变电站绝缘子带电作业干冰清污装置设计

高超 潘钰婷

摘 要：本文设计了一套带电作业的干冰清污装置，包括垂直升降套筒、水平伸缩臂、干冰机、喷头组件、卷绕机构及无线控制系统等部分。装置以干冰作为清洗介质，应用于变电站绝缘子的带电清洗，采用无线和手动两种控制方式，远距离控制装置作业，现场清洗效果好，满足带电作业环境要求。工频耐压和泄漏电流及电磁兼容试验表明，装置的绝缘性能满足变电站带电清洗作业清洗要求，且无线控制系统满足变电站环境要求。可见，本文设计的干冰清污装置是一种安全、高效的变电站绝缘子清洗装置。

关键词：干冰清污;带电作业;绝缘子;无线控制

中图分类号：TM216;TM63;TP242文献标识码：A文章编号：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

随着社会经济的发展，大气中的污染物种类越来越复杂，污染程度越来越高，污秽对电力系统的安全运行造成了极大威胁[1]，而电网设备的污闪事故严重威胁电力系统的安全运行[2-3]。清除相关设备外绝缘表面的污秽物可以有效防止污闪事故的发生[4]。国内电网设备目前普遍采用的方法是停电清扫，虽然简单易行，但费时、费力、劳动强度大，且清扫质量难以保证[5]。随着电网电压等级不断提高，设备停电的机会越来越少、停电时间越来越短，设备停电清扫将难以实现[6]。因此，开展带电清扫，确保电力系统安全稳定运行已成为必然的发展趋势[7]。例如，江苏省电力公司研发了一种电动吹风绝缘子带电清扫器，对电力生产中的绝缘子进行带电清扫;上海交通大学机器人研究所也研制了超高压带电清扫作业机器人[8]，应用于室外变电设备绝缘瓷瓶的带电清扫。

干冰清洗是一种先进的清洗技术，清洗介质为固态二氧化碳颗粒，目前被广泛应用于汽车制造、航空、核电和食品加工等领域。但目前，国内外鲜有将干冰清洗技术应用于电力设备外绝缘带电清洗的研究。本文介绍了一种新型带电作业干冰清污装置，用于变电站绝缘子污秽的带电清洗，能有效防止绝缘子污闪事故，保障电力系統的安全稳定运行。

1 干冰清污装置整体结构

带电作业干冰清污装置由承载车体、升降驱动机构、卷绕机构、垂直升降套筒、顶部旋转平台、水平伸缩臂、小型干冰机、喷头组件和压缩空气系统等构成（见图1）。垂直升降机构采用电机驱动，水平伸缩臂、旋转平台、喷头组件和干冰机采用气压驱动;控制系统包括手动控制和无线控制两种方式。带电作业干冰清洗装置主要技术参数要求如表1所示。

1.1 小型气动干冰机

干冰清洗是一种先进的清洗技术，清洗介质为固态二氧化碳颗粒。干冰清洗作业后，固态二氧化碳颗粒升华为绝缘的二氧化碳气体，可以避免电气外绝缘的污闪事故，适合绝缘子的带电清洗。

干冰机是干冰清洗的关键装置。现有的干冰机重量大，只能放置在地面，相对于要清洗的绝缘子表面有很大的高度差，干冰颗粒难以上行输送，影响清洗效果。新研制的小型气动干冰机重量轻，直接安装在顶部回转平台上，不仅缩短了干冰颗粒的输送距离，减小了干冰输送时的损耗，而且较易满足输送管路的保温要求。同时，小型干冰机采用压缩空气驱动，无需外接电源，绝缘要求容易满足。整机试验表明，该小型干冰机工作效率高，清洗效果好，小型气动干冰机参数如表2所示。

1.2 干冰清洗喷头组件

干冰清洗喷头组件的主要功能是让清洗喷嘴按照预定的轨道移动，并保证喷嘴与绝缘子表面呈一定的夹角和距离，利用喷嘴喷出高速运动的干冰颗粒对绝缘子表面进行清洗。干冰清洗喷头组件包括机械手腕、齿轮回转、双清洗喷嘴和驱动马达机构。其中，机械手腕为齿轮回转机构提供精确的轨道;齿轮回转机构承载双清洗喷嘴;双清洗喷嘴为干冰颗粒的出口;驱动马达为电磁阀控制的气动马达。干冰清洗喷头组件如图2所示。

双清洗喷嘴相对清洗表面的夹角和距离是通过试验获得的。喷嘴连接压缩空气和干冰颗粒的输送管道，其压力和流量可根据污秽程度进行调节。作业时，喷头组件沿支柱绝缘子轴线运动，配合喷嘴的圆周运动完成绝缘子表面的清洗。为了保证绝缘安全性，双清洗喷嘴和齿轮回转机构采用特制的复合材料。

1.3 垂直升降与水平伸缩机构

变电站绝缘子干冰清污装置需要清洗的绝缘子距离地面2.6～8m。考虑到结构简单、运行平稳的要求，采用“垂直升降+水平伸缩+上回转”的结构设计。其中，垂直升降套筒控制装置的升降高度;水平伸缩臂调节喷头组件与绝缘子间的距离;顶部回转平台调节伸缩臂伸出的角度。

垂直升降套筒由7节升降套筒组成，最下面一节为金属材料，用于装置的固定和支撑;其余6节为绝缘材料，以满足绝缘安全性。升降机构依靠内部绝缘齿条带的垂直运动来实现升降动作。当齿条带顶升时，升降机构进行上升动作;当齿条带下行时，升降机构进行下降动作。齿条带上设置有位置开关，用于检测升降高度，保证装置的稳定性。升降机构由负载齿轮和电机进行驱动，驱动电机经由减速器带动负载齿轮，实现齿条带的运动，完成升降操作。

伸缩臂机构与顶部回转平台位于升降机构上方，用于调整喷头组件与绝缘子的距离和角度。水平伸缩臂为2节伸缩臂结构，绝缘材料制作，保证绝缘安全性;顶部回转平台为回转支撑结构，金属材料制作，用于固定和支撑伸缩臂。伸缩臂与回转平台由气动马达驱动，通过电磁换向阀控制方向。伸缩臂上设置有位置开关，用于检测水平伸缩距离，保证装置稳定。

为了实现绝缘子带电清洗作业，机构设计要同时满足绝缘性能和机械性能的要求，而正确选择绝缘材料是带电干冰清污装置研制的关键。通过对多种材料进行比较和试验，最后采用聚甲醛复合材料作为升降和伸缩机构的制造材料。这种材料具有较高的刚度和强度，同时又具有极好的绝缘性能，在高频电场作用下，仍能保持良好的介电性能，其介电强度大于15kV/mm，加工方便，完全满足带电作业的绝缘要求。

1.4 卷绕机构

垂直升降套筒依靠内部绝缘齿条带的运动来实现升降。为了配合齿条带的运动并且减少齿条带占据的空间，设计了齿条带的卷绕机构。卷绕机构由圆柱形卷筒、弹簧箱、轴承和钢板支架组成。其中，圆柱形卷筒采用钢板骨架制作，保证机构的机械强度;弹簧箱为动力机构，用于驱动卷筒的自动收卷。卷绕机构示意图如图3所示。

2 干冰清污装置控制系统

干冰清污装置控制系统采用无线和手动控制方式，以微控制器MCU和无线通信模块为核心，实现远距离控制操作。控制系统由微控制器模块、无线通信模块、电磁阀模块和控制面板模块等组成。控制系统原理图如图4所示。

图4中，虚线方框内的模块为整个控制系统的核心。当控制旋转平台、伸缩臂或喷头运动时，控制面板发出指令，无线通信模块发出信息给接收模块，通过继电器控制气动阀的通断，实现气动马达的旋转，从而驱动相应机构。当位置传感器检测到达指定位置時，传感器向下反馈信号，无线通信模块接收反馈信号显示在控制面板上。当控制垂直升降套筒运动时，控制面板发出指令，无线通信模块发出信息给接收模块，从而带动电机运转。控制系统中，2个电磁阀控制1个气动马达，实现左转、右转和制动3种状态，并且设置有辅助的手动控制和紧急制动模块。

MCU控制器是控制系统的核心，通过内部软件实现对干冰清洗装置的各项操作;执行元件分布于干冰清洗装置各执行机构上，通过无线通信对其进行控制，实现各项操作作业;现场传感器元器件设计分布于各执行机构上，通过检测距离、角度等实现对执行机构的定位、限位与运行。

3 装置性能测试

3.1 绝缘电性能测试

为了实现带电清洗作业，装置的绝缘设计是关键。绝缘部分主要为起绝缘作用的垂直升降套筒、水平伸缩臂、喷头及其关联组件。装置出厂前，根据《带电作业用绝缘工具试验导则》（DL/T 878—2004）的规定，对绝缘部分进行了工频耐压试验和交流泄漏电流试验。

升降机构与伸缩臂采用聚甲醛复合材料制作。对材料进行试验时，试品长度为1.0m，施加的工频耐压试验电压为250kV，泄漏电流试验电压为78kV。试验时，逐步升压至78kV，保持15min，测量记录试品的泄漏电流I1，再逐步升压至250kV并保持1min，观察试品有无发生闪络或者击穿现象。在78kV下，实际测得I1=0.08mA，小于标准规定的0.5mA，泄漏电流试验满足要求。在工频250kV耐压试验下，试品未发生沿面闪络，材料的绝缘性能试验合格。

3.2 控制系统测试

3.2.1 控制系统电磁兼容试验。为了保证控制系统的工作可靠性，并避免对电力设备的干扰，对控制系统进行了电磁兼容试验，测试其在高场强区域工作的电磁兼容性和抗电磁干扰性。

根据GB/T 17626系列标准的规定，对静电放电环境中和安装条件下的装置、系统、子系统和外部设备应进行电磁兼容试验。试验内容包括2项骚扰测试和4项抗扰度试验，共6项测试内容。在骚扰测试试验中，被测试样品以在标准A类限值下的测量值符合限值要求为合格;在抗扰度试验中，被测试样品以在试验技术要求限值内正常工作为合格，并评价为A级。试验结果如表3所示。

从表3可知，带电清洗装置控制系统在两项骚扰测试中均评价为合格，在4项抗扰度试验中均评价为A级，符合试验标准要求。控制系统不会影响相关电力设备，适用于变电站工作环境。

3.2.2 控制系统现场运行试验。在某变电站对干冰清洗装置的控制系统进行了现场运行试验，采用无线控制方式对干冰清洗装置进行远距离遥控作业，通过控制系统对干冰清洗装置的高度、角度和距离等进行控制，对不同支柱绝缘子进行了带电清洗。

清洗过程中，控制系统模块工作正常，各控制指令功能均可完整实现，升降装置各运动执行机构灵活可靠，垂直升降、水平伸缩等反应灵敏，清洗过程中机构运行状态良好、喷头组件对位准确，通过该无线控制系统可较好地实现对变电站支柱绝缘子的清洗作业。现场试验表明，装置已达到设计要求，能保障作业人员的安全。

4 结论

①带电作业干冰清污装置由垂直升降套筒、水平伸缩臂、干冰机、喷头组件和卷绕机构等构成，整机结构设计合理，以干冰颗粒为清洗介质，满足带电作业的要求。

②控制系统以微控制器MCU和无线通信模块为核心，有无线和手动两种控制方式，可实现远距离控制操作，满足带电作业环境要求。

③工频耐压和泄漏电流试验表明，装置材料具有良好的绝缘性，符合带电作业要求;电磁兼容和现场运行试验表明，控制系统满足电磁兼容和抗电磁干扰要求，同时满足现场运行功能要求。

参考文献：

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