二氧化碳激光在电力生产中的应用

二氧化碳激光在电力生产中的应用

高森刘秉龙高翔

国网山东省电力公司检修公司山东淄博25500

摘要：随着科技发展，激光因其高亮度、高方向性、高能量，在科学研究、医疗、军事方面得到广泛应用。目前，在电力线路生产实际中，激光已经得到较为广泛的应用，如激光测距、激光立体扫描、融冰等方面。但是在清除异物方面，激光的应用尚未完善。激光设备目前具有高机动性，可以迅速到达现场熔断异物、融化覆冰，提高线路运行可靠性。因此，其在电力生产中具有较好应用前景。

关键词：二氧化碳激光；电力生产；清除；融冰

【正文】

1激光的特点

1.1定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1.2亮度极高

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

1.3颜色极纯

光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

2二氧化碳激光发生器

CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。

CO2激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。

结构：①激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。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。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。

光学谐振腔：CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经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。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在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，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。

泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

3二氧化碳激光在电力生产中的应用

3.1处理异物

高能激光发射器能够产生高能量激光束，激光束具有高亮度、高方向性、高能量等特点，可以熔断悬挂在线路铁塔、导地线等线路设备上的塑料布、遮阳网等异物。

线路巡视人员在巡视现场发现异物缺陷后，立即安排车辆携带发电机、激光发生器等设备赶往现场，在较短时间内将设备准备完毕，在线路外50米位置即可操控设备，对异物进行熔断处理，无需采取带电作业，明显减少作业时间、降低作业危险性。

3.2融冰作业

自2010年起，冰害对输电线路安全稳定运行的威胁越来越严重，导地线、杆塔上的冰雪，不仅会造成冰闪，还会增加导地线和铁塔的载荷，严重时甚至会对铁塔结构造成破坏发生断线倒塔事故，造成人员伤亡和巨大经济损失。利用激光高能量的特点，可以融化输电线路设备上的冰雪，消除覆冰对线路设备的危害。

4效益分析

4.1经济效益

若在电力生产中大量普及二氧化碳激光，将不必再因清除异物而将线路临时停电，不必采用等电位带电作业清除电力设备上的异物。既减少了电网停电时间，又可降低作业风险，节约人力物力。

4.2社会效益

随着国内超高压输电网络的建立，高电压等级变电站、输电线路的日益增多，目前单纯靠人工来清理架空线路异物既不安全且效率低下，该机器具有较强的市场，既有利于增强电网可靠性，又可为社会创造巨大的经济效益、环境效益和社会效益，为智能电网的发展提供有力保障。

【结论】

二氧化碳激光因其物理特征，不仅可以用于输电线路运维管理，还可以对线路设备上的异物、冰雪进行熔融，能够明显减少带电作业次数、降低线路运维成本、降低高空作业对作业人员人身安全造成的威胁，同时可以创造较大的经济效益和社会效益。