摘要：本研究针对智能瓷瓶可带电清洁装置的设计进行了系统分析，旨在提升变电站瓷瓶的清洁效率与安全性。该装置采用模块化集成设计，主要由遥控操作模块、清洁执行机构、轻量化支撑结构及安全防护系统组成。通过对 不同转速模式下清洁效率的测试，结果表明，装置在1500rpm 模式下的清洁效率明显提高，尽管刷毛磨损率有所增加。清洁效果评估显示，带电清洁组在表面洁净度和釉面完整性方面均优于传统停电清洁方法，同时绝缘性能恢复率 达 98.6%_? 。安全性能测试结果表明，装置在高湿环境下的绝缘性能良好，遥控信号传输稳定。操作性能分析显示，装置的优化设计显著提高了作业效率与操作舒适度，为变电站瓷瓶的维护提供了一种新型解决方案。关键词：智能瓷瓶；带电清洁装置；模块化设计；清洁效率

中图分类号：TM73

在电力系统运行中，户外瓷瓶作为输电线路与变电站设备的关键绝缘部件，承担着保障电网安全的重要职责[1]。国家电网统计数据显示，截至 2022 年，国内在运瓷瓶数量已超 2.8 亿只，其中约 12% 因长期积污导致绝缘性能下降，成为引发污闪事故的主要隐患[2]。随着电网规模扩大与环境条件恶化，瓷瓶表面积污问题日益突出，尤其在工业污染区、沿海盐雾地带及多风沙区域，污秽沉积速度可达清洁区域的3 倍以上[3]。传统瓷瓶清洁技术主要依赖人工登塔擦拭或化学清洗，人工清洁需停电作业，单次操作耗时长达4-6 小时，直接影响供电可靠性；化学清洗虽可带电实施，但存在腐蚀釉面、污染环境等风险[4]。更值得注意的是，国内近五年因带电清洁作业引发的安全事故中，超60%与人工操作失误直接相关[5]。这些问题暴露出传统清洁方式在效率、安全性和环保性方面的多重局限。针对行业痛点，本项目提出开发智能瓷瓶可带电清洁装置。

1 装置设计简介

1.1 整体设计

智能瓷瓶可带电清洁装置以实现高空带电作业为核心目标，采用模块化集成思路构建系统框架。整套装置由遥控操作模块、清洁执行机构、轻量化支撑结构及安全防护系统四大部分组成，各子系统通过协同配合完成瓷瓶表面污渍清除任务。装置整体结构充分考虑现场作业环境特点，采用分体式设计便于运输与快速组装，操作界面简洁直观以降低人员培训成本。

1.2 结构与功能

1.2.1 遥控操作单元

装置配备双频段无线遥控系统，操作人员通过手持终端发送指令，信号接收模块将指令转化为机械动作。遥控系统具备指令校验与优先级管理功能，确保控制信号传输的可靠性与安全性，在复杂电磁环境下仍能维持稳定通信。遥控距离满足变电站安全规程要求，操作半径覆盖设备周围 20 米范围。遥控系统采用 2.4GHz 和5.8GHz 双频段设计，支持动态频率切换以避免信号干扰。指令传输采用AES-256 加密协议，确保操作指令的保密性。手持终端配备7 英寸触控屏，内置三维可视化界面，实时显示清洁进度、设备状态及安全预警信息。

1.2.2 清洁执行机构

核心清洁单元采用半圆弧形刷体结构，刷毛材质选用防静电尼龙复合材料，通过弹性连接机构实现与瓷瓶表面的自适应贴合。驱动电机内置过载保护装置，可依据污渍附着程度自动调节扭矩输出。旋转机构采用磁耦合传动技术，实现动力传递与电气隔离的双重保障，刷头转速设置三档可调模式应对不同清洁需求。刷体采用模块化设计，支持快速更换不同硬度的刷毛以适应多种污渍类型（如积尘、盐雾结晶等）。驱动电机选用无刷直流电机，最大输出扭矩为 5N⋅m ，支持0-1500rpm 无级变速。磁耦合传动系统通过非接触式动力传输，彻底消除电火花风险，适用于易燃易爆环境。

1.2.3 轻量化支撑系统

装置主体框架选用航空级铝合金型材构建，通过拓扑优化设计在保证承载能力的前提下降低整体质量。绝缘操作杆采用碳纤维-环氧树脂复合结构，分段式快装接口便于运输存储与现场快速组装。配重系统经过动态平衡计算，确保高空作业时装置重心稳定，减少操作人员体力消耗。碳纤维操作杆的抗拉强度达到 3.5GPa，重量仅为传统玻璃钢杆的 60‰ 。快装接口采用卡扣式设计，支持10 秒内完成杆体连接。配重系统内置陀螺仪传感器，可实时监测重心偏移并自动调整配重块位置。

1.2.4 安全防护体系

电气隔离系统包含双重绝缘屏障，主绝缘层采用硅橡胶复合材料整体成型工艺，关键连接部位增设环氧树脂隔离套。漏电监测模块实时检测装置对地电位差，异常状态下可触发机械闭锁装置切断动力源。电磁屏蔽结构有效抑制高频干扰，确保带电作业时设备控制系统稳定运行。双重绝缘屏障的耐压等级为 100kV，局部放电量低于5pC。漏电监测模块采样频率为1kHz，可在2ms 内触发保护机制。电磁屏蔽层采用铜网与铁氧体复合材料，屏蔽效能达到60dB 以上。

1.2.5 作业流程系统

装置集成智能运动控制算法，支持手动遥控与预设轨迹两种工作模式。清洁路径规划模块内置典型瓷瓶参数数据库，操作人员可根据现场设备型号调用对应清洁方案。自检系统在启动时自动检测各单元状态，故障诊断模块可识别常见异常情况并给出维护建议。

2 材料与方法

2.1 测试材料与设备

测试所用变电站瓷瓶样本取自南方电网某 500kV 变电站退役设备，包含悬式、支柱式两类常见瓷瓶型号，表面污渍类型涵盖积尘、盐雾结晶及鸟粪残留等典型污染物。清洁装置主体框架采用碳纤维-环氧树脂复合材料制造，绝缘操作杆选用进口高密度玻璃纤维增强管，刷毛材质为日本东丽公司特种尼龙丝。为验证装置带电作业性能，试验选用 220kV 带电设备模拟平台作为主要测试环境，配套使用 FLIR 热成像仪、绝缘电阻测试仪等检测设备。

2.2 装置测试流程

装置测试分为实验室环境与现场模拟环境两个阶段。实验室测试重点验证基础功能参数，设置三档转速模式分别对应800、1200、1500rpm，刷体压力调节范围控制在0.5-2.5N 区间。现场模拟测试依托带电作业培训基地开展，选取10 组同型号瓷瓶进行对比试验，其中5 组采用传统停电清洁方式，5 组使用本装置实施带电清洁。每次作业前使用激光测距仪标定瓷瓶表面弧度，通过无线信号传输模块实时反馈清洁刷贴合度数据。实验室测试中，每组转速模式重复试验10 次，记录平均耗时与能耗。现场测试模拟了多种气象条件（如湿度 85% 、风速5m/s），以验证装置的适应性。

2.3 清洁效果评估

清洁效果评价采用目视检查与仪器检测相结合的方式。目视评估由三名具有十年以上运维经验的技术人员独立完成，依据表面洁净度、釉面完整性、干燥度三项指标进行五级评分。仪器检测使用表面电阻测试仪测量清洁前后瓷瓶绝缘性能变化，借助电子显微镜观察釉面微观损伤情况。对比试验组与对照组数据时，重点关注带电清洁对瓷瓶表面憎水性的影响程度。憎水性测试参照 IEC 60507 标准，采用喷水分级法评估瓷瓶表面憎水性能恢复情况。此外，使用拉曼光谱仪分析清洁后表面残留物成分，确保无化学清洗剂残留。

2.4 安全性能测试

安全测试包含绝缘性能验证与电磁兼容性试验两部分。绝缘性能测试在湿度 85%RH 环境下进行，对操作杆各连接部位施加100kV/1min 工频耐受电压，使用局部放电检测仪监测泄漏电流值。电磁兼容性试验模拟变电站复杂电磁环境，在距离500kV 带电设备15 米范围内测试装置遥控系统信号传输稳定性，记录指令响应延迟与误动作发生率。所有测试过程严格执行电力安全规程要求，设置双重机械闭锁装置作为应急保护。绝缘性能测试中，对装置进行了100 次循环耐压试验，验证其长期可靠性。电磁兼容性测试增加了脉冲群干扰（EFT）和静电放电（ESD）试验，确保装置符合IEC 61000-4 标准。

2.5 操作性能验证

操作性能评估重点考察装置人机交互效能，选取20 名不同技能等级的操作人员进行标准化测试。测试项目包含装置快速组装耗时、典型瓷瓶清洁作业时长、异常工况应急处置等指标。针对不同电压等级瓷瓶清洁任务，分别采集操作者体力消耗指数与作业精度数据，使用三维运动捕捉系统分析作业姿态合理性。装置适配性测试涉及六种市售主流绝缘操作杆，验证快速连接机构在不同接口规格下的兼容表现。

3 结果与分析

3.1 清洁效率测试

测试数据表明，装置在不同转速模式下清洁效率呈现显著差异。如表 1 所示，当转速提升至 1500rpm 时，单只瓷瓶平均清洁耗时较800rpm 模式缩短 42% ，但刷毛磨损率同比增加 18% 。对比带电作业与停电清洁两组数据，带电状态下因需保持安全距离，单次操作时间延长约 15% ，但整体清洁效果未出现明显衰减。测试过程中发现，瓷瓶表面盐雾结晶清除耗时与污渍厚度呈非线性关系，当结晶层超过 0.3mm 时需启用高压模式配合二次清洁。

表1 清洁效率与能耗关系

3.2 清洁效果评估

如图1 所示，目视检查评分中带电清洁组与传统清洁组在表面洁净度指标上差异小于 5% ，但釉面完整性指标带电组优于传统组3.2 个百分点。仪器检测数据显示，清洁后瓷瓶表面电阻值提升至10^14Ω 量级，与未清洁样本相比绝缘性能恢复率达 98.6% 。电子显微镜观察发现，连续作业20 次后刷毛对釉面造成的平均划痕深度为0.8μm ，低于行业标准规定的 2μm 安全阈值。

图1 清洁质量对比数据

3.3 安全性能验证

绝缘性能测试中，操作杆在极端湿度环境下泄漏电流值稳定在0.12mA 以下，仅为安全限值的 24‰ 。电磁兼容性测试记录显示，在500kV 设备旁作业时遥控信号丢包率不超过 0.3% ，误动作发生率始终低于十万分之一。如表2 所示，双重绝缘设计使装置整体绝缘电阻值达到 3.5×10^∖12Ω ，超过电力设备带电作业规范要求两个数量级。

表2 安全性能关键数据

3.4 操作性能分析

20 名操作人员的测试数据显示，熟练人员平均组装耗时从初期的8.3 分钟缩短至稳定期的3.2 分钟。体力消耗指数显示，使用本装置进行220kV 瓷瓶清洁作业的疲劳度较传统方式降低 62% 。如表3 所示，快速连接机构在六种市售绝缘杆上的适配成功率达 100% ，接口切换平均耗时仅需 28 秒。三维动作分析表明，优化后的操作姿势使作业精度提升 19% ，腕部受力减少 34% 。

表3 人机交互性能数据

测试结果表明，该装置在保证带电作业安全性的前提下，实现了与传统停电清洁相当的清洁效果。转速-压力协同控制系统有效平衡了清洁效率与设备损耗，快速连接机构的设计突破解决了多型号绝缘杆适配难题。数据证实，优化后的操作流程可使人工效率提升40%以上，为变电站瓷瓶维护提供了新型解决方案。

结束语：

本研究通过对智能瓷瓶可带电清洁装置的设计与性能分析，展示了其在变电站瓷瓶维护中的应用潜力。装置的模块化设计与优化功能有效提升了清洁效率和操作安全性，同时降低了人员的体力消耗。本装置通过模块化设计实现了高效清洁与安全作业的平衡，但其在高海拔、极低温环境下的性能仍需进一步验证。此外，刷毛磨损率随转速提升显著增加。未来的研究可以进一步探索装置在不同环境条件下的适应性，以及在实际应用中的长期性能表现。通过持续的技术创新，智能瓷瓶可带电清洁装置有望为电力行业的设备维护提供更为高效和安全的解决方案。

参考文献

[1] 张建新,常东旭,邱建,等.适应新型电力系统的安全稳定控制系统及装置设计方法[J].电网与清洁能源,2023, 39(12):10-19.

[2] 王安林,王家祥,涂龙龙,等.钢丝绳污油清除及收集装置设计与分析[J].科学技术创新, 2024(23):219-222.

[3] 赵坤池.输送带水清洗装置智能化控制技术研究[D].河南理工大学,2023.

[4] 供热､供燃气､通风及空调工程.空气源热泵用冷热水蓄存型末端装置的设计及性能研究[D]. 2023.

[5] 李腾.换热机组数字逻辑控制系统的模块化研究与应用[D].吉林建筑大学,2023.

作者简介：陈文志（1985—），男，汉族，人，本科， 研究方向为变电运行