一種變電站屏柜清掃工具的設計與應用

摘要：變電站的端子箱、匯控柜、保護屏等屏柜里的保護裝置及其回路是保證輸變電設備正確動作切除隔離故障的重要設備，需要定期開展清掃運維。文章旨在研發一種新型屏柜清掃工具，能夠進入較狹窄的空間內進行清掃，且能將毛刷刷下來的灰塵馬上吸走，從而在提高安全性能的基礎上，達到維護周期所要求的清掃工藝標準。

關鍵詞：變電站；屏柜；清掃工具；變電運維；保護裝置；變電設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM411 文章編號：1009-2374（2016）35-0016-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.008

1 概述

1.1 變電站屏柜概述

電力系統中，繼電保護和自動裝置是保證電網安全穩定運行、提高電能質量的重要二次設備，而交直流電源等其他二次設備則是變電站內所有一二次設備正常工作的可靠保障。二次設備及其回路放置在端子箱、匯控柜、保護屏等屏柜里，因此對屏柜的清掃維護就顯得十分必要和重要。

南方氣候潮濕，二次屏柜特別是戶外端子箱經常會出現積露、生銹、絕緣不良等缺陷，一旦維護不到位，積聚的灰塵在受潮后將造成交、直流回路對地絕緣電阻降低，或接地或短路，使保護誤動或拒動等，存在著嚴重的事故隱患。

1.2 運維現狀與不足

按南方電網最新的差異化運維管理要求，變電站屏柜每半年清掃一次，但戶外端子箱工作環境相對惡劣，而戶內保護屏又由于靜電作用容易吸附灰塵，半年下來很容易積聚大量灰塵。由于數量多，柜內布置緊湊、二次電纜繁多而復雜，清掃難度比較大，目前普遍使用的清掃方法有兩種：

第一，最基本的人手使用絕緣毛刷進行清掃，該方法有兩個缺點：（1）掃下來的灰塵還會散落到其他地方，需要再次清抹或吸走；（2）人手很難探入較狹窄的地方，如有操作不當極容易造成低壓觸電或是端子開路、短路。

第二，使用手持式吸塵器進行清掃，雖能解決灰塵但手持式吸塵器的續航能力差，遠遠無法滿足全站屏柜清掃的作業要求。

2 屏柜清掃工具的設計

2.1 整體設計思路

為同時解決揚塵、多樣性、續航性等問題，本項目屏柜清掃工具的設計思路是在手持式吸塵器的基礎上改良，在吸管前端加裝便于裝拆的不同尺寸的絕緣毛刷頭，在工作時能高速旋轉，吸附得比較緊的灰塵被毛刷頭刷出來后馬上能被吸塵器吸走。配備細長方便的絕緣管，使其能夠進入較狹窄的空間內進行清掃，從而在提高安全性能的基礎上，達到維護周期所要求的清掃工藝標準。

清掃工具由毛刷頭及動力裝置、吸塵器、電源及其他配件組成。

2.2 毛刷頭設計方案

2.2.1 動力傳動裝置。毛刷頭的動力裝置有風力渦輪驅動和電機驅動兩種方案：

第一，風力渦輪驅動。在吸塵器管道內裝設風力渦輪作為動力裝置，當清掃工具工作時，管道的吸力將帶動風力渦輪高速自行旋轉，并帶動與之同軸連接的毛刷頭高速旋轉。在這種情況下，毛刷頭清掃的反作用力（即風力渦輪的受力）及濾網、管道等摩擦為風路系統的阻力元件，如忽略后者的影響，當渦輪的阻力與吸塵器的動力匹配時，風力渦輪獲得效率峰值。這種動力全憑吸塵器驅動，無需額外的能量來源。

但如果動力全部輸出到渦輪上，會導致風的吸力功率較低。加上實際工作中，濾網會極大增加風道系統的阻力，導致要么吸力不足，要么毛刷頭轉速不高；也可以增加吸塵器的功率以匹配足夠的清掃能量，但會導致更加耗能。

第二，電機驅動。在吸塵器管道內裝設電機，利用電機帶動毛刷頭轉動。電機在管道內驅動的優點是穩定，不需考慮散熱問題，不過需要考慮電機防塵問題，以及在管道內額外敷設電線。

反復對比驗證兩種方案后發現，渦輪同樣存在防塵的隱患，電機輸出功率比渦輪更穩定，在同風速、同毛刷出力的前提下，吸塵器+電機的總功率反而小于帶動渦輪出力的單一吸塵器所消耗的功率。

一般電機的轉速可達到每分鐘數千轉，但實驗證明過快的轉速不僅反作用力過大影響穩定，而且毛刷容易散開或損壞，甚至可能損壞端子排或二次線。因此本工具使用減速電機，轉速為每分鐘500～600轉，經實踐應用能夠滿足頑固灰塵的清除要求。

電機驅動存在兩個問題：一個是如果裝在風道內，會擠壓空氣通過面積，加大吸塵器的負荷；另一個是電機防塵的問題。項目組從電吹風的構造中獲得靈感，最終確定電機、傳動裝置與風管的T型設計方案，如圖1所示：

毛刷頭與傳動軸之間、傳動軸與電機之間均采用軸連器匹配。因距離較長，傳動軸用小型軸承固定在殼體上保持穩定。

毛刷頭、傳動桿及手柄構成清掃工具工作時的主風道路徑；電機固定在另一端的底座上，底座設置小的透風孔。當工具工作時，灰塵在吸力作用下進入管道而不會進入電機部位，解決了電機的防塵問題；而電機發出的熱量也會通過透風孔進入主管道降溫。

電機的電源從吸塵裝置引出并聯支路取得，經適配器變壓后沿管道敷設單相電線到達底座。電機可通過后蓋上的按鈕來開關，使電機既可以與吸塵器同時工作，也可以獨立停轉，滿足不同的維護需求。

2.2.2 毛刷頭材質與配置。毛刷采用絕緣能力優秀、剛性較強的豬鬃毛，通過壓接工藝與裙部連接形成毛刷頭。根據清掃位置的不同配置有碗狀、杯狀和筆狀三種。碗狀毛刷頭直徑最大（20mm），毛最短，適用于裝置面板、柜底、柜門的清掃；杯狀毛刷頭直徑12mm，適用于二次線、端子排的清掃；筆狀毛刷頭直徑最小，但毛最長，適用于內排端子、電纜縫隙等狹窄難深入的地方，可將頑固灰塵清除。

為了保證絕緣毛刷壓接的強度和粘度，裙部及連桿使用金屬材料，涂上防銹絕緣漆以避免在清掃過程中發生端子短路。

盡管在金屬部分涂上防銹漆，為避免工作過程中的摩擦導致絕緣受損，設計中嚴格控制裙部金屬部分不得突出殼體。毛刷頭與傳動桿之間的軸連器為帶檔位的軸連器，可使用內六角螺絲刀前后調節毛刷頭位置，每5mm為一檔，共分3檔。設計保證毛刷頭在最外一檔時，金屬部分也不突出殼體。

毛刷頭端的殼體較為瘦長，方便伸入到較為狹窄的空間進行清掃。頭部殼體可以拆卸以便調節毛刷頭長度或更換毛刷頭。

2.3 吸塵裝置方案

2.3.1 吸塵器選擇。真空吸塵器是利用高速風扇在強力抽吸時所造成的負壓，把塵埃及臟物清除掉的一種家用電器，是現代生活中人們進行清掃工作的理想器具。吸塵器分為手持式、臥式和肩背式。為了保證清掃功率和續航時間，本項目采用臥式大功率吸塵器，功率1kW或以上。

2.3.2 濾網。濾網是吸塵裝置的主要阻力元件，其阻力與濾網的面積及孔徑呈負相關關系。從節能及清掃效果的角度出發，應盡量減少濾網對吸力功率的損耗，濾網面積應盡可能大，孔徑在合理范圍內盡可能大。因本項目采用臥式吸塵器，可以配置大容積濾網，從而減低功率損失；在戶外端子箱工作時，還能摘掉濾網，進一步增強管道的真空度，強化清掃工具的清掃能力。

2.4 電源方案

電源的選取上有兩種方案：一種是純交流電源；另一種是交流電源與直流蓄電池結合的方案。前者的特點是裝置整體質量輕便，造價便宜但靈活性低；后者的特點是由于有蓄電池的電能，在某些交流電源不易獲得的屏柜內也能正常工作，但是整體質量重，造價高。

根據變電站一般設計規范及現場勘察結果，變電站絕大多數端子箱旁都有開關機構箱，可以方便地取得交流電源；而功能室內基本上配有交流電源插座，本著經濟便利的原則，采用純交流電源的方案。

3 屏柜清掃工具的應用

屏柜清掃工具在廣東電網有限責任公司江門供電局220kV新會巡維中心開展應用以來，在實際應用中不斷吸收意見，幾經改進，取得了不錯的清掃效率和除塵效果。

以220kV銀湖變電站為例，原來對全站端子箱、二次屏柜的清掃使用傳統的毛刷結合手持式吸塵器進行，需要3個人、1天半才能完成，而且清掃效果差，飄揚的灰塵不僅影響二次設備安全，也危害職業健康。使用本工具后，只需要2名作業人員，不到一天就完成了，滿足清掃工藝要求，提高工作效率，保證維護人員和設備運行安全，受到運行人員的歡迎。

4 結語

本項目研發的屏柜清掃工具屬于便攜式設備，可廣泛應用于變電站日常維護。運行人員使用機構箱的交流電源，開啟后絕緣毛刷轉動；清掃出來的灰塵馬上吸走，無需擔心反復清掃，也保障了職工健康。維護人員利用該工具，一個人可完成原來需要兩三人配合的工作，維護快捷便利，可以確保清除頑固污跡。在降低作業風險的同時，大大提高工作效率，產生經濟效益。

當然屏柜清掃工具還存在一些不足，主要體現在電源的短板上。在戶外GIS設備等不易取得電源的區域，純交流電源的局限性顯得尤為突出。相信在不遠的將來，當電池技術得到快速發展時，將純交流電源改造成交直流混合電源提供動力，將大大提升清掃工具的實用性。

參考文獻

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作者簡介：吳卓文（1986-），男，廣東新會人，廣東電網公司江門供電局中級工程師，工程碩士，研究方向：電力管理。

（責任編輯：黃銀芳）