變電站絕緣子帶電作業(yè)干冰清污裝置設(shè)計

高超 潘鈺婷

摘 要：本文設(shè)計了一套帶電作業(yè)的干冰清污裝置，包括垂直升降套筒、水平伸縮臂、干冰機、噴頭組件、卷繞機構(gòu)及無線控制系統(tǒng)等部分。裝置以干冰作為清洗介質(zhì)，應(yīng)用于變電站絕緣子的帶電清洗，采用無線和手動兩種控制方式，遠(yuǎn)距離控制裝置作業(yè)，現(xiàn)場清洗效果好，滿足帶電作業(yè)環(huán)境要求。工頻耐壓和泄漏電流及電磁兼容試驗表明，裝置的絕緣性能滿足變電站帶電清洗作業(yè)清洗要求，且無線控制系統(tǒng)滿足變電站環(huán)境要求?？梢姡疚脑O(shè)計的干冰清污裝置是一種安全、高效的變電站絕緣子清洗裝置。

關(guān)鍵詞：干冰清污;帶電作業(yè);絕緣子;無線控制

中圖分類號：TM216;TM63;TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0064-04

Abstract： A set of dry ice cleaning device in live working was designed， including vertical lifting sleeve， horizontal telescopic arm， dry ice machine， sprinkler assembly， winding mechanism and wireless control system. The device uses dry ice as cleaning medium and applies to live cleaning of insulators in substations. The device adopts two kinds of control modes， wireless and manual control， and realizes remote control device operation. The on-site cleaning effect is excellent，meeting the requirements of live working environment. The tests of power frequency voltage withstanding， leakage current and electromagnetic compatibility show that the insulation performance of the device meets the cleaning requirements of live cleaning operation in substations， and the wireless control system meets the environmental requirements of substations. It can be seen that the dry ice cleaning device designed in this paper is a safe and efficient transformer substation insulator cleaning device.

Keywords： dry ice cleaning;live working;insulator;wireless control

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大氣中的污染物種類越來越復(fù)雜，污染程度越來越高，污穢對電力系統(tǒng)的安全運行造成了極大威脅[1]，而電網(wǎng)設(shè)備的污閃事故嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行[2-3]。清除相關(guān)設(shè)備外絕緣表面的污穢物可以有效防止污閃事故的發(fā)生[4]。國內(nèi)電網(wǎng)設(shè)備目前普遍采用的方法是停電清掃，雖然簡單易行，但費時、費力、勞動強度大，且清掃質(zhì)量難以保證[5]。隨著電網(wǎng)電壓等級不斷提高，設(shè)備停電的機會越來越少、停電時間越來越短，設(shè)備停電清掃將難以實現(xiàn)[6]。因此，開展帶電清掃，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行已成為必然的發(fā)展趨勢[7]。例如，江蘇省電力公司研發(fā)了一種電動吹風(fēng)絕緣子帶電清掃器，對電力生產(chǎn)中的絕緣子進(jìn)行帶電清掃;上海交通大學(xué)機器人研究所也研制了超高壓帶電清掃作業(yè)機器人[8]，應(yīng)用于室外變電設(shè)備絕緣瓷瓶的帶電清掃。

干冰清洗是一種先進(jìn)的清洗技術(shù)，清洗介質(zhì)為固態(tài)二氧化碳顆粒，目前被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空、核電和食品加工等領(lǐng)域。但目前，國內(nèi)外鮮有將干冰清洗技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備外絕緣帶電清洗的研究。本文介紹了一種新型帶電作業(yè)干冰清污裝置，用于變電站絕緣子污穢的帶電清洗，能有效防止絕緣子污閃事故，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 干冰清污裝置整體結(jié)構(gòu)

帶電作業(yè)干冰清污裝置由承載車體、升降驅(qū)動機構(gòu)、卷繞機構(gòu)、垂直升降套筒、頂部旋轉(zhuǎn)平臺、水平伸縮臂、小型干冰機、噴頭組件和壓縮空氣系統(tǒng)等構(gòu)成（見圖1）。垂直升降機構(gòu)采用電機驅(qū)動，水平伸縮臂、旋轉(zhuǎn)平臺、噴頭組件和干冰機采用氣壓驅(qū)動;控制系統(tǒng)包括手動控制和無線控制兩種方式。帶電作業(yè)干冰清洗裝置主要技術(shù)參數(shù)要求如表1所示。

1.1 小型氣動干冰機

干冰清洗是一種先進(jìn)的清洗技術(shù)，清洗介質(zhì)為固態(tài)二氧化碳顆粒。干冰清洗作業(yè)后，固態(tài)二氧化碳顆粒升華為絕緣的二氧化碳?xì)怏w，可以避免電氣外絕緣的污閃事故，適合絕緣子的帶電清洗。

干冰機是干冰清洗的關(guān)鍵裝置?，F(xiàn)有的干冰機重量大，只能放置在地面，相對于要清洗的絕緣子表面有很大的高度差，干冰顆粒難以上行輸送，影響清洗效果。新研制的小型氣動干冰機重量輕，直接安裝在頂部回轉(zhuǎn)平臺上，不僅縮短了干冰顆粒的輸送距離，減小了干冰輸送時的損耗，而且較易滿足輸送管路的保溫要求。同時，小型干冰機采用壓縮空氣驅(qū)動，無需外接電源，絕緣要求容易滿足。整機試驗表明，該小型干冰機工作效率高，清洗效果好，小型氣動干冰機參數(shù)如表2所示。

1.2 干冰清洗噴頭組件

干冰清洗噴頭組件的主要功能是讓清洗噴嘴按照預(yù)定的軌道移動，并保證噴嘴與絕緣子表面呈一定的夾角和距離，利用噴嘴噴出高速運動的干冰顆粒對絕緣子表面進(jìn)行清洗。干冰清洗噴頭組件包括機械手腕、齒輪回轉(zhuǎn)、雙清洗噴嘴和驅(qū)動馬達(dá)機構(gòu)。其中，機械手腕為齒輪回轉(zhuǎn)機構(gòu)提供精確的軌道;齒輪回轉(zhuǎn)機構(gòu)承載雙清洗噴嘴;雙清洗噴嘴為干冰顆粒的出口;驅(qū)動馬達(dá)為電磁閥控制的氣動馬達(dá)。干冰清洗噴頭組件如圖2所示。

雙清洗噴嘴相對清洗表面的夾角和距離是通過試驗獲得的。噴嘴連接壓縮空氣和干冰顆粒的輸送管道，其壓力和流量可根據(jù)污穢程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。作業(yè)時，噴頭組件沿支柱絕緣子軸線運動，配合噴嘴的圓周運動完成絕緣子表面的清洗。為了保證絕緣安全性，雙清洗噴嘴和齒輪回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用特制的復(fù)合材料。

1.3 垂直升降與水平伸縮機構(gòu)

變電站絕緣子干冰清污裝置需要清洗的絕緣子距離地面2.6～8m?？紤]到結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)的要求，采用“垂直升降+水平伸縮+上回轉(zhuǎn)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，垂直升降套筒控制裝置的升降高度;水平伸縮臂調(diào)節(jié)噴頭組件與絕緣子間的距離;頂部回轉(zhuǎn)平臺調(diào)節(jié)伸縮臂伸出的角度。

垂直升降套筒由7節(jié)升降套筒組成，最下面一節(jié)為金屬材料，用于裝置的固定和支撐;其余6節(jié)為絕緣材料，以滿足絕緣安全性。升降機構(gòu)依靠內(nèi)部絕緣齒條帶的垂直運動來實現(xiàn)升降動作。當(dāng)齒條帶頂升時，升降機構(gòu)進(jìn)行上升動作;當(dāng)齒條帶下行時，升降機構(gòu)進(jìn)行下降動作。齒條帶上設(shè)置有位置開關(guān)，用于檢測升降高度，保證裝置的穩(wěn)定性。升降機構(gòu)由負(fù)載齒輪和電機進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電機經(jīng)由減速器帶動負(fù)載齒輪，實現(xiàn)齒條帶的運動，完成升降操作。

伸縮臂機構(gòu)與頂部回轉(zhuǎn)平臺位于升降機構(gòu)上方，用于調(diào)整噴頭組件與絕緣子的距離和角度。水平伸縮臂為2節(jié)伸縮臂結(jié)構(gòu)，絕緣材料制作，保證絕緣安全性;頂部回轉(zhuǎn)平臺為回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)，金屬材料制作，用于固定和支撐伸縮臂。伸縮臂與回轉(zhuǎn)平臺由氣動馬達(dá)驅(qū)動，通過電磁換向閥控制方向。伸縮臂上設(shè)置有位置開關(guān)，用于檢測水平伸縮距離，保證裝置穩(wěn)定。

為了實現(xiàn)絕緣子帶電清洗作業(yè)，機構(gòu)設(shè)計要同時滿足絕緣性能和機械性能的要求，而正確選擇絕緣材料是帶電干冰清污裝置研制的關(guān)鍵。通過對多種材料進(jìn)行比較和試驗，最后采用聚甲醛復(fù)合材料作為升降和伸縮機構(gòu)的制造材料。這種材料具有較高的剛度和強度，同時又具有極好的絕緣性能，在高頻電場作用下，仍能保持良好的介電性能，其介電強度大于15kV/mm，加工方便，完全滿足帶電作業(yè)的絕緣要求。

1.4 卷繞機構(gòu)

垂直升降套筒依靠內(nèi)部絕緣齒條帶的運動來實現(xiàn)升降。為了配合齒條帶的運動并且減少齒條帶占據(jù)的空間，設(shè)計了齒條帶的卷繞機構(gòu)。卷繞機構(gòu)由圓柱形卷筒、彈簧箱、軸承和鋼板支架組成。其中，圓柱形卷筒采用鋼板骨架制作，保證機構(gòu)的機械強度;彈簧箱為動力機構(gòu)，用于驅(qū)動卷筒的自動收卷。卷繞機構(gòu)示意圖如圖3所示。

2 干冰清污裝置控制系統(tǒng)

干冰清污裝置控制系統(tǒng)采用無線和手動控制方式，以微控制器MCU和無線通信模塊為核心，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制操作?？刂葡到y(tǒng)由微控制器模塊、無線通信模塊、電磁閥模塊和控制面板模塊等組成?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4中，虛線方框內(nèi)的模塊為整個控制系統(tǒng)的核心。當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)平臺、伸縮臂或噴頭運動時，控制面板發(fā)出指令，無線通信模塊發(fā)出信息給接收模塊，通過繼電器控制氣動閥的通斷，實現(xiàn)氣動馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動相應(yīng)機構(gòu)。當(dāng)位置傳感器檢測到達(dá)指定位置時，傳感器向下反饋信號，無線通信模塊接收反饋信號顯示在控制面板上。當(dāng)控制垂直升降套筒運動時，控制面板發(fā)出指令，無線通信模塊發(fā)出信息給接收模塊，從而帶動電機運轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)中，2個電磁閥控制1個氣動馬達(dá)，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和制動3種狀態(tài)，并且設(shè)置有輔助的手動控制和緊急制動模塊。

MCU控制器是控制系統(tǒng)的核心，通過內(nèi)部軟件實現(xiàn)對干冰清洗裝置的各項操作;執(zhí)行元件分布于干冰清洗裝置各執(zhí)行機構(gòu)上，通過無線通信對其進(jìn)行控制，實現(xiàn)各項操作作業(yè);現(xiàn)場傳感器元器件設(shè)計分布于各執(zhí)行機構(gòu)上，通過檢測距離、角度等實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的定位、限位與運行。

3 裝置性能測試

3.1 絕緣電性能測試

為了實現(xiàn)帶電清洗作業(yè)，裝置的絕緣設(shè)計是關(guān)鍵。絕緣部分主要為起絕緣作用的垂直升降套筒、水平伸縮臂、噴頭及其關(guān)聯(lián)組件。裝置出廠前，根據(jù)《帶電作業(yè)用絕緣工具試驗導(dǎo)則》（DL/T 878—2004）的規(guī)定，對絕緣部分進(jìn)行了工頻耐壓試驗和交流泄漏電流試驗。

升降機構(gòu)與伸縮臂采用聚甲醛復(fù)合材料制作。對材料進(jìn)行試驗時，試品長度為1.0m，施加的工頻耐壓試驗電壓為250kV，泄漏電流試驗電壓為78kV。試驗時，逐步升壓至78kV，保持15min，測量記錄試品的泄漏電流I1，再逐步升壓至250kV并保持1min，觀察試品有無發(fā)生閃絡(luò)或者擊穿現(xiàn)象。在78kV下，實際測得I1=0.08mA，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5mA，泄漏電流試驗滿足要求。在工頻250kV耐壓試驗下，試品未發(fā)生沿面閃絡(luò)，材料的絕緣性能試驗合格。

3.2 控制系統(tǒng)測試

3.2.1 控制系統(tǒng)電磁兼容試驗。為了保證控制系統(tǒng)的工作可靠性，并避免對電力設(shè)備的干擾，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容試驗，測試其在高場強區(qū)域工作的電磁兼容性和抗電磁干擾性。

根據(jù)GB/T 17626系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對靜電放電環(huán)境中和安裝條件下的裝置、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和外部設(shè)備應(yīng)進(jìn)行電磁兼容試驗。試驗內(nèi)容包括2項騷擾測試和4項抗擾度試驗，共6項測試內(nèi)容。在騷擾測試試驗中，被測試樣品以在標(biāo)準(zhǔn)A類限值下的測量值符合限值要求為合格;在抗擾度試驗中，被測試樣品以在試驗技術(shù)要求限值內(nèi)正常工作為合格，并評價為A級。試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可知，帶電清洗裝置控制系統(tǒng)在兩項騷擾測試中均評價為合格，在4項抗擾度試驗中均評價為A級，符合試驗標(biāo)準(zhǔn)要求?？刂葡到y(tǒng)不會影響相關(guān)電力設(shè)備，適用于變電站工作環(huán)境。

3.2.2 控制系統(tǒng)現(xiàn)場運行試驗。在某變電站對干冰清洗裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場運行試驗，采用無線控制方式對干冰清洗裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)，通過控制系統(tǒng)對干冰清洗裝置的高度、角度和距離等進(jìn)行控制，對不同支柱絕緣子進(jìn)行了帶電清洗。

清洗過程中，控制系統(tǒng)模塊工作正常，各控制指令功能均可完整實現(xiàn)，升降裝置各運動執(zhí)行機構(gòu)靈活可靠，垂直升降、水平伸縮等反應(yīng)靈敏，清洗過程中機構(gòu)運行狀態(tài)良好、噴頭組件對位準(zhǔn)確，通過該無線控制系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)對變電站支柱絕緣子的清洗作業(yè)。現(xiàn)場試驗表明，裝置已達(dá)到設(shè)計要求，能保障作業(yè)人員的安全。

4 結(jié)論

①帶電作業(yè)干冰清污裝置由垂直升降套筒、水平伸縮臂、干冰機、噴頭組件和卷繞機構(gòu)等構(gòu)成，整機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，以干冰顆粒為清洗介質(zhì)，滿足帶電作業(yè)的要求。

②控制系統(tǒng)以微控制器MCU和無線通信模塊為核心，有無線和手動兩種控制方式，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制操作，滿足帶電作業(yè)環(huán)境要求。

③工頻耐壓和泄漏電流試驗表明，裝置材料具有良好的絕緣性，符合帶電作業(yè)要求;電磁兼容和現(xiàn)場運行試驗表明，控制系統(tǒng)滿足電磁兼容和抗電磁干擾要求，同時滿足現(xiàn)場運行功能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張晉，汲勝昌，曹濤，等.電力設(shè)備帶電清掃技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].絕緣材料，2009（2）：63-66.

[2] TEN C-W， TANG Y. Electric Power： Distribution Emergency Operation [M]. Boca Raton， FL， USA： CRC Press Taylor & Francis Group， 2018.

[3]王瑜，張平安.500kV高壓帶電絕緣清洗[J].清洗世界，2013（10）：22-26.

[4]魯鐵成.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：中國水利出版社，2009.

[5]劉世念，胡珊，馬存仁，等.干冰清洗裝置帶電作業(yè)的絕緣性能仿真分析[J].高壓電器，2015（4）：109-113，118.

[6]鄭俊杰，鄒建明，姜鋒，等.220kV變電站絕緣子帶電干冰清洗車載系統(tǒng)[J].中國電力，2014（4）：118-122.

[7]楊峰，楊宏立，張麗.變電設(shè)備帶電清掃技術(shù)在嘉祥電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2010（s2）：430-431.

[8] Jian Zhang. InsulatorsRecognitionfor 220kV/330kV High-voltage Live-lineCleaning Robot [C]//18th International Conference on Pattern Recognition （ICPR 2006）.2006.