改进变电站绝缘子带电清洗技术,得到安全高效、既可带电作业又不会出现污闪事故的变电站污秽绝缘子清洗方法,研究了一种利用绝缘介质干冰来清除绝缘子表面污秽物的方法。研究过程中建立了模拟试验平台,首先在干冰喷射距离、喷射角度、干冰流量、绝缘子表面污秽等不同参数下进行了清洗试验,分析了各参数对干冰清洗不同污秽及不同绝缘子效果的影响,得出了绝缘子采用干冰清洗的最佳参数范围,通过清洗自然积污和人工染污绝缘子进行了验证。试验表明,采用干冰清洗方法能很好的清洗绝缘子表面污秽,与其它方法相比,除污效率更高。

关键词：干冰清洗， 干冰喷射，工业清洗。

引言

随着输电电压等级和电网容量的不断提高,电力系统输变电设备外绝缘的污闪事故所造成的危害日益严重。目前,国内外采取的防污闪措施主要有“爬、扫、涂、加”4种,即采用合成绝缘子或防污型绝缘子调整电气设备爬电比距、清扫设备表面污秽、涂RTV涂料、加装伞裙套。清除绝缘子表面的污秽物,对于防止绝缘子发生污闪事故,保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。干冰清洗的介质为固态二氧化碳颗粒(二氧化碳在-74.6°C呈固态),清洗时升华成为绝缘的二氧化碳气体,将干冰清洗技术应用于电气外绝缘污秽的清洗,可以有效避免污闪事故。干冰清洗技术于20世纪80年代末开始应用于美国国内工业领域,经过多年的发展,目前该项技术已经广泛应用于美国、德国、日本、加拿大等国汽车制造业、航空业、核电工业、食品加工等领域。该技术在我国主要用于铸模、生产线、汽轮机和电路板等精密设备的清洗,具有不损坏被清洗设备、无二次污染等优点。目前未见干冰清洗技术应用于绝缘子清污工作的文献报道,该技术在其他工业领域的应用效果理想,相比其他清洗方法有较大优势,在绝缘子污秽清洗中有较大的发展空间。

为使干冰清洗技术能机械化方式在变电站作业,开发出了一种可用于清洗高约2m、直径约225mm圆柱面[6-7]垂直排列的伞裙支柱绝缘子的成套装置,并通过试验确定出清洗支柱绝缘子的最佳参数及其除污效果的影响因素。

本文对绝缘子采用干冰清洗的试验研究进行了分析总结,通过比较分析不同条件下的清洗效果得到最佳清洗参数。

1干冰清洗的特点

干冰清洗技术是将干冰制成一定形状和尺寸的颗粒,通过清洗机将干冰与压缩空气混合后喷射到被清洗物表面。其清洗原理是利用固体干冰颗粒高速运动产生的冲击力,结合干冰本身极低温使污秽龟裂以及升华所产生热力膨胀,迅速剥离清除物体表面的结垢、油污、残留杂质等。

干冰清洗绝缘子表面污秽原理表现在以下3个方面:

①固体干冰颗粒以很快的速度冲击到绝缘子表面,产生较大的冲击力F=mv2/2,其中m、v分别为干冰的质量及速度;

②干冰清洗过程中由于“温差效应”或“低温龟裂原理”,垢层的表面急剧降温,垢层和绝缘子表面热膨胀系数不同,其间的粘结力显著下降,更容易达到去污的目的;

③一旦干冰颗粒进入垢层裂缝,干冰吸热升华体积膨胀800倍左右,由于裂缝空间体积非常小,裂缝单位面积受到的压力剧增,很容易将污秽剥离。

干冰除污过程中的热力学性能和“微爆炸效应”都是其特有的现象。当干冰与压缩空气混合物被喷射到绝缘子表面冲击垢层后,垢层的表面急剧降温而变脆,此外垢层和绝缘子因表面热膨胀系数不同收缩形变程度存在差异,从而使垢层出现裂缝。干冰颗粒在接触到绝缘子表面的几ms内吸热升华体积膨胀近800倍,一旦干冰颗粒进入垢层裂缝,裂缝单位面积受到的压力剧增而产生气掀将污秽剥离。气流沿绝缘子表面扩散便能带走被剥离的污秽,且由于污秽在低温下的脆性,不会附着到附近其他设备上。

干冰清洗技术具有以下特点:

①干冰清洗除污种类多、效果好;

②清洗介质干冰颗粒为绝缘介质,不会造成被清洗设备的污闪事故;

③干冰在清洗过程中挥发,避免了环境的二次污染;

④干冰颗粒不具磨损性,可延长设备使用寿命;

⑤干冰清洗对电线、控制元件、开关没有损伤,具有安全性。

2不同参数对干冰清洗效果的影响

采用控制变量法,通过改变干冰清洗过程中一些参数,观察清洗效果变化来判定这些参数对干冰清洗效果是否产生影响、如何影响。对污秽绝缘子进行干冰清洗试验时,通过控制干冰清洗喷头垂直角度及喷头沿绝缘子表面做圆周运动达到清洗绝缘子的目的。绝缘子涂污前、涂污后与干冰清洗后的3种状态,清洗后表面洁净、无污秽,用湿纸巾擦拭后纸上无明显污物的部分可判定为干净面,否则为脏污。在试验中,不同参数下清洗效果除目前国内表征污秽绝缘子状态的常用特征量等值盐密和等值灰密以外,还针对本试验及项目的特点,提出了新的判据,以干净面的面积Sc除以总面积S来表示,即清洗效果可表示为η=SSc×100%。

(1) 本试验中采用干净面面积所占比例这种清洗效果的判据的优势在于易于判断和掌握,当操作清洗装置清洗安装在变电站内的支柱绝缘子时,只有干净面的面积才能被全称监控并即时反映。测量绝缘子表面的等值盐密时,用毛刷清洗绝缘子表面的污秽,将污液收集在洁净的烧杯中充分搅拌,用电导率测量仪测出污液电导率δ。则绝缘子表面的盐密值可以表示为1k×S3。(2)ρSDD=(25δ.6)式中,k为换算指数,根据污液电导率δ的不同查表得到;S为绝缘子的表面积[11]。测量绝缘子表面的等值灰密,将污液采用滤纸过滤并干燥,用天平称量质量,绝缘子表面的灰密值可以表示为ρNSDD=1000×(Sm 2-m1)。

(2) 式中,m2为干燥条件下含污秽的过滤纸质量;m1为干燥条件下的过滤纸自身质量[12]。干冰清洗效果由多个参数确定,其中任何一个参数改变都能影响干冰清洗的效果。清洗参数大致可分为3类:第1类是清洗装置的参数,如干冰清洗机的排气量与压力、干冰流量等;第2类是被清洗物本身的参数[13],如绝缘子种类、绝缘子表面污秽情况等;第3类是过程参数[14],如干冰清洗机喷嘴相对于被清洗面的清洗角度、清洗距离以及喷头移动速度等参数。过程参数的优化控制是干冰清洗研究中的重要问题之一。

2.1绝缘子表面盐密对清洗效果的影响

在我国目前的防污闪工作中,绝缘子表面盐密是表征污秽度最为重要的基本参数之一,它是指绝缘子表面每cm2上附着的污秽物中导电物质质量所相当的NaCl的质量,用以表征污层中可溶性物质导电率的大小,直观地反映绝缘子的污秽程度[15]。采用等量涂刷法分别涂刷4组盘形悬式瓷绝缘子[16],用硅藻土混合物采用固体层法涂刷,使其污秽等级分别达到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ度4个污秽等级,相对图1绝缘子清洁程度的判断Fig.1 Criterion of cleaning degree of insulators应的等值盐密分别为0.05、0.1、0.2、0.3mg/cm2[17],并分别编号为A1、A2、A3、A4。涂刷时,绝缘子表面的灰密值为1mg/cm2。此外,为增强污秽层的粘结力,使不同盐密绝缘子清洗效果的区别更加明显,在每组绝缘子上都涂刷0.5mg/cm2的糊精[18]。通过调节清洗试验平台的清洗喷头支架及转盘,使得清洗角度、距离、转速等参数处于最佳范围,调节空气压缩机及干冰清洗机使得空气压力、干冰质量流量等其他清洗参数见表1,试验结果见表2。由表2可知,在不同污秽等级下,绝缘子的清洗效果基本相同,因为表面涂刷的糊精大大增强了污秽层的粘结力,干净面的面积都在40%左右,在绝缘子表面的盐密对干冰清洗效果影响不明显。

2.2绝缘子表面灰密对清洗效果的影响

绝缘子表面灰密主要反映不溶污秽物的影响。大量试验结果及其分析表明,污秽绝缘子的闪络电压既与等值附盐密度有关,也与不溶于水的惰性物质的密度即灰密有关[19]。用硅藻土混合物采用固体层法涂刷5组盘形悬式瓷绝缘子,使其等值灰密分别达到0.5、1.0、2.0、3.0、4.0mg/cm2,盐密值均为0.1mg/cm2。并分别编号为B1、B2、B3、B4、B5。其他清洗参数见表1,试验结果见表3。由表3可知,随着绝缘子表面灰密的增大,干净面的面积逐渐减小,清洗效果逐渐变差,绝缘子表面的灰密大小对干冰清洗效果有较大影响。

2.3粘结力对绝缘子清洗效果的影响

在相同的污秽等级和灰密下的绝缘子,由于表面污秽的种类和性质不同,绝缘子表面污秽层的粘结力不同,干冰清洗的效果也可能存在很大差异,本试验中通过在硅藻土混合物中添加不同比例的糊精来模拟不同粘结力的污秽层。按照糊精与硅藻土的质量比n分别为2:1、1:1、1:2、1:3和1:4涂刷5组绝缘子并分别编号为C1、C2、C3、C4、C5,盐密值为0.1mg/cm2,灰密值为1mg/cm2。其他清洗参数见表1,试验结果见表4。由表4可知,随着糊精与硅藻土混合比例的减小,干净面的面积逐渐增大,清洗效果逐渐变好,污秽层的粘结力对干冰清洗的效果有较大影响。表1试验过程其它参数Tab.1 Other parameters through experiments参数数值参数数值清洗距离/cm 30空气压力/MPa 0.5清洗角度/(°)65排气体积流量/(m3·min-1)4.5干冰流量/(kg·min-1)2喷头速度/(r·min-1)15表2不同等值盐密绝缘子清洗效果Tab.2 Washing effect of insulators in differentρSDD编号污秽等级ρSDD/(mg·cm-2)η/%A1Ⅰ0.05 38.7A2Ⅱ0.1 41.2A3Ⅲ0.2 37.5A4Ⅳ0.3 40.4表3不同灰密绝缘子清洗效果Tab.3 Washing effect of insulators in differentρNSDD编号ρNSDD/(mg·cm-2)η/%B1 0.5 98.2B2 1.0 90.4B3 2.0 83.1B4 3.0 80.7B5 4.0 78.5

2.4喷头移动速度对绝缘子清洗效果的影响

在干冰清洗试验平台上,通过调节转盘的转速可以调节喷头的移动速度。在实际清洗中,清洗装置喷头移动速度直接影响到清洗效果和费用,若喷头移动速度过大,可能造成重污秽难以清洗干净,若喷头移动速度过小,则会造成干冰的浪费造成清洗费用过高[20]。为通过试验判断喷头移动速度的最佳范围,用水泥和泥土质量比1:15混合物模拟粘结力很强的污秽,涂刷5组悬式绝缘子,按表5中的喷头移动速度加以清洗,分别编号为D1、D2、D3、D4、D5。除喷头移动速度外其他参数见表1,试验结果见表5。由表5结果可知,随着喷头移动速度的增大,绝缘子干净面的面积逐渐减小,清洗效果逐渐变差,喷头移动速度对干冰清洗效果有较大影响。

2.5干冰质量流量对绝缘子清洗效果的影响

通过调节干冰清洗机的质量流量控制可以改变喷头喷出干冰空气混合物中干冰的流量,由干冰清洗技术的原理可知,固体干冰颗粒是完成绝缘子表面清洗的关键,干冰质量流量可能会对绝缘子清洗效果造成较大影响。用水泥和泥土质量比为1:15的混合物涂刷5组悬式绝缘子,在0.5、1.0、1.5、2.0和2.5kg/min不同干冰质量流量下观测清洗效果,并分别编号为E1、E2、E3、E4、E5。除干冰质量流量外其他参数见表1,试验结果见表6。由表6可知,随着干冰质量流量的增大,绝缘子干净面的面积逐渐增大,清洗效果逐渐变好,干冰质量流量对干冰清洗效果有较大影响;当干冰质量流量在≤1.0kg/min时,清洗效果很不明显。

3自然污秽与人工涂污绝缘子清洗效果比较

3.1自然污秽绝缘子的清洗效果试验自然污秽绝缘子的清洗效果试验分为重污秽绝缘子和轻污秽绝缘子两部分进行。

3.1.1重污秽悬式绝缘子试验9组自然污秽盘形悬式绝缘子取自武汉大学高电压与绝缘技术研究所变电站,对绝缘子的盐密和等值灰密进行测量[15],得到其等值盐密值为0.1703mg/cm2,等值灰密值为2.6077mg/cm2。在20、30、40cm的3种清洗距离下,分别以50°、65°、80°这3个清洗角(喷嘴与绝缘子径向线形成的夹角)对这9组绝缘子的上下表面进行清洗,其他参数见表1,试验结果见表7。由表7可知,清洗后的等值盐密值为0.0156mg/cm2,为初始值的9.16%;等值灰密值为0.3071表4不同粘结力绝缘子清洗效果Tab.4 Washing effect of insulators indifferent adhesion stress编号nη/%C1 2:1 0C2 1:1 11.2C3 1:2 38.6C4 1:3 56.7C5 1:4 78.2表5不同喷头移动速度下绝缘子清洗效果Tab.5 Washing effect of insulators indifferent rotate speed编号转盘转速不同角度与距离下自然污秽悬式绝缘子清洗效果Tab.7 Washing effect of non-artificially pollutedsuspension insulators in different angles and distance清洗距离/cmη/%清洗角=50°清洗角=65°清洗角=80°20 82.6 84.6 86.230 83.9 87.7 88.540 90.3 89.6 90.3mg/cm2,为初始值的11.78%,清洗效果均理想,改变清洗角度和清洗参数对清洗效果没有影响。在这9种参数组合下,干冰清洗效果都很好,说明在此参数组合下,用干冰对此类自然污秽绝缘子的清洗效果很好,改变清洗角度和清洗参数对清洗效果影响不大。3.1.2轻污秽悬式绝缘子试验轻污秽悬式绝缘子试验用的9组自然污秽盘形悬式绝缘子取自湖北电网220kV线路青花线一三回#14、#16杆塔,处于自然积污较轻,基本无工业粉尘的地区。对绝缘子的盐密和等值灰密进行测量[14],得到其等值盐密值为0.0122mg/cm2,等值灰密值为0.8372mg/cm2。在20、30、40cm的3种清洗距离下,分别以50°、65°、80°共3个清洗角进行自然污秽的清洗,9组绝缘子的清洁面积都达到了100%,清洗后的等值盐密值为0.0010mg/cm2,为初始值的8.2%;灰密值为0.0717mg/cm2,为初始值的8.56%,清洗效果均理想,改变清洗角度和清洗参数对清洗效果没有影响。

3.1.3轻污秽自然污秽支柱绝缘子为能观察装置工作时对支柱绝缘子下表面的清洗效果,对9组轻污秽自然污秽支柱绝缘子进行清洗试验,清洗参数见表1,清洗效果见2。从清洗效果来看,在表8所列的各种参数下,上下表面的清洗效果均理想,除第1组外清洁面积都达到了100%。3.2人工污秽绝缘子的清洗效果试验采用等量涂刷法涂刷9组盘形悬式瓷绝缘子,使其等值灰密为4.0mg/cm2,等值盐密为0.30mg/cm2[17]。在20、30、40cm的3种清洗距离下,分别以50°、65°、80°共3个清洗角(喷嘴与绝缘子径向线形成的夹角)对这9组绝缘子的上下表面进行清洗,其他参数见表1,试验结果见表9。人工污秽悬式绝缘子喷头在不同角度与距离下对盘形悬式瓷绝缘子上下表面的清洗效果见表9,清洗后的平均等值盐密为0.04mg/cm2,约为初始值的13.3%;等值灰密为0.9mg/cm2,约为初始值的22.5%,下表面清洗效果与上表面相同。由表9可以看出,在50°～80°角度范围和20～40cm距离范围内清洗效果均在60%以上,效果较为理想。在50°～80°角度范围和20～40cm距离范围内,在同一清洗角度下,随着清洗距离的增大,干净面的面积逐渐增大,清洗效果逐渐变好;在同一清洗距离下,随着清洗角度的增大,干净面的面积逐渐增大,清洗效果逐渐变好。

4讨论从干冰清洗绝缘子的参数

分析来看,绝缘子表面的绝缘子表面污秽层的粘结力、等值灰密、干冰流图2自然污秽支柱绝缘子的清洗效果Fig.2 Washing effect of naturally polluted insulators表8不同角度与距离下自然污秽支柱绝缘子清洗效果Tab.8 Washing effect of non-artificially pollutedpillar insulators in different angles and distance清洗距离/cmη/%清洗角=50°清洗角=65°清洗角=80°20 98 100 10030 100 100 10040 100 100 100表9不同角度与距离下人工污秽悬式绝缘子清洗效果Tab.9 Washing effect of artificially polluted suspensioninsulators in different angles and distance清洗距离/cmη/%清洗角=50°清洗角=65°清洗角=80°20 65.6 72.0 79.630 74.0 75.7 78.140 82.6 80.9 82.3量及喷头移动速度对干冰清洗效果有较大影响;而盐密对干冰清洗效果影响不明显。

4.1被清洗物的参数对清洗效果的影响由绝缘子表面盐密对绝缘子清洗效果的影响试验可知,污秽等级主要反映绝缘子污秽中可溶性盐类的数量,在不同污秽等级下绝缘子的清洗效果基本相同,说明绝缘子表面的盐密对干冰清洗效果影响不明显。A1、A2、A3、A4这4组绝缘子清洗效果都不理想,干净面的面积都约为40%,是因为为控制清洗效果,防止清洗面积过大不利于比较,在涂污时添加了0.5mg/cm2的糊精大大增强了污秽层的粘结力。由绝缘子表面灰密对绝缘子清洗效果的影响试验可以看出,B1组被清洗绝缘子表面的等值灰密为0.5mg/cm2时,清洗效果为98.2%,非常理想;而当B5组等值灰密增大到4.0mg/cm2时,清洗效果减少到78.5%;且从B1组到B5组,随着等值灰密的增加,清洗效果数值是单调下降的。等值灰密反映污秽中不溶物的含量,等值灰密越大,绝缘子表面不溶污秽物的质量越大,将该垢层从绝缘子面清除掉所需要的能量也越大,故在其他参数不变的情况下,等值灰密增大使得清洗效果逐渐变差。由绝缘子表面污秽粘结力对绝缘子清洗效果的影响试验可以看出,C1组被清洗绝缘子表面的糊精与硅藻土质量比为2:1时,清洗效果为0,几乎没有清洗效果;而当C5组糊精与硅藻土质量比为1:4时,清洗效果增加到78.2%;且从B1组到B5组,随着糊精与硅藻土质量比的减小,清洗效果数值是单调上升的。涂污时,改变糊精与硅藻土质量比,不影响等值盐密、等值灰密等其他参数,只改变了绝缘子表面污秽的粘结力大小。污秽的粘结力增大,则将该垢层从绝缘子面清除掉所需要的能量也增大,故在其他参数不变的情况下,污秽的粘结力增大使得清洗效果逐渐变差。

4.2清洗装置的参数对清洗效果的影响由表5可以看出,D1组清洗装置喷头移动速度为2r/min时,清洗效果为83.8%;而当D3组喷头移动速度增加到10r/min时,清洗效果减少到63.8%;从D1组到D3组,随着喷头移动速度的增大,作用在绝缘子表面单位面积的时间减少,作用干冰的量也减少,清洗效果逐渐变差;而从D3组到D5组,移动速度从10r/min增加到20r/min,清洗效果却维持在63%左右,喷头移动速度的增大已经不对清洗效果构成影响。由表6可以看出,E1组干冰质量流量为0.5kg/min时,清洗效果为0;而当E5组干冰质量流量增加到2.5kg/min时,清洗效果增大到72.9%;从E1组到E5组,随着干冰质量流量的增大,单位时间内作用在绝缘子面的干冰质量和压缩空气质量均增大,从而使得冲击力、温度应力、压缩空气的曳力和“微爆炸效应”均增大,使得清洗效果变好。干冰清洗机的排气体积流量与压力一般受到装置本身的限制而不易改变。

4.3过程参数对清洗效果的影响采用线性喷头清洗时,喷出干冰的区域呈扇形。被清洗面与喷头距离过近,会使被清洗面的范围过小而影响清洗效果;与喷头距离过远,则干冰颗粒未达到清洗表面就已经升华而达不到清洗效果。经过试验,当被清洗面与喷头距离在20～40cm范围内,清洗面积基本覆盖绝缘子面,干冰颗粒也不会提前升华。同样,清洗角过小时,干冰颗粒与被清洗面接触不充分,清洗效果不理想;清洗角过大时,清洗面积过小。经过试验,当被清洗角在50°～80°范围内,干冰颗粒与被清洗面接触充分,且清洗面积基本覆盖绝缘子面。实际清洗时,清洗1根长度约为2m的220kV变电站支柱绝缘子[21-23],用时3.5min,实际用冰质量10kg。根据目前市场干冰价格16元/kg计算,清洗一根220kV绝缘支柱的干冰费用约为160元。5结论1)干冰清洗技术的特点是固体干冰高速运动产生的冲击力、干冰的低温产生的差异冷收缩效果以及“微爆炸效应”综合作用可剥离清除清洗表面的结垢、油污、残留杂质,因而能够很好地应用于绝缘子的清洗。2)污秽绝缘子清洗试验表明,当干冰清洗角度取50°～80°,距离取20～40cm,喷头移动速度为10～20r/min,干冰质量流量为2kg/min时,干冰清洗技术对污秽绝缘子的清洗能达到理想效果。3)与现有除污方法相比,干冰清洗技术应用于变电站绝缘污秽表面的处理时有着较大的优势。干冰清洗技术提高了除污效率,可以实现带电清洗,其应用可以成为保证电力安全生产、保障电力供应的有力措施,因此大大提高了社会效益和经济效益。研究过程中建立了模拟试验平台,首先在干冰喷射距离、喷射角度、干冰流量、绝缘子表面污秽等不同参数下进行了清洗试验,分析了各参数对干冰清洗不同污秽及不同绝缘子效果的影响,得出了绝缘子采用干冰清洗的最佳参数范围,通过清洗自然积污和人工染污绝缘子进行了验证。试验表明,采用干冰清洗方法能很好的清洗绝缘子表面污秽,与其它方法相比,除污效率更高。

致谢

突驰科技提供TCM-v2干冰清洗机作为试验应用。

2018.5.29