尹桂來，李 侶，陳 田，王 芹，向振濤

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)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(yùn)行直接關(guān)系到電力生產(chǎn)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(dāng)中的，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，我國除南方部分省份外，其他大部分省份均飽受冰災(zāi)的影響。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，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(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(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。

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(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%。

表1 不同溫度條件下防覆冰樣板相對(duì)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(duì)比樣板覆冰前后對(duì)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(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/cm，垂直粘結(jié)力為0.51 N/cm，空白樣板冰的水平粘結(jié)力為26.97 N/cm，冰的垂直粘結(jié)力為4.57 N/cm。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。

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(duì)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(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%。