输电线路超疏水防覆冰涂层研究进展

创作者：吴亚平，李辛庚，米春旭，宗立君，王晓明，郭凯，宋福如

来源于：国家电网山东供电公司电力工程科学院,河南中实电力工程贸易有限公司

溫度较低的降水落在零度以下的电力线路上面发生结冻状况，为电力线路覆冰。电力线路覆冰是供电系统最明显的灾难之一，因覆冰造成复合绝缘子冰闪、负载、路线扇舞，乃至断开倒塔等安全事故，严重危害着电力网的可靠运作。在其中雨淞覆冰材质硬实，不容易掉下来，具备充分的抗压强度，可造成输电线覆冰快速提高，是电力线路覆冰的具体方式。危害电力线路覆冰的原因许多，包含气候分布、气象要素、地形地貌及其输电线本身特性等，因此电力线路的覆冰原理也较繁杂，通常是热学、流体动力学与电磁场理论综合性功效的結果。

近些年伴随着全球气候变化的转变，强对流天气经常发生，电力线路覆冰灾难发生的概率增加，给电力网的平稳运作产生了试炼。因而必须对电力线路防覆冰技术性开展系统软件科学研究。为防止或缓解电力线路覆冰导致的伤害，除开要提升电力网路线抗冰设计方案的规范外，还应积极主动考虑到选用防覆冰或融冰技术性。电力线路防覆冰方式有供热防覆冰/融冰法、机械设备融冰法、当然处于被动防覆冰/融冰法及其别的融冰法，殊不知供热防覆冰/融冰法耗能高，机械设备融冰法的稳定性与工作效能低，当然处于被动融冰法对气温标准过度依靠，融冰实际效果具备随机性，别的防覆冰/融冰法滞留在基础理论认证与模拟仿真环节，因而这种方式均不可以从源头上抑止和清除电力线路覆冰灾难的产生。现阶段，倍受关心的防覆冰镀层技术性是较有发展前景的一种电力线路防覆冰方式。运用防覆冰建筑涂料在电力线路表层结构镀层，在覆冰期内积极抑止和减轻电力线路覆冰的生成和提高，可本质上清除电力线路覆冰灾难的产生，防覆冰镀层法因为能耗少，便于执行，遭受工程项目和知识界的普遍关心。文中关键研究了电力线路防覆冰建筑涂料的研究成果，并对于超疏水防覆冰镀层的防冰实际效果以及影响因素干了详尽讨论。

1 防覆冰建筑涂料研究成果

依据产生镀层防覆冰原理的不一样，防覆冰建筑涂料可以分成四种：电加热型建筑涂料、光热型建筑涂料、化冰型建筑涂料、亲水性型或超疏水型建筑涂料。

1.1 电加热型建筑涂料

电加热型建筑涂料适用于复合绝缘子防覆冰，根据向建筑涂料中加上吸附填充料，涂覆于复合绝缘子上产生电加热型镀层。导电性填充料可以减少涂膜的电阻，工作电压一切正常运作下，复合绝缘子覆冰时，镀层穿过的漏电流提升，充分发挥电热电效应，造成焦耳热使镀层表层发烫，具有减缓或避免覆冰的功效。自2010 年至今，在我国一部分严寒高发区的网上复合绝缘子逐渐使用半导体材料硅胶镀层，发觉覆冰状况获得显著改变，殊不知镀层防冰作用遭受悬式绝缘子的长短与复合绝缘子直徑的危害，并且在雾凇或湿雪气温不适合应用。

1.2 光热型建筑涂料

光热型建筑涂料就是指在建筑涂料中添加吸光性能优良的成分，涂敷于电力线路上产生光热镀层，提升光消化率，运用自然光动能完成防覆冰或融冰。因为光热型建筑涂料自身对气温条件严苛，覆冰灾难产生时的气温不利光热型建筑涂料功效的充分发挥，因而对电力线路用光热型建筑涂料的科学研究较少。

1.3 化冰型建筑涂料

化冰型建筑涂料根据释放出来有机化学大分子成分，能减少化冰溫度，完成化冰或脱冰。参考文献运用有机化学金属化合物对PRTV（持续性耐污闪复合型建筑涂料）开展改性材料，制取出化冰型建筑涂料，可将水的化冰溫度降至-4 ℃，并能使竖直试件的覆冰在9 h 后彻底掉下来，具备明显的化冰和脱冰实际效果。殊不知，伴随着時间的增加，冰度缓聚剂的释放出来量持续降低，因此化冰型镀层归属于放弃型镀层，不具备高效性。

1.4 亲水性型或超疏水型建筑涂料

亲水性型或超疏水型建筑涂料产生一种持久型镀层，因为表面较低，可减少电力线路对低温水珠的捕获率，减少冰与镀层间的粘合力，而超疏水镀层还可以延迟时间水珠在镀层表层的冻洁，进而完成融冰或防覆冰。

参考文献根据电化学离子注入使铝输电线表层造成不光滑构造，以憎水不错的氟氯硅烷开展外表改性材料，在输电线上产生超疏水镀层，制取了超憎水铝表层，在人工气候室中开展雨凇覆冰实验，能在一定水平上减缓覆冰的产生。参考文献[23]应用金纳米颗粒添充法制取微纳米技术防冰超疏水镀层，水表面张力达到163.1°，翻转角为4.1°，在开展雨凇覆冰实验后，可以减缓雨凇覆冰或降低覆冰量。

受大自然中菏叶“出污泥而不染”超疏水效用的启迪，人们逐渐开始关心超疏水表层的科学研究以达到其耐腐蚀、防潮、自清理、防覆冰等作用。一般将表面张力超过150°、翻转角低于10°的表层称之为超疏水表层。在冻雨下雪气温的情形下，超疏水表层能不能维持不结冻情况或减少冰面的粘合力，造成了诸多科学研究专家的兴趣爱好。

2 表层湿润情况与覆冰的关联

2.1 表层情况与覆冰状况

Saito 等人初次报导了将超疏水镀层运用于防覆冰。有科学研究形象化地得出超疏水镀层表层的覆冰状况，认证了超疏水镀层表层具备较好的防覆冰作用。

文献研究了涂敷超疏水镀层的复合绝缘子在雨凇标准下的防覆冰特性和沟通交流短路故障工作电压，觉得超疏水镀层在雨凇标准下可以降低覆冰总面积和覆冰净重，而且超疏水镀层可以防止持续收缩水的产生，提升复合绝缘子的冰电闪压。图1 为一般复合绝缘子和超疏水复合绝缘子在雨凇标准下的覆冰外貌，发觉超疏水复合绝缘子表层仅有少许的冰粒粘附，并没有产生持续的冰膜，覆冰量显著降低，并且冰面遍布稀少，促使冰面在内力作用下更非常容易去除。

参考文献讨论了不一样湿润情况下铝表层的覆冰状况，发觉当喷出过凉30 min 后，超亲水性铝表层或涂敷RTV（室内温度硫化橡胶硅胶）的亲水性铝表层布满冰面，而涂敷超疏水镀层的铝表层仅有小量冰粘附，表明超疏水镀层可以缓解覆冰的产生。当工作温度为-10 ℃时，超疏水镀层的水表面张力依然维持在150°，因而超疏水镀层的水表面张力并不遭受工作温度的危害。文献研究了气凝胶纳米技术构造膜的覆冰个人行为。

伴随着低温水珠喷出時间的增加，发觉没有处理夹层玻璃表层迅速被冰面遮盖。涂敷超疏水镀层的夹层玻璃表层，覆冰总面积随時间的增加而慢慢扩大，殊不知覆冰与超疏水镀层并没有具体触碰，如下图2a 所显示。当将结冻的超疏水镀层玻璃镜片放置室内温度时，冰面几乎所有消退，如下图2b 所显示。

仔细观察超疏水镀层表层的覆冰状况，可以看得出超疏水镀层可以具有延迟时间覆冰的功效，虽然伴随着時间的增加，超疏水表层依然发生覆冰，可是覆冰情况与一般表层具备显着差别。因为超疏水表层自身对水具备大的表面张力，超疏水表层与其说覆冰触碰总面积较小，当冰面溶化后，产生的水珠非常容易从超疏水表层滚下来，而不更改其表层情况。

根据比照观查超疏水镀层的覆冰情况虽然形象化，殊不知却不可以得到覆冰与镀层的融合情况。根据检测不一样表层情况的覆冰粘接抗压强度，从理论上给予了超疏水表层就可以完成防覆冰作用的强有力直接证据。

2.2 表层情况与覆冰粘接抗压强度的关联

因为电力线路表层的覆冰状况与覆冰粘接抗压强度相关，而覆冰粘接抗压强度遭受表层与水分中间互相健身运动的明显危害，通常觉得高表面表层具备很强的覆冰粘接抗压强度，可根据挑选低表面成分的超疏水表层来减少覆冰粘接抗压强度。根据覆冰粘接抗压强度的精确测量，不但可以对超疏水镀层的防覆冰作用开展有效的点评，还能够对后面融冰开展具体指导。覆冰粘接抗压强度的测试标准有抗拉力法和向心力法。由覆冰粘接抗压强度延伸出的另一覆冰点评主要参数为粘合力减少指数ARF ，是由初始表层与超疏水镀层表层的覆冰粘接抗压强度的参考值测算获得。

一些分析觉得，伴随着静态数据水表面张力的提升，覆冰粘接抗压强度降低，或覆冰粘接抗拉强度与前行角或倒退角相关[35-36]。殊不知她们均觉得超疏水镀层可以有效的减少覆冰粘接抗压强度或延迟时间水珠冻洁，预兆着不错的防覆冰潜力。R. Menini根据阳极氧化处理与离子注入解决铝表层，引入PTFE 混液制取PTFE 耐磨损超疏水镀层。相对性于没有处理铝表层，该镀层可让覆冰粘接抗压强度降为以前的1/4，且通过10 轮结冻-脱冰实验后，该方式仍具备较高的粘合力减少指数。参考文献讨论了光洁表层与不一样几何图形技术参数的微纳米技术柱列阵表层的覆冰粘接抗压强度，如下图3 所显示。可以看得出：相对性亲水性μm柱列阵表层，超疏水表层的覆冰粘接抗压强度降为以前的1/3上下；相对性于光洁表层，超疏水表层的覆冰粘接抗压强度值降为以前的1/5。因而觉得具备双层微结构构造的超疏水表层具备良好的防覆冰工作能力。Guo 讨论了具备不一样外部经济构造表层的延迟时间水珠冻洁時间，觉得具备微结构构造的表层可以合理延迟时间水珠的冻洁時间，进而可以完成防覆冰作用。

参考文献制取的超疏水镀层的物理性能较高，通过结冻-脱冰循环系统试验后，镀层表层未遭受任何的危害，表面张力维持在155°。并且，超疏水镀层的覆冰粘接抗压强度对比硅胶镀层与铝表层的覆冰粘接抗压强度减少了许多，具备高效可靠性，因此有希望在电力线路防覆冰中充分发挥。

超疏水镀层能不能减少覆冰粘接抗压强度还具有一定的异议。参考文献[39]测得亲水性镀层、亲水性镀层、含氟量胶体溶液-疑胶镀层及其粘弹性塑胶镀层等相对性铝表层的粘合力减少指数，发觉吸水性镀层还具有较低的粘合力减少指数，而疏水性镀层的粘合力减少指数遍布范畴较宽，有一些疏水性镀层的ARF 数值1~20，有一些疏水性镀层的ARF 值在100 以上，超疏水镀层的ARF 值却很低。殊不知该参考文献中涉及到超疏水镀层相对性亲水性镀层的总数过少，感染力不足。

以上对超疏水镀层防覆冰实际效果的研究表明，超疏水表层在一定情况下具备不错的防覆冰作用。殊不知超疏水表层能不能防覆冰是多种多样影响因素综合性功效的結果，它与超疏水表层成分与表面、表层外貌及其溫度、环境湿度和风力等自然环境标准有比较大关联。因而现阶段大量科学研究不仅仅关心于超疏水表层相对性一般表层的防覆冰作用，而偏向于超疏水表层完成防覆冰作用的影响因素，以对超疏水表层开展操纵。

3 超疏水镀层表层对防覆冰的影响因素

3.1 表层成分与表面

由Young 氏方程式得知，液态在理想化光洁表层的表面张力与固态的表层活化能相关，如下图4 中Young氏实体模型所显示，当固液气三相做到稳定时，从三相触碰线的一点沿液气页面作断线，断线与非均相页面的交角界定为静态数据表面张力θ。根据更改固态表层的成分，从而操纵固态表层的物理性质，减少其表层活化能，可以增强材质表层的静态数据表面张力，使其具备亲水性实际效果。因此，可根据挑选成分得到低表面表层，进而减少水或冰的附着抗压强度。

F 原素具备较小的原子半径和分子中最高的电负性，是减少表面最有效的原素。—CF 3 官能团在原料表层密切井然有序堆积成六方构造，具备最少至6.7 mN/m的表面，因此被觉得具备最好的疏水性或疏冰性。文献研究了具备不一样表面的超疏水铝表层的水凝固状况，发觉涂敷含F 量较高的PFO 高聚物镀层的超疏水铝表层，在-10 ℃、空气湿度为90%时，仍具备比较大的表面张力和小翻转角。参考文献讨论了几类含氟量高聚物的防覆冰特性，强调覆冰粘接抗拉强度与表层成分息息相关，表1 列举了不一样成份的含氟量高聚物的覆冰粘接抗压强度。可以看得出，表层成分低中O 高F 成分的P-PTFE 镀层的覆冰粘接抗压强度最少，高O 低F 成分的F-PU 镀层的覆冰粘接抗压强度最大。这也是因为F-PU 镀层表层具备较多的正负极官能团，在与水或冰面中间产生共价键的环节中具备比较大的相互作用力，因而冰面与表层间的黏结抗压强度较高。而高F 成分代表着低表层活化能，与水或冰分子中间的相互作用力弱，因此冰面与表层间的黏结抗压强度较低。

殊不知，根据更改表层有机化学构成，以减少表层活化能来得到超疏水性的方法不行得通。依据Young 氏实体模型，理想化光洁表层的表面张力仅与其说表层物理性质相关，减少表面可以使表面张力提升，但这类方式 有一定的極限，应用已经知道表面最少的物质对光洁表层开展装饰，较大可得到的表面张力仅为119°  。

3.2 表层构造

Young 氏实体模型只有叙述理想化光洁的固态表层的润滑性，而具体固态均具备一定的表面粗糙度，因此Wenzel 实体模型对Young 氏方程式开展了改善，觉得固态表层的表面粗糙度可使亲水性表层的表面张力增加。Wenzel实体模型用以叙述水珠在具备表面粗糙度且物理性质均一的表层的润滑性，当固态表层由不一样物理性质的表层构成时，Cassie-Baxter 实体模型更适用多级别分层次构造。Wenzel 实体模型与Cassie-Baxter 实体模型如下图5 所显示，可以形象化地看得出，水珠触碰液体表层呈Cassie-Baxter 情况时，非均相触碰总面积占比不大，水珠绝大多数与气体相触碰，不光滑构造能造成许多的气垫cc将水珠撑起。

由上得知，表面粗糙度和表层外貌可利用危害固态表层的湿润情况来危害水珠的表面张力。因而超疏水表层的构建必须具备2个基本上标准：一是低表面成分，二是微结构不光滑构造。不光滑构造是危害超疏水表层充分发挥防覆冰作用的主要要素。一方面，超疏水镀层的微结构不光滑构造可以在一定水平上阻拦低温水珠与表层间的热对流，产生被维护表层的隔热板，因此可以降低或避免冰面的集聚。另一方面，超疏水的表面粗糙度有可能更有益于捕获低温水珠，进而使其更非常容易成分过冷而结冻，而且具备很强的钉扎力，进而提升覆冰粘接抗压强度。

参考文献运用抛丸加工工艺制取出具备高表面粗糙度的试件，讨论了表层不光滑水平对覆冰粘接抗压强度的危害。同样表面粗糙度的铝合金表层覆冰剪切强度随水表面张力的增加而减少。当表层成分同样时，没有处理的光洁Al 表层的覆冰粘接抗压强度一直小于经抛丸的不光滑Al 表层。参考文献运用旋涂和涂装工艺制取了具备不一样表面粗糙度的硅胶纳米技术复合材料镀层，均具备良好的超疏水特性。殊不知经覆冰剪切强度的检验，发觉经旋涂加工工艺制成的镀层可以急剧下降覆冰粘接抗压强度，ARF 值贴近于5，而涂装工艺制取的镀层的ARF 值仅为1.17。这也是因为二种加工工艺制成的镀层外表粗糙度不一样引起的，旋涂加工工艺制取的镀层外表粗糙度为500 nm，而涂装工艺制取的镀层外表粗糙度达8 μm。图6 为旋涂与喷漆镀层表层3D 扫描仪图象。因为涂装工艺制取的粗糙度比较大，细微水珠更非常容易渗进此类不光滑构造中而结冻，因而表面粗糙度大的喷漆镀层表层的覆冰粘接抗压强度要远远高于旋涂镀层表层。

因而，表面粗糙度是超疏水镀层具有超疏水实际效果的必备条件，殊不知针对其防覆冰作用的充分发挥是一把“双刃刀”，怎样管控具备防覆冰作用的超疏水镀层的表层宏观构造，仍需很多工作中。

3.3 环境要素

因为覆冰通常产生在寒冷的冻雨风雪气温，超疏水镀层能不能在较低温度下保持超疏水或疏冰特点是十分核心的问题，因此迫不得已考虑到环境要素对超疏水镀层完成防覆冰作用的危害。一些科学研究关心超疏水镀层表层覆冰环节中的气象要素，如超疏水镀层在较低温度下的静态数据表面张力与覆冰粘接抗压强度的转变，觉得超疏水镀层在较低温度下的静态数据表面张力会缩小，覆冰粘接抗压强度提升，非常容易产生积雪。

因为覆冰状况与雨珠的微物理学性息息相关，一部分科学研究逐渐关心雨珠的微物理学特点对超疏水镀层表层覆冰特性的危害。参考文献检测了覆冰产生前的温度、风力与风频等气象要素，并精确测量了坐落于湖北恩施天气观测站的雨珠直徑及其水珠成分，讨论了雨气的微物理学特点对覆冰薄厚与外貌的危害，觉得冻雨是产生覆冰灾难的“金属催化剂”。参考文献[47]根据零度风洞试验，调节标准气压与压力仿真模拟覆冰气候主要参数，讨论了水珠均值直徑与标准容积水珠成分对超疏水镀层表层防覆冰特性的危害，发觉超疏水镀层防覆冰特性伴随着水珠均值直徑与标准容积水珠成分的提高而大幅度变弱，乃至消退。怎样维持超疏水镀层在恶劣标准下的防覆冰实际效果，依然存有很大的技术性试炼。

融合现阶段超疏水镀层防覆冰作用的研究成果，超疏水镀层若要完成防覆冰作用，必须考虑到超疏水表层成分、微结构结构设计及环境要素的整体危害。现阶段在对电力线路超疏水镀层的防覆冰科学研究报导中，基本上沿用或选用通用技术。传统式超疏水防覆冰镀层的制取方式均需珍贵机器设备或繁杂加工工艺，当场工程施工难度系数大，实际效果无法确保，而且镀层耐磨性能、耐老化能较弱，而根据简易加工工艺搭建具备出色耐磨性能与耐老化的超疏水表层是超疏水镀层充分发挥防覆冰作用的重要。

3.4 超疏水表层防覆冰原理

超疏水表层在恰当情况下可以完成减缓或避免覆冰的产生，为完成对超疏水表层的可操控性，超疏水表层防覆冰原理科学研究是十分有必要的。

根据Cassie-Baxter 实体模型，当水珠落在超疏水表层处时，水珠会与超疏水表层不光滑构造中间的气体触碰， 因此水珠与超疏水表层的具体触碰总面积＜10%。小的水珠触碰总面积占比是超疏水表层完成防覆冰的核心要素，它使超疏水表层具备比较大的水表面张力与小的翻转角，因此能使水珠在结冻前掉下来，或是使水珠或冰面具备小的黏结抗压强度而掉下来。除此之外，超疏水表层可以延迟时间水珠的凝结结晶体，从經典形核基础理论而言，超疏水表层降低了异质性成分过冷的衬底，使其贴近于匀质成分过冷，形核速度大幅度降低，因此不利水珠结冻，进而完成防覆冰。因而防覆冰作用的完成是超疏水表层以及不光滑构造上的异质性成分过冷综合性功效的結果。

专利权（US2010314575Al）运用經典形核基础理论表述了金纳米颗粒规格对覆冰产生的危害，明确提出超疏水镀层的纳米技术粒度是危害冰霜产生的主要要素，科学研究觉得较小的纳米技术粒度可以提升水珠结晶体凝结的成分过冷功，水珠必须摆脱比较大的成分过冷摩擦阻力才可以逐渐结晶体。

Alizadeh 依靠經典形核基础理论表述了超疏水镀层表层延迟时间冰霜产生体制，强调在适中过冷度时，超疏水表层比较大的水表面张力可以降低非均相触碰总面积，提高冰霜成分过冷摩擦阻力，进而延迟时间水珠结冻。而在很大的温度梯度下，液气表层形核变成核心要素，超疏水表层的功效显著消弱。根据形核基础理论对超疏水表层防覆冰体制的剖析，得知超疏水表层具备防覆冰作用潜力，殊不知操纵其组织架构使其融入各种各样溫度等环境要素是现阶段急待化解的问题。根据研究超低温下水珠结冻全过程，融合热量传递和經典形核基础理论等对超疏水表层的防雨凇覆冰原理科学研究是前端基础理论，对电力线路防雨凇覆冰的原理科学研究具备关键的实际意义。

4 总结

在最表层制取具备耐用性防覆冰特性的超疏水表层，是完成积极防覆冰的经济发展、行得通的技术性之一。

但就现阶段的超疏水建筑涂料的技术性现况而言，镀层所建立的外部经济不光滑构造和有机化学构成是确定其防覆冰特性的重要，经提升加工工艺制取的超疏水表层可以减缓或避免覆冰的产生。

现阶段对电力线路超疏水镀层的防覆冰科学研究报导中，还末见有产业化运用取得成功的报导。传统式的超疏水防覆冰镀层的制取方式均需珍贵机器设备或繁杂加工工艺，当场工程施工难度系数大，实际效果无法确保。根据简易加工工艺搭建具备出色耐磨性能与耐老化的超疏水表层，并在严苛气温标准下保持其防覆冰特性，是超疏水镀层完成应用推广的重要。

将来必须对于输电线覆冰与超疏水表层防覆冰原理、超疏水防覆冰建筑涂料特性的改善等进行深入分析。

应提升涂料施工加工工艺的广泛性，以融入电力线路不规律外观设计表层的面积迅速制取等，产生电力线路总体防覆冰科学研究与科研开发管理体系。

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