一种500 kV变电站支柱绝缘子清洗装置设计

吕刚，唐华东，陈亮，邓文斌，王春，张瑞亮

（1.南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550081）

引言

变电站通常处于郊区或野外地区，附近可能存在工厂废气、沙尘、鸟粪等污染源，环境污染对电力系统的影响十分巨大。自然界盐碱的蒸发等等，使大气中含大量的酸、碱、盐的化合物微粒，日积月累地漂浮沉积在线路绝缘子表面上，逢毛毛细雨、雾、露水等情况，表面污层吸湿，电导率增大，绝缘子外绝缘显著下降，即使在正常运行条件下也有可能发生闪络[1，2]。污秽物积聚在电气设备的外绝缘表面，在一定的气候条件下，就会破坏电气设备的绝缘状态而发生污秽闪络，严重时可能造成电网解裂等事故[3，4]。

我国现行的电力行业标准对电瓷外绝缘爬距的要求对大多数设备来说还达不到不需清扫即能防止污闪，而是建立在一年一清扫的基础上制定的，因此，电力系统仍广泛采用清扫绝缘子的方法以防止污闪。如图1所示，绝缘子人工清扫是一项工作量很大的艰辛工作，同时又是对清扫效果要求很高的细致工作。清扫效果好坏取决于工人的责任心，而且人工清洗效率低。通常，变电站内支柱绝缘子数量较多，高矮不一，有的高达十多米，人工清洗需要搭建脚手架及配戴安全绳，劳动强度大，危险性高，再加上部分人工操作不规范可能导致清洗不干净。另外，同一串绝缘子中，不同伞裙的憎水性存在差异，对于同一个伞裙上下面或不同方位，其憎水性也存在一定的差异[5，6]。绝缘子的不同部位憎水性分布不均匀也给人工清洗带来一定的难度。

在我国，支柱绝缘子在500 kV变电站应用相当广泛，且数量庞大，每年需要人工清洗，结合变电站中的500 kV支柱绝缘子的结构及其应用场景特点，可开发一种清洗装置，用于取代人工清洗，以实现快速、安全、高效地清洗干净支柱绝缘子的目的。

为预防污闪事故的发生，提高输变电设备的外绝缘性能，克服人工清洗效率低且清洁效果不稳定的问题，本文设计一种500 kV支柱绝缘子清洗装置，以实现高效清洁变电站的支柱绝缘子。需要说明的是，虽然本文的清洗装置是专门为500 kV变电站支柱绝缘子设计的，但是它同时也适用于220/110/35 kV等其他电压等级的支柱绝缘子。

1 清洗装置的构成

如图2所示，本清洗装置主要包括地面运输小车、电池组及液压系统、升降机构、清洗机械手、清洗夹具、清洗泵及储液罐、空压机及储气罐、抽风机、电控箱等构成。其中，地面运输小车是清洗设备的载体，人工可以手持人工界面操作盒，完成对设备到工作场地的就位。电池组为运输小车提供驱动电力。液压升降机构是安装在运输小车本体上，其功能是上下升降，以调整清洗水枪的高度，从而可以适应不同绝缘子的工作高度。就位机械手是清洗的载体，安装在地面运输小车上，其主要功能是确定工作空间坐标。清洗夹具设计为两个可开合的半圆形结构，以适应安装在立柱上的圆柱状绝缘子。清洗装置主要有两部分，一部分是高压水枪装置，可以提供高压水流喷洗绝缘子表面污染源，一部分是防溅挡板装置，避免污染外部环境。

2 支柱绝缘子的结构分析

如图3所示，支柱绝缘子有三个方向的曲面，需要三个方向的曲面清洗才能完整地清洁整个绝缘子表面。因此，为了达到预期合格的清洁效果与质量，清洗喷头有必要设计成可以调整三个角度。

图1 支柱绝缘子人工清洁

图2 清洗装置的构成

3 子部件设计

1）清洗装置

如图4所示，本清洗装置根据500 kV支柱绝缘子的三个曲面而设计了三组三个方向的喷嘴，喷嘴安装在两个半圆散料挡板内侧壁，根据现场的支柱绝缘子各个角度值可灵活调整喷嘴的角度，以适应绝缘子的伞裙表面。每个方向有10个喷嘴，三个方向共30个喷嘴，可对绝缘子的各个表面进行高压水冲洗。进行清洗作业时水的压力可达到1 MPa以上，在喷水的状态下，为了防止冲洗后污水飞溅到其他的设备上或污染外部环境，专门设计散料挡板作为保护装置。

2）就位机械手

如图5与图6所示，根据500 kV支柱绝缘子的直径大小，按支柱绝缘子最大直径设计了开合装置，最大开合角度为60°，X轴机械手行程为1.4 m，Y轴机械手行程为0.56 m，Y轴机械手上安装视觉传感器，对被喷件进行定位，并由计算机算出该系统移动的目标定位，使清洗装置与支柱绝缘子成为同心圆位置。

3）升降机构

通过线性剪叉式升降机构将喷涂装置升至适合清洗的高度，并实现清洗过程中的竖直线性运动。

4）地面运输小车

地面运输小车是设备的载体，人工可以手持人工界面操作盒，完成对设备到工作场地的就位。运输小车是行走机构，车轮为覆带式，可以适应变电站里的常规地面；小车上安装了超声波测距仪，就位或者超位都有预示和报警。就位后，小车上有液压自动调整水平装置，使小车的升降平台垂直方向与支柱绝缘子相平行。

5）物料系统

物料系统包含以下几个部分：高压水系统、电力及供电系统、传感系统、液压系统、控制系统、工装夹具等。各个系统与部件协同配合，完成清洗装置就位、喷洗、废液回收、吹干等作业流程。其中，高压水系统采用高压泵将储存水通过高压输送管将水泵到喷管上，使得水压达到1 MPa以上，再到喷嘴喷出水柱，储存水箱一个自动加满水箱，通过连接水管，连接变电站的水龙头以补充清洗水源。

图3 绝缘子三个方向曲面图

图4 散料挡板图

图5 机械手开合装置

图6 测距传感器示意图

4 实践与调试

清洗设备现场实物如图7所示。清洗作业流程如下：

1）设备就位：工作人员遥控履带车行走至绝缘子支撑柱旁限定区域，液压支腿伸出将平台调平；

2）高空就位：升降平台升起，X、Y轴机械手调整至喷涂位，摆臂合拢，环形滑轨与绝缘子呈同心状态；

3）旋转喷涂：两个喷枪沿各自环形滑轨旋转，完成对绝缘子一个伞裙360 °的喷涂，每喷涂完一个伞裙升降平台下降一个伞裙的高度，再对紧接着的伞裙进行旋转喷涂；

4）喷涂结束：摆臂张开，X、Y轴机械手调整至起始位，升降平台下降，调平支脚收回，管路切断即可。

表1为本文设计清洗装置的参数表，整机重量约为3 200 kg，运载小车移动速度为0.8 km/min，升降平台升降速度为4.5 m/min，喷洗出水压力可高达1 500 PSI（约10 MPa），操作简易，仅需1人即可完成。经过实践与调试，历经3～5次的反复清洗绝缘子，该清洗装置可以满足清洗干净要求，整个过程大概需要30～40 min，相比人工清洗需要2～3 h的时长，效率提高约4倍，而且清洗质量较为稳定，不受人为因素影响，清洁效果良好。500 kV支柱绝缘子通常总高度在12 m以内，工作高度在2.5～10 m，本装置升降调整匹配作业高度完全没有问题，经实践证明，当水压达到1 MPa以上，支柱绝缘子上的污秽可以十分容易地被冲洗干净，从而实现有效清洗干净绝缘子表面的目标。另外，本清洗装置操作简单，仅需要1个人即可完成，普通人员经过熟悉操作流程之后即可上手操作，因此有利于推广到生产运营的实际应用中。

图7 清洗设备现场实物图

表1 清洗装置参数表

5 总结与展望

本文设计一种500 kV支柱绝缘子清洗装置，采用升降平台与视觉传感器进行自适应调整、确保准确定位清洗喷嘴与绝缘子表面的相对位置，实现无死角、全方位地清洗支柱绝缘子表面污染物，相比人工清洗作业，有效地提高清洗质量和清洗效率，可节省大量的人力物力，同时，设备运行操作简易，有利于投入实际应用，具有广泛的市场应用前景。未来，该清洗装置有望进一步改进并优化，降低设备成本并形成规模化生产并投入到电网公司的绝缘子清洗应用中。