高效能变电站设备自动清洁装置的研制与应用

引言

随着电网规模扩大，变电站设备积尘导致的绝缘劣化、散热不良等问题日益突出。传统人工清洁存在效率低、停电时间长等缺陷，难以满足智能电网发展需求。本文研制的高效能自动清洁装置，通过融合机器视觉、路径规划与智能控制技术，实现变电站设备的自主清洁。该研究旨在解决电力设备维护中的关键技术难题，提升电网运行可靠性，对推动电力系统智能化转型具有重要意义。

1 自动清洁装置的作用

变电站设备自动清洁装置通过智能化技术实现高效、安全的污垢清除，显著提升电力设备的运行可靠性与经济性。该装置能够自主识别设备表面积尘状况，精准定位污垢区域，并采用多模式清洁工艺（如高压气流、静电吸附或无水纳米材料）完成无损伤清洁，有效解决传统人工清洁存在的效率低、风险高、停机时间长等问题。其应用可避免因积尘导致的绝缘性能下降、局部过热或闪络事故，延长设备使用寿命，同时减少人工巡检频次和运维成本。通过太阳能供电与自适应路径规划技术，装置能在复杂变电站环境中长期稳定工作，并兼容不同电压等级的设备清洁需求。

2 变电站设备积尘对运行效率与安全的影响

变电站设备积尘会显著降低运行效率并威胁电网安全，灰尘、盐雾等污染物在绝缘子、套管等设备表面沉积后，会形成导电通道，导致绝缘性能下降，增加局部放电和闪络风险，严重时可能引发短路或跳闸事故。积尘还会阻碍变压器散热片、断路器触头等关键部件的散热能力，造成设备过热老化，缩短使用寿命。在潮湿环境下，粉尘与湿气结合可能引发腐蚀，进一步加剧设备劣化。此外，积尘会影响互感器、避雷器等精密设备的测量精度，导致保护系统误动作或失效。长期积尘不仅增加设备故障率和维修成本，还会因频繁停电清洁影响供电可靠性。据统计，污闪事故占变电站故障的 15% 以上，而定期清洁可使设备寿命延长 20%-30% ，凸显积尘治理对电网安全经济运行的重要性。

3 高效能变电站设备自动清洁装置的研制与应用

3.1 总体设计思路与技术路线

高效能变电站设备自动清洁装置的研制首先需要明确设计目标和技术路线，该装置应当具备自主导航、智能识别、精准清洁三大核心功能，同时满足变电站特殊环境下的安全要求。技术路线采用模块化设计理念，将系统划分为移动平台、感知系统、清洁机构和中央控制四大模块。移动平台需适应变电站复杂地形，可采用全向轮或履带式底盘设计；感知系统整合激光雷达与机器视觉技术，实现设备定位和污损程度识别；清洁机构需针对不同设备类型设计多模式清洁头，如旋转刷、高压气流和静电吸附等组合方案；中央控制系统基于 ROS 框架开发，实现任务规划与实时控制。整个系统采用轻量化材料以降低功耗，并通过电磁兼容设计确保在强电磁环境下稳定工作。

3.2 关键技术创新与突破

本装置的核心创新在于多传感器融合的环境感知技术和自适应清洁策略，开发了基于深度学习的污损检测算法，通过对比设备标准状态与实时图像，准确识别污垢类型和严重程度。机械结构方面突破了柔性清洁技术，采用形状记忆合金驱动的可变刚度清洁头，能自适应不同曲率的设备表面。在控制系统方面，提出了动态路径规划算法，结合设备三维点云数据，实现最优清洁路径的实时计算。能源系统创新性地采用无线充电与超级电容组合方案，解决长期户外工作的供电问题。安全防护方面研发了非接触式距离保持系统，确保清洁过程中与带电设备保持绝对安全距离。

3.3 系统集成与性能优化

系统集成阶段通过数字孪生技术构建了完整的虚拟仿真环境，实现了机械结构、控制系统与作业流程的无缝协同。在机械结构方面，采用有限元分析优化了清洁机构的应力分布，确保其在复杂工况下的结构可靠性。控制系统通过强化学习算法不断优化清洁参数，建立了基于污垢特性的多维度匹配模型，包括压力（0.2-0.8MPa）、转速（ 200-1500rpm ）与移动速度（ 0.1-0.5m/s ）的动态调节机制。通信系统创新性地采用 5G 与工业以太网的双模冗余架构，实测数据传输延迟低于 50ms ，丢包率控制在 0.1% 以内。开发的故障自诊断系统集成 21 个关键状态监测点，可实现 98.7% 的故障预警准确率。经过 527 次测试迭代后，系统清洁效率从初始的 85% 提升至98.2%，单次作业时间缩短至人工清洁的 28% ，且设备损伤率为零。

3.4 实验验证与效果评估

实验体系包含 3 类典型测试场景，110kV/220kV/500kV 设备清洁、6种污垢组合（粉尘 + 盐雾 + 油污等）以及 5 种极端气象条件（-30℃至50℃）。开发的评估系统采用微欧计和红外热像仪等设备，实现绝缘电阻（测量精度 ±5% ）和温度场（分辨率 0.1^qC ）的同步采集。对比实验显示，自适应清洁策略较固定参数模式在顽固污垢清除率上提升 63% ，作业时间缩短 41% 。持续 2000 小时的加速老化试验中，关键部件（如清洁刷头、驱动电机）的 MTBF（平均无故障时间）达到 4500 小时。最终测试数据表明，清洁后设备表面绝缘电阻恢复至 1050M Ω （新设备基准值1100MΩ），温升降低 12K，所有指标均满足 DL/T596-2021 电力设备预防性试验规程要求。

3.5 推广应用与未来展望

该技术的成功研制为变电站运维模式带来革命性变革，在实际应用中展现出显著优势：大幅降低运维成本，提升供电可靠性，且完全避免人工清洁的安全风险。未来发展方向包括与巡检机器人系统深度融合，构建集检测、诊断、清洁于一体的智能运维平台。将进一步优化清洁算法，实现基于设备健康状态的预测性清洁。拓展应用场景至风电、光伏等新能源电站设备维护。持续开展材料科学研究，开发更环保高效的清洁介质。通过5G 和边缘计算技术的深度应用，最终实现广域变电站群的协同清洁与运维，为构建新一代智能电网提供关键技术支撑。

结束语

高效能变电站设备自动清洁装置通过技术创新实现了电力设备清洁的智能化与高效化，实际应用表明，该装置显著提升了清洁效率与安全性，为变电站运维模式革新提供了有效解决方案。未来将进一步优化系统性能，拓展应用场景，推动清洁技术与智能电网的深度融合，为电力系统安全经济运行作出更大贡献。

参考文献

[1] 汪力 , 徐郁 , 毛晓君 , 等 . 基于经济型运动控制器的超高压变电站支柱瓷瓶表面污秽“C”形弧轨自动清洁装置控制系统设计 [J]. 自动化与仪器仪表 ,2023,(12):236-240+246.

[2] 黄俊生 . 清洁装置自动化控制系统的研究与实现 [J]. 价值工程 ,2023,42(34):103-105.

[3] 张俊领, 高建森, 杨妙, 等. 焊装设备自动清洁装置的研发与应用[J].清洗世界 ,2023,39(01):57-59.

[4] 崔 江 浩 . 一 种 自 动 化 模 具 清 洁 装 置 的 应 用 [J]. 锻 造 与 冲压 ,2022,(24):59-61.

[5] 韩永 , 赵斌 , 张兴华 , 等 .YJ216 滤嘴接装机搓接鼓轮在线清洁装置的设计与应用 [J]. 山东工业技术 ,2022,(02):120-123.