尹桂来　李侣　陈田　王芹　向振涛

摘 要：为了解决输电线路的覆冰问题，对导线涂覆吸能超双疏防覆冰涂层，研究吸能超双疏防覆冰涂层的接触角、滚动角、覆冰减少率、冰粘结力、低温脱冰性能、表面温升。通过实验研究表明吸能超双疏防覆冰样板具有超疏水超疏油性能，比空白样板覆冰减少55%，水平粘结力比空白样板减少99%，垂直粘结力减少89%。因此，超双疏防覆冰涂层具有超双疏、减少覆冰量、降低冰附着力、低温脱冰的性能，将极大改善低温环境中导线覆冰的问题，在输电线路防覆冰领域具有广阔的应用前景。

关键词：吸能;防覆冰;输电线路;涂层;超疏水;疏油

中图分类号：TG174.44;TM75 文献标识码：A 文章编号：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

在我国电力系统中，输电线路的稳定运行直接关系到电力生产的安全性。我国绝大多数的输电线路都是直接暴露在外界环境当中的[1]，因此极易受到极端天气的影响，威胁电网安全稳定运行。其中，对电网影响最大、范围最广的应属冰冻灾害，会导致输电线路覆冰甚至引发电网大范围停电乃至崩溃。

多年以来，我国除南方部分省份外，其他大部分省份均饱受冰灾的影响[2]。1977年，长江流域及其以南各省多次出现严重降雪天气;1984年我国出现大面积的冰冻灾害。自2008年1月中旬至2月初，江西省连续四次受到强冷空气袭击，出现了50年未遇、持续20多天的低温雨雪冰冻天气，致使输电线路覆冰异常严重，导致500 kV线路累计倒塌116基、断线116处，19条500 kV线路中有17条先后停运，500 kV网架基本瘫痪。

目前常用的除冰方法主要包括主动除冰和被动除冰[3]，其中：主动除冰包含热除冰、电除冰、机械除冰，主动除冰方法成本高、耗能高;被动除冰主要包含疏水涂料、光热涂料、喷洒化学药品等方法：，被动除冰方法成本低，但是目前疏水涂料和光热涂料防覆冰效果并不理想，喷洒化学药品法只能作为一种短期除冰方法。因此，亟须研制一种有效的防冰材料应用于输电线路。近年来，荷叶仿生超疏水材料在防冰领域的应用屡有报道。蒋兴良等[4]在人工气候室内对涂覆3种不同超疏水涂层的试品進行防覆冰性能衰减实验，研究表明随着覆冰/脱冰循环的进行，冰层粘结强度慢慢增加，超疏水性能衰减。Liu等[5]在硅表面形成含氟超疏水涂层，可以有效延长结霜时间，霜的厚度降低52%，且与基材的附着力大幅减弱。Gou等[6]在温度为18.4℃，相对湿度为40%的环境中，将一种具有多重微纳结构的超疏水铜片和空白铜片放在温度为-10℃的环境温度中做冷凝实验。实验发现，与空白铜片相比，超疏水铜片能够延缓冷凝液滴的出现达到590 s，能够延缓冰核的形成达到55 min。L.Mishchenko等[7]在硅片上做出了规整的超疏水涂层，然后进行过冷水滴撞击实验，发现水滴撞击普通表面时会迅速铺展开来，然后结冰，而水滴撞击超疏水涂层则会反弹回来，并且水滴与超疏水表面的接触时间很短，在冰核形成之前就已经脱离表面，避免结冰。已有的研究尚未有超疏水和吸能相结合的材料应用于输电线路防覆冰领域的报道。

1 实验部分

1.1 主要实验设备与材料

不锈钢样板（15 cm×7 cm×0.1 cm）、吸能超双疏防覆冰涂料（武汉疏能新材料有限公司）、空气喷枪、温度探针、恒温冰箱、滚动角仪、接触角仪、拉力仪、天平。

1.2 实验内容

实验研究了金属基材上涂覆吸能超双疏防覆冰涂层后的防覆冰效果，主要研究内容如下：

（1）吸能超双疏防覆冰样板水接触角、水滚动角、油接触角、油滚动角;

（2）吸能超双疏防覆冰样板在不同温度条件下相对空白样板的覆冰减少率;

（3）吸能超双疏防覆冰样板冰粘结力;

（4）吸能超双疏防覆冰样板在日照时，在不同环境温度时与空白样板脱冰情况对比。

实验步骤如下：

在15 cm×7 cm×0.1 cm金属基材表面用喷涂的方式制备吸能超双疏防覆冰样板，室温放置7 d完全固化后进行各项测试。

测试吸能超双疏防覆冰样板水接触角、水滚动角、油接触角、油滚动角。

（1）用接触角仪测试吸能超双疏防覆冰样板的水接触角、油接触角;

（2）用滚动角仪测试吸能超双疏防覆冰样板的水滚动角、油滚动角。

测试吸能超双疏防覆冰样板在不同温度条件下相对空白样板的覆冰减少率。

（1）将恒温冰箱温度调至实验环境温度;

（2）将1块空白样板和1块吸能超双疏防覆冰样板称重，分别为m0、m1;

（3）将空白样板和超双疏防覆冰样板放入恒温冰箱中预冷2 h，对样板依次喷淋过冷水，每块样板喷1次，间隔5 s后喷下一块样板，每块样板喷10遍为一轮，一轮过后，冷冻3 min开始下一轮，喷三轮，最后一轮结束后冰冻10 min后进行称重，其中空白样板重量为m2，超双疏防覆冰样板重量为m3;

（4）覆冰减少率为：

[（m2-m0）-（m3-m1）]/（m2-m0）×100%

其中m2-m0为空白样板覆冰量，m3-m1为吸能超双疏防覆冰样板覆冰量;

（5）重复上述实验3次，求覆冰减少率取平均值;

（6）按照步骤（1）～（5）分别测试-2、-10、 -20℃环境温度条件下吸能超双疏防覆冰样板的覆冰减少率。

测试吸能超双疏防覆冰样板冰粘结力。

（1）将恒温冰箱温度调至-10℃;

（2）用12个边长为5 cm的正方体模具，分别在6块空白样板和6块吸能超双疏防覆冰样板上制备正方体冰块，并在-10℃恒温冰箱中冷冻24 h;

（3）用拉力仪分别测试冰块和样板表面的水平粘结力和垂直粘结力;

吸能超双疏防覆冰样板在日照时，在不同环境温度时与空白样板脱冰情况对比。

（1）在-10℃恒温冰箱内将1块空白样板和1块吸能超双疏防覆冰样板进行覆冰处理，覆冰重量相同，冰冻24 h以上;

（2）将恒温冰箱调至所需的环境温度放置在户外阳光下，两块样板在的恒温冰箱内接受阳光照射，30 min后观察脱冰情况;

（3）分别观察-2、-10、-20℃环境温度条件下的脱冰情况。

2 结果与讨论

吸能超双疏防覆冰样板水接触角CA为160°、水滚动角SA为2°，油接触角为CA为151°、油滚动角为SA为7°，如图1所示，吸能超双疏防覆冰样板具有超疏水超疏油性能，可以有效抵御自然界的油灰，增加涂层使用寿命。

如表1和图2所示，在-2℃环境温度下对样板喷洒过冷水进行覆冰后，吸能超双疏防覆冰样板相对空白样板覆冰减少率为95%;在-10℃环境温度下对样板喷洒过冷水进行覆冰后，吸能超双疏防覆冰样板相对空白样板的覆冰减少率为60%;在-20℃环境温度下对样板喷洒过冷水进行覆冰后，吸能超双疏防覆冰样板相对空白样板的覆冰减少率为20%。

由于吸能超双疏防覆冰样板具有超疏水性，在表面喷洒过冷水时，过冷水在温度极低的吸能超双超疏样板基材表面瞬间结冰，而随着基材温度升高时，过冷水无法迅速在吸能超双疏防覆冰样板基材表面结冰，直接滚落。冰点以下，随着温度的升高，吸能超双疏防覆冰样板的相对空白样板的覆冰减少率增加。

吸能超双疏防覆冰样板冰的水平粘结力为0.1 N/cm2，垂直粘结力为0.51 N/cm2，空白样板冰的水平粘结力为26.97 N/cm2，冰的垂直粘结力为4.57 N/cm2。防覆冰样板本身的超疏水性使其对冰层具有极小的粘结力，水平粘结力减少了99%，垂直粘结力减少了89%，在结冰初期可以减少冰在表面附着，在脱冰时，冰层更易从表面脱落。

如表2和图3所示，-2℃环境温度下，阳光照射30 min，吸能超双疏防覆冰样板的脱冰量大于98%，空白样板的脱冰量为0%。吸能超双疏防覆冰涂层能够利用黑色粉体吸收太阳光，并存储能量。在有光照时，即使环境溫度低于冰点，防覆冰涂层表面温度也比环境温度高1～4℃，与吸能超双疏防覆冰涂层表面接触的冰层更容易融化，冰层随即脱落。-5℃环境下，阳光照射30 min，脱冰量为40%，空白样板脱冰量为0%。-10℃和-20℃环境温度下，阳光照射30 min，吸能超双疏防覆冰样板脱冰量为0%，空白样板脱冰量为0%，未脱冰。主要因为此时吸能超双疏防覆冰样板表面温度仍然低于冰点，冰层无法融化、脱落。

3 结语

吸能超双疏防覆冰涂层具有减少覆冰量、降低冰附着力、低温脱冰的特点，在输电线路防覆冰领域有广阔的应用前景。

（1）-2℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少98%;-10℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少60%输电线路;-20℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少20%。防覆冰样板在环境温度-10℃以上对初期覆冰减缓有明显效果;

（2）冰对吸能超双疏防覆冰样板的水平粘结力比空白样板减少99%，垂直粘结力减少89%，在覆冰初期，冰在的外力下易脱落;

（3）吸能超双疏防覆冰涂层具有明显的脱冰效果，在-2℃环境温度下，阳光照射30 min，吸能超双疏防覆冰样板脱冰量98%。

【参考文献】

[1] 蒋彦.电网覆冰灾害风险评估方法及应对措施研究[D].武汉：华中科技大学，2018.

[2] 王登科，余笑薇，龍辉瑞，等.冰灾中江西省500 kV输电线路断线及倒塔原因简析[C].郑州：中国科学技术协会2008防灾减灾论坛论文集，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] 蒋兴良，周洪宇，何凯，等.风机叶片运用超疏水涂层防覆冰的性能衰减[J].高电压技术，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.