變電站絕緣子帶電作業干冰清污裝置設計

高超 潘鈺婷

摘 要：本文設計了一套帶電作業的干冰清污裝置，包括垂直升降套筒、水平伸縮臂、干冰機、噴頭組件、卷繞機構及無線控制系統等部分。裝置以干冰作為清洗介質，應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，遠距離控制裝置作業，現場清洗效果好，滿足帶電作業環境要求。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清洗要求，且無線控制系統滿足變電站環境要求。可見，本文設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。

關鍵詞：干冰清污;帶電作業;絕緣子;無線控制

中圖分類號：TM216;TM63;TP242文獻標識碼：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

隨著社會經濟的發展，大氣中的污染物種類越來越復雜，污染程度越來越高，污穢對電力系統的安全運行造成了極大威脅[1]，而電網設備的污閃事故嚴重威脅電力系統的安全運行[2-3]。清除相關設備外絕緣表面的污穢物可以有效防止污閃事故的發生[4]。國內電網設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，且清掃質量難以保證[5]。隨著電網電壓等級不斷提高，設備停電的機會越來越少、停電時間越來越短，設備停電清掃將難以實現[6]。因此，開展帶電清掃，確保電力系統安全穩定運行已成為必然的發展趨勢[7]。例如，江蘇省電力公司研發了一種電動吹風絕緣子帶電清掃器，對電力生產中的絕緣子進行帶電清掃;上海交通大學機器人研究所也研制了超高壓帶電清掃作業機器人[8]，應用于室外變電設備絕緣瓷瓶的帶電清掃。

干冰清洗是一種先進的清洗技術，清洗介質為固態二氧化碳顆粒，目前被廣泛應用于汽車制造、航空、核電和食品加工等領域。但目前，國內外鮮有將干冰清洗技術應用于電力設備外絕緣帶電清洗的研究。本文介紹了一種新型帶電作業干冰清污裝置，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，保障電力系統的安全穩定運行。

1 干冰清污裝置整體結構

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

1.1 小型氣動干冰機

干冰清洗是一種先進的清洗技術，清洗介質為固態二氧化碳顆粒。干冰清洗作業后，固態二氧化碳顆粒升華為絕緣的二氧化碳氣體，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鍵裝置?，F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行清洗。干冰清洗噴頭組件包括機械手腕、齒輪回轉、雙清洗噴嘴和驅動馬達機構。其中，機械手腕為齒輪回轉機構提供精確的軌道;齒輪回轉機構承載雙清洗噴嘴;雙清洗噴嘴為干冰顆粒的出口;驅動馬達為電磁閥控制的氣動馬達。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污穢程度進行調節。作業時，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機構采用特制的復合材料。

1.3 垂直升降與水平伸縮機構

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]到結構簡單、運行平穩的要求，采用“垂直升降+水平伸縮+上回轉”的結構設計。其中，垂直升降套筒控制裝置的升降高度;水平伸縮臂調節噴頭組件與絕緣子間的距離;頂部回轉平臺調節伸縮臂伸出的角度。

垂直升降套筒由7節升降套筒組成，最下面一節為金屬材料，用于裝置的固定和支撐;其余6節為絕緣材料，以滿足絕緣安全性。升降機構依靠內部絕緣齒條帶的垂直運動來實現升降動作。當齒條帶頂升時，升降機構進行上升動作;當齒條帶下行時，升降機構進行下降動作。齒條帶上設置有位置開關，用于檢測升降高度，保證裝置的穩定性。升降機構由負載齒輪和電機進行驅動，驅動電機經由減速器帶動負載齒輪，實現齒條帶的運動，完成升降操作。

伸縮臂機構與頂部回轉平臺位于升降機構上方，用于調整噴頭組件與絕緣子的距離和角度。水平伸縮臂為2節伸縮臂結構，絕緣材料制作，保證絕緣安全性;頂部回轉平臺為回轉支撐結構，金屬材料制作，用于固定和支撐伸縮臂。伸縮臂與回轉平臺由氣動馬達驅動，通過電磁換向閥控制方向。伸縮臂上設置有位置開關，用于檢測水平伸縮距離，保證裝置穩定。

為了實現絕緣子帶電清洗作業，機構設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鍵。通過對多種材料進行比較和試驗，最后采用聚甲醛復合材料作為升降和伸縮機構的制造材料。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，完全滿足帶電作業的絕緣要求。

1.4 卷繞機構

垂直升降套筒依靠內部絕緣齒條帶的運動來實現升降。為了配合齒條帶的運動并且減少齒條帶占據的空間，設計了齒條帶的卷繞機構。卷繞機構由圓柱形卷筒、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，保證機構的機械強度;彈簧箱為動力機構，用于驅動卷筒的自動收卷。卷繞機構示意圖如圖3所示。

2 干冰清污裝置控制系統

干冰清污裝置控制系統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，實現遠距離控制操作?？刂葡到y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原理圖如圖4所示。

圖4中，虛線方框內的模塊為整個控制系統的核心。當控制旋轉平臺、伸縮臂或噴頭運動時，控制面板發出指令，無線通信模塊發出信息給接收模塊，通過繼電器控制氣動閥的通斷，實現氣動馬達的旋轉，從而驅動相應機構。當位置傳感器檢測到達指定位置時，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。當控制垂直升降套筒運動時，控制面板發出指令，無線通信模塊發出信息給接收模塊，從而帶動電機運轉。控制系統中，2個電磁閥控制1個氣動馬達，實現左轉、右轉和制動3種狀態，并且設置有輔助的手動控制和緊急制動模塊。

MCU控制器是控制系統的核心，通過內部軟件實現對干冰清洗裝置的各項操作;執行元件分布于干冰清洗裝置各執行機構上，通過無線通信對其進行控制，實現各項操作作業;現場傳感器元器件設計分布于各執行機構上，通過檢測距離、角度等實現對執行機構的定位、限位與運行。

3 裝置性能測試

3.1 絕緣電性能測試

為了實現帶電清洗作業，裝置的絕緣設計是關鍵。絕緣部分主要為起絕緣作用的垂直升降套筒、水平伸縮臂、噴頭及其關聯組件。裝置出廠前，根據《帶電作業用絕緣工具試驗導則》（DL/T 878—2004）的規定，對絕緣部分進行了工頻耐壓試驗和交流泄漏電流試驗。

升降機構與伸縮臂采用聚甲醛復合材料制作。對材料進行試驗時，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，觀察試品有無發生閃絡或者擊穿現象。在78kV下，實際測得I1=0.08mA，小于標準規定的0.5mA，泄漏電流試驗滿足要求。在工頻250kV耐壓試驗下，試品未發生沿面閃絡，材料的絕緣性能試驗合格。

3.2 控制系統測試

3.2.1 控制系統電磁兼容試驗。為了保證控制系統的工作可靠性，并避免對電力設備的干擾，對控制系統進行了電磁兼容試驗，測試其在高場強區域工作的電磁兼容性和抗電磁干擾性。

根據GB/T 17626系列標準的規定，對靜電放電環境中和安裝條件下的裝置、系統、子系統和外部設備應進行電磁兼容試驗。試驗內容包括2項騷擾測試和4項抗擾度試驗，共6項測試內容。在騷擾測試試驗中，被測試樣品以在標準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要求限值內正常工作為合格，并評價為A級。試驗結果如表3所示。

從表3可知，帶電清洗裝置控制系統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，符合試驗標準要求。控制系統不會影響相關電力設備，適用于變電站工作環境。

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

清洗過程中，控制系統模塊工作正常，各控制指令功能均可完整實現，升降裝置各運動執行機構靈活可靠，垂直升降、水平伸縮等反應靈敏，清洗過程中機構運行狀態良好、噴頭組件對位準確，通過該無線控制系統可較好地實現對變電站支柱絕緣子的清洗作業?，F場試驗表明，裝置已達到設計要求，能保障作業人員的安全。

4 結論

①帶電作業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等構成，整機結構設計合理，以干冰顆粒為清洗介質，滿足帶電作業的要求。

②控制系統以微控制器MCU和無線通信模塊為核心，有無線和手動兩種控制方式，可實現遠距離控制操作，滿足帶電作業環境要求。

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，符合帶電作業要求;電磁兼容和現場運行試驗表明，控制系統滿足電磁兼容和抗電磁干擾要求，同時滿足現場運行功能要求。

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