高超 潘鈺婷

摘 要：本文設(shè)計(jì)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(jī)、噴頭組件、卷繞機(jī)構(gòu)及無(wú)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(wú)線和手動(dòng)兩種控制方式，遠(yuǎn)距離控制裝置作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)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(wú)線控制系統(tǒng)滿足變電站環(huán)境要求?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)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(wú)線控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM216;TM63;TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣中的污染物種類(lèi)越來(lái)越復(fù)雜，污染程度越來(lái)越高，污穢對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)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(yùn)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(guó)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(jiǎn)單易行，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且清掃質(zhì)量難以保證[5]。隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)不斷提高，設(shè)備停電的機(jī)會(huì)越來(lái)越少、停電時(shí)間越來(lái)越短，設(shè)備停電清掃將難以實(shí)現(xiàn)[6]。因此，開(kāi)展帶電清掃，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[7]。例如，江蘇省電力公司研發(fā)了一種電動(dòng)吹風(fēng)絕緣子帶電清掃器，對(duì)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(jī)器人研究所也研制了超高壓帶電清掃作業(yè)機(jī)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(chē)制造、航空、核電和食品加工等領(lǐng)域。但目前，國(guó)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(yùn)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(chē)體、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、卷繞機(jī)構(gòu)、垂直升降套筒、頂部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、水平伸縮臂、小型干冰機(jī)、噴頭組件和壓縮空氣系統(tǒng)等構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。垂直升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水平伸縮臂、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、噴頭組件和干冰機(jī)采用氣壓驅(qū)動(dòng);控制系統(tǒng)包括手動(dòng)控制和無(wú)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(dòng)干冰機(jī)

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(jī)是干冰清洗的關(guān)鍵裝置。現(xiàn)有的干冰機(jī)重量大，只能放置在地面，相對(duì)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(dòng)干冰機(jī)重量輕，直接安裝在頂部回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，不僅縮短了干冰顆粒的輸送距離，減小了干冰輸送時(shí)的損耗，而且較易滿足輸送管路的保溫要求。同時(shí)，小型干冰機(jī)采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外接電源，絕緣要求容易滿足。整機(jī)試驗(yàn)表明，該小型干冰機(jī)工作效率高，清洗效果好，小型氣動(dòng)干冰機(jī)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)的干冰顆粒對(duì)絕緣子表面進(jìn)行清洗。干冰清洗噴頭組件包括機(jī)械手腕、齒輪回轉(zhuǎn)、雙清洗噴嘴和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)。其中，機(jī)械手腕為齒輪回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供精確的軌道;齒輪回轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)馬達(dá)為電磁閥控制的氣動(dòng)馬達(dá)。干冰清洗噴頭組件如圖2所示。

雙清洗噴嘴相對(duì)清洗表面的夾角和距離是通過(guò)試驗(yàn)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(shí)，噴頭組件沿支柱絕緣子軸線運(yùn)動(dòng)，配合噴嘴的圓周運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)采用特制的復(fù)合材料。

1.3 垂直升降與水平伸縮機(jī)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。考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)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(jì)。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(tái)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(jī)構(gòu)依靠?jī)?nèi)部絕緣齒條帶的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作。當(dāng)齒條帶頂升時(shí)，升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行上升動(dòng)作;當(dāng)齒條帶下行時(shí)，升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行下降動(dòng)作。齒條帶上設(shè)置有位置開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)升降高度，保證裝置的穩(wěn)定性。升降機(jī)構(gòu)由負(fù)載齒輪和電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)由減速器帶動(dòng)負(fù)載齒輪，實(shí)現(xiàn)齒條帶的運(yùn)動(dòng)，完成升降操作。

伸縮臂機(jī)構(gòu)與頂部回轉(zhuǎn)平臺(tái)位于升降機(jī)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(tái)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(tái)由氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電磁換向閥控制方向。伸縮臂上設(shè)置有位置開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)水平伸縮距離，保證裝置穩(wěn)定。

為了實(shí)現(xiàn)絕緣子帶電清洗作業(yè)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足絕緣性能和機(jī)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(guò)對(duì)多種材料進(jìn)行比較和試驗(yàn)，最后采用聚甲醛復(fù)合材料作為升降和伸縮機(jī)構(gòu)的制造材料。這種材料具有較高的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)又具有極好的絕緣性能，在高頻電場(chǎng)作用下，仍能保持良好的介電性能，其介電強(qiáng)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(jī)構(gòu)

垂直升降套筒依靠?jī)?nèi)部絕緣齒條帶的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。為了配合齒條帶的運(yùn)動(dòng)并且減少齒條帶占據(jù)的空間，設(shè)計(jì)了齒條帶的卷繞機(jī)構(gòu)。卷繞機(jī)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(jī)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度;彈簧箱為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)卷筒的自動(dòng)收卷。卷繞機(jī)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(wú)線和手動(dòng)控制方式，以微控制器MCU和無(wú)線通信模塊為核心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制操作?？刂葡到y(tǒng)由微控制器模塊、無(wú)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(gè)控制系統(tǒng)的核心。當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、伸縮臂或噴頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制面板發(fā)出指令，無(wú)線通信模塊發(fā)出信息給接收模塊，通過(guò)繼電器控制氣動(dòng)閥的通斷，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到達(dá)指定位置時(shí)，傳感器向下反饋信號(hào)，無(wú)線通信模塊接收反饋信號(hào)顯示在控制面板上。當(dāng)控制垂直升降套筒運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制面板發(fā)出指令，無(wú)線通信模塊發(fā)出信息給接收模塊，從而帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)中，2個(gè)電磁閥控制1個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和制動(dòng)3種狀態(tài)，并且設(shè)置有輔助的手動(dòng)控制和緊急制動(dòng)模塊。

MCU控制器是控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)干冰清洗裝置的各項(xiàng)操作;執(zhí)行元件分布于干冰清洗裝置各執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，通過(guò)無(wú)線通信對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作作業(yè);現(xiàn)場(chǎng)傳感器元器件設(shè)計(jì)分布于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，通過(guò)檢測(cè)距離、角度等實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位、限位與運(yùn)行。

3 裝置性能測(cè)試

3.1 絕緣電性能測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)帶電清洗作業(yè)，裝置的絕緣設(shè)計(jì)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(yàn)導(dǎo)則》（DL/T 878—2004）的規(guī)定，對(duì)絕緣部分進(jìn)行了工頻耐壓試驗(yàn)和交流泄漏電流試驗(yàn)。

升降機(jī)構(gòu)與伸縮臂采用聚甲醛復(fù)合材料制作。對(duì)材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試品長(zhǎng)度為1.0m，施加的工頻耐壓試驗(yàn)電壓為250kV，泄漏電流試驗(yàn)電壓為78kV。試驗(yàn)時(shí)，逐步升壓至78kV，保持15min，測(cè)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(wú)發(fā)生閃絡(luò)或者擊穿現(xiàn)象。在78kV下，實(shí)際測(cè)得I1=0.08mA，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5mA，泄漏電流試驗(yàn)滿足要求。在工頻250kV耐壓試驗(yàn)下，試品未發(fā)生沿面閃絡(luò)，材料的絕緣性能試驗(yàn)合格。

3.2 控制系統(tǒng)測(cè)試

3.2.1 控制系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)。為了保證控制系統(tǒng)的工作可靠性，并避免對(duì)電力設(shè)備的干擾，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)，測(cè)試其在高場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括2項(xiàng)騷擾測(cè)試和4項(xiàng)抗擾度試驗(yàn)，共6項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容。在騷擾測(cè)試試驗(yàn)中，被測(cè)試樣品以在標(biāo)準(zhǔn)A類(lèi)限值下的測(cè)量值符合限值要求為合格;在抗擾度試驗(yàn)中，被測(cè)試樣品以在試驗(yàn)技術(shù)要求限值內(nèi)正常工作為合格，并評(píng)價(jià)為A級(jí)。試驗(yàn)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(xiàng)騷擾測(cè)試中均評(píng)價(jià)為合格，在4項(xiàng)抗擾度試驗(yàn)中均評(píng)價(jià)為A級(jí)，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。控制系統(tǒng)不會(huì)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(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。在某變電站對(duì)干冰清洗裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，采用無(wú)線控制方式對(duì)干冰清洗裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)干冰清洗裝置的高度、角度和距離等進(jìn)行控制，對(duì)不同支柱絕緣子進(jìn)行了帶電清洗。

清洗過(guò)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(shí)現(xiàn)，升降裝置各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈活可靠，垂直升降、水平伸縮等反應(yīng)靈敏，清洗過(guò)程中機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)良好、噴頭組件對(duì)位準(zhǔn)確，通過(guò)該無(wú)線控制系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站支柱絕緣子的清洗作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，裝置已達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)、噴頭組件和卷繞機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)線通信模塊為核心，有無(wú)線和手動(dòng)兩種控制方式，可實(shí)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(yàn)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(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)滿足電磁兼容和抗電磁干擾要求，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(guò)電壓[M].北京：中國(guó)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(chē)載系統(tǒng)[J].中國(guó)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(guó)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.