基于专利分析的电力设备干冰清洗技术

常琳++郑子川++姜云健

文章编号：2095-6835（2017）10-0025-02

摘 要：首先介绍了干冰清洗技术的原理、特点及其在电力设备清洗中的应用，其次基于中国专利申请对干冰清洗技术及其发展趋势进行了分析，最后对干冰清洗技术的发展方向进行了展望。

关键词：干冰清洗；电力设备；专利分析；发展路径

中图分类号：TM507 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.025

1 电力设备带电清洗的必要性

绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中增加爬电距离，它在架空输电线路中起着2个基本作用，即支撑导线和防止电流回地。而在使用过程中发现，绝缘子会出现污秽闪络现象，即外绝缘表面受到固体、液体和气体导电物质的污染。在受到雾、露、毛毛雨等湿润作用后，污层电导增大、泄漏电流增加，产生局部电弧，在运行电压下，绝缘子表面的局部电弧发展成为电弧闪络。这种闪络的发生不是因为作用电压升高，而是因为绝缘子表面的绝缘能力降低。

绝缘子的污闪过程涉及污垢积累、潮濕、形成干燥带并产生局部电弧、局部电弧发展至完全闪络4个阶段，污垢积累是污闪的前提条件。因此，对输变电设备绝缘表面污秽进行清扫是恢复设备原有绝缘水平、防止污闪事故发生的有效措施。

2 干冰清洗技术

20世纪80年代初，美国针对核发电系统、军事领域卫星导航系统及设备清洗维护的特殊需求，将二氧化碳制成干冰颗粒，利用喷射弹道轨迹和低温龟裂原理解决了上述问题。20世纪80年代末，该技术由军事领域转向民用工业领域，并取得了飞速的发展。

2.1 干冰清洗原理

干冰清洗以压缩空气为动力和载体，将干冰颗粒作为被加速粒子，通过专用的干冰清洗机喷射到被清洗物表面，利用高速运动的固体干冰颗粒的动量变化、升华、融化等能量转换，使被清洗物表面的污垢迅速冷却，从而凝结、脆化、被剥离，且同时随气流清除。

图1（a）为干冰清洗前污垢层与基体的结合状态。现对干冰清洗原理作如下分析。

2.1.1 低温剥离作用

如图1（b）所示，被加速的干冰颗粒与污塘层表面碰撞并进行热交换，降低污垢层温度，污垢层遇冷后收缩、变脆及龟裂。由于污垢层和基体膨胀系数不同，所以遇冷后污垢和基体间的结合力将降低，使污垢容易被去除。

2.1.2 冲击、吹扫作用

如图1（c）所示，在压缩气体的作用下，由喷嘴喷射出的超声速干冰颗粒具有很大的动能，对污垢层具有磨削、剪切作用，从而使污垢裂纹、破碎，高速运动的干冰颗粒碰撞到污物表面后，将动能和冲击力传递给污垢层，并克服已经减小的污垢与物体表面之间的黏附力去除污垢，去掉的污垢随高压气流被卷走，从而实现了对污垢的去除。

2.1.3 升华作用

如图1（d）所示，干冰颗粒与污垢层碰撞后会迅速升华成二氧化碳气体，在短时间内体积扩大898倍，细碎的干冰微粒进入缝隙后，其体积瞬间膨胀，如同爆炸，从而将污垢层迅速除去。

图1 干冰清洗原理示意图

2.2 干冰清洗系统简介

干冰清洗系统组成如图2所示，主要包括干冰造粒机、干冰清洗机和空气压缩机。

图2 干冰清洗系统组成图

液态二氧化碳通过干冰造粒机制成干冰颗粒储存在干冰储存箱内，清洗时，将干冰颗粒加入干冰清洗机中，与过滤后的压缩空气在喷嘴混合腔中混合，干冰颗粒随高压压缩空气由喷嘴喷出，高速运动的干冰颗粒撞击到被清洗物表面，对污垢进行清洗。因此，干冰清洗机是干冰清洗系统的重要组成部分。

2.3 干冰清洗在电力设备清洗中的应用

上海交通大学机器人研究所与兰州电力公司在国家“863”项目的资助下，联合研制了超高压带电清扫作业机器人（HVCRⅠ），很好地解决了室外变电设备绝缘瓷瓶的带电清扫问题；叶敬安通过对超高压带电作业机器人清扫装置进行优化设计与研究，研制了第二代高压带电清扫作业机器人（HVCRⅡ）；李华雷针对支柱式绝缘子，依据“垂直升降，两侧交替”的原则设计出了干冰清洗机器人；胡海平利用HY-P2001干冰清洗机（单喉管）清洗变电所隔离开关触头。

3 电力设备干冰清洗技术专利分析

3.1 历年申请量分析

为了整体分析干冰清洗领域中国专利申请的发展状况，笔者按照申请日的时间顺序对该领域中国专利申请量进行了统计分析，数据采集范围涵盖1985—2016年该领域中国专利申请。在上述数据中，由于2015—2016年该领域中国专利申请有部分未达到法定18个月的公开期限，因此2015—2016年的数据并不完整。

从历年该领域中国专利申请量来看，干冰清洗领域的中国专利申请可以分为3个发展阶段：①1985—1999年。该阶段，干冰清洗领域的中国专利申请量为0，说明此时干冰清洗还未引入国内；②2000—2008年。这一阶段的专利申请量较少，每年都在10件以下，并且上升的幅度也不明显，同时外国申请占到了该阶段专利申请量的50%左右，国内企业以厦门和丰利干冰除污设备有限公司、迪普干冰制造（大连）有限公司为主。③2009—2016年。这一阶段的专利申请量逐年提高，尤其是2013年，达到了38件。这是因为2008年南方雪灾之后，积雪带来大面积停电，导致对电力设备带电清洗产生了切实需求，引发了干冰清洗技术的井喷式发展。图3为2000—2016年历年专利申请量。

经过十余年的努力，我国干冰清洗技术已初步形成了从无到有、从引进到开发，拥有一批具有自主知识产权的研究成果。

图3 2000—2016年历年专利申请量

3.2 申请人分析

对申请人类型进行分析，发现企业申请所占比例最高，达到了62.63%，体现了干冰清洗在工业生产中起到了重要作用；高校与科研院所所占比例达到9.6%，为干冰清洗技术的发展提供了理论基础；同时，校企合作所占比例为7.07%，成为干冰清洗技术的重要研发方式之一，也体现了技术研发中理论与实践相结合的趋势。图4为各类型申请人所占比例。

图4 各类型申请人所占比例图

对申请人申请的应用领域进行分析发现，设计电力设备干冰清洗的申请量较多，电子设备及零件生产中的申请量次之。这与干冰清洗破坏性小、不留残渍的特点相适应。此外，干冰清洗还在管道清洗、模具清洗、车辆生产过程中的清洗等方面得到了广泛的应用。

3.3 在电力设备清洗领域的发展路径

综合分析各申请人在电力设备清洗领域的专利申请发现，研究热点主要集中在干冰清洗机的整体布局、干冰的连续出料、喷嘴结构、机械臂结构及升降结构上。下面以武汉大学为主对干冰清洗技术的发展路径进行分析。

2009年，武汉大学与华中电网有限公司共同申请的电气设备外绝缘的干冰清洗车，通过设置在车体上的升降机、升降平台、绝缘伸缩臂、干冰颗粒自动轨道喷头组件，能够增加喷嘴运动的自由度，减少清洗死角，提高清洗效率与质量；2011年，武汉大学与河南省电力公司漯河供电公司共同申请的干冰清洗支柱绝缘子的喷头装置，通过设置交叉式双清洗喷头对支柱绝缘子同一高度的伞裙上、下表面进行360°清洗，进一步提高了清洗效率；2013年，武汉大学与广东电网公司电力科学研究院共同申请的具有绝缘特征的带电作业用气动干冰喷射装置，其部分部件采用复合材料支撑，并采用气动马达代替电动马达为干冰喷射提供动力，进一步提高了干冰清洗的绝缘性能，提高了操作的安全性；同年，这2个单位还共同合作研制了干冰清洗车，对其整体布局进行了改进，以使其能够适用于高空绝缘子的清洗。

由此可见，依托武汉大学的科研功底，华中电网有限公司、河南省电力公司漯河供电公司、广东电网公司电力科学研究院等在干冰清洗方面取得了一定的成果，促进了干冰清洗技术在电力设备清洗领域的研发与应用，为电力设备清洗问题的解决提供了技术保障。

4 结论与展望

经过数据统计与分析可以发现，干冰清洗设备所具有的无水分、低伤害、低残留等优点使其尤其适用于电力设备的带电清洗，能够做到随时清洗，保证设备绝缘表面干净，确保设备安全运行，减少由于污闪、停电所带来的经济损失。

但是，干冰清洗方面仍然存在以下3个问题亟待解决，其也将成为以后的研究热点：①由于干冰颗粒温度较低，在将其加入到干冰清洗机的料斗中后，由于环境温度较高、水分凝结，容易造成干冰颗粒的粘连，这样不利于干冰喷射的连续进行，如何减少干冰颗粒粘连或者在粘连后进行再次破碎是值得重视的一方面；②干冰清洗利用冲击、升华所带来的破裂力对污垢进行去除，导致干冰清洗主要針对设备表面进行污渍去除，致使微小缝隙中残留污渍，如何将干冰清洗与其他清洗技术相结合，从而对污渍进行全面清除，是需要考虑的另一方面；③干冰清洗时采用压缩空气作为喷射动力，导致设备振动大、噪声大，如何降低压缩空气生产、干冰喷射所带来的噪声值得思考。

参考文献

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[4]叶敬安.超高压带电作业机器人清扫装置优化设计与研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[5]李华雷.变电站带电绝缘子干冰清洗机器人的研制[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2014.

[6]胡海平.干冰清冼在电力设备中的应用探索[J].电力讯息，2015（4）：163-164.

〔编辑：刘晓芳〕