一種500 kV變電站支柱絕緣子清洗裝置設計

呂剛，唐華東，陳亮，鄧文斌，王春，張瑞亮

（1.南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550081）

引言

變電站通常處于郊區或野外地區，附近可能存在工廠廢氣、沙塵、鳥糞等污染源，環境污染對電力系統的影響十分巨大。自然界鹽堿的蒸發等等，使大氣中含大量的酸、堿、鹽的化合物微粒，日積月累地漂浮沉積在線路絕緣子表面上，逢毛毛細雨、霧、露水等情況，表面污層吸濕，電導率增大，絕緣子外絕緣顯著下降，即使在正常運行條件下也有可能發生閃絡[1，2]。污穢物積聚在電氣設備的外絕緣表面，在一定的氣候條件下，就會破壞電氣設備的絕緣狀態而發生污穢閃絡，嚴重時可能造成電網解裂等事故[3，4]。

我國現行的電力行業標準對電瓷外絕緣爬距的要求對大多數設備來說還達不到不需清掃即能防止污閃，而是建立在一年一清掃的基礎上制定的，因此，電力系統仍廣泛采用清掃絕緣子的方法以防止污閃。如圖1所示，絕緣子人工清掃是一項工作量很大的艱辛工作，同時又是對清掃效果要求很高的細致工作。清掃效果好壞取決于工人的責任心，而且人工清洗效率低。通常，變電站內支柱絕緣子數量較多，高矮不一，有的高達十多米，人工清洗需要搭建腳手架及配戴安全繩，勞動強度大，危險性高，再加上部分人工操作不規范可能導致清洗不干凈。另外，同一串絕緣子中，不同傘裙的憎水性存在差異，對于同一個傘裙上下面或不同方位，其憎水性也存在一定的差異[5，6]。絕緣子的不同部位憎水性分布不均勻也給人工清洗帶來一定的難度。

在我國，支柱絕緣子在500 kV變電站應用相當廣泛，且數量龐大，每年需要人工清洗，結合變電站中的500 kV支柱絕緣子的結構及其應用場景特點，可開發一種清洗裝置，用于取代人工清洗，以實現快速、安全、高效地清洗干凈支柱絕緣子的目的。

為預防污閃事故的發生，提高輸變電設備的外絕緣性能，克服人工清洗效率低且清潔效果不穩定的問題，本文設計一種500 kV支柱絕緣子清洗裝置，以實現高效清潔變電站的支柱絕緣子。需要說明的是，雖然本文的清洗裝置是專門為500 kV變電站支柱絕緣子設計的，但是它同時也適用于220/110/35 kV等其他電壓等級的支柱絕緣子。

1 清洗裝置的構成

如圖2所示，本清洗裝置主要包括地面運輸小車、電池組及液壓系統、升降機構、清洗機械手、清洗夾具、清洗泵及儲液罐、空壓機及儲氣罐、抽風機、電控箱等構成。其中，地面運輸小車是清洗設備的載體，人工可以手持人工界面操作盒，完成對設備到工作場地的就位。電池組為運輸小車提供驅動電力。液壓升降機構是安裝在運輸小車本體上，其功能是上下升降，以調整清洗水槍的高度，從而可以適應不同絕緣子的工作高度。就位機械手是清洗的載體，安裝在地面運輸小車上，其主要功能是確定工作空間坐標。清洗夾具設計為兩個可開合的半圓形結構，以適應安裝在立柱上的圓柱狀絕緣子。清洗裝置主要有兩部分，一部分是高壓水槍裝置，可以提供高壓水流噴洗絕緣子表面污染源，一部分是防濺擋板裝置，避免污染外部環境。

2 支柱絕緣子的結構分析

如圖3所示，支柱絕緣子有三個方向的曲面，需要三個方向的曲面清洗才能完整地清潔整個絕緣子表面。因此，為了達到預期合格的清潔效果與質量，清洗噴頭有必要設計成可以調整三個角度。

圖1 支柱絕緣子人工清潔

圖2 清洗裝置的構成

3 子部件設計

1）清洗裝置

如圖4所示，本清洗裝置根據500 kV支柱絕緣子的三個曲面而設計了三組三個方向的噴嘴，噴嘴安裝在兩個半圓散料擋板內側壁，根據現場的支柱絕緣子各個角度值可靈活調整噴嘴的角度，以適應絕緣子的傘裙表面。每個方向有10個噴嘴，三個方向共30個噴嘴，可對絕緣子的各個表面進行高壓水沖洗。進行清洗作業時水的壓力可達到1 MPa以上，在噴水的狀態下，為了防止沖洗后污水飛濺到其他的設備上或污染外部環境，專門設計散料擋板作為保護裝置。

2）就位機械手

如圖5與圖6所示，根據500 kV支柱絕緣子的直徑大小，按支柱絕緣子最大直徑設計了開合裝置，最大開合角度為60°，X軸機械手行程為1.4 m，Y軸機械手行程為0.56 m，Y軸機械手上安裝視覺傳感器，對被噴件進行定位，并由計算機算出該系統移動的目標定位，使清洗裝置與支柱絕緣子成為同心圓位置。

3）升降機構

通過線性剪叉式升降機構將噴涂裝置升至適合清洗的高度，并實現清洗過程中的豎直線性運動。

4）地面運輸小車

地面運輸小車是設備的載體，人工可以手持人工界面操作盒，完成對設備到工作場地的就位。運輸小車是行走機構，車輪為覆帶式，可以適應變電站里的常規地面；小車上安裝了超聲波測距儀，就位或者超位都有預示和報警。就位后，小車上有液壓自動調整水平裝置，使小車的升降平臺垂直方向與支柱絕緣子相平行。

5）物料系統

物料系統包含以下幾個部分：高壓水系統、電力及供電系統、傳感系統、液壓系統、控制系統、工裝夾具等。各個系統與部件協同配合，完成清洗裝置就位、噴洗、廢液回收、吹干等作業流程。其中，高壓水系統采用高壓泵將儲存水通過高壓輸送管將水泵到噴管上，使得水壓達到1 MPa以上，再到噴嘴噴出水柱，儲存水箱一個自動加滿水箱，通過連接水管，連接變電站的水龍頭以補充清洗水源。

圖3 絕緣子三個方向曲面圖

圖4 散料擋板圖

圖5 機械手開合裝置

圖6 測距傳感器示意圖

4 實踐與調試

清洗設備現場實物如圖7所示。清洗作業流程如下：

1）設備就位：工作人員遙控履帶車行走至絕緣子支撐柱旁限定區域，液壓支腿伸出將平臺調平；

2）高空就位：升降平臺升起，X、Y軸機械手調整至噴涂位，擺臂合攏，環形滑軌與絕緣子呈同心狀態；

3）旋轉噴涂：兩個噴槍沿各自環形滑軌旋轉，完成對絕緣子一個傘裙360 °的噴涂，每噴涂完一個傘裙升降平臺下降一個傘裙的高度，再對緊接著的傘裙進行旋轉噴涂；

4）噴涂結束：擺臂張開，X、Y軸機械手調整至起始位，升降平臺下降，調平支腳收回，管路切斷即可。

表1為本文設計清洗裝置的參數表，整機重量約為3 200 kg，運載小車移動速度為0.8 km/min，升降平臺升降速度為4.5 m/min，噴洗出水壓力可高達1 500 PSI（約10 MPa），操作簡易，僅需1人即可完成。經過實踐與調試，歷經3～5次的反復清洗絕緣子，該清洗裝置可以滿足清洗干凈要求，整個過程大概需要30～40 min，相比人工清洗需要2～3 h的時長，效率提高約4倍，而且清洗質量較為穩定，不受人為因素影響，清潔效果良好。500 kV支柱絕緣子通?？偢叨仍?2 m以內，工作高度在2.5～10 m，本裝置升降調整匹配作業高度完全沒有問題，經實踐證明，當水壓達到1 MPa以上，支柱絕緣子上的污穢可以十分容易地被沖洗干凈，從而實現有效清洗干凈絕緣子表面的目標。另外，本清洗裝置操作簡單，僅需要1個人即可完成，普通人員經過熟悉操作流程之后即可上手操作，因此有利于推廣到生產運營的實際應用中。

圖7 清洗設備現場實物圖

表1 清洗裝置參數表

5 總結與展望

本文設計一種500 kV支柱絕緣子清洗裝置，采用升降平臺與視覺傳感器進行自適應調整、確保準確定位清洗噴嘴與絕緣子表面的相對位置，實現無死角、全方位地清洗支柱絕緣子表面污染物，相比人工清洗作業，有效地提高清洗質量和清洗效率，可節省大量的人力物力，同時，設備運行操作簡易，有利于投入實際應用，具有廣泛的市場應用前景。未來，該清洗裝置有望進一步改進并優化，降低設備成本并形成規?；a并投入到電網公司的絕緣子清洗應用中。