一種變電站屏柜清掃工具的設(shè)計與應用

摘要：變電站的端子箱、匯控柜、保護屏等屏柜里的保護裝置及其回路是保證輸變電設(shè)備正確動作切除隔離故障的重要設(shè)備，需要定期開展清掃運維。文章旨在研發(fā)一種新型屏柜清掃工具，能夠進入較狹窄的空間內(nèi)進行清掃，且能將毛刷刷下來的灰塵馬上吸走，從而在提高安全性能的基礎(chǔ)上，達到維護周期所要求的清掃工藝標準。

關(guān)鍵詞：變電站；屏柜；清掃工具；變電運維；保護裝置；變電設(shè)備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM411 文章編號：1009-2374（2016）35-0016-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.008

1 概述

1.1 變電站屏柜概述

電力系統(tǒng)中，繼電保護和自動裝置是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高電能質(zhì)量的重要二次設(shè)備，而交直流電源等其他二次設(shè)備則是變電站內(nèi)所有一二次設(shè)備正常工作的可靠保障。二次設(shè)備及其回路放置在端子箱、匯控柜、保護屏等屏柜里，因此對屏柜的清掃維護就顯得十分必要和重要。

南方氣候潮濕，二次屏柜特別是戶外端子箱經(jīng)常會出現(xiàn)積露、生銹、絕緣不良等缺陷，一旦維護不到位，積聚的灰塵在受潮后將造成交、直流回路對地絕緣電阻降低，或接地或短路，使保護誤動或拒動等，存在著嚴重的事故隱患。

1.2 運維現(xiàn)狀與不足

按南方電網(wǎng)最新的差異化運維管理要求，變電站屏柜每半年清掃一次，但戶外端子箱工作環(huán)境相對惡劣，而戶內(nèi)保護屏又由于靜電作用容易吸附灰塵，半年下來很容易積聚大量灰塵。由于數(shù)量多，柜內(nèi)布置緊湊、二次電纜繁多而復雜，清掃難度比較大，目前普遍使用的清掃方法有兩種：

第一，最基本的人手使用絕緣毛刷進行清掃，該方法有兩個缺點：（1）掃下來的灰塵還會散落到其他地方，需要再次清抹或吸走；（2）人手很難探入較狹窄的地方，如有操作不當極容易造成低壓觸電或是端子開路、短路。

第二，使用手持式吸塵器進行清掃，雖能解決灰塵但手持式吸塵器的續(xù)航能力差，遠遠無法滿足全站屏柜清掃的作業(yè)要求。

2 屏柜清掃工具的設(shè)計

2.1 整體設(shè)計思路

為同時解決揚塵、多樣性、續(xù)航性等問題，本項目屏柜清掃工具的設(shè)計思路是在手持式吸塵器的基礎(chǔ)上改良，在吸管前端加裝便于裝拆的不同尺寸的絕緣毛刷頭，在工作時能高速旋轉(zhuǎn)，吸附得比較緊的灰塵被毛刷頭刷出來后馬上能被吸塵器吸走。配備細長方便的絕緣管，使其能夠進入較狹窄的空間內(nèi)進行清掃，從而在提高安全性能的基礎(chǔ)上，達到維護周期所要求的清掃工藝標準。

清掃工具由毛刷頭及動力裝置、吸塵器、電源及其他配件組成。

2.2 毛刷頭設(shè)計方案

2.2.1 動力傳動裝置。毛刷頭的動力裝置有風力渦輪驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種方案：

第一，風力渦輪驅(qū)動。在吸塵器管道內(nèi)裝設(shè)風力渦輪作為動力裝置，當清掃工具工作時，管道的吸力將帶動風力渦輪高速自行旋轉(zhuǎn)，并帶動與之同軸連接的毛刷頭高速旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，毛刷頭清掃的反作用力（即風力渦輪的受力）及濾網(wǎng)、管道等摩擦為風路系統(tǒng)的阻力元件，如忽略后者的影響，當渦輪的阻力與吸塵器的動力匹配時，風力渦輪獲得效率峰值。這種動力全憑吸塵器驅(qū)動，無需額外的能量來源。

但如果動力全部輸出到渦輪上，會導致風的吸力功率較低。加上實際工作中，濾網(wǎng)會極大增加風道系統(tǒng)的阻力，導致要么吸力不足，要么毛刷頭轉(zhuǎn)速不高；也可以增加吸塵器的功率以匹配足夠的清掃能量，但會導致更加耗能。

第二，電機驅(qū)動。在吸塵器管道內(nèi)裝設(shè)電機，利用電機帶動毛刷頭轉(zhuǎn)動。電機在管道內(nèi)驅(qū)動的優(yōu)點是穩(wěn)定，不需考慮散熱問題，不過需要考慮電機防塵問題，以及在管道內(nèi)額外敷設(shè)電線。

反復對比驗證兩種方案后發(fā)現(xiàn)，渦輪同樣存在防塵的隱患，電機輸出功率比渦輪更穩(wěn)定，在同風速、同毛刷出力的前提下，吸塵器+電機的總功率反而小于帶動渦輪出力的單一吸塵器所消耗的功率。

一般電機的轉(zhuǎn)速可達到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)，但實驗證明過快的轉(zhuǎn)速不僅反作用力過大影響穩(wěn)定，而且毛刷容易散開或損壞，甚至可能損壞端子排或二次線。因此本工具使用減速電機，轉(zhuǎn)速為每分鐘500～600轉(zhuǎn)，經(jīng)實踐應用能夠滿足頑固灰塵的清除要求。

電機驅(qū)動存在兩個問題：一個是如果裝在風道內(nèi)，會擠壓空氣通過面積，加大吸塵器的負荷；另一個是電機防塵的問題。項目組從電吹風的構(gòu)造中獲得靈感，最終確定電機、傳動裝置與風管的T型設(shè)計方案，如圖1所示：

毛刷頭與傳動軸之間、傳動軸與電機之間均采用軸連器匹配。因距離較長，傳動軸用小型軸承固定在殼體上保持穩(wěn)定。

毛刷頭、傳動桿及手柄構(gòu)成清掃工具工作時的主風道路徑；電機固定在另一端的底座上，底座設(shè)置小的透風孔。當工具工作時，灰塵在吸力作用下進入管道而不會進入電機部位，解決了電機的防塵問題；而電機發(fā)出的熱量也會通過透風孔進入主管道降溫。

電機的電源從吸塵裝置引出并聯(lián)支路取得，經(jīng)適配器變壓后沿管道敷設(shè)單相電線到達底座。電機可通過后蓋上的按鈕來開關(guān)，使電機既可以與吸塵器同時工作，也可以獨立停轉(zhuǎn)，滿足不同的維護需求。

2.2.2 毛刷頭材質(zhì)與配置。毛刷采用絕緣能力優(yōu)秀、剛性較強的豬鬃毛，通過壓接工藝與裙部連接形成毛刷頭。根據(jù)清掃位置的不同配置有碗狀、杯狀和筆狀三種。碗狀毛刷頭直徑最大（20mm），毛最短，適用于裝置面板、柜底、柜門的清掃；杯狀毛刷頭直徑12mm，適用于二次線、端子排的清掃；筆狀毛刷頭直徑最小，但毛最長，適用于內(nèi)排端子、電纜縫隙等狹窄難深入的地方，可將頑固灰塵清除。

為了保證絕緣毛刷壓接的強度和粘度，裙部及連桿使用金屬材料，涂上防銹絕緣漆以避免在清掃過程中發(fā)生端子短路。

盡管在金屬部分涂上防銹漆，為避免工作過程中的摩擦導致絕緣受損，設(shè)計中嚴格控制裙部金屬部分不得突出殼體。毛刷頭與傳動桿之間的軸連器為帶檔位的軸連器，可使用內(nèi)六角螺絲刀前后調(diào)節(jié)毛刷頭位置，每5mm為一檔，共分3檔。設(shè)計保證毛刷頭在最外一檔時，金屬部分也不突出殼體。

毛刷頭端的殼體較為瘦長，方便伸入到較為狹窄的空間進行清掃。頭部殼體可以拆卸以便調(diào)節(jié)毛刷頭長度或更換毛刷頭。

2.3 吸塵裝置方案

2.3.1 吸塵器選擇。真空吸塵器是利用高速風扇在強力抽吸時所造成的負壓，把塵埃及臟物清除掉的一種家用電器，是現(xiàn)代生活中人們進行清掃工作的理想器具。吸塵器分為手持式、臥式和肩背式。為了保證清掃功率和續(xù)航時間，本項目采用臥式大功率吸塵器，功率1kW或以上。

2.3.2 濾網(wǎng)。濾網(wǎng)是吸塵裝置的主要阻力元件，其阻力與濾網(wǎng)的面積及孔徑呈負相關(guān)關(guān)系。從節(jié)能及清掃效果的角度出發(fā)，應盡量減少濾網(wǎng)對吸力功率的損耗，濾網(wǎng)面積應盡可能大，孔徑在合理范圍內(nèi)盡可能大。因本項目采用臥式吸塵器，可以配置大容積濾網(wǎng)，從而減低功率損失；在戶外端子箱工作時，還能摘掉濾網(wǎng)，進一步增強管道的真空度，強化清掃工具的清掃能力。

2.4 電源方案

電源的選取上有兩種方案：一種是純交流電源；另一種是交流電源與直流蓄電池結(jié)合的方案。前者的特點是裝置整體質(zhì)量輕便，造價便宜但靈活性低；后者的特點是由于有蓄電池的電能，在某些交流電源不易獲得的屏柜內(nèi)也能正常工作，但是整體質(zhì)量重，造價高。

根據(jù)變電站一般設(shè)計規(guī)范及現(xiàn)場勘察結(jié)果，變電站絕大多數(shù)端子箱旁都有開關(guān)機構(gòu)箱，可以方便地取得交流電源；而功能室內(nèi)基本上配有交流電源插座，本著經(jīng)濟便利的原則，采用純交流電源的方案。

3 屏柜清掃工具的應用

屏柜清掃工具在廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局220kV新會巡維中心開展應用以來，在實際應用中不斷吸收意見，幾經(jīng)改進，取得了不錯的清掃效率和除塵效果。

以220kV銀湖變電站為例，原來對全站端子箱、二次屏柜的清掃使用傳統(tǒng)的毛刷結(jié)合手持式吸塵器進行，需要3個人、1天半才能完成，而且清掃效果差，飄揚的灰塵不僅影響二次設(shè)備安全，也危害職業(yè)健康。使用本工具后，只需要2名作業(yè)人員，不到一天就完成了，滿足清掃工藝要求，提高工作效率，保證維護人員和設(shè)備運行安全，受到運行人員的歡迎。

4 結(jié)語

本項目研發(fā)的屏柜清掃工具屬于便攜式設(shè)備，可廣泛應用于變電站日常維護。運行人員使用機構(gòu)箱的交流電源，開啟后絕緣毛刷轉(zhuǎn)動；清掃出來的灰塵馬上吸走，無需擔心反復清掃，也保障了職工健康。維護人員利用該工具，一個人可完成原來需要兩三人配合的工作，維護快捷便利，可以確保清除頑固污跡。在降低作業(yè)風險的同時，大大提高工作效率，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

當然屏柜清掃工具還存在一些不足，主要體現(xiàn)在電源的短板上。在戶外GIS設(shè)備等不易取得電源的區(qū)域，純交流電源的局限性顯得尤為突出。相信在不遠的將來，當電池技術(shù)得到快速發(fā)展時，將純交流電源改造成交直流混合電源提供動力，將大大提升清掃工具的實用性。

參考文獻

[1] 杜朝輝.水平軸風力渦輪設(shè)計與性能預估方法的三維失速延遲模型——Ⅱ.模型建立及應用[J].太陽能學報，2000，（1）.

[2] 杜朝輝，劉富斌.旋轉(zhuǎn)對風力渦輪葉片邊界層的影響[J].上海交通大學學報，1999，（8）.

[3] 趙巧俠.變電設(shè)備機構(gòu)箱、端子箱的運行維護不可小視[J].企業(yè)導報，2014，（8）.

[4] 歐陽海松，彭志彪.變電站運行維護工作探討[J].科技與企業(yè)，2012，（22）.

作者簡介：吳卓文（1986-），男，廣東新會人，廣東電網(wǎng)公司江門供電局中級工程師，工程碩士，研究方向：電力管理。

（責任編輯：黃銀芳）