一種500 kV變電站支柱絕緣子清洗裝置設(shè)計(jì)

呂剛，唐華東，陳亮，鄧文斌，王春，張瑞亮

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550081）

引言

變電站通常處于郊區(qū)或野外地區(qū)，附近可能存在工廠廢氣、沙塵、鳥糞等污染源，環(huán)境污染對(duì)電力系統(tǒng)的影響十分巨大。自然界鹽堿的蒸發(fā)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(xì)雨、霧、露水等情況，表面污層吸濕，電導(dǎo)率增大，絕緣子外絕緣顯著下降，即使在正常運(yùn)行條件下也有可能發(fā)生閃絡(luò)[1，2]。污穢物積聚在電氣設(shè)備的外絕緣表面，在一定的氣候條件下，就會(huì)破壞電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)而發(fā)生污穢閃絡(luò)，嚴(yán)重時(shí)可能造成電網(wǎng)解裂等事故[3，4]。

我國(guó)現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電瓷外絕緣爬距的要求對(duì)大多數(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)還達(dá)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(chǔ)上制定的，因此，電力系統(tǒng)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(xiàng)工作量很大的艱辛工作，同時(shí)又是對(duì)清掃效果要求很高的細(xì)致工作。清掃效果好壞取決于工人的責(zé)任心，而且人工清洗效率低。通常，變電站內(nèi)支柱絕緣子數(shù)量較多，高矮不一，有的高達(dá)十多米，人工清洗需要搭建腳手架及配戴安全繩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高，再加上部分人工操作不規(guī)范可能導(dǎo)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(duì)于同一個(gè)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(lái)一定的難度。

在我國(guó)，支柱絕緣子在500 kV變電站應(yīng)用相當(dāng)廣泛，且數(shù)量龐大，每年需要人工清洗，結(jié)合變電站中的500 kV支柱絕緣子的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，可開發(fā)一種清洗裝置，用于取代人工清洗，以實(shí)現(xiàn)快速、安全、高效地清洗干凈支柱絕緣子的目的。

為預(yù)防污閃事故的發(fā)生，提高輸變電設(shè)備的外絕緣性能，克服人工清洗效率低且清潔效果不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種500 kV支柱絕緣子清洗裝置，以實(shí)現(xiàn)高效清潔變電站的支柱絕緣子。需要說(shuō)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(shè)計(jì)的，但是它同時(shí)也適用于220/110/35 kV等其他電壓等級(jí)的支柱絕緣子。

1 清洗裝置的構(gòu)成

如圖2所示，本清洗裝置主要包括地面運(yùn)輸小車、電池組及液壓系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)械手、清洗夾具、清洗泵及儲(chǔ)液罐、空壓機(jī)及儲(chǔ)氣罐、抽風(fēng)機(jī)、電控箱等構(gòu)成。其中，地面運(yùn)輸小車是清洗設(shè)備的載體，人工可以手持人工界面操作盒，完成對(duì)設(shè)備到工作場(chǎng)地的就位。電池組為運(yùn)輸小車提供驅(qū)動(dòng)電力。液壓升降機(jī)構(gòu)是安裝在運(yùn)輸小車本體上，其功能是上下升降，以調(diào)整清洗水槍的高度，從而可以適應(yīng)不同絕緣子的工作高度。就位機(jī)械手是清洗的載體，安裝在地面運(yùn)輸小車上，其主要功能是確定工作空間坐標(biāo)。清洗夾具設(shè)計(jì)為兩個(gè)可開合的半圓形結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)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(huán)境。

2 支柱絕緣子的結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示，支柱絕緣子有三個(gè)方向的曲面，需要三個(gè)方向的曲面清洗才能完整地清潔整個(gè)絕緣子表面。因此，為了達(dá)到預(yù)期合格的清潔效果與質(zhì)量，清洗噴頭有必要設(shè)計(jì)成可以調(diào)整三個(gè)角度。

圖1 支柱絕緣子人工清潔

圖2 清洗裝置的構(gòu)成

3 子部件設(shè)計(jì)

1）清洗裝置

如圖4所示，本清洗裝置根據(jù)500 kV支柱絕緣子的三個(gè)曲面而設(shè)計(jì)了三組三個(gè)方向的噴嘴，噴嘴安裝在兩個(gè)半圓散料擋板內(nèi)側(cè)壁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的支柱絕緣子各個(gè)角度值可靈活調(diào)整噴嘴的角度，以適應(yīng)絕緣子的傘裙表面。每個(gè)方向有10個(gè)噴嘴，三個(gè)方向共30個(gè)噴嘴，可對(duì)絕緣子的各個(gè)表面進(jìn)行高壓水沖洗。進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)水的壓力可達(dá)到1 MPa以上，在噴水的狀態(tài)下，為了防止沖洗后污水飛濺到其他的設(shè)備上或污染外部環(huán)境，專門設(shè)計(jì)散料擋板作為保護(hù)裝置。

2）就位機(jī)械手

如圖5與圖6所示，根據(jù)500 kV支柱絕緣子的直徑大小，按支柱絕緣子最大直徑設(shè)計(jì)了開合裝置，最大開合角度為60°，X軸機(jī)械手行程為1.4 m，Y軸機(jī)械手行程為0.56 m，Y軸機(jī)械手上安裝視覺傳感器，對(duì)被噴件進(jìn)行定位，并由計(jì)算機(jī)算出該系統(tǒng)移動(dòng)的目標(biāo)定位，使清洗裝置與支柱絕緣子成為同心圓位置。

3）升降機(jī)構(gòu)

通過(guò)線性剪叉式升降機(jī)構(gòu)將噴涂裝置升至適合清洗的高度，并實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)程中的豎直線性運(yùn)動(dòng)。

4）地面運(yùn)輸小車

地面運(yùn)輸小車是設(shè)備的載體，人工可以手持人工界面操作盒，完成對(duì)設(shè)備到工作場(chǎng)地的就位。運(yùn)輸小車是行走機(jī)構(gòu)，車輪為覆帶式，可以適應(yīng)變電站里的常規(guī)地面；小車上安裝了超聲波測(cè)距儀，就位或者超位都有預(yù)示和報(bào)警。就位后，小車上有液壓自動(dòng)調(diào)整水平裝置，使小車的升降平臺(tái)垂直方向與支柱絕緣子相平行。

5）物料系統(tǒng)

物料系統(tǒng)包含以下幾個(gè)部分：高壓水系統(tǒng)、電力及供電系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工裝夾具等。各個(gè)系統(tǒng)與部件協(xié)同配合，完成清洗裝置就位、噴洗、廢液回收、吹干等作業(yè)流程。其中，高壓水系統(tǒng)采用高壓泵將儲(chǔ)存水通過(guò)高壓輸送管將水泵到噴管上，使得水壓達(dá)到1 MPa以上，再到噴嘴噴出水柱，儲(chǔ)存水箱一個(gè)自動(dòng)加滿水箱，通過(guò)連接水管，連接變電站的水龍頭以補(bǔ)充清洗水源。

圖3 絕緣子三個(gè)方向曲面圖

圖4 散料擋板圖

圖5 機(jī)械手開合裝置

圖6 測(cè)距傳感器示意圖

4 實(shí)踐與調(diào)試

清洗設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖7所示。清洗作業(yè)流程如下：

1）設(shè)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(qū)域，液壓支腿伸出將平臺(tái)調(diào)平；

2）高空就位：升降平臺(tái)升起，X、Y軸機(jī)械手調(diào)整至噴涂位，擺臂合攏，環(huán)形滑軌與絕緣子呈同心狀態(tài)；

3）旋轉(zhuǎn)噴涂：兩個(gè)噴槍沿各自環(huán)形滑軌旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)絕緣子一個(gè)傘裙360 °的噴涂，每噴涂完一個(gè)傘裙升降平臺(tái)下降一個(gè)傘裙的高度，再對(duì)緊接著的傘裙進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴涂；

4）噴涂結(jié)束：擺臂張開，X、Y軸機(jī)械手調(diào)整至起始位，升降平臺(tái)下降，調(diào)平支腳收回，管路切斷即可。

表1為本文設(shè)計(jì)清洗裝置的參數(shù)表，整機(jī)重量約為3 200 kg，運(yùn)載小車移動(dòng)速度為0.8 km/min，升降平臺(tái)升降速度為4.5 m/min，噴洗出水壓力可高達(dá)1 500 PSI（約10 MPa），操作簡(jiǎn)易，僅需1人即可完成。經(jīng)過(guò)實(shí)踐與調(diào)試，歷經(jīng)3～5次的反復(fù)清洗絕緣子，該清洗裝置可以滿足清洗干凈要求，整個(gè)過(guò)程大概需要30～40 min，相比人工清洗需要2～3 h的時(shí)長(zhǎng)，效率提高約4倍，而且清洗質(zhì)量較為穩(wěn)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(nèi)，工作高度在2.5～10 m，本裝置升降調(diào)整匹配作業(yè)高度完全沒(méi)有問(wèn)題，經(jīng)實(shí)踐證明，當(dāng)水壓達(dá)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(shí)現(xiàn)有效清洗干凈絕緣子表面的目標(biāo)。另外，本清洗裝置操作簡(jiǎn)單，僅需要1個(gè)人即可完成，普通人員經(jīng)過(guò)熟悉操作流程之后即可上手操作，因此有利于推廣到生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際應(yīng)用中。

圖7 清洗設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

表1 清洗裝置參數(shù)表

5 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)一種500 kV支柱絕緣子清洗裝置，采用升降平臺(tái)與視覺傳感器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整、確保準(zhǔn)確定位清洗噴嘴與絕緣子表面的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(yè)，有效地提高清洗質(zhì)量和清洗效率，可節(jié)省大量的人力物力，同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行操作簡(jiǎn)易，有利于投入實(shí)際應(yīng)用，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。未來(lái)，該清洗裝置有望進(jìn)一步改進(jìn)并優(yōu)化，降低設(shè)備成本并形成規(guī)?；a(chǎn)并投入到電網(wǎng)公司的絕緣子清洗應(yīng)用中。