基于專利分析的電力設備干冰清洗技術

常琳++鄭子川++姜云健

文章編號：2095-6835（2017）10-0025-02

摘 要：首先介紹了干冰清洗技術的原理、特點及其在電力設備清洗中的應用，其次基于中國專利申請對干冰清洗技術及其發展趨勢進行了分析，最后對干冰清洗技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：干冰清洗；電力設備；專利分析；發展路徑

中圖分類號：TM507 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.025

1 電力設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個基本作用，即支撐導線和防止電流回地。而在使用過程中發現，絕緣子會出現污穢閃絡現象，即外絕緣表面受到固體、液體和氣體導電物質的污染。在受到霧、露、毛毛雨等濕潤作用后，污層電導增大、泄漏電流增加，產生局部電弧，在運行電壓下，絕緣子表面的局部電弧發展成為電弧閃絡。這種閃絡的發生不是因為作用電壓升高，而是因為絕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、形成干燥帶并產生局部電弧、局部電弧發展至完全閃絡4個階段，污垢積累是污閃的前提條件。因此，對輸變電設備絕緣表面污穢進行清掃是恢復設備原有絕緣水平、防止污閃事故發生的有效措施。

2 干冰清洗技術

20世紀80年代初，美國針對核發電系統、軍事領域衛星導航系統及設備清洗維護的特殊需求，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80年代末，該技術由軍事領域轉向民用工業領域，并取得了飛速的發展。

2.1 干冰清洗原理

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

圖1（a）為干冰清洗前污垢層與基體的結合狀態。現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不同，所以遇冷后污垢和基體間的結合力將降低，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，高速運動的干冰顆粒碰撞到污物表面后，將動能和沖擊力傳遞給污垢層，并克服已經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，從而實現了對污垢的去除。

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迅速升華成二氧化碳氣體，在短時間內體積擴大898倍，細碎的干冰微粒進入縫隙后，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 干冰清洗系統簡介

干冰清洗系統組成如圖2所示，主要包括干冰造粒機、干冰清洗機和空氣壓縮機。

圖2 干冰清洗系統組成圖

液態二氧化碳通過干冰造粒機制成干冰顆粒儲存在干冰儲存箱內，清洗時，將干冰顆粒加入干冰清洗機中，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，高速運動的干冰顆粒撞擊到被清洗物表面，對污垢進行清洗。因此，干冰清洗機是干冰清洗系統的重要組成部分。

2.3 干冰清洗在電力設備清洗中的應用

上海交通大學機器人研究所與蘭州電力公司在國家“863”項目的資助下，聯合研制了超高壓帶電清掃作業機器人（HVCRⅠ），很好地解決了室外變電設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機器人清掃裝置進行優化設計與研究，研制了第二代高壓帶電清掃作業機器人（HVCRⅡ）；李華雷針對支柱式絕緣子，依據“垂直升降，兩側交替”的原則設計出了干冰清洗機器人；胡海平利用HY-P2001干冰清洗機（單喉管）清洗變電所隔離開關觸頭。

3 電力設備干冰清洗技術專利分析

3.1 歷年申請量分析

為了整體分析干冰清洗領域中國專利申請的發展狀況，筆者按照申請日的時間順序對該領域中國專利申請量進行了統計分析，數據采集范圍涵蓋1985—2016年該領域中國專利申請。在上述數據中，由于2015—2016年該領域中國專利申請有部分未達到法定18個月的公開期限，因此2015—2016年的數據并不完整。

從歷年該領域中國專利申請量來看，干冰清洗領域的中國專利申請可以分為3個發展階段：①1985—1999年。該階段，干冰清洗領域的中國專利申請量為0，說明此時干冰清洗還未引入國內；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，同時外國申請占到了該階段專利申請量的50%左右，國內企業以廈門和豐利干冰除污設備有限公司、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，達到了38件。這是因為2008年南方雪災之后，積雪帶來大面積停電，導致對電力設備帶電清洗產生了切實需求，引發了干冰清洗技術的井噴式發展。圖3為2000—2016年歷年專利申請量。

經過十余年的努力，我國干冰清洗技術已初步形成了從無到有、從引進到開發，擁有一批具有自主知識產權的研究成果。

圖3 2000—2016年歷年專利申請量

3.2 申請人分析

對申請人類型進行分析，發現企業申請所占比例最高，達到了62.63%，體現了干冰清洗在工業生產中起到了重要作用；高校與科研院所所占比例達到9.6%，為干冰清洗技術的發展提供了理論基礎；同時，校企合作所占比例為7.07%，成為干冰清洗技術的重要研發方式之一，也體現了技術研發中理論與實踐相結合的趨勢。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

對申請人申請的應用領域進行分析發現，設計電力設備干冰清洗的申請量較多，電子設備及零件生產中的申請量次之。這與干冰清洗破壞性小、不留殘漬的特點相適應。此外，干冰清洗還在管道清洗、模具清洗、車輛生產過程中的清洗等方面得到了廣泛的應用。

3.3 在電力設備清洗領域的發展路徑

綜合分析各申請人在電力設備清洗領域的專利申請發現，研究熱點主要集中在干冰清洗機的整體布局、干冰的連續出料、噴嘴結構、機械臂結構及升降結構上。下面以武漢大學為主對干冰清洗技術的發展路徑進行分析。

2009年，武漢大學與華中電網有限公司共同申請的電氣設備外絕緣的干冰清洗車，通過設置在車體上的升降機、升降平臺、絕緣伸縮臂、干冰顆粒自動軌道噴頭組件，能夠增加噴嘴運動的自由度，減少清洗死角，提高清洗效率與質量；2011年，武漢大學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、下表面進行360°清洗，進一步提高了清洗效率；2013年，武漢大學與廣東電網公司電力科學研究院共同申請的具有絕緣特征的帶電作業用氣動干冰噴射裝置，其部分部件采用復合材料支撐，并采用氣動馬達代替電動馬達為干冰噴射提供動力，進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個單位還共同合作研制了干冰清洗車，對其整體布局進行了改進，以使其能夠適用于高空絕緣子的清洗。

由此可見，依托武漢大學的科研功底，華中電網有限公司、河南省電力公司漯河供電公司、廣東電網公司電力科學研究院等在干冰清洗方面取得了一定的成果，促進了干冰清洗技術在電力設備清洗領域的研發與應用，為電力設備清洗問題的解決提供了技術保障。

4 結論與展望

經過數據統計與分析可以發現，干冰清洗設備所具有的無水分、低傷害、低殘留等優點使其尤其適用于電力設備的帶電清洗，能夠做到隨時清洗，保證設備絕緣表面干凈，確保設備安全運行，減少由于污閃、停電所帶來的經濟損失。

但是，干冰清洗方面仍然存在以下3個問題亟待解決，其也將成為以后的研究熱點：①由于干冰顆粒溫度較低，在將其加入到干冰清洗機的料斗中后，由于環境溫度較高、水分凝結，容易造成干冰顆粒的粘連，這樣不利于干冰噴射的連續進行，如何減少干冰顆粒粘連或者在粘連后進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行去除，導致干冰清洗主要針對設備表面進行污漬去除，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相結合，從而對污漬進行全面清除，是需要考慮的另一方面；③干冰清洗時采用壓縮空氣作為噴射動力，導致設備振動大、噪聲大，如何降低壓縮空氣生產、干冰噴射所帶來的噪聲值得思考。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕