一种变电站屏柜清扫工具的设计与应用

摘要：变电站的端子箱、汇控柜、保护屏等屏柜里的保护装置及其回路是保证输变电设备正确动作切除隔离故障的重要设备，需要定期开展清扫运维。文章旨在研发一种新型屏柜清扫工具，能够进入较狭窄的空间内进行清扫，且能将毛刷刷下来的灰尘马上吸走，从而在提高安全性能的基础上，达到维护周期所要求的清扫工艺标准。

关键词：变电站；屏柜；清扫工具；变电运维；保护装置；变电设备 文献标识码：A

中图分类号：TM411 文章编号：1009-2374（2016）35-0016-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.35.008

1 概述

1.1 变电站屏柜概述

电力系统中，继电保护和自动装置是保证电网安全稳定运行、提高电能质量的重要二次设备，而交直流电源等其他二次设备则是变电站内所有一二次设备正常工作的可靠保障。二次设备及其回路放置在端子箱、汇控柜、保护屏等屏柜里，因此对屏柜的清扫维护就显得十分必要和重要。

南方气候潮湿，二次屏柜特别是户外端子箱经常会出现积露、生锈、绝缘不良等缺陷，一旦维护不到位，积聚的灰尘在受潮后将造成交、直流回路对地绝缘电阻降低，或接地或短路，使保护误动或拒动等，存在着严重的事故隐患。

1.2 运维现状与不足

按南方电网最新的差异化运维管理要求，变电站屏柜每半年清扫一次，但户外端子箱工作环境相对恶劣，而户内保护屏又由于静电作用容易吸附灰尘，半年下来很容易积聚大量灰尘。由于数量多，柜内布置紧凑、二次电缆繁多而复杂，清扫难度比较大，目前普遍使用的清扫方法有两种：

第一，最基本的人手使用绝缘毛刷进行清扫，该方法有两个缺点：（1）扫下来的灰尘还会散落到其他地方，需要再次清抹或吸走；（2）人手很难探入较狭窄的地方，如有操作不当极容易造成低压触电或是端子开路、短路。

第二，使用手持式吸尘器进行清扫，虽能解决灰尘但手持式吸尘器的续航能力差，远远无法满足全站屏柜清扫的作业要求。

2 屏柜清扫工具的设计

2.1 整体设计思路

为同时解决扬尘、多样性、续航性等问题，本项目屏柜清扫工具的设计思路是在手持式吸尘器的基础上改良，在吸管前端加装便于装拆的不同尺寸的绝缘毛刷头，在工作时能高速旋转，吸附得比较紧的灰尘被毛刷头刷出来后马上能被吸尘器吸走。配备细长方便的绝缘管，使其能够进入较狭窄的空间内进行清扫，从而在提高安全性能的基础上，达到维护周期所要求的清扫工艺标准。

清扫工具由毛刷头及动力装置、吸尘器、电源及其他配件组成。

2.2 毛刷头设计方案

2.2.1 动力传动装置。毛刷头的动力装置有风力涡轮驱动和电机驱动两种方案：

第一，风力涡轮驱动。在吸尘器管道内装设风力涡轮作为动力装置，当清扫工具工作时，管道的吸力将带动风力涡轮高速自行旋转，并带动与之同轴连接的毛刷头高速旋转。在这种情况下，毛刷头清扫的反作用力（即风力涡轮的受力）及滤网、管道等摩擦为风路系统的阻力元件，如忽略后者的影响，当涡轮的阻力与吸尘器的动力匹配时，风力涡轮获得效率峰值。这种动力全凭吸尘器驱动，无需额外的能量来源。

但如果动力全部输出到涡轮上，会导致风的吸力功率较低。加上实际工作中，滤网会极大增加风道系统的阻力，导致要么吸力不足，要么毛刷头转速不高；也可以增加吸尘器的功率以匹配足够的清扫能量，但会导致更加耗能。

第二，电机驱动。在吸尘器管道内装设电机，利用电机带动毛刷头转动。电机在管道内驱动的优点是稳定，不需考虑散热问题，不过需要考虑电机防尘问题，以及在管道内额外敷设电线。

反复对比验证两种方案后发现，涡轮同样存在防尘的隐患，电机输出功率比涡轮更稳定，在同风速、同毛刷出力的前提下，吸尘器+电机的总功率反而小于带动涡轮出力的单一吸尘器所消耗的功率。

一般电机的转速可达到每分钟数千转，但实验证明过快的转速不仅反作用力过大影响稳定，而且毛刷容易散开或损坏，甚至可能损坏端子排或二次线。因此本工具使用减速电机，转速为每分钟500～600转，经实践应用能够满足顽固灰尘的清除要求。

电机驱动存在两个问题：一个是如果装在风道内，会挤压空气通过面积，加大吸尘器的负荷；另一个是电机防尘的问题。项目组从电吹风的构造中获得灵感，最终确定电机、传动装置与风管的T型设计方案，如图1所示：

毛刷头与传动轴之间、传动轴与电机之间均采用轴连器匹配。因距离较长，传动轴用小型轴承固定在壳体上保持稳定。

毛刷头、传动杆及手柄构成清扫工具工作时的主风道路径；电机固定在另一端的底座上，底座设置小的透风孔。当工具工作时，灰尘在吸力作用下进入管道而不会进入电机部位，解决了电机的防尘问题；而电机发出的热量也会通过透风孔进入主管道降温。

电机的电源从吸尘装置引出并联支路取得，经适配器变压后沿管道敷设单相电线到达底座。电机可通过后盖上的按钮来开关，使电机既可以与吸尘器同时工作，也可以独立停转，满足不同的维护需求。

2.2.2 毛刷头材质与配置。毛刷采用绝缘能力优秀、刚性较强的猪鬃毛，通过压接工艺与裙部连接形成毛刷头。根据清扫位置的不同配置有碗状、杯状和笔状三种。碗状毛刷头直径最大（20mm），毛最短，适用于装置面板、柜底、柜门的清扫；杯状毛刷头直径12mm，适用于二次线、端子排的清扫；笔状毛刷头直径最小，但毛最长，适用于内排端子、电缆缝隙等狭窄难深入的地方，可将顽固灰尘清除。

为了保证绝缘毛刷压接的强度和粘度，裙部及连杆使用金属材料，涂上防锈绝缘漆以避免在清扫过程中发生端子短路。

尽管在金属部分涂上防锈漆，为避免工作过程中的摩擦导致绝缘受损，设计中严格控制裙部金属部分不得突出壳体。毛刷头与传动杆之间的轴连器为带档位的轴连器，可使用内六角螺丝刀前后调节毛刷头位置，每5mm为一档，共分3档。设计保证毛刷头在最外一档时，金属部分也不突出壳体。

毛刷头端的壳体较为瘦长，方便伸入到较为狭窄的空间进行清扫。头部壳体可以拆卸以便调节毛刷头长度或更换毛刷头。

2.3 吸尘装置方案

2.3.1 吸尘器选择。真空吸尘器是利用高速风扇在强力抽吸时所造成的负压，把尘埃及脏物清除掉的一种家用电器，是现代生活中人们进行清扫工作的理想器具。吸尘器分为手持式、卧式和肩背式。为了保证清扫功率和续航时间，本项目采用卧式大功率吸尘器，功率1kW或以上。

2.3.2 滤网。滤网是吸尘装置的主要阻力元件，其阻力与滤网的面积及孔径呈负相关关系。从节能及清扫效果的角度出发，应尽量减少滤网对吸力功率的损耗，滤网面积应尽可能大，孔径在合理范围内尽可能大。因本项目采用卧式吸尘器，可以配置大容积滤网，从而减低功率损失；在户外端子箱工作时，还能摘掉滤网，进一步增强管道的真空度，强化清扫工具的清扫能力。

2.4 电源方案

电源的选取上有两种方案：一种是纯交流电源；另一种是交流电源与直流蓄电池结合的方案。前者的特点是装置整体质量轻便，造价便宜但灵活性低；后者的特点是由于有蓄电池的电能，在某些交流电源不易获得的屏柜内也能正常工作，但是整体质量重，造价高。

根据变电站一般设计规范及现场勘察结果，变电站绝大多数端子箱旁都有开关机构箱，可以方便地取得交流电源；而功能室内基本上配有交流电源插座，本着经济便利的原则，采用纯交流电源的方案。

3 屏柜清扫工具的应用

屏柜清扫工具在广东电网有限责任公司江门供电局220kV新会巡维中心开展应用以来，在实际应用中不断吸收意见，几经改进，取得了不错的清扫效率和除尘效果。

以220kV银湖变电站为例，原来对全站端子箱、二次屏柜的清扫使用传统的毛刷结合手持式吸尘器进行，需要3个人、1天半才能完成，而且清扫效果差，飘扬的灰尘不仅影响二次设备安全，也危害职业健康。使用本工具后，只需要2名作业人员，不到一天就完成了，满足清扫工艺要求，提高工作效率，保证维护人员和设备运行安全，受到运行人员的欢迎。

4 结语

本项目研发的屏柜清扫工具属于便携式设备，可广泛应用于变电站日常维护。运行人员使用机构箱的交流电源，开启后绝缘毛刷转动；清扫出来的灰尘马上吸走，无需担心反复清扫，也保障了职工健康。维护人员利用该工具，一个人可完成原来需要两三人配合的工作，维护快捷便利，可以确保清除顽固污迹。在降低作业风险的同时，大大提高工作效率，产生经济效益。

当然屏柜清扫工具还存在一些不足，主要体现在电源的短板上。在户外GIS设备等不易取得电源的区域，纯交流电源的局限性显得尤为突出。相信在不远的将来，当电池技术得到快速发展时，将纯交流电源改造成交直流混合电源提供动力，将大大提升清扫工具的实用性。

参考文献

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[2] 杜朝辉，刘富斌.旋转对风力涡轮叶片边界层的影响[J].上海交通大学学报，1999，（8）.

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作者简介：吴卓文（1986-），男，广东新会人，广东电网公司江门供电局中级工程师，工程硕士，研究方向：电力管理。