激光亮度高，能量高，操作不当则会对人的皮肤和眼睛造成伤害。鉴于安全考虑，需要做好安全措施。包括有增加功率调节功能，功率由小至大，慢慢调节至最佳的除雾凇效果，防止突然启动大功率可能造成的意外伤害；增加安全锁的设计，加强设备管理，防止误操作；现场配备专业护目镜，防止光束伤害眼睛；制定安全操作手册，培训上岗；使用时配备2名以上成员，互相监督。
7.结论
除覆冰是保证电网安全运行的重点工作，这篇文章说到的激光除冰技术是一个最近一些年才出现的技术，它具有非常明显的优点，激光的方向性非常好、能量定向传输效率特别高、非接触式作用，它在正式工作的时候能够保持通电，能够在最短时间里边把输电线路上面的冰层去除掉，这种技术得到了广泛应用。该技术的成果可以显著提升输电线路除冰的效率和机动性，为减少覆冰灾害提供技术支撑。
