输电线路激光清障仪

完成单位：广东电网有限责任公司东莞供电局

主要完成人：蔡晓峰、杨挺、邹智洛、沈志明、邝凡、韦海坤、唐淑歆、袁智斌、尹创荣、胡江华

一、研发背景

近年来，随着社会经济的快速发展，城市建设规模不断的扩大，飘挂物引发的输电线路设备短路、停电等外力破坏事故、案件也在逐年上升，引起的线路跳闸、线路被迫停电事故的概率呈上升趋势，处理事故的效率引起我们的极大重视。

  飘挂物缺陷主要出现于导地线上，容易引起线路对地或相间短路，特别是不同回路之间的相间短路，危害性极大。输电线路经常要面临突发性和季节性的外力破坏，主要包括线行通道附近的塑料薄膜、建筑物外面挂的广告布、风筝、大型条幅、气球、垃圾袋等漂浮物。它们往往随风飘至导地线上，造成线路不同相间或对地的电气间隙不足而引起放电跳闸。此类型外力破坏隐患分布面广，不确定性强，防不胜防，对线路构成重大威胁。

传统处理方法需设备停电或者带电作业，如设备停电将造成经济损失，降低供电可靠性；带电作业处理方法需要人员登塔作业，间接或者直接接触带电体，存在较高的作业风险。此外，传统处理方法需作业人员具有充沛的体力和良好的工具使用技能及经验，作业要求比较高。传统作业方法受制于天气等因素的影响，例如风力、湿度等等，夜间不能作业。

目前，传统人力处理需设备停电经济损失严重、工作风险高耗时长，无法满足供电可靠性的要求，为此，必需要探索出一种清除输电线路飘挂物技术代替传统手工清理方法从而提高电网公司的供电可靠性。

基于CO2激光器装置检定技术方案，研制出具有自主知识产权的CO2激光远距离切割非金属物体装置，提出了利用二氧化碳气体激光清除架空线路漂挂物的全新作业方法。

本项目研制了一种利用二氧化碳气体激光发射装置，可在远距离发射高能激光束，光斑在飘挂物表面产生高热能，使飘挂物材料迅速燃烧或汽化,从而达到远距离切割导地线上的飘挂物目的。

（1）研制出了具有自主知识产权的基于二氧化碳气体激光发射器的激光作业检修装置；

（2）提出了利用二氧化碳气体激光清除输电线路架空线路飘挂物的检修作业方法；

（3）无需设备停电，保障了线路的安全可靠运行；

（4）避免了人员上塔检修，无需接触带电体，降低了人身作业风险；

 （5）可全时全天候操作，提高了电网运行的可靠性。

二、发明团队介绍

该项目发明团队成员见表1所示。

表1  发明团队成员

三、成果(专利)简介

1.基于CO2激光器的远距离检修装置

基于CO2激光器的远距离检修装置包括汽油激光发射器、水冷系统、电源管理器、功率调节器、发射开光、瞄准器等6大部件，如图1所示：

图1 基于CO2激光器的远距离检修装置

其中激光发射器采用二氧化碳气体激光器作业光源，其硬件系统包括光学谐振腔、电源及泵浦、激光功率调节模块、电源供电管理模块，系统电路图如图2。

图2 系统电路图 

激光管：用硬质玻璃制成，采用层套筒式结构，最里面1层是放电管，第2层为水冷套管，最外1层为储气管。考虑到光斑大小所引起的衍射效应，放电管长度与输出功率成正比，在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加；水冷套的作用是冷却工作气体，使输出功率稳定。

光学谐振腔：平凹腔，反射镜用K8光学玻璃加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜-镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质稳定。全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。

电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极。泵浦采用连续直流电源激发，通过高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

2.基于CO2激光器的远距离检修装置检修方法

将基于CO2激光器的远距离检修装置放置于导地线飘挂物附近地面，使用测距仪测出离目标异物的距离得出所需要的功率，然后通过瞄准器对准导地线飘挂物，调整激光发射器功率，对准后启动装置，将高温激光光斑投射至飘挂物上使飘挂物材料迅速自燃或熔化，达到清除飘挂物的目的。

二氧化碳（CO2）激光器发射的激光处于光谱的红外和微波区域，红外辐射就是热量。此装置使用的激光发射器所发出的激光束为平行光，对钼、铜、金、铝等反射材料不产生反应，属于非金属激光切割，因此这种二氧化碳激光器可以熔化输电线路上所有的非金属物质飘挂物。

本系统硬件设计主要是激光装置的硬件设计，硬件设备主要有激光管、光学谐振腔、电源及泵浦、激光功率调节模块、电源供电管理模块。

激光大炮主要由六个部分组成分别是：激光发射器，电源管理器，瞄准器、发射开关、功率控制器和水冷系统六大部分，其中，最核心的就是激光发射器。下面我们会重点介绍激光发射器。

图3 系统组成图

激光发射器，便是产生激光的地方，也是激光大炮的主体，里面其重要作用的分别有激光管、泵浦、谐振腔、光束整形装置和合束装置5大部分。

在激光管内，存有处于激发状态的激光介质，当激光介质受到泵浦的电激励，介质分子就会从低能级跃迁到高能级形成粒子数反转发出激光；产生的激光在光学振荡腔内进行往复循环，多次通过增益介质，得到放大；经放大后的激光，进而通过光束整形装置，形成平行光；此后，为使激光光束有效远距离传输，并且功率聚集至目标上，通过合束装置可以根据目标物调整最佳焦点。至此，一束能作用于导线异物清障的激光就形成了。

激光类型：采用100~260W大功率CO2气体激光发射器，可远距离对塑料、布料等有作用，而不影响导地线、金具等金属设备；

瞄准器：使用绿色可见激光+十字瞄准镜，提高远距离瞄准效率

项目成果基于激光技术研究，提出了一种新型的清除导地线飘挂物的检修作业方法，研制了输电线路激光清障仪。在地面，CO2激光器的远距离检修装置可远距离发射高能激光束，并在飘挂物表面产生高热能，使飘挂物材料迅速燃烧或熔化,从而达到清除导地线上的飘挂物目的。本成果克服现有技术的缺陷，使得飘挂物的清除效率更高，工作更加安全可靠。在推广应用期间，成果结合实际应用多次进行技术研发与升级改造，在转化和推广过程中取得了巨大的经济和社会效益，是最早纳入广东电网公司成果孵化的成果，也是公司职工创新成果在推广应用过程中，成功转化为技术成熟、产品力强、具有市场化能力的典型代表。

四、成果（专利）转化情况介绍

本成果已申请发明专利3项，实用新型专利10项，外观专利1项，见表2所示。

表2  专利情况分析

成果在东莞供电局、潮州供电局、肇庆供电局、河源供电局、梅州供电局等多个地市供电局取得应用，产品自2017年激光清障仪一代机投入使用以来，历经4代研发、10次升级，先后实施清障100余次，减少电力输电网络受迫性停电时间超过1200小时，为企业创造经济效益2100万元。该成果颠覆了行业传统作业模式，保障了输电线路工人身安全，为维护电网安全稳定，提升企业形象做出了突出贡献。成果软硬件成熟度具备产品化、市场化能力，已成为清除输电线路飘挂物的定型机型。成果作为进入广东电网企业孵化器的首批科技成果，已实现成果转化与推广销售，目前限售额达1700万元，是广东电网首个销售额突破1000万元的科技成果。同时激光清障仪已分别在央视一套、南网50Hz官方微博、腾讯新闻、今晚报、国资小新官方微博、共青团中央官方微博等主流媒体得到认可、报道，通过良好的营销建立了“激光大炮”这个广泛为人知晓的产品IP，是广东电网公司科技成果升级、营销、转化、推广取得良好成效的典型案例，对后续其他成果的转化推广具有较好的参考价值。

五、经济效益与社会效益介绍

本项目在研发初期已经成功在220kV东黎甲乙线、110kV大巷线、110kV大松线等18回输电线路清除导地线飘挂物作业取得应用，并且效果良好。基于CO2激光器的远距离检修装置在清除导地线异物过程中免除了线路停电、人员登塔作业，在提高供电可靠性、降低人员作业风险上取得良好效果。本成果已申请实用新型专利1项、发明专利1项，编写期刊论文1篇。应用效果如下：

使用基于CO2激光器的远距离检修装置进行导地线飘挂物清除检修作业，能够在带电情况下实施，无需申请临时停电，平均节省4小时停电时间以及1小时/回人员现场作业，提高供电可靠性。另外，作业人员在地面即可完成作业，无需登塔作业或利用飞车进出导线，使作业人员避免暴露在高空坠落危害，降低人员作业风险，根据人身安全风险量化评估标准，减少人身作业风险30%以上。对比以往喷火无人机清除飘挂物，本成果还实现了装置与明火间的“零接触”，无需喷出明火条件下即可点燃飘挂物，减低装置的使用风险。

以2017年为例：本单位应用新设备对220kV东黎甲乙线、110kV大巷线、110kV大松线等18回输电线路导地线飘挂物作业进行应用。在使用新装置、新方法对18回输电线路清除导地线飘挂物过程中，每回线路避免了4小时的停电作业时间，其中220kV输电线路平均电流250A，110kV输电线路平均电流150A，2017年东莞平均售电价格为0.78元/kwh：

节支总额：

此外，本成果的应用实效已分别在南网50Hz官方微博、腾讯新闻、今晚报、国资小新官方微博、共青团中央官方微博等主流媒体报道。