王岩，胡聪，石俏，唐建辉，吴慧峰，胡钋

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000;2.武汉大学，湖北 武汉 430072)

随着社会经济发展，电力用户对供电可靠性的要求越来越高。配电网带电作业是保障供电可靠性的有效工作方式，需要不断改善各类配电网带电作业环境，开发各类新的带电作业工器具，以提高配电网带电作业效率和安全性[1-5]。为了充分保证带电作业安全，配电网带电作业人员需穿戴厚重、密闭的绝缘服[6]。长时间在暑热期身着绝缘服进行高强度工作，会使作业人员感到异常不适，直接影响工作效率和作业质量，甚至面临热应激反应、中暑、触电和高空坠落的风险[7]。

现有适用于作业人员在夏季高温条件下开展检修作业的各种绝缘服均无法很好地满足带电作业工作环境的需要，有必要研发给高温电力抢修及带电作业人员使用的空调服，即在绝缘服基础上增加制冷功能。

目前国内外的相关研究对空调服制冷系统已有一些成果。2005年，第一代微型制冷系统工大微冷I型[8]压缩机采用铸铁，为旋转式压缩机，重量为700 g；第二代压缩机采用铝合金。文献[9]提出引入微型风扇阵列的方法，通过在皮肤表面的微型风扇阵列，利用对流及人体汗液蒸发达到降温效果。液体制冷空调服(以下简称“液冷服”)利用液体作为制冷介质实现降温，具有换热量大、温度控制灵活且舒适度较高等特点，因此被用于带电作业中。文献[10]利用传热学理论分析液冷服的降温原理，建立液冷服散热模型；通过分析该模型得出液冷服设计参数与散热量及散热效率之间的关系，给出液冷服设计时应遵循的原则。文献[11]中液冷服采用电池供电，存在不稳定且持续时间有限等问题，制冷效果较差。

带电作业是在高压环境(10 kV以上，耐压45 kV)下工作，且作业平台上无供电条件。若采用平台控制电缆管道附加供电线的方式从地面提供交流220 V或直流24 V等电源，将会因为10 kV的高压产生巨大的电压差，造成极其严重的后果。文献[12]采用高压气源从地面直接向工作平台送入高压气流，经由涡流管分离后将低温气体输入内部降温管道，实现气冷降温，规避了从地面取电的风险，但过度的气冷散热会导致作业人员发生热痉挛、热衰竭、中暑等高温损害。此外，若利用液压装置驱动制冷压缩机进行制冷，因两者均为机械设备，难以在空间和布局受限的情况下实现精确控制与调节。事实上，用电能驱动制冷压缩机比用液压装置驱动制冷压缩机在实现方式上更为简单，且工作稳定可靠,因此需要提出一种新的供电方式。目前液压传动发电技术应用于绝缘斗臂车，为空调服制冷系统供电的研究较少[11-19]。

针对上述问题，本文将液压传动发电技术应用于带电作业空调服制冷系统中，研制了一种通过液压传动的发电装置来驱动制冷装置的、适用于带电作业服装的综合制冷系统，应用于绝缘斗臂车带电作业辅助系统。

1 系统总体设计

绝缘斗臂车带电作业辅助系统由液压传动发电系统和综合制冷系统两部分组成。考虑到传统电池供电电压不稳定性以及带电作业的实际工作环境，采用液压传动发电系统为综合制冷系统提供电能。系统总体构成如图1所示。

图1 绝缘斗臂车带电作业辅助系统总体示意图

综合制冷系统包含制冷装置和液冷服:前者负责制冷并对液冷服温度进行智能控制,可以使冷却液稳定工作在设定的温度;液冷服作为制冷服装，密闭性好，穿着舒适。整个系统能够满足作业人员在斗臂车中灵活、舒适、安全作业的要求。

液压传动发电系统由液压传输装置及液压发电装置组成。液压传输装置将液压油箱中的绝缘油加压并通过绝缘油管路输送至工作斗中的液压发电装置，再通过其将转换输出的电能输送至智能电源管理模块，该模块负责工作斗中的电源管理并对制冷装置提供稳定的电压。

2 液压传动发电系统

2.1 液压传动发电系统基本原理

为了获得比单纯电池组更加稳定的电源供电，且考虑到配电网带电作业的实际工作环境不允许通过输电导线将电能直接输送到斗臂车，本文研究通过液压传动发电技术将能量从地面输送到斗臂车的作业平台，再将液压系统的高压液体能量转换为电能。液压传动发电系统结构原理如图2所示。

图2 液压传动发电系统结构原理示意图

绝缘斗臂工程车上的电源连接液压泵，电源启动后，通过液压泵的作用，将机械能转换为液压能，即通过电动机输出扭矩和转速，液压泵转动从而吸入低压的液压油，输出高压的液压油来实现。高压的液压油通过绝缘油管路中的绝缘胶管输入液压马达，当高压油进入马达的高压腔时，处于高压腔所有轮齿均受到压力油的作用，其中相互啮合的2个轮齿的齿面只有一部分齿面受高压油的压力，在压差作用下，齿轮产生并输出转矩，即在液压马达中实现液压能转化为机械能的转换。之后，液压马达将机械能输出到发电机，完成液压传动发电过程。

发电机为绝缘斗臂车上的空调设备持续稳定供电，实现在保障绝缘斗臂车绝缘水平的条件下，制冷装置可以持续稳定地为作业人员降温散热。

2.2 液压传动发电系统设计

本文设计的液压传动发电系统参数为：发电机功率600 W，电压12 V，配置蓄电池稳压；液压系统压力14 MPa，液压系统流量12.5 L/s；设备质量24 kg。液压发电系统设计示意图如图3所示,图中PTO为取力器，由齿轮箱、离合器、控制器组合而成，与液压泵相连实现控制目的。

图3 液压传动发电系统设计示意图

液压传动发电系统包括液压发电机组、液压控制组、蓄电池、整流稳压器、液压油箱等。①液压发电机组包括发电机、液压马达、绝缘胶管和平衡阀，负责将液压能转换为电能。液压马达的输出轴啮合发电机的转子，平衡阀的C口串联液压马达，平衡阀可以确保液压马达平稳转动，防止其因冲击反向转动。②液压控制组由控制器、换向阀与调速阀构成，液压控制组连通液压发电机组、液压油箱。调速阀与控制器连接，受其控制；系统采用的换向阀为“三位四通”电磁换向阀，其A与B口连通平衡阀的V口；调速阀的进油口连通换向阀的P口，出油口连通换向阀的T口，换向阀的T口与液压油箱连接；控制器是智能控制单元，负责实时检测液压发电系统可否启动、上装是否动作、蓄电池电量、液压系统是否处于闲态。③蓄电池通过整流稳压器为系统供能。④整流稳压器负责保护蓄电池，对充电电流进行整流稳压的同时起过充保护作用。⑤液压油箱储存液压油并为液压油的散热提供条件；液压泵为液压发电等提供液压能；过滤器过滤液压系统中的杂质，防止污染；单向阀保护液压泵免受管路中液压冲击；球阀可作为液压油箱和上部液压管路之间的开关，在液压系统维修时断开。

3 综合制冷系统设计

综合制冷系统包括制冷装置和液冷服2部分。制冷装置负责完成整个系统的制冷、电源控制以及冷却液的循环等功能；液冷服是作业人员穿着于身的制冷服装。综合制冷系统结构设计如图4所示。

图4 综合制冷系统结构设计示意图

3.1 制冷基本原理

根据制冷介质种类，制冷方式可以分为相变、气冷与液冷[7]，其中液冷方式是利用液体作为制冷介质，在液冷服的管道中流动，与人体进行热交换以实现降温，具有控制灵活等优点。本文采用液冷方式。

从传热学角度来看，交换热量的方式有热传导、对流及辐射3种[20]。热传导是指不同物体直接接触时因微观粒子做热运动而导致的热量传递。对于平板中相对两表面的导热问题，可以表示为

(1)

式中：Q1为单位时间内两表面之间传导的换热量，单位为W；tw1与tw2分别为两表面的温度；F为换热面积，单位为m2；δ为平板厚度，即两表面之间的距离，单位为m；λ为导热系数，单位为W/(m·K)。

对流传热是指流体流过固体壁面情况下所发生的热量传递。从引起流体流动的原因来看，流体各部分冷热不均导致流体密度不同，从而引起的流体位移称为自然对流，而由风机等其他外在因素导致的对流现象称为强迫对流。固体表面与流体之间的对流换热由牛顿冷却公式表示，即

Q2=KFΔt.

(2)

式中：Q2为单位时间内通过固体表面的对流换热量，单位W；K为传热系数，单位W/(m2·K)；Δt为固体表面与流体的温度差，单位为℃。

辐射传热是指物体通过电磁波形式向外传递热量的形式，温度高于绝对零度的物体均会存在辐射传热现象。对于一般物体，热辐射能量表示为

Q3=εFσ0T4.

(3)

式中：Q3为物体向外发射的热辐射能量，单位为W；ε为物体的黑度；σ0为黑体辐射常数；T为物体温度，单位为K。

人体与外界进行热量交换时，3种形式均存在，因此人体的热平衡[21]如下：

S=M-W-R-C-E.

(4)

式中：S为人体蓄热率；R为人体辐射散热速率；C为人体表面通过对流传导等方式向外界传热速率；E为人体通过汗液蒸发向外界的传热速率；M为人体能量代谢速率；W为单位时间人体所作的机械功。

正常情况下S为0，人体此时产热散热达到平衡状态，但是带电作业人员身着普通绝缘服在高温下工作时，服装具有较高的密闭性，导致式(4)中R、C、E均较小，使得S大于0，人体热平衡状态被打破，进而导致人体出现中暑症状。

本文所设计的制冷系统在液冷服中敷设管道，使冷却液在管道中循环带走热量，增大了R、C、E，减小了S，从而维持人体热平衡。

为了验证该方式的有效性，本文使用Comsol软件建立如图5所示的模型，来分析液体冷却与气体制冷效果的差异以及持续制冷等因素对制冷效果的影响。模型参数设置为长方体设置为长2 m、宽0.3 m、高3 m，管道半径设置为0.06 m。

图5 Comsol建立模型示意图

模型由长方体与敷设于其表面的管道构成，管道模拟液冷服中的管路，在长方体外侧包裹1个代表空气的大长方体。

表1中的3种仿真方案对应3种模拟情况。通过求解3种情况下一定时间后的温度分布，分析3种方案的差异。求解空间中各点的温度随时间变化情况相当于求解三维非稳态的导热微分方程，傅里叶定律指出了温度与热流密度之间的关系，即

表1 仿真方案

q=-λgradt.

(5)

式中：q为热流密度，单位为W/m2；t为温度。

由傅里叶定律可以推导出描述非稳态温度场的三维非稳态的导热微分方程

(6)

式中：α为热扩散系数，单位为m2/s，其值与具体物质有关；cp为微元体的定压比热容，单位为J/(kg·K)；ρ为密度，单位为kg/m3；qV为微元体内的热源强度，单位为W/m3；τ为时间，单位为s；x、y、z分别表示三维坐标。结合边界条件可以得到温度场中的每点的温度。

仿真设置条件为：管道中水或空气的初始温度283.15 K(10 ℃)，皮肤初始温度310.15 K(37 ℃)，周围空气温度333.15 K(60 ℃)，时间10 000 s。在模型中插入如图6所示的三维截线，10 000 s后截线温度分布如图7所示。将截线温度作为人穿上液冷服后的体感温度，截线平均温度分别为：方案1为41.479 5℃，方案2为42.416 0℃，方案3为37.918 0℃。

图6 三维截线

图7 截线温度分布

相比于方案2，方案1总体温度要低一些，在截线两端即模型中皮肤与空气的接触点较为明显，这是因为冷却液有效地减缓了皮肤的升温速率，说明冷却液的制冷效果好于气体。方案3的总体温度远低于方案1，这是因为将管中冷却液设置为恒定温度，相当于加入制冷系统使冷却液保持低温，大大提高了制冷效果，这表明液冷原理是可行的。

3.2 综合制冷系统

图8综合制冷系统图，包括压缩机制冷系统及水循环系统。

图8 综合制冷系统图

3.2.1 压缩机制冷系统

压缩机制冷系统是由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器4个基本部件组成，彼此之间用管道连接，形成一个密闭的系统，制冷剂(R134a)在系统中循环流动，与外界进行热量交换。单台制冷装置的参数如表2所示。

表2 单台制冷装置参数

3.2.2 水循环系统

水比热容较大且价格低廉，故而以此作为冷却液。水循环系统主要是由水箱、电磁阀、流量计、水泵、循环水泵、冷却蒸发器和带水管的空调服组成。彼此之间用水管连接，形成一个密闭的水循环流动系统。

水箱内分别安装有一个低水位和高水位检测传感器。若低水位检测传感器报警，则表示水箱内水位过低，需要注水；当出现高水位检测传感器报警时，表示此时水箱内水已经注满。

流量计实时检测空调服中是否有水流通过，若是，说明空调服与水循环系统连接正常，则自动关闭电磁阀，让更多的水注入空调服，达到规定的制冷效果；若否，说明空调服并未连接水循环系统，则自动打开电磁阀，以确保水循环系统的正常运行。

冷却蒸发器表面缠绕着毛细铜管，管内流动低压低温液态制冷剂，该制冷剂会在冷却蒸发器中蒸发转化成低压气体以吸收冷却蒸发器内水管中水流的热量，从而达到制冷效果。

控制系统若检测到水箱内水温传感器故障、低水位检测传感器报警或压缩机故障，则关闭水循环系统和压缩机制冷系统，直到故障消除，才会再次开启这2个系统。

3.3 控制系统

3.3.1 系统硬件

硬件部分主要由中央控制单元、温度测量单元、微型压缩机控制电路及操作显示单元组成。镶嵌于液冷服内的温度传感器实时检测服装内的微气候；中央控制单元实时釆集传感器检测到的数据，并对数据进行比较、分析、处理、存储及显示，以实现制冷装置实时工作在最佳状态。

中央控制单元采用单片机STM32F103RCT6作为中央处理器，负责传感器等发送来的信号的接收并处理、指令的发送等，是整个控制系统的核心，其与压缩机控制单元、温度测量单元以及操作显示单元相连接。中央控制单元接收并按照程序处理温度测量单元与操作显示单元传送来的数字信号，向压缩机控制模块输出指令，控制压缩机的启停。中央控制单元的功能实现如图9所示。

图9 中央控制单元的功能实现

利用位于液冷服内外的温度测量单元测量体表温度与环境温度，并将温度数据转换为数字信号发送给单片机控制器。NTC温度传感器具有响应速度快、不带引线、装入电子设备中所占空间小等特点，故将其配置于液冷服内部测量体表温度。图10为NTC测温电路，NTC的电阻值随温度变化而变化，进而输出电压值反映温度变化，电容C1、C2起滤波作用，图中VCC表示电路的供电电压。由于DS18B20具有抗干扰能力强、精度高等优点，采用其测量环境温度。

图10 NTC测温电路

操作显示单元负责显示测量到的温度数据、用户设定的参数等，并实现对温度的设置和输入数据。采用可触摸控制串口屏，实现操作与显示一体化。

3.3.2 系统软件

整个设计系统功能由软件程序配合硬件电路来实现，软件程序的编译是基于STM32F103RCT6单片机编程。软件部分的主程序是整个控制系统的核心，用于调节和处理各单元之间的关系，子程序则负责各个单元实现其具体功能，主要子程序包括温度采集、键盘扫描、LCD显示等。软件系统整体结构如图11所示。

图11 软件系统整体结构

3.4 液冷服

为了增加与人体表面的接触面积并保证充分的密闭性，液冷服采用整身样式，服装的四肢部分及前胸后背位置分布有冷却液循环微型管道，冷却液在管道中流动带走人体表面的热量，此管道采用医用硅橡胶材质柔软贴身，无异物感。

4 检测与现场试验

4.1 检测试验

为测试本文研制的综合制冷系统的暑热环境制冷效果，进行检测试验。检测试验条件包括：制冷系统与液冷服冷却液循环系统最大电功率250 W，工作电压24 V(直流)，环境温度为39.6 ℃。检测试验数据见表3。

表3 检测试验结果

在前10 min，冷却液的温度逐渐下降，10 min之后趋于稳定，这表明系统具有较快的降温速度，且具有非常好的稳定性，能够长时间保持在低温状态。

4.2 现场试验

为了进一步验证综合制冷系统对带电作业人员现场工作时的降温效果，分别在装置启动后的5 min、30 min及45 min时测量记录人体前胸与后背温度及人体温度感受情况，得到试验数据见表4。

表4 现场试验结果

试验结果表明，本装置可以起到很好的降温制冷作用，装置运行30 min后人体穿着感舒适，可以满足暑热条件带电工作的要求。

5 结束语

针对传统空调服装置无法满足暑热环境下带电作业人员工作需要的问题，本文研制了一种基于液压传动发电技术的带电作业综合制冷系统，Comsol仿真结果表明制冷原理可行。检测试验与现场试验均表明该综合制冷系统可以在高温环境中有效降低人体体表的温度，并使温度保持在较为舒适的区间，满足暑热环境下带电作业人员工作时的降温要求。