基于專利分析的電力設(shè)備干冰清洗技術(shù)

常琳++鄭子川++姜云健

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0025-02

摘 要：首先介紹了干冰清洗技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其在電力設(shè)備清洗中的應(yīng)用，其次基于中國(guó)專利申請(qǐng)對(duì)干冰清洗技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，最后對(duì)干冰清洗技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：干冰清洗；電力設(shè)備；專利分析；發(fā)展路徑

中圖分類號(hào)：TM507 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.025

1 電力設(shè)備帶電清洗的必要性

絕緣子是一種特殊的絕緣控件，能夠在架空輸電線路中增加爬電距離，它在架空輸電線路中起著2個(gè)基本作用，即支撐導(dǎo)線和防止電流回地。而在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，絕緣子會(huì)出現(xiàn)污穢閃絡(luò)現(xiàn)象，即外絕緣表面受到固體、液體和氣體導(dǎo)電物質(zhì)的污染。在受到霧、露、毛毛雨等濕潤(rùn)作用后，污層電導(dǎo)增大、泄漏電流增加，產(chǎn)生局部電弧，在運(yùn)行電壓下，絕緣子表面的局部電弧發(fā)展成為電弧閃絡(luò)。這種閃絡(luò)的發(fā)生不是因?yàn)樽饔秒妷荷?，而是因?yàn)榻^緣子表面的絕緣能力降低。

絕緣子的污閃過(guò)程涉及污垢積累、潮濕、形成干燥帶并產(chǎn)生局部電弧、局部電弧發(fā)展至完全閃絡(luò)4個(gè)階段，污垢積累是污閃的前提條件。因此，對(duì)輸變電設(shè)備絕緣表面污穢進(jìn)行清掃是恢復(fù)設(shè)備原有絕緣水平、防止污閃事故發(fā)生的有效措施。

2 干冰清洗技術(shù)

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)針對(duì)核發(fā)電系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及設(shè)備清洗維護(hù)的特殊需求，將二氧化碳制成干冰顆粒，利用噴射彈道軌跡和低溫龜裂原理解決了上述問(wèn)題。20世紀(jì)80年代末，該技術(shù)由軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用工業(yè)領(lǐng)域，并取得了飛速的發(fā)展。

2.1 干冰清洗原理

干冰清洗以壓縮空氣為動(dòng)力和載體，將干冰顆粒作為被加速粒子，通過(guò)專用的干冰清洗機(jī)噴射到被清洗物表面，利用高速運(yùn)動(dòng)的固體干冰顆粒的動(dòng)量變化、升華、融化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物表面的污垢迅速冷卻，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時(shí)隨氣流清除。

圖1（a）為干冰清洗前污垢層與基體的結(jié)合狀態(tài)?，F(xiàn)對(duì)干冰清洗原理作如下分析。

2.1.1 低溫剝離作用

如圖1（b）所示，被加速的干冰顆粒與污塘層表面碰撞并進(jìn)行熱交換，降低污垢層溫度，污垢層遇冷后收縮、變脆及龜裂。由于污垢層和基體膨脹系數(shù)不同，所以遇冷后污垢和基體間的結(jié)合力將降低，使污垢容易被去除。

2.1.2 沖擊、吹掃作用

如圖1（c）所示，在壓縮氣體的作用下，由噴嘴噴射出的超聲速干冰顆粒具有很大的動(dòng)能，對(duì)污垢層具有磨削、剪切作用，從而使污垢裂紋、破碎，高速運(yùn)動(dòng)的干冰顆粒碰撞到污物表面后，將動(dòng)能和沖擊力傳遞給污垢層，并克服已經(jīng)減小的污垢與物體表面之間的黏附力去除污垢，去掉的污垢隨高壓氣流被卷走，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)污垢的去除。

2.1.3 升華作用

如圖1（d）所示，干冰顆粒與污垢層碰撞后會(huì)迅速升華成二氧化碳?xì)怏w，在短時(shí)間內(nèi)體積擴(kuò)大898倍，細(xì)碎的干冰微粒進(jìn)入縫隙后，其體積瞬間膨脹，如同爆炸，從而將污垢層迅速除去。

圖1 干冰清洗原理示意圖

2.2 干冰清洗系統(tǒng)簡(jiǎn)介

干冰清洗系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括干冰造粒機(jī)、干冰清洗機(jī)和空氣壓縮機(jī)。

圖2 干冰清洗系統(tǒng)組成圖

液態(tài)二氧化碳通過(guò)干冰造粒機(jī)制成干冰顆粒儲(chǔ)存在干冰儲(chǔ)存箱內(nèi)，清洗時(shí)，將干冰顆粒加入干冰清洗機(jī)中，與過(guò)濾后的壓縮空氣在噴嘴混合腔中混合，干冰顆粒隨高壓壓縮空氣由噴嘴噴出，高速運(yùn)動(dòng)的干冰顆粒撞擊到被清洗物表面，對(duì)污垢進(jìn)行清洗。因此，干冰清洗機(jī)是干冰清洗系統(tǒng)的重要組成部分。

2.3 干冰清洗在電力設(shè)備清洗中的應(yīng)用

上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所與蘭州電力公司在國(guó)家“863”項(xiàng)目的資助下，聯(lián)合研制了超高壓帶電清掃作業(yè)機(jī)器人（HVCRⅠ），很好地解決了室外變電設(shè)備絕緣瓷瓶的帶電清掃問(wèn)題；葉敬安通過(guò)對(duì)超高壓帶電作業(yè)機(jī)器人清掃裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，研制了第二代高壓帶電清掃作業(yè)機(jī)器人（HVCRⅡ）；李華雷針對(duì)支柱式絕緣子，依據(jù)“垂直升降，兩側(cè)交替”的原則設(shè)計(jì)出了干冰清洗機(jī)器人；胡海平利用HY-P2001干冰清洗機(jī)（單喉管）清洗變電所隔離開(kāi)關(guān)觸頭。

3 電力設(shè)備干冰清洗技術(shù)專利分析

3.1 歷年申請(qǐng)量分析

為了整體分析干冰清洗領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)的發(fā)展?fàn)顩r，筆者按照申請(qǐng)日的時(shí)間順序?qū)υ擃I(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)采集范圍涵蓋1985—2016年該領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)。在上述數(shù)據(jù)中，由于2015—2016年該領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)有部分未達(dá)到法定18個(gè)月的公開(kāi)期限，因此2015—2016年的數(shù)據(jù)并不完整。

從歷年該領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)量來(lái)看，干冰清洗領(lǐng)域的中國(guó)專利申請(qǐng)可以分為3個(gè)發(fā)展階段：①1985—1999年。該階段，干冰清洗領(lǐng)域的中國(guó)專利申請(qǐng)量為0，說(shuō)明此時(shí)干冰清洗還未引入國(guó)內(nèi)；②2000—2008年。這一階段的專利申請(qǐng)量較少，每年都在10件以下，并且上升的幅度也不明顯，同時(shí)外國(guó)申請(qǐng)占到了該階段專利申請(qǐng)量的50%左右，國(guó)內(nèi)企業(yè)以廈門和豐利干冰除污設(shè)備有限公司、迪普干冰制造（大連）有限公司為主。③2009—2016年。這一階段的專利申請(qǐng)量逐年提高，尤其是2013年，達(dá)到了38件。這是因?yàn)?008年南方雪災(zāi)之后，積雪帶來(lái)大面積停電，導(dǎo)致對(duì)電力設(shè)備帶電清洗產(chǎn)生了切實(shí)需求，引發(fā)了干冰清洗技術(shù)的井噴式發(fā)展。圖3為2000—2016年歷年專利申請(qǐng)量。

經(jīng)過(guò)十余年的努力，我國(guó)干冰清洗技術(shù)已初步形成了從無(wú)到有、從引進(jìn)到開(kāi)發(fā)，擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果。

圖3 2000—2016年歷年專利申請(qǐng)量

3.2 申請(qǐng)人分析

對(duì)申請(qǐng)人類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)申請(qǐng)所占比例最高，達(dá)到了62.63%，體現(xiàn)了干冰清洗在工業(yè)生產(chǎn)中起到了重要作用；高校與科研院所所占比例達(dá)到9.6%，為干冰清洗技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)；同時(shí)，校企合作所占比例為7.07%，成為干冰清洗技術(shù)的重要研發(fā)方式之一，也體現(xiàn)了技術(shù)研發(fā)中理論與實(shí)踐相結(jié)合的趨勢(shì)。圖4為各類型申請(qǐng)人所占比例。

圖4 各類型申請(qǐng)人所占比例圖

對(duì)申請(qǐng)人申請(qǐng)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)電力設(shè)備干冰清洗的申請(qǐng)量較多，電子設(shè)備及零件生產(chǎn)中的申請(qǐng)量次之。這與干冰清洗破壞性小、不留殘漬的特點(diǎn)相適應(yīng)。此外，干冰清洗還在管道清洗、模具清洗、車輛生產(chǎn)過(guò)程中的清洗等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.3 在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的發(fā)展路徑

綜合分析各申請(qǐng)人在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的專利申請(qǐng)發(fā)現(xiàn)，研究熱點(diǎn)主要集中在干冰清洗機(jī)的整體布局、干冰的連續(xù)出料、噴嘴結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及升降結(jié)構(gòu)上。下面以武漢大學(xué)為主對(duì)干冰清洗技術(shù)的發(fā)展路徑進(jìn)行分析。

2009年，武漢大學(xué)與華中電網(wǎng)有限公司共同申請(qǐng)的電氣設(shè)備外絕緣的干冰清洗車，通過(guò)設(shè)置在車體上的升降機(jī)、升降平臺(tái)、絕緣伸縮臂、干冰顆粒自動(dòng)軌道噴頭組件，能夠增加噴嘴運(yùn)動(dòng)的自由度，減少清洗死角，提高清洗效率與質(zhì)量；2011年，武漢大學(xué)與河南省電力公司漯河供電公司共同申請(qǐng)的干冰清洗支柱絕緣子的噴頭裝置，通過(guò)設(shè)置交叉式雙清洗噴頭對(duì)支柱絕緣子同一高度的傘裙上、下表面進(jìn)行360°清洗，進(jìn)一步提高了清洗效率；2013年，武漢大學(xué)與廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院共同申請(qǐng)的具有絕緣特征的帶電作業(yè)用氣動(dòng)干冰噴射裝置，其部分部件采用復(fù)合材料支撐，并采用氣動(dòng)馬達(dá)代替電動(dòng)馬達(dá)為干冰噴射提供動(dòng)力，進(jìn)一步提高了干冰清洗的絕緣性能，提高了操作的安全性；同年，這2個(gè)單位還共同合作研制了干冰清洗車，對(duì)其整體布局進(jìn)行了改進(jìn)，以使其能夠適用于高空絕緣子的清洗。

由此可見(jiàn)，依托武漢大學(xué)的科研功底，華中電網(wǎng)有限公司、河南省電力公司漯河供電公司、廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院等在干冰清洗方面取得了一定的成果，促進(jìn)了干冰清洗技術(shù)在電力設(shè)備清洗領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，為電力設(shè)備清洗問(wèn)題的解決提供了技術(shù)保障。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析可以發(fā)現(xiàn)，干冰清洗設(shè)備所具有的無(wú)水分、低傷害、低殘留等優(yōu)點(diǎn)使其尤其適用于電力設(shè)備的帶電清洗，能夠做到隨時(shí)清洗，保證設(shè)備絕緣表面干凈，確保設(shè)備安全運(yùn)行，減少由于污閃、停電所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

但是，干冰清洗方面仍然存在以下3個(gè)問(wèn)題亟待解決，其也將成為以后的研究熱點(diǎn)：①由于干冰顆粒溫度較低，在將其加入到干冰清洗機(jī)的料斗中后，由于環(huán)境溫度較高、水分凝結(jié)，容易造成干冰顆粒的粘連，這樣不利于干冰噴射的連續(xù)進(jìn)行，如何減少干冰顆粒粘連或者在粘連后進(jìn)行再次破碎是值得重視的一方面；②干冰清洗利用沖擊、升華所帶來(lái)的破裂力對(duì)污垢進(jìn)行去除，導(dǎo)致干冰清洗主要針對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行污漬去除，致使微小縫隙中殘留污漬，如何將干冰清洗與其他清洗技術(shù)相結(jié)合，從而對(duì)污漬進(jìn)行全面清除，是需要考慮的另一方面；③干冰清洗時(shí)采用壓縮空氣作為噴射動(dòng)力，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)大、噪聲大，如何降低壓縮空氣生產(chǎn)、干冰噴射所帶來(lái)的噪聲值得思考。

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〔編輯：劉曉芳〕