尹桂來　李侶　陳田　王芹　向振濤

摘 要：為了解決輸電線路的覆冰問題，對(duì)導(dǎo)線涂覆吸能超雙疏防覆冰涂層，研究吸能超雙疏防覆冰涂層的接觸角、滾動(dòng)角、覆冰減少率、冰粘結(jié)力、低溫脫冰性能、表面溫升。通過實(shí)驗(yàn)研究表明吸能超雙疏防覆冰樣板具有超疏水超疏油性能，比空白樣板覆冰減少55%，水平粘結(jié)力比空白樣板減少99%，垂直粘結(jié)力減少89%。因此，超雙疏防覆冰涂層具有超雙疏、減少覆冰量、降低冰附著力、低溫脫冰的性能，將極大改善低溫環(huán)境中導(dǎo)線覆冰的問題，在輸電線路防覆冰領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：吸能;防覆冰;輸電線路;涂層;超疏水;疏油

中圖分類號(hào)：TG174.44;TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0037-04

Abstract： In order to solve the icing problem of transmission line in the field of power system， an energy-absorbing super-amphiphobic anti-icing coating is applied to the base material of conductor， the contact angle， rolling angle， ice reduction rate， ice adhesion， low temperature deicing performance and surface temperature rise of the energy absorbing super-amphiphobic anti-icing coating were studied. The experimental results show that the energy-absorbing super-amphiphobic anti-icing template is super-amphiphobic， 55% less than that of the blank template， the horizontal adhesion is 99% less than that of the blank template， and the vertical adhesion is 89% less than that of the blank template. Therefore， the super-amphiphobic anti-icing blade has the properties of super-amphiphobic， reducing the icing amount， reducing the ice adhesion and de-icing at low temperature， which will greatly improve the icing problem of conductor in the operation of winter， it has a broad application prospect in the field of anti-icing of transmission line.

Key words：? energy-absorbing ; anti-icing ; transmission line ; coating ; superhydrophobic ; oil repellent

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到電力生產(chǎn)的安全性。我國(guó)絕大多數(shù)的輸電線路都是直接暴露在外界環(huán)境當(dāng)中的[1]，因此極易受到極端天氣的影響，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中，對(duì)電網(wǎng)影響最大、范圍最廣的應(yīng)屬冰凍災(zāi)害，會(huì)導(dǎo)致輸電線路覆冰甚至引發(fā)電網(wǎng)大范圍停電乃至崩潰。

多年以來，我國(guó)除南方部分省份外，其他大部分省份均飽受冰災(zāi)的影響[2]。1977年，長(zhǎng)江流域及其以南各省多次出現(xiàn)嚴(yán)重降雪天氣;1984年我國(guó)出現(xiàn)大面積的冰凍災(zāi)害。自2008年1月中旬至2月初，江西省連續(xù)四次受到強(qiáng)冷空氣襲擊，出現(xiàn)了50年未遇、持續(xù)20多天的低溫雨雪冰凍天氣，致使輸電線路覆冰異常嚴(yán)重，導(dǎo)致500 kV線路累計(jì)倒塌116基、斷線116處，19條500 kV線路中有17條先后停運(yùn)，500 kV網(wǎng)架基本癱瘓。

目前常用的除冰方法主要包括主動(dòng)除冰和被動(dòng)除冰[3]，其中：主動(dòng)除冰包含熱除冰、電除冰、機(jī)械除冰，主動(dòng)除冰方法成本高、耗能高;被動(dòng)除冰主要包含疏水涂料、光熱涂料、噴灑化學(xué)藥品等方法：，被動(dòng)除冰方法成本低，但是目前疏水涂料和光熱涂料防覆冰效果并不理想，噴灑化學(xué)藥品法只能作為一種短期除冰方法。因此，亟須研制一種有效的防冰材料應(yīng)用于輸電線路。近年來，荷葉仿生超疏水材料在防冰領(lǐng)域的應(yīng)用屢有報(bào)道。蔣興良等[4]在人工氣候室內(nèi)對(duì)涂覆3種不同超疏水涂層的試品進(jìn)行防覆冰性能衰減實(shí)驗(yàn)，研究表明隨著覆冰/脫冰循環(huán)的進(jìn)行，冰層粘結(jié)強(qiáng)度慢慢增加，超疏水性能衰減。Liu等[5]在硅表面形成含氟超疏水涂層，可以有效延長(zhǎng)結(jié)霜時(shí)間，霜的厚度降低52%，且與基材的附著力大幅減弱。Gou等[6]在溫度為18.4℃，相對(duì)濕度為40%的環(huán)境中，將一種具有多重微納結(jié)構(gòu)的超疏水銅片和空白銅片放在溫度為-10℃的環(huán)境溫度中做冷凝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與空白銅片相比，超疏水銅片能夠延緩冷凝液滴的出現(xiàn)達(dá)到590 s，能夠延緩冰核的形成達(dá)到55 min。L.Mishchenko等[7]在硅片上做出了規(guī)整的超疏水涂層，然后進(jìn)行過冷水滴撞擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水滴撞擊普通表面時(shí)會(huì)迅速鋪展開來，然后結(jié)冰，而水滴撞擊超疏水涂層則會(huì)反彈回來，并且水滴與超疏水表面的接觸時(shí)間很短，在冰核形成之前就已經(jīng)脫離表面，避免結(jié)冰。已有的研究尚未有超疏水和吸能相結(jié)合的材料應(yīng)用于輸電線路防覆冰領(lǐng)域的報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

不銹鋼樣板（15 cm×7 cm×0.1 cm）、吸能超雙疏防覆冰涂料（武漢疏能新材料有限公司）、空氣噴槍、溫度探針、恒溫冰箱、滾動(dòng)角儀、接觸角儀、拉力儀、天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)研究了金屬基材上涂覆吸能超雙疏防覆冰涂層后的防覆冰效果，主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角、水滾動(dòng)角、油接觸角、油滾動(dòng)角;

（2）吸能超雙疏防覆冰樣板在不同溫度條件下相對(duì)空白樣板的覆冰減少率;

（3）吸能超雙疏防覆冰樣板冰粘結(jié)力;

（4）吸能超雙疏防覆冰樣板在日照時(shí)，在不同環(huán)境溫度時(shí)與空白樣板脫冰情況對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

在15 cm×7 cm×0.1 cm金屬基材表面用噴涂的方式制備吸能超雙疏防覆冰樣板，室溫放置7 d完全固化后進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。

測(cè)試吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角、水滾動(dòng)角、油接觸角、油滾動(dòng)角。

（1）用接觸角儀測(cè)試吸能超雙疏防覆冰樣板的水接觸角、油接觸角;

（2）用滾動(dòng)角儀測(cè)試吸能超雙疏防覆冰樣板的水滾動(dòng)角、油滾動(dòng)角。

測(cè)試吸能超雙疏防覆冰樣板在不同溫度條件下相對(duì)空白樣板的覆冰減少率。

（1）將恒溫冰箱溫度調(diào)至實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度;

（2）將1塊空白樣板和1塊吸能超雙疏防覆冰樣板稱重，分別為m0、m1;

（3）將空白樣板和超雙疏防覆冰樣板放入恒溫冰箱中預(yù)冷2 h，對(duì)樣板依次噴淋過冷水，每塊樣板噴1次，間隔5 s后噴下一塊樣板，每塊樣板噴10遍為一輪，一輪過后，冷凍3 min開始下一輪，噴三輪，最后一輪結(jié)束后冰凍10 min后進(jìn)行稱重，其中空白樣板重量為m2，超雙疏防覆冰樣板重量為m3;

（4）覆冰減少率為：

[（m2-m0）-（m3-m1）]/（m2-m0）×100%

其中m2-m0為空白樣板覆冰量，m3-m1為吸能超雙疏防覆冰樣板覆冰量;

（5）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3次，求覆冰減少率取平均值;

（6）按照步驟（1）～（5）分別測(cè)試-2、-10、 -20℃環(huán)境溫度條件下吸能超雙疏防覆冰樣板的覆冰減少率。

測(cè)試吸能超雙疏防覆冰樣板冰粘結(jié)力。

（1）將恒溫冰箱溫度調(diào)至-10℃;

（2）用12個(gè)邊長(zhǎng)為5 cm的正方體模具，分別在6塊空白樣板和6塊吸能超雙疏防覆冰樣板上制備正方體冰塊，并在-10℃恒溫冰箱中冷凍24 h;

（3）用拉力儀分別測(cè)試冰塊和樣板表面的水平粘結(jié)力和垂直粘結(jié)力;

吸能超雙疏防覆冰樣板在日照時(shí)，在不同環(huán)境溫度時(shí)與空白樣板脫冰情況對(duì)比。

（1）在-10℃恒溫冰箱內(nèi)將1塊空白樣板和1塊吸能超雙疏防覆冰樣板進(jìn)行覆冰處理，覆冰重量相同，冰凍24 h以上;

（2）將恒溫冰箱調(diào)至所需的環(huán)境溫度放置在戶外陽光下，兩塊樣板在的恒溫冰箱內(nèi)接受陽光照射，30 min后觀察脫冰情況;

（3）分別觀察-2、-10、-20℃環(huán)境溫度條件下的脫冰情況。

2 結(jié)果與討論

吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角CA為160°、水滾動(dòng)角SA為2°，油接觸角為CA為151°、油滾動(dòng)角為SA為7°，如圖1所示，吸能超雙疏防覆冰樣板具有超疏水超疏油性能，可以有效抵御自然界的油灰，增加涂層使用壽命。

如表1和圖2所示，在-2℃環(huán)境溫度下對(duì)樣板噴灑過冷水進(jìn)行覆冰后，吸能超雙疏防覆冰樣板相對(duì)空白樣板覆冰減少率為95%;在-10℃環(huán)境溫度下對(duì)樣板噴灑過冷水進(jìn)行覆冰后，吸能超雙疏防覆冰樣板相對(duì)空白樣板的覆冰減少率為60%;在-20℃環(huán)境溫度下對(duì)樣板噴灑過冷水進(jìn)行覆冰后，吸能超雙疏防覆冰樣板相對(duì)空白樣板的覆冰減少率為20%。

由于吸能超雙疏防覆冰樣板具有超疏水性，在表面噴灑過冷水時(shí)，過冷水在溫度極低的吸能超雙超疏樣板基材表面瞬間結(jié)冰，而隨著基材溫度升高時(shí)，過冷水無法迅速在吸能超雙疏防覆冰樣板基材表面結(jié)冰，直接滾落。冰點(diǎn)以下，隨著溫度的升高，吸能超雙疏防覆冰樣板的相對(duì)空白樣板的覆冰減少率增加。

吸能超雙疏防覆冰樣板冰的水平粘結(jié)力為0.1 N/cm2，垂直粘結(jié)力為0.51 N/cm2，空白樣板冰的水平粘結(jié)力為26.97 N/cm2，冰的垂直粘結(jié)力為4.57 N/cm2。防覆冰樣板本身的超疏水性使其對(duì)冰層具有極小的粘結(jié)力，水平粘結(jié)力減少了99%，垂直粘結(jié)力減少了89%，在結(jié)冰初期可以減少冰在表面附著，在脫冰時(shí)，冰層更易從表面脫落。

如表2和圖3所示，-2℃環(huán)境溫度下，陽光照射30 min，吸能超雙疏防覆冰樣板的脫冰量大于98%，空白樣板的脫冰量為0%。吸能超雙疏防覆冰涂層能夠利用黑色粉體吸收太陽光，并存儲(chǔ)能量。在有光照時(shí)，即使環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)，防覆冰涂層表面溫度也比環(huán)境溫度高1～4℃，與吸能超雙疏防覆冰涂層表面接觸的冰層更容易融化，冰層隨即脫落。-5℃環(huán)境下，陽光照射30 min，脫冰量為40%，空白樣板脫冰量為0%。-10℃和-20℃環(huán)境溫度下，陽光照射30 min，吸能超雙疏防覆冰樣板脫冰量為0%，空白樣板脫冰量為0%，未脫冰。主要因?yàn)榇藭r(shí)吸能超雙疏防覆冰樣板表面溫度仍然低于冰點(diǎn)，冰層無法融化、脫落。

3 結(jié)語

吸能超雙疏防覆冰涂層具有減少覆冰量、降低冰附著力、低溫脫冰的特點(diǎn)，在輸電線路防覆冰領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）-2℃環(huán)境條件下，吸能超雙疏防覆冰樣板比空白樣板覆冰減少98%;-10℃環(huán)境條件下，吸能超雙疏防覆冰樣板比空白樣板覆冰減少60%輸電線路;-20℃環(huán)境條件下，吸能超雙疏防覆冰樣板比空白樣板覆冰減少20%。防覆冰樣板在環(huán)境溫度-10℃以上對(duì)初期覆冰減緩有明顯效果;

（2）冰對(duì)吸能超雙疏防覆冰樣板的水平粘結(jié)力比空白樣板減少99%，垂直粘結(jié)力減少89%，在覆冰初期，冰在的外力下易脫落;

（3）吸能超雙疏防覆冰涂層具有明顯的脫冰效果，在-2℃環(huán)境溫度下，陽光照射30 min，吸能超雙疏防覆冰樣板脫冰量98%。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 蔣彥.電網(wǎng)覆冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及應(yīng)對(duì)措施研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2018.

[2] 王登科，余笑薇，龍輝瑞，等.冰災(zāi)中江西省500 kV輸電線路斷線及倒塔原因簡(jiǎn)析[C].鄭州：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)2008防災(zāi)減災(zāi)論壇論文集，2008.

[3] [3]PARENT O， ILINCA A. Anti-icing and de-icing techniques for wind turbines：critical review[J]. Cold Regions Science and Technology， 2011， 65（1）：88-96.

[4] 蔣興良，周洪宇，何凱，等.風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)用超疏水涂層防覆冰的性能衰減[J].高電壓技術(shù)，2019，45（1）：167-172.

[5] VARANASI K K， HSU M， BHATE N， et al. Spatial control in the heterogeneous nucleation of water[J]. Applied Physics Letters， 2009， 95（9）：94-101.

[6] GOU Y J， LIU Z L， WANG J T， et al. Frost formation on a bionic super-hydrophobic surface under natural convection conditions[J]. Heat transfer Asian research， 2008， 37（7）：412-420.

[7] MISHCHENKO L， HATTON B， BAHADUR， V， et al. Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets[J]. Acs Nano， 2010， 4（12）：7 699-7 707.