常琳++鄭子川++姜云健

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0025-02

摘 要：首先介紹了干冰清洗技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其在電力設(shè)備清洗中的應(yīng)用，其次基于中國專利申請對干冰清洗技術(shù)及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，最后對干冰清洗技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：干冰清洗；電力設(shè)備；專利分析；發(fā)展路徑

中圖分類號(hào)：TM507 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.025

1 電力設(shè)備帶電清洗的必要性

絕緣子是一種特殊的絕緣控件，能夠在架空輸電線路中增加爬電距離，它在架空輸電線路中起著2個(gè)基本作用，即支撐導(dǎo)線和防止電流回地。而在使用過程中發(fā)現(xiàn)，絕緣子會(huì)出現(xiàn)污穢閃絡(luò)現(xiàn)象，即外絕緣表面受到固體、液體和氣體導(dǎo)電物質(zhì)的污染。在受到霧、露、毛毛雨等濕潤作用后，污層電導(dǎo)增大、泄漏電流增加，產(chǎn)生局部電弧，在運(yùn)行電壓下，絕緣子表面的局部電弧發(fā)展成為電弧閃絡(luò)。這種閃絡(luò)的發(fā)生不是因?yàn)樽饔秒妷荷撸且驗(yàn)榻^緣子表面的絕緣能力降低。

絕緣子的污閃過程涉及污垢積累、潮濕、形成干燥帶并產(chǎn)生局部電弧、局部電弧發(fā)展至完全閃絡(luò)4個(gè)階段，污垢積累是污閃的前提條件。因此，對輸變電設(shè)備絕緣表面污穢進(jìn)行清掃是恢復(fù)設(shè)備原有絕緣水平、防止污閃事故發(fā)生的有效措施。

2 干冰清洗技術(shù)

20世紀(jì)80年代初，美國針對核發(fā)電系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及設(shè)備清洗維護(hù)的特殊需求，將二氧化碳制成干冰顆粒，利用噴射彈道軌跡和低溫龜裂原理解決了上述問題。20世紀(jì)80年代末，該技術(shù)由軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用工業(yè)領(lǐng)域，并取得了飛速的發(fā)展。

2.1 干冰清洗原理

干冰清洗以壓縮空氣為動(dòng)力和載體，將干冰顆粒作為被加速粒子，通過專用的干冰清洗機(jī)噴射到被清洗物表面，利用高速運(yùn)動(dòng)的固體干冰顆粒的動(dòng)量變化、升華、融化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物表面的污垢迅速冷卻，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時(shí)隨氣流清除。

圖1（a）為干冰清洗前污垢層與基體的結(jié)合狀態(tài)?，F(xiàn)對干冰清洗原理作如下分析。

2.1.1 低溫剝離作用

如圖1（b）所示，被加速的干冰顆粒與污塘層表面碰撞并進(jìn)行熱交換，降低污垢層溫度，污垢層遇冷后收縮、變脆及龜裂。由于污垢層和基體膨脹系數(shù)不同，所以遇冷后污垢和基體間的結(jié)合力將降低，使污垢容易被去除。

2.1.2 沖擊、吹掃作用

如圖1（c）所示，在壓縮氣體的作用下，由噴嘴噴射出的超聲速干冰顆粒具有很大的動(dòng)能，對污垢層具有磨削、剪切作用，從而使污垢裂紋、破碎，高速運(yùn)動(dòng)的干冰顆粒碰撞到污物表面后，將動(dòng)能和沖擊力傳遞給污垢層，并克服已經(jīng)減小的污垢與物體表面之間的黏附力去除污垢，去掉的污垢隨高壓氣流被卷走，從而實(shí)現(xiàn)了對污垢的去除。

2.1.3 升華作用

如圖1（d）所示，干冰顆粒與污垢層碰撞后會(huì)迅速升華成二氧化碳?xì)怏w，在短時(shí)間內(nèi)體積擴(kuò)大898倍，細(xì)碎的干冰微粒進(jìn)入縫隙后，其體積瞬間膨脹，如同爆炸，從而將污垢層迅速除去。

圖1 干冰清洗原理示意圖

2.2 干冰清洗系統(tǒng)簡介

干冰清洗系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括干冰造粒機(jī)、干冰清洗機(jī)和空氣壓縮機(jī)。

圖2 干冰清洗系統(tǒng)組成圖

液態(tài)二氧化碳通過干冰造粒機(jī)制成干冰顆粒儲(chǔ)存在干冰儲(chǔ)存箱內(nèi)，清洗時(shí)，將干冰顆粒加入干冰清洗機(jī)中，與過濾后的壓縮空氣在噴嘴混合腔中混合，干冰顆粒隨高壓壓縮空氣由噴嘴噴出，高速運(yùn)動(dòng)的干冰顆粒撞擊到被清洗物表面，對污垢進(jìn)行清洗。因此，干冰清洗機(jī)是干冰清洗系統(tǒng)的重要組成部分。

2.3 干冰清洗在電力設(shè)備清洗中的應(yīng)用

上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所與蘭州電力公司在國家“863”項(xiàng)目的資助下，聯(lián)合研制了超高壓帶電清掃作業(yè)機(jī)器人（HVCRⅠ），很好地解決了室外變電設(shè)備絕緣瓷瓶的帶電清掃問題；葉敬安通過對超高壓帶電作業(yè)機(jī)器人清掃裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，研制了第二代高壓帶電清掃作業(yè)機(jī)器人（HVCRⅡ）；李華雷針對支柱式絕緣子，依據(jù)“垂直升降，兩側(cè)交替”的原則設(shè)計(jì)出了干冰清洗機(jī)器人；胡海平利用HY-P2001干冰清洗機(jī)（單喉管）清洗變電所隔離開關(guān)觸頭。

3 電力設(shè)備干冰清洗技術(shù)專利分析

3.1 歷年申請量分析

為了整體分析干冰清洗領(lǐng)域中國專利申請的發(fā)展?fàn)顩r，筆者按照申請日的時(shí)間順序?qū)υ擃I(lǐng)域中國專利申請量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)采集范圍涵蓋1985—2016年該領(lǐng)域中國專利申請。在上述數(shù)據(jù)中，由于2015—2016年該領(lǐng)域中國專利申請有部分未達(dá)到法定18個(gè)月的公開期限，因此2015—2016年的數(shù)據(jù)并不完整。

從歷年該領(lǐng)域中國專利申請量來看，干冰清洗領(lǐng)域的中國專利申請可以分為3個(gè)發(fā)展階段：①1985—1999年。該階段，干冰清洗領(lǐng)域的中國專利申請量為0，說明此時(shí)干冰清洗還未引入國內(nèi)；②2000—2008年。這一階段的專利申請量較少，每年都在10件以下，并且上升的幅度也不明顯，同時(shí)外國申請占到了該階段專利申請量的50%左右，國內(nèi)企業(yè)以廈門和豐利干冰除污設(shè)備有限公司、迪普干冰制造（大連）有限公司為主。③2009—2016年。這一階段的專利申請量逐年提高，尤其是2013年，達(dá)到了38件。這是因?yàn)?008年南方雪災(zāi)之后，積雪帶來大面積停電，導(dǎo)致對電力設(shè)備帶電清洗產(chǎn)生了切實(shí)需求，引發(fā)了干冰清洗技術(shù)的井噴式發(fā)展。圖3為2000—2016年歷年專利申請量。

經(jīng)過十余年的努力，我國干冰清洗技術(shù)已初步形成了從無到有、從引進(jìn)到開發(fā)，擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果。

圖3 2000—2016年歷年專利申請量

3.2 申請人分析

對申請人類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)申請所占比例最高，達(dá)到了62.63%，體現(xiàn)了干冰清洗在工業(yè)生產(chǎn)中起到了重要作用；高校與科研院所所占比例達(dá)到9.6%，為干冰清洗技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)；同時(shí)，校企合作所占比例為7.07%，成為干冰清洗技術(shù)的重要研發(fā)方式之一，也體現(xiàn)了技術(shù)研發(fā)中理論與實(shí)踐相結(jié)合的趨勢。圖4為各類型申請人所占比例。

圖4 各類型申請人所占比例圖

對申請人申請的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)電力設(shè)備干冰清洗的申請量較多，電子設(shè)備及零件生產(chǎn)中的申請量次之。這與干冰清洗破壞性小、不留殘漬的特點(diǎn)相適應(yīng)。此外，干冰清洗還在管道清洗、模具清洗、車輛生產(chǎn)過程中的清洗等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.3 在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的發(fā)展路徑

綜合分析各申請人在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的專利申請發(fā)現(xiàn)，研究熱點(diǎn)主要集中在干冰清洗機(jī)的整體布局、干冰的連續(xù)出料、噴嘴結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及升降結(jié)構(gòu)上。下面以武漢大學(xué)為主對干冰清洗技術(shù)的發(fā)展路徑進(jìn)行分析。

2009年，武漢大學(xué)與華中電網(wǎng)有限公司共同申請的電氣設(shè)備外絕緣的干冰清洗車，通過設(shè)置在車體上的升降機(jī)、升降平臺(tái)、絕緣伸縮臂、干冰顆粒自動(dòng)軌道噴頭組件，能夠增加噴嘴運(yùn)動(dòng)的自由度，減少清洗死角，提高清洗效率與質(zhì)量；2011年，武漢大學(xué)與河南省電力公司漯河供電公司共同申請的干冰清洗支柱絕緣子的噴頭裝置，通過設(shè)置交叉式雙清洗噴頭對支柱絕緣子同一高度的傘裙上、下表面進(jìn)行360°清洗，進(jìn)一步提高了清洗效率；2013年，武漢大學(xué)與廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院共同申請的具有絕緣特征的帶電作業(yè)用氣動(dòng)干冰噴射裝置，其部分部件采用復(fù)合材料支撐，并采用氣動(dòng)馬達(dá)代替電動(dòng)馬達(dá)為干冰噴射提供動(dòng)力，進(jìn)一步提高了干冰清洗的絕緣性能，提高了操作的安全性；同年，這2個(gè)單位還共同合作研制了干冰清洗車，對其整體布局進(jìn)行了改進(jìn)，以使其能夠適用于高空絕緣子的清洗。

由此可見，依托武漢大學(xué)的科研功底，華中電網(wǎng)有限公司、河南省電力公司漯河供電公司、廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院等在干冰清洗方面取得了一定的成果，促進(jìn)了干冰清洗技術(shù)在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，為電力設(shè)備清洗問題的解決提供了技術(shù)保障。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析可以發(fā)現(xiàn)，干冰清洗設(shè)備所具有的無水分、低傷害、低殘留等優(yōu)點(diǎn)使其尤其適用于電力設(shè)備的帶電清洗，能夠做到隨時(shí)清洗，保證設(shè)備絕緣表面干凈，確保設(shè)備安全運(yùn)行，減少由于污閃、停電所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

但是，干冰清洗方面仍然存在以下3個(gè)問題亟待解決，其也將成為以后的研究熱點(diǎn)：①由于干冰顆粒溫度較低，在將其加入到干冰清洗機(jī)的料斗中后，由于環(huán)境溫度較高、水分凝結(jié)，容易造成干冰顆粒的粘連，這樣不利于干冰噴射的連續(xù)進(jìn)行，如何減少干冰顆粒粘連或者在粘連后進(jìn)行再次破碎是值得重視的一方面；②干冰清洗利用沖擊、升華所帶來的破裂力對污垢進(jìn)行去除，導(dǎo)致干冰清洗主要針對設(shè)備表面進(jìn)行污漬去除，致使微小縫隙中殘留污漬，如何將干冰清洗與其他清洗技術(shù)相結(jié)合，從而對污漬進(jìn)行全面清除，是需要考慮的另一方面；③干冰清洗時(shí)采用壓縮空氣作為噴射動(dòng)力，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)大、噪聲大，如何降低壓縮空氣生產(chǎn)、干冰噴射所帶來的噪聲值得思考。

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〔編輯：劉曉芳〕