吸能超雙疏防覆冰涂層對輸電線路防覆冰影響研究

尹桂來，李 侶，陳 田，王 芹，向振濤

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.武漢疏能新材料有限公司，湖北 武漢 430000）

在我國電力系統(tǒng)中，輸電線路的穩(wěn)定運行直接關系到電力生產的安全性。我國絕大多數(shù)的輸電線路都是直接暴露在外界環(huán)境當中的，因此極易受到極端天氣的影響，威脅電網安全穩(wěn)定運行。其中，對電網影響最大、范圍最廣的應屬冰凍災害，會導致輸電線路覆冰甚至引發(fā)電網大范圍停電乃至崩潰。

多年以來，我國除南方部分省份外，其他大部分省份均飽受冰災的影響。1977年，長江流域及其以南各省多次出現(xiàn)嚴重降雪天氣；1984年我國出現(xiàn)大面積的冰凍災害。自2008年1月中旬至2月初，江西省連續(xù)四次受到強冷空氣襲擊，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重，導致500 kV線路累計倒塌116基、斷線116處，19條500 kV線路中有17條先后停運，500 kV網架基本癱瘓。

目前常用的除冰方法主要包括主動除冰和被動除冰，其中：主動除冰包含熱除冰、電除冰、機械除冰，主動除冰方法成本高、耗能高；被動除冰主要包含疏水涂料、光熱涂料、噴灑化學藥品等方法:，被動除冰方法成本低，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用于輸電線路。近年來，荷葉仿生超疏水材料在防冰領域的應用屢有報道。蔣興良等在人工氣候室內對涂覆3種不同超疏水涂層的試品進行防覆冰性能衰減實驗，研究表明隨著覆冰/脫冰循環(huán)的進行，冰層粘結強度慢慢增加，超疏水性能衰減。Liu等在硅表面形成含氟超疏水涂層，可以有效延長結霜時間，霜的厚度降低52%，且與基材的附著力大幅減弱。Gou等在溫度為18.4℃，相對濕度為40%的環(huán)境中，將一種具有多重微納結構的超疏水銅片和空白銅片放在溫度為-10℃的環(huán)境溫度中做冷凝實驗。實驗發(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)達到590 s，能夠延緩冰核的形成達到55 min。L.Mishchenko等在硅片上做出了規(guī)整的超疏水涂層，然后進行過冷水滴撞擊實驗，發(fā)現(xiàn)水滴撞擊普通表面時會迅速鋪展開來，然后結冰，而水滴撞擊超疏水涂層則會反彈回來，并且水滴與超疏水表面的接觸時間很短，在冰核形成之前就已經脫離表面，避免結冰。已有的研究尚未有超疏水和吸能相結合的材料應用于輸電線路防覆冰領域的報道。

1 實驗部分

1.1 主要實驗設備與材料

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、滾動角儀、接觸角儀、拉力儀、天平。

1.2 實驗內容

實驗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，主要研究內容如下：

（1）吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角、水滾動角、油接觸角、油滾動角；

（2）吸能超雙疏防覆冰樣板在不同溫度條件下相對空白樣板的覆冰減少率；

（3）吸能超雙疏防覆冰樣板冰粘結力；

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

實驗步驟如下：

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完全固化后進行各項測試。

測試吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角、水滾動角、油接觸角、油滾動角。

（1）用接觸角儀測試吸能超雙疏防覆冰樣板的水接觸角、油接觸角；

（2）用滾動角儀測試吸能超雙疏防覆冰樣板的水滾動角、油滾動角。

測試吸能超雙疏防覆冰樣板在不同溫度條件下相對空白樣板的覆冰減少率。

（1）將恒溫冰箱溫度調至實驗環(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m、m；

（3）將空白樣板和超雙疏防覆冰樣板放入恒溫冰箱中預冷2 h，對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，最后一輪結束后冰凍10 min后進行稱重，其中空白樣板重量為m，超雙疏防覆冰樣板重量為m；

（4）覆冰減少率為：

其中m-m為空白樣板覆冰量，m-m為吸能超雙疏防覆冰樣板覆冰量；

（5）重復上述實驗3次，求覆冰減少率取平均值；

（6）按照步驟（1）~（5）分別測試-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。

測試吸能超雙疏防覆冰樣板冰粘結力。

（1）將恒溫冰箱溫度調至-10℃；

（2）用12個邊長為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）用拉力儀分別測試冰塊和樣板表面的水平粘結力和垂直粘結力；

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

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

（2）將恒溫冰箱調至所需的環(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 結果與討論

吸能超雙疏防覆冰樣板水接觸角CA為160°、水滾動角SA為2°，油接觸角為CA為151°、油滾動角為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。

圖1 防覆冰樣板水、油接觸角Fig.1 Water and oil contact angle of anti-icing template

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

表1 不同溫度條件下防覆冰樣板相對于空白樣板覆冰減少率Tab.1 The ice reduction rate of anti-icing template relative to blank template at different temperatures

圖2 防覆冰樣板和對比樣板覆冰前后對比Fig.2 Constrast of anti-icing and blank template before and after icing

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，過冷水在溫度極低的吸能超雙超疏樣板基材表面瞬間結冰，而隨著基材溫度升高時，過冷水無法迅速在吸能超雙疏防覆冰樣板基材表面結冰，直接滾落。冰點以下，隨著溫度的升高，吸能超雙疏防覆冰樣板的相對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力為0.1 N/cm，垂直粘結力為0.51 N/cm，空白樣板冰的水平粘結力為26.97 N/cm，冰的垂直粘結力為4.57 N/cm。防覆冰樣板本身的超疏水性使其對冰層具有極小的粘結力，水平粘結力減少了99%，垂直粘結力減少了89%，在結冰初期可以減少冰在表面附著，在脫冰時，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，并存儲能量。在有光照時，即使環(huán)境溫度低于冰點，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。主要因為此時吸能超雙疏防覆冰樣板表面溫度仍然低于冰點，冰層無法融化、脫落。

表2 晴天不同溫度條件下，防覆冰樣板和空白樣板日照30 min脫冰情況對比Tab.2 Deicing contrast between anti-icing and blank template under different temperature conditions in fine weather

圖3 在不同環(huán)境溫度下防覆冰樣板陽光下脫冰Fig.3 Anti-icing template deicing under sunlight

3 結語

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，在輸電線路防覆冰領域有廣闊的應用前景。

（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℃以上對初期覆冰減緩有明顯效果；

（2）冰對吸能超雙疏防覆冰樣板的水平粘結力比空白樣板減少99%，垂直粘結力減少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%。