车载式电力绝缘子清洗装置的设计及特点分析

2012-08-13唐婉璐丁长鸣

重庆电力高等专科学校学报 2012年4期

向平，向鹏，周敏，赵鑫，张钊，唐婉璐，丁长鸣，刘林

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053;2.成都电业局变电运行管理所，四川成都610081;3.中国二重集团德阳重型装备股份有限公司，四川德阳618013)

0 引言

当前，我国环境保护技术还处于初级阶段，加上电力设施配置相对滞后，导致电力设备外绝缘在运行过程中发生波及面较大的污闪事故。据调查，1971～1994年，全国35～500kV输电线路共发生污秽闪络3542次，1971～1992年全国35～500kV变电站共发生污闪事故1768次，造成长时间、大面积断电。尤其是在2001年2月22日凌晨某地电网发生建国以来最严重的1次大面积污闪停电事故，事故波及该地大部分地区。导致220kV线路跳闸151条次，跳闸线路44条，并造成12座220kV变电站全停;66kV系统全省跳闸171条次，120座66kV变电所全停。由此可见，高压外绝缘的大面积污闪事故已经对电力系统安全运行构成严重威胁，因此，防污闪工作是一项长期而重要的任务。

虽然，我国开展防污闪事故的相关研究已有40余年历史，广泛使用的防污闪技术主要有提高电力设备外绝缘爬距、人工或机械清扫、飞机喷射纯水清扫、涂装防污材料等方法，其中，增加电力设备外绝缘爬距生产成本高;人工清扫存在清洗效率低、劳动强度大，且需停电作业等不足;对于涂装防污涂料的方法，其绝缘有效周期短，难以应对日益严重的环保形势;直升飞机喷射纯水虽然可以带电清洗，但存在清洗死角，运行成本高，难以大规模推广。车载式带电清洗高压电力绝缘子清洗装置成功解决了这一难题。它以行业应用较为广泛的高奇系列的绝缘清洗液为带电清洗介质，以流体机械传动(液体传动与气体传动)驱动多自由度、多规格的清洗机械手为载体，对带电绝缘子进行清洗。它具有安全、实用、高效等特点，可广泛应用于330kV及其以下的电力设备的外绝缘子清洗作业。

1 对绝缘子带电清洗装置的技术要求

绝缘子带电清洗装置的机械手工作于高电压之下，首先解决机械手材料在满足相应的强度、刚度的前提下，同时还应满足在相应电压工作区的绝缘等级要求(在该装置中，处于高压工作区的多段伸缩臂至机械手总成所用的材料均为高分子绝缘复合工程塑料);其次，在高空作业过程中，为了使机械手能够正确握住处于一般位置(极端位置状态)的绝缘子进行清洗作业，必须给予机械手以足够的自由度，以达成对绝缘子清洗动作目标的完成。在该装置中，用机械传动、流体传动进行能量转换和动力传递，以保证装置运行的技术性能指标。

众所周知，机械传动效率高、传动比稳定、结构紧凑、工作可靠，但不适合远距离的动力传输;对于流体机械中的液压(以清洗剂为工作介质)传动，可方便实现大范围内且不受功率大小限制的无极调速及远距离的动力传输，它具有质量轻、体积小、惯性小、响应快、加速性能好、传动平稳，但效率较低、密封点易泄漏，正是由于采用以清洗剂作为液压介质，因此，克服了流体机械中因密封点的意外泄漏而造成对绝缘子二次污染的缺点;对于气压(以空气为工作介质)传动，工作介质清洁、介质获得容易、介质处理方便、传动动作迅速、反应快、工作环境适应性好、适合远距离的动力传输，由于气体可压缩，因此气压传动的稳定性较差、传输力矩较小、密封点易泄漏，由于气压传动采用的是清洁介质，所以，密封点的意外泄漏也不会对绝缘子造成二次污染。

综上所述，该装置对各类传动方式进行优势整合，借助高空作业特种车辆中的混合臂式(即折叠臂与伸缩臂的组合形式)的成熟技术，将装置的主臂(折叠臂)、多段伸缩臂及流体机械的原动机、控制元件(图1中未画出)和辅助设施全部置于车架底盘的内啮合齿轮副所支撑的回转机构上(以避免机械手因工作时管路系统与手臂发生缠绕)，构成车载式绝缘子带电清洗装置。

图1 车载式绝缘子带电清洗装置总图

2 装置构成及工作原理

装置展开状态(图1中的图a)时为工作状态。当装置准备工作(收折状态图1中的图b)时，由于汽车的轮胎支撑平衡能力和承载能力有限，首先伸出、放下四个支腿(件3)作为刚性支承将车轮架空，以保证装置工作的稳定性;其次，1#伸缩缸(件4)对举起主臂(件7)和铰接在平面机构(件6)上的多段伸缩臂(件9)的运动提供1个自由度;2#伸缩缸(件5)、平面机构(件6)、3#伸缩缸(件8)共同对多段伸缩臂(件9)的举起提供1个自由度;多段伸缩臂(件9)对机械手总成(件10)的举起提供1个直线运动的自由度;回转机构(件2)对整个清洗装置相对于水平面提供1个旋转运动的自由度。机械手根据绝缘子所处的空间位置，通过若干个自由度的组合，使机械手(见图2机械手结构部件图)握住绝缘子，并沿着绝缘子的轴线方向作往复直线运动、绝缘子轴线的垂直平面作往复摆动平面运动，从而完成对绝缘子的清洗工作。由于高空作业特种车是成熟结构与技术，对此不再赘述。

2.1 机械手工作原理

在机械手总成结构部件(如图2所示)中(将图中机械手所在平面定义为X—0—Z平面)，当三段伸缩臂将机械手送至绝缘子处后，铰接在手柄(件1)上的4#伸缩缸(件2)给机械手在X—0—Z平面提供1个摆动的平面运动自由度;

铰接在手柄(件1)上的摆动缸(件3)给机械手在Y—0—Z平面提供1个摆动的自由度，从图2中的A—A端面放大图可知，当流体介质由A1、A3进，A2、A4出，并在其旋转轴径方向上压力平衡孔的作用下，摆动缸的旋转轴进行顺时针转动，反之亦然;在结构上由于摆动缸(件3)的旋转轴与5#伸缩缸(件4)的缸底自成一体，因此，当摆动缸(件3)工作时，5#伸缩缸(件4)及以后所有部件也随之摆动;

5#伸缩缸(件4)给机械手在X轴上提供1个直线运动的自由度。到目前为止，机械手通过回转机构至5#伸缩缸共计6个自由度所对应的传动链的作用下，使机械手完成对处于一般位置状态下的绝缘子的握住。为了确保被握住的绝缘子的几何轴线与机械手骨架(件10)的摆动运动中心或扇形齿轮的几何中心重合(见图2中的引出线标注)，设置在机械手骨架(件10)内的两根限位杆(件12)与绝缘子在轴线方向上的外轮廓同时轴向接触，构成空间稳定的等腰三棱柱(见图2中的E—E断面)，为机械手相对于被清洗的绝缘子在其径向与轴向两个方向的运动做好了前期的铺垫。

联接在5#伸缩缸(件4)活塞杆上的1#旋转缸(件15)给机械手在X—0—Y平面提供1个旋转运动的自由度。从图2中的C—C、D—D端面放大图可知，2#旋转缸(件15)的旋转轴上设置有两段不同旋向的叶片，当分别控制2#旋转缸接口(C1、C2、D1、D2)流体介质进、出的流向时，其旋转轴带动丝杆(件20)可实现正、反转;通过半月环组件(件5)，对丝杆(件20)、导向杆(件18)与1#旋转缸(件14)旋转轴进行联接，在两根导向杆(件18)的作用下，套装在丝杆(件20)上的丝杆螺母套(件21)和快装凸接头(件17)，使机械手在Z轴方向得到一个往复直线运动的自由度，即机械手通过丝杆螺母机构运动的转换，完成对绝缘子在其轴线方向上的清洗动作。

图2 机械手总成结构部件图

套装在2#旋转缸(件7)两头伸出端旋转轴上的直齿圆柱齿轮(件6)与固定在机械手骨架(件10)外侧圆弧背上的两个扇形齿轮(件14)同时啮合，在两对齿轮副的平衡驱动下，给机械手骨架(件10)以及安装在其腔内的喷淋管和带有刷头的气动马达，在X—0—Y平面上提供1个与绝缘子轴线同轴的摆动平面运动的自由度，即机械手通过齿轮副的作用，完成对绝缘子在径向方向上的清洗动作。从图2中不难看出，机械手在螺纹副及导向杆的作用下，对绝缘子在其轴线方向上的清洗动作存在轨迹重叠;机械手在齿轮副的作用下，对绝缘子在其径向方向上的清洗动作同样也存在着轨迹重叠。由此可以确定，绝缘子通过机械手对其轴向和径向两个重叠轨迹的清洗，不会出现清洗死角，从而保证了机械手对绝缘子清洗的可靠性。

机械手在X—0—Y平面对绝缘子作径向清洗运动时，由于铰接在机械手关节(件8)上的腰形滑枕(件23)在机械手骨架(件10)腰型槽内作平面摆动，为了使二者套嵌构建之间的运动可靠。从图2中的K局部放大图与P局部放大图可知，机械手骨架(件10)的腰型槽与滚珠(件22)、腰形滑枕(件23)、滚珠锁定销(件24)、滚珠套(件26)和滚珠限位轴(件27)共同构成类似开环式的两个单列向心球轴承的结构;而滚珠(件22)、腰形滑枕(件23)和腰形轨道(件25)共同构成类似开环式的两个单列推力球轴承的结构。其中，两个开环式的单列向心球轴承的结构在机械手中用于减少或消除因机械手骨架(件10)的摆动在其腰型槽内产生的摩擦;而开环式的两个单列推力球轴承结构在机械手中用于减少或消除因机械手骨架(件10)的摆动，在机械手关节(件8)与机械手骨架(件10)铰接端面处的摩擦。以上两种受力性质的开式轴承，通过关节旋转轴(件13)两端左、右外螺纹与上、下腰形滑枕(件23)的内左、右螺纹联接，构成了一种适用于该机械手的特种复合式开式轴承，使机械手作径向清洗摆动时，阻力更小，动作更加灵活自如。

为了使装置能够适应多种规格绝缘子的清洗，在机械手的总成中设置有快速更换结构。从图2中的E—E断面图和F—F断面图可知，套装在导向杆(件18)和丝杆(件20)上的快装凸接头(件17)的两侧设置有燕尾槽，其左端端部铰接有两个对称的凸轮快速锁紧机构(件16);在机械手关节(件8)的左侧设置有与快装凸接头(件17)具有装配关系的凹形槽，槽的两个内侧设置有与快装凸接头(件17)两侧燕尾槽端面相吻合的倒梯形轨道(见图2中的F—F断面图)。当需要更换其它规格的机械手时，只需将快装凸接头(件17)插入机械手关节(件8)左端的凹形槽内，此时，均布于机械手关节(件8)左端凹形槽两侧内的倒梯形轨道也随即插入了快装凸接头(件17)两侧的燕尾槽内，旋紧凸轮快速锁紧机构(件16)的手柄，即实现对不同规格机械手的快速换接。其中，快速换接结构中的燕尾槽与倒梯形轨道的装配关系用于限制二者在Y轴和Z轴两个方向上的自由度;凸轮快速锁紧机构(件16)用于限制二者在X轴方向上的自由度，抑制了机械手换接部位在三维空间内所有的自由度，为机械手对绝缘子的精准清洗提供了可靠的保障。

2.2 清洗装置流体系统原理

在该装置中，图1中特种车的回转机构、四个支腿、1#伸缩缸、2#伸缩缸和3#伸缩缸，由液压油作为液压介质构成回路单元(由图3中的1#～21#液压元件构成);图1中的三段伸缩臂、图2中的4#伸缩缸(件2)、摆动缸(件 3)、伸缩缸(件 4)、2#旋转缸(件7)、1#旋转缸(件15)及喷淋清洗，由清洗剂作为液压介质构成两个独立的回路单元(由图3中的22#～40#、41#～48#液压元件构成);图2中带有刷头的气动马达由空气作为介质构成回路单元(由图3中的49#～52#气动元件构成)。各系统的详细原理见图3清洗装置流体系统原理图。

图3 清洗装置流体系统原理图

2.2.1 清洗装置1～21#元件所构成的单元

该回路为油压系统。对于支腿回路部分，由于受汽车宽度尺寸的限制，轮胎的平衡能力有限，在其清洗工作前，必须放下前、后支腿作为刚性支承将车轮架空，当车辆正常行驶时，必须收起支腿。为了防止液压缸(3#)内腔因油路泄漏而造成支腿在支承过程的“软腿”或收起后的自动下滑，每个支腿的液压缸(3#)均设有双向液压锁(5#)。其中6#伺服阀组中的D阀用于隔离支腿水平油缸(3#)与垂直油缸(4#)的油路;储能器(16)用于补充系统泄漏、保持系统恒压。当遥控伺服阀(2#、6#)时，可分别切换其不同的工位，以达到控制支腿液压缸支承、与收放的目的。

在回转机构中，它通过底盘内啮合的齿轮副及变速机构对液压马达(7#双向变量旋转缸)进行低转速的扭矩传递。对于回转回路(7#、5#、11#—E、12#)、主臂举起回路(8#、5#、11#—F、12#)和三段伸缩臂(缸)举起回路(9#、10#、5#、11#—G、11#—H、12#)部分，三个回路的动作结果是将机械手送至绝缘子处，要求回路执行的动作稳定、位置准确。为了防止双向变量旋转缸(7#)、双作用可调双向伸缩缸(8#、9#、10#、)内腔因油路泄漏而造成回转机构和变幅机构对机械手的送达位置的不稳定，在其驱动缸所对应的伺服阀组11#(E、F、G、H)之间，设有双向液压锁(5#)，以保证回路动作的稳定性，当遥控伺服阀组(11#)时，可分别切换其不同的工位，以达到控制回转机构在水平面的旋转弧度以及两个变幅机构在立面高度的幅角精度。

2.2.2 清洗装置22～40#元件所构成的单元

该回路是以清洗液作为介质的液压系统。在该回路单元中，变频调速泵(单向变量液压泵22#)与之并联的直动型溢流阀(36#)和储能器(33#)构成多重稳压系统，向回路单元提供具有高稳定性的动力。在该回路中，双作用可调双向伸缩缸(27#)、摆动缸(28#)、双作用可调双向伸缩缸(29#)在三段伸缩缸(26#)和上一回路地各个驱动缸的共同作用下，使机械手完成握住绝缘子的动作。从该单元三段伸缩臂(缸)所对应的“油路”不难看出，该缸的三个接口同时与伺服阀组(24#)中所对应的J、K、L伺服阀两两并联，实现三段伸缩臂(缸)中的两个臂的任意组合或依次伸出，因而可实现对处于不同高度绝缘子的清洗。

旋转缸(30#)对图1中的丝杆螺母机构提供动力，使机械手完成对绝缘子轴线方向上清洗的往复直线运动;旋转缸(31#)对图1中的齿轮副提供动力，使机械手完成对绝缘子径向方向上清洗的往复摆动平面运动。由于以上每个环节都要求机械手的动作精确、稳定，因此，该回路单元中的驱动缸所对应的伺服阀组 24#(J、K、L、M、N、O)之间也设置有双向液压锁(25#)，以确保各驱动缸对机械手提供的位置精度的稳定性，同时由调速组(23#)对回路的速度进行刚度补偿，以提高该单元速度的稳定性(而30#旋转缸和31#旋转缸长期处于频繁的往复圆周运动状态，所以，在30#旋转缸、31#旋转缸和伺服阀组24#—P和24#—Q之间就无须设置液压锁)。当遥控伺服阀组(24#)时，可分别切换其不同的工位，达到控制机械手自由度的组合或所需完成动作的驱动。

2.2.3 清洗装置41～48#元件所构成的单元

在该回路中，由液压泵(41#)、可调节流阀(42#)、直动型溢流阀(44#)构成的稳压回路给喷淋清洗头组件(43#)提供无“水锤”现象的恒压源清洗剂，避免因清洗剂的流速不稳定而使机械手在清洗过程中产生“颤抖”现象;喷淋清洗后的溶剂由流体收集器(48#)回收，经净化处理后再进入下一个循环。

2.2.4 清洗装置49～52#元件所构成的单元

在该回路中，气泵(49#)生产的压缩空气通过带污染指标过滤器(51#)的过滤，向直排式气动马达组(52#)提供动力，带动气动马达旋转轴上的刷头对绝缘子进行清洗;气动马达使用过的尾气通过节流，直接对绝缘子进行吹扫，辅助于刷头的清洗。

3 经济效益分析

以某110kV变电站绝缘子清洗为例，该变电站设备清单如表1所示。

表1 某110kV变电站绝缘设备清洗清单

采用人工清洗与采用机械清洗的经济性对比如表2所示。

表2 人工清洗与机械清洗的经济性对比表

结果表明，引用该机械清洗装置的实施方案在清洗时间、清洗人工数以及相关费用上均有明显的实用优势，尤其是在对该变电站110kV避雷线绝缘子、线路侧A相悬瓶、站内侧163开关回路A相高压隔离开关等设备进行机械带电清洗作业中，洗液回收利用率高、无闪络，清洗效果好。绝缘子清洗前后绝缘值的对比测试，绝缘子清洗后的绝缘值比清洗前提高67倍，效果显著。

值得一提的是:整个实施过程中，带电设备运行正常、安全可靠、清洁效果明显，能够在短时间内提高带电设备的安全稳定性。

4 结论

根据目前国内查新资料显示，业内虽然已有各种类型的绝缘子清洗设备，但这些清洗设备或多或少存在以下不足，第一是设备在清扫过程中的许多环节需要人工进行辅助操作，清扫效率低，劳动强度大，自动化程度较低;第二是适用某种特定位置状态下的绝缘子清扫，适用范围较小;第三是清扫不彻底，清扫是由设备对绝缘子的一侧转到另外一侧的间断清扫，不是连续的清扫过程，因此清扫容易留下死角;第四是需要在区域电网停电的条件下进行操作，给电网的正常运行带来不便或不必要的损失。

由此可见，采取有效措施防止电网大面积污闪事故的发生、降低污闪跳闸率，是提高电网可靠性的重要内容，定期清除污秽是保持设备实际抗污能力的有效手段。车载式带电绝缘子清洗装置在业内的介入，可以避免以上各类清洗设备存在的不足，同时也满足了电力行业变电站庞大的防污维护工作的需要，为确保电力设备的安全运行，提供了更为先进的高科技技术设备手段。目前，该装置已申报两项发明专利和三项实用新型专利。

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