車載式電力絕緣子清洗裝置的設計及特點分析

向 平，向 鵬，周 敏，趙 鑫，張 釗，唐婉璐，丁長鳴，劉 林

(1.重慶電力高等專科學校，重慶400053;2.成都電業局變電運行管理所，四川成都610081;3.中國二重集團德陽重型裝備股份有限公司，四川德陽618013)

0 引言

當前，我國環境保護技術還處于初級階段，加上電力設施配置相對滯后，導致電力設備外絕緣在運行過程中發生波及面較大的污閃事故。據調查，1971～1994年，全國35～500kV輸電線路共發生污穢閃絡3542次，1971～1992年全國35～500kV變電站共發生污閃事故1768次，造成長時間、大面積斷電。尤其是在2001年2月22日凌晨某地電網發生建國以來最嚴重的1次大面積污閃停電事故，事故波及該地大部分地區。導致220kV線路跳閘151條次，跳閘線路44條，并造成12座220kV變電站全停;66kV系統全省跳閘171條次，120座66kV變電所全停。由此可見，高壓外絕緣的大面積污閃事故已經對電力系統安全運行構成嚴重威脅，因此，防污閃工作是一項長期而重要的任務。

雖然，我國開展防污閃事故的相關研究已有40余年歷史，廣泛使用的防污閃技術主要有提高電力設備外絕緣爬距、人工或機械清掃、飛機噴射純水清掃、涂裝防污材料等方法，其中，增加電力設備外絕緣爬距生產成本高;人工清掃存在清洗效率低、勞動強度大，且需停電作業等不足;對于涂裝防污涂料的方法，其絕緣有效周期短，難以應對日益嚴重的環保形勢;直升飛機噴射純水雖然可以帶電清洗，但存在清洗死角，運行成本高，難以大規模推廣。車載式帶電清洗高壓電力絕緣子清洗裝置成功解決了這一難題。它以行業應用較為廣泛的高奇系列的絕緣清洗液為帶電清洗介質，以流體機械傳動(液體傳動與氣體傳動)驅動多自由度、多規格的清洗機械手為載體，對帶電絕緣子進行清洗。它具有安全、實用、高效等特點，可廣泛應用于330kV及其以下的電力設備的外絕緣子清洗作業。

1 對絕緣子帶電清洗裝置的技術要求

絕緣子帶電清洗裝置的機械手工作于高電壓之下，首先解決機械手材料在滿足相應的強度、剛度的前提下，同時還應滿足在相應電壓工作區的絕緣等級要求(在該裝置中，處于高壓工作區的多段伸縮臂至機械手總成所用的材料均為高分子絕緣復合工程塑料);其次，在高空作業過程中，為了使機械手能夠正確握住處于一般位置(極端位置狀態)的絕緣子進行清洗作業，必須給予機械手以足夠的自由度，以達成對絕緣子清洗動作目標的完成。在該裝置中，用機械傳動、流體傳動進行能量轉換和動力傳遞，以保證裝置運行的技術性能指標。

眾所周知，機械傳動效率高、傳動比穩定、結構緊湊、工作可靠，但不適合遠距離的動力傳輸;對于流體機械中的液壓(以清洗劑為工作介質)傳動，可方便實現大范圍內且不受功率大小限制的無極調速及遠距離的動力傳輸，它具有質量輕、體積小、慣性小、響應快、加速性能好、傳動平穩，但效率較低、密封點易泄漏，正是由于采用以清洗劑作為液壓介質，因此，克服了流體機械中因密封點的意外泄漏而造成對絕緣子二次污染的缺點;對于氣壓(以空氣為工作介質)傳動，工作介質清潔、介質獲得容易、介質處理方便、傳動動作迅速、反應快、工作環境適應性好、適合遠距離的動力傳輸，由于氣體可壓縮，因此氣壓傳動的穩定性較差、傳輸力矩較小、密封點易泄漏，由于氣壓傳動采用的是清潔介質，所以，密封點的意外泄漏也不會對絕緣子造成二次污染。

綜上所述，該裝置對各類傳動方式進行優勢整合，借助高空作業特種車輛中的混合臂式(即折疊臂與伸縮臂的組合形式)的成熟技術，將裝置的主臂(折疊臂)、多段伸縮臂及流體機械的原動機、控制元件(圖1中未畫出)和輔助設施全部置于車架底盤的內嚙合齒輪副所支撐的回轉機構上(以避免機械手因工作時管路系統與手臂發生纏繞)，構成車載式絕緣子帶電清洗裝置。

圖1 車載式絕緣子帶電清洗裝置總圖

2 裝置構成及工作原理

裝置展開狀態(圖1中的圖a)時為工作狀態。當裝置準備工作(收折狀態圖1中的圖b)時，由于汽車的輪胎支撐平衡能力和承載能力有限，首先伸出、放下四個支腿(件3)作為剛性支承將車輪架空，以保證裝置工作的穩定性;其次，1#伸縮缸(件4)對舉起主臂(件7)和鉸接在平面機構(件6)上的多段伸縮臂(件9)的運動提供1個自由度;2#伸縮缸(件5)、平面機構(件6)、3#伸縮缸(件8)共同對多段伸縮臂(件9)的舉起提供1個自由度;多段伸縮臂(件9)對機械手總成(件10)的舉起提供1個直線運動的自由度;回轉機構(件2)對整個清洗裝置相對于水平面提供1個旋轉運動的自由度。機械手根據絕緣子所處的空間位置，通過若干個自由度的組合，使機械手(見圖2機械手結構部件圖)握住絕緣子，并沿著絕緣子的軸線方向作往復直線運動、絕緣子軸線的垂直平面作往復擺動平面運動，從而完成對絕緣子的清洗工作。由于高空作業特種車是成熟結構與技術，對此不再贅述。

2.1 機械手工作原理

在機械手總成結構部件(如圖2所示)中(將圖中機械手所在平面定義為X—0—Z平面)，當三段伸縮臂將機械手送至絕緣子處后，鉸接在手柄(件1)上的4#伸縮缸(件2)給機械手在X—0—Z平面提供1個擺動的平面運動自由度;

鉸接在手柄(件1)上的擺動缸(件3)給機械手在Y—0—Z平面提供1個擺動的自由度，從圖2中的A—A端面放大圖可知，當流體介質由A1、A3進，A2、A4出，并在其旋轉軸徑方向上壓力平衡孔的作用下，擺動缸的旋轉軸進行順時針轉動，反之亦然;在結構上由于擺動缸(件3)的旋轉軸與5#伸縮缸(件4)的缸底自成一體，因此，當擺動缸(件3)工作時，5#伸縮缸(件4)及以后所有部件也隨之擺動;

5#伸縮缸(件4)給機械手在X軸上提供1個直線運動的自由度。到目前為止，機械手通過回轉機構至5#伸縮缸共計6個自由度所對應的傳動鏈的作用下，使機械手完成對處于一般位置狀態下的絕緣子的握住。為了確保被握住的絕緣子的幾何軸線與機械手骨架(件10)的擺動運動中心或扇形齒輪的幾何中心重合(見圖2中的引出線標注)，設置在機械手骨架(件10)內的兩根限位桿(件12)與絕緣子在軸線方向上的外輪廓同時軸向接觸，構成空間穩定的等腰三棱柱(見圖2中的E—E斷面)，為機械手相對于被清洗的絕緣子在其徑向與軸向兩個方向的運動做好了前期的鋪墊。

聯接在5#伸縮缸(件4)活塞桿上的1#旋轉缸(件15)給機械手在X—0—Y平面提供1個旋轉運動的自由度。從圖2中的C—C、D—D端面放大圖可知，2#旋轉缸(件15)的旋轉軸上設置有兩段不同旋向的葉片，當分別控制2#旋轉缸接口(C1、C2、D1、D2)流體介質進、出的流向時，其旋轉軸帶動絲桿(件20)可實現正、反轉;通過半月環組件(件5)，對絲桿(件20)、導向桿(件18)與1#旋轉缸(件14)旋轉軸進行聯接，在兩根導向桿(件18)的作用下，套裝在絲桿(件20)上的絲桿螺母套(件21)和快裝凸接頭(件17)，使機械手在Z軸方向得到一個往復直線運動的自由度，即機械手通過絲桿螺母機構運動 的轉換，完成對絕緣子在其軸線方向上的清洗動作。

圖2 機械手總成結構部件圖

套裝在2#旋轉缸(件7)兩頭伸出端旋轉軸上的直齒圓柱齒輪(件6)與固定在機械手骨架(件10)外側圓弧背上的兩個扇形齒輪(件14)同時嚙合，在兩對齒輪副的平衡驅動下，給機械手骨架(件10)以及安裝在其腔內的噴淋管和帶有刷頭的氣動馬達，在X—0—Y平面上提供1個與絕緣子軸線同軸的擺動平面運動的自由度，即機械手通過齒輪副的作用，完成對絕緣子在徑向方向上的清洗動作。從圖2中不難看出，機械手在螺紋副及導向桿的作用下，對絕緣子在其軸線方向上的清洗動作存在軌跡重疊;機械手在齒輪副的作用下，對絕緣子在其徑向方向上的清洗動作同樣也存在著軌跡重疊。由此可以確定，絕緣子通過機械手對其軸向和徑向兩個重疊軌跡的清洗，不會出現清洗死角，從而保證了機械手對絕緣子清洗的可靠性。

機械手在X—0—Y平面對絕緣子作徑向清洗運動時，由于鉸接在機械手關節(件8)上的腰形滑枕(件23)在機械手骨架(件10)腰型槽內作平面擺動，為了使二者套嵌構建之間的運動可靠。從圖2中的K局部放大圖與P局部放大圖可知，機械手骨架(件10)的腰型槽與滾珠(件22)、腰形滑枕(件23)、滾珠鎖定銷(件24)、滾珠套(件26)和滾珠限位軸(件27)共同構成類似開環式的兩個單列向心球軸承的結構;而滾珠(件22)、腰形滑枕(件23)和腰形軌道(件25)共同構成類似開環式的兩個單列推力球軸承的結構。其中，兩個開環式的單列向心球軸承的結構在機械手中用于減少或消除因機械手骨架(件10)的擺動在其腰型槽內產生的摩擦;而開環式的兩個單列推力球軸承結構在機械手中用于減少或消除因機械手骨架(件10)的擺動，在機械手關節(件8)與機械手骨架(件10)鉸接端面處的摩擦。以上兩種受力性質的開式軸承，通過關節旋轉軸(件13)兩端左、右外螺紋與上、下腰形滑枕(件23)的內左、右螺紋聯接，構成了一種適用于該機械手的特種復合式開式軸承，使機械手作徑向清洗擺動時，阻力更小，動作更加靈活自如。

為了使裝置能夠適應多種規格絕緣子的清洗，在機械手的總成中設置有快速更換結構。從圖2中的E—E斷面圖和F—F斷面圖可知，套裝在導向桿(件18)和絲桿(件20)上的快裝凸接頭(件17)的兩側設置有燕尾槽，其左端端部鉸接有兩個對稱的凸輪快速鎖緊機構(件16);在機械手關節(件8)的左側設置有與快裝凸接頭(件17)具有裝配關系的凹形槽，槽的兩個內側設置有與快裝凸接頭(件17)兩側燕尾槽端面相吻合的倒梯形軌道(見圖2中的F—F斷面圖)。當需要更換其它規格的機械手時，只需將快裝凸接頭(件17)插入機械手關節(件8)左端的凹形槽內，此時，均布于機械手關節(件8)左端凹形槽兩側內的倒梯形軌道也隨即插入了快裝凸接頭(件17)兩側的燕尾槽內，旋緊凸輪快速鎖緊機構(件16)的手柄，即實現對不同規格機械手的快速換接。其中，快速換接結構中的燕尾槽與倒梯形軌道的裝配關系用于限制二者在Y軸和Z軸兩個方向上的自由度;凸輪快速鎖緊機構(件16)用于限制二者在X軸方向上的自由度，抑制了機械手換接部位在三維空間內所有的自由度，為機械手對絕緣子的精準清洗提供了可靠的保障。

2.2 清洗裝置流體系統原理

在該裝置中，圖1中特種車的回轉機構、四個支腿、1#伸縮缸、2#伸縮缸和3#伸縮缸，由液壓油作為液壓介質構成回路單元(由圖3中的1#～21#液壓元件構成);圖1中的三段伸縮臂、圖2中的4#伸縮缸(件2)、擺動缸(件 3)、伸縮缸(件 4)、2#旋轉缸(件7)、1#旋轉缸(件15)及噴淋清洗，由清洗劑作為液壓介質構成兩個獨立的回路單元(由圖3中的22#～40#、41#～48#液壓元件構成);圖2中帶有刷頭的氣動馬達由空氣作為介質構成回路單元(由圖3中的49#～52#氣動元件構成)。各系統的詳細原理見圖3清洗裝置流體系統原理圖。

圖3 清洗裝置流體系統原理圖

2.2.1 清洗裝置1～21#元件所構成的單元

該回路為油壓系統。對于支腿回路部分，由于受汽車寬度尺寸的限制，輪胎的平衡能力有限，在其清洗工作前，必須放下前、后支腿作為剛性支承將車輪架空，當車輛正常行駛時，必須收起支腿。為了防止液壓缸(3#)內腔因油路泄漏而造成支腿在支承過程的“軟腿”或收起后的自動下滑，每個支腿的液壓缸(3#)均設有雙向液壓鎖(5#)。其中6#伺服閥組中的D閥用于隔離支腿水平油缸(3#)與垂直油缸(4#)的油路;儲能器(16)用于補充系統泄漏、保持系統恒壓。當遙控伺服閥(2#、6#)時，可分別切換其不同的工位，以達到控制支腿液壓缸支承、與收放的目的。

在回轉機構中，它通過底盤內嚙合的齒輪副及變速機構對液壓馬達(7#雙向變量旋轉缸)進行低轉速的扭矩傳遞。對于回轉回路(7#、5#、11#—E、12#)、主臂舉起回路(8#、5#、11#—F、12#)和三段伸縮臂(缸)舉起回路(9#、10#、5#、11#—G、11#—H、12#)部分，三個回路的動作結果是將機械手送至絕緣子處，要求回路執行的動作穩定、位置準確。為了防止雙向變量旋轉缸(7#)、雙作用可調雙向伸縮缸(8#、9#、10#、)內腔因油路泄漏而造成回轉機構和變幅機構對機械手的送達位置的不穩定，在其驅動缸所對應的伺服閥組11#(E、F、G、H)之間，設有雙向液壓鎖(5#)，以保證回路動作的穩定性，當遙控伺服閥組(11#)時，可分別切換其不同的工位，以達到控制回轉機構在水平面的旋轉弧度以及兩個變幅機構在立面高度的幅角精度。

2.2.2 清洗裝置22～40#元件所構成的單元

該回路是以清洗液作為介質的液壓系統。在該回路單元中，變頻調速泵(單向變量液壓泵22#)與之并聯的直動型溢流閥(36#)和儲能器(33#)構成多重穩壓系統，向回路單元提供具有高穩定性的動力。在該回路中，雙作用可調雙向伸縮缸(27#)、擺動缸(28#)、雙作用可調雙向伸縮缸(29#)在三段伸縮缸(26#)和上一回路地各個驅動缸的共同作用下，使機械手完成握住絕緣子的動作。從該單元三段伸縮臂(缸)所對應的“油路”不難看出，該缸的三個接口同時與伺服閥組(24#)中所對應的J、K、L伺服閥兩兩并聯，實現三段伸縮臂(缸)中的兩個臂的任意組合或依次伸出，因而可實現對處于不同高度絕緣子的清洗。

旋轉缸(30#)對圖1中的絲桿螺母機構提供動力，使機械手完成對絕緣子軸線方向上清洗的往復直線運動;旋轉缸(31#)對圖1中的齒輪副提供動力，使機械手完成對絕緣子徑向方向上清洗的往復擺動平面運動。由于以上每個環節都要求機械手的動作精確、穩定，因此，該回路單元中的驅動缸所對應的伺服閥組 24#(J、K、L、M、N、O)之間也設置有雙向液壓鎖(25#)，以確保各驅動缸對機械手提供的位置精度的穩定性，同時由調速組(23#)對回路的速度進行剛度補償，以提高該單元速度的穩定性(而30#旋轉缸和31#旋轉缸長期處于頻繁的往復圓周運動狀態，所以，在30#旋轉缸、31#旋轉缸和伺服閥組24#—P和24#—Q之間就無須設置液壓鎖)。當遙控伺服閥組(24#)時，可分別切換其不同的工位，達到控制機械手自由度的組合或所需完成動作的驅動。

2.2.3 清洗裝置41～48#元件所構成的單元

在該回路中，由液壓泵(41#)、可調節流閥(42#)、直動型溢流閥(44#)構成的穩壓回路給噴淋清洗頭組件(43#)提供無“水錘”現象的恒壓源清洗劑，避免因清洗劑的流速不穩定而使機械手在清洗過程中產生“顫抖”現象;噴淋清洗后的溶劑由流體收集器(48#)回收，經凈化處理后再進入下一個循環。

2.2.4 清洗裝置49～52#元件所構成的單元

在該回路中，氣泵(49#)生產的壓縮空氣通過帶污染指標過濾器(51#)的過濾，向直排式氣動馬達組(52#)提供動力，帶動氣動馬達旋轉軸上的刷頭對絕緣子進行清洗;氣動馬達使用過的尾氣通過節流，直接對絕緣子進行吹掃，輔助于刷頭的清洗。

3 經濟效益分析

以某110kV變電站絕緣子清洗為例，該變電站設備清單如表1所示。

表1 某110kV變電站絕緣設備清洗清單

采用人工清洗與采用機械清洗的經濟性對比如表2所示。

表2 人工清洗與機械清洗的經濟性對比表

結果表明，引用該機械清洗裝置的實施方案在清洗時間、清洗人工數以及相關費用上均有明顯的實用優勢，尤其是在對該變電站110kV避雷線絕緣子、線路側A相懸瓶、站內側163開關回路A相高壓隔離開關等設備進行機械帶電清洗作業中，洗液回收利用率高、無閃絡，清洗效果好。絕緣子清洗前后絕緣值的對比測試，絕緣子清洗后的絕緣值比清洗前提高67倍，效果顯著。

值得一提的是:整個實施過程中，帶電設備運行正常、安全可靠、清潔效果明顯，能夠在短時間內提高帶電設備的安全穩定性。

4 結論

根據目前國內查新資料顯示，業內雖然已有各種類型的絕緣子清洗設備，但這些清洗設備或多或少存在以下不足，第一是設備在清掃過程中的許多環節需要人工進行輔助操作，清掃效率低，勞動強度大，自動化程度較低;第二是適用某種特定位置狀態下的絕緣子清掃，適用范圍較小;第三是清掃不徹底，清掃是由設備對絕緣子的一側轉到另外一側的間斷清掃，不是連續的清掃過程，因此清掃容易留下死角;第四是需要在區域電網停電的條件下進行操作，給電網的正常運行帶來不便或不必要的損失。

由此可見，采取有效措施防止電網大面積污閃事故的發生、降低污閃跳閘率，是提高電網可靠性的重要內容，定期清除污穢是保持設備實際抗污能力的有效手段。車載式帶電絕緣子清洗裝置在業內的介入，可以避免以上各類清洗設備存在的不足，同時也滿足了電力行業變電站龐大的防污維護工作的需要，為確保電力設備的安全運行，提供了更為先進的高科技技術設備手段。目前，該裝置已申報兩項發明專利和三項實用新型專利。

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