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输电线路导线憎水性防覆冰涂层

2020年05月04日 点击:

作者:刘金鹏
来源:《世界家苑·学术》2017年第12期


        摘要:冰灾是输电线路最为常见的自然灾害之一,也是不可避免的自然灾害。架空输电线路导线覆冰极大地增加了导线的机械负荷,进而导致一系列安全事故出现,如断线、倒塔以及导线舞动等,严重影响线路的安全运行。自2008年中国南方大面积冰雪灾害后,国内相关产学研机构进行了大量输电线路抗冰、融冰研究,取得了很大成果。本文就以铝导线超憎水性表面的构造原理为依据,对不同微结构与涂层作用下导线表面的覆冰和憎水特性进行系统化的分析,证实其防覆冰性能。

        关键词:输电线路;导线;憎水性;防覆冰涂层


        1输电线路铝导线憎水性防覆冰涂层的研究

        1.1输电导线防冰涂层的研究

        根据涂层方式可以从根本上实现对导线表面覆冰形成与增长的有效抑制与缓解,进而能够将其他方面所具备的缺陷进一步消除,如耗能高、效率普遍不高、有限的使用范围以及地形地貌的影响大等,为此需要以防覆冰涂层的不同工作原理为依据,将其分为几种不同的类型,即电热型、光热型、憎水性、凝固点抑制剂型等。

        1.2憎水性防覆冰涂层的研究

        较为光滑材料的表面,其憎水性在一定程度上会极易受到化学成分的显著影响。基于普通材料光滑表面水滴的接触角控制在120°以下,然而诸多植物表面的水滴接触角在150°以上,如荷叶,并且在其表面水滴很难稳定地进行停留。为能够获得类似荷叶表面的憎水性,学者深入分析和研究了荷叶的表面结构,从中找出荷叶表面的结构并非光滑,而是被微米尺寸的乳凸所大量组成的,且纳米尺寸的凸起大量的存在着,其表面结构在整体上表现为微纳米复合阶层结构的粗糙表面;通过细致分析荷叶表面的化学成分,发现一层蜡质憎水性涂层存在于荷叶表面。受憎水性表面张力小的影响,导致接触水滴的面积和相互作用都比较小,相应的也会严重影响着其表面的覆冰性能。

        另外,不能深入研究铝绞线憎水性防覆冰涂层,这主要与当下输电铝导线超憎水性防覆涂层的研究仍处于探究阶段有很大的关系,因此会利用结构相对比较简单的铝片代替,通过深入研究其表面的覆冰性能,将有助于促进工程应用问题的有效解决。然而,受复杂绞线表面结构的影响和研究力度的不足,导致这方面的开发研究非常少。

        2试验装置与测试方法

        在特定的大气条件下输电线路铝导线会时常出现严重覆冰的情况,为此关于这方面的试验研究也应该在特定大气条件下开展,因此进行模拟设计十分有必要。

        2.1输电导线覆冰模拟系统

        根据危害程度可以将输电导线覆冰逐渐划分为白霜、雾凇、混合松以及雨凇,其中雨凇会给输电线路造成最为巨大的危害,这主要与其本身的高密度和强粘附力有关,由此会急剧增加输电导线的机械负荷。例如,我国大多数南方省份的输电线路在2008年出现的严重覆冰损害在很大程度上便是与毛毛雨和冻雨所造成的雨凇覆冰有关,相应的雨凇覆冰也就成为研究的重点问题。由于雨凇覆冰除在一定程度上会受到冰水滴直径的影响以外,风速和气温等也会造成不同程度的影响,为此在整个研究过程中需要强化考虑和模拟这些因素,在此基础上通过对其本身特点将一整套较为完整的输电导线覆冰模拟系统设计出来,即成冰气温和风速的控制、成冰水滴直径控制。

        覆冰试验方法:为能够在自然低温过冷水滴环境中将输电导线表面的覆冰形成过程更好地模拟出来,需要根据一定的步骤模拟系统中的覆冰形成过程。

        第一,设置环境模拟实验箱的温度为-6℃,储水水箱的温度为0℃,通过将气候箱和水制冷系统分别开动,以此分别对气候箱与成冰水制冷。第二,待环境模拟实验箱内部温度满足-6℃时,需要在其中放置铝导线并进行为期0.5h的预冷,当铝导线表面温度达到箱内温度时,则需要将喷水装置启动并对其表面进行必要的喷水覆冰,以此铝导线表面所形成的雨凇覆冰会更好,其中喷水的方式主要采选用的是喷10s停30s的间隔方式。第三,通过每隔5min拍照记录铝导线表面覆冰的状态,每隔10min进行称重分析,以此便可以充分掌握其表面的实际覆冰状态。

        2.2覆冰粘附强度的测试

        所谓的覆冰粘附主要是在0℃以下的气温环境中,在材料表面水通过冻结而逐渐形成的和表面材料的粘合强度,受不同成分与结构的影响,导致其覆冰粘附的强度在一定程度上会存在不同。针对材料表面粘附强度比较大的覆冰,脱落的情况一般不会发生,要想其脱落则需要借助较大的外力,而对于那些粘附强度比较小的,则在重力的作用下覆冰便可自行脱落。因此,以覆冰粘附强度为依据来进行测试和分析,将有利于对材料表面本身的覆冰性能进行科学的衡量与评价,进而能够在一定理论指导下实现对涂层材料表面本身所具备的防覆冰性能。

        测试方法:本文主要是将自然界形成覆冰的自然条件结合起来,按照以下步骤测试不同铝材表面的覆冰粘附强度。

        首先,将环境模拟实验箱中的温度设为-6℃,当气温满足该温度条件时便在箱中放入冻冰模具和待测铝试样,并进行为期30min的冷却,待二者的温度满足箱内温度时,需要在铝试样的表面放置冻冰模具,在其中分2次进行注水,以此会在其表面形成一定面积的覆冰,覆冰整个冻结的时间控制在2h左右;其次,待冻结完毕以后,需要将特定装置中放入试样并将其在固定的卡具内固定,在此基础上将质量不同的砝码在测试装置右侧的牵引绳上悬挂,将覆冰模具、覆冰脱落时砝码的重量加起来,并且将在铝试样表面所施加的等效覆冰粘附强度科学计算出来。

        2.3涂层表面憎水性测试

        材料表面的不同憎水性在一定程度上将会直接影响着其覆冰的粘附强度,因此通过测试客观地分析其憎水性能,将有助于实现对涂层表面覆冰性能的掌握。以静态和动态测试之间的差异为依据,可以将其表面的憎水性能划分为水滴接触角和动态水滴滑行测量,进而会分别影响着其覆冰的形成。

        3结语

        输电铝导线防覆冰涂层研究所能够涉及的内容非常多,诸如材料、电气、物理、化学等众多交叉学科,是当下研究输电线路安全防护的重要内容之一。本文对铝表面的覆冰性能进行了科学研究,以此将一种具备良好防覆冰性能的超憎水性铝表面研制出来,但并未将其应用到现场试验中,为此值得进行深入研究与探索。


        参考文献

        [1]输电导线的覆冰模拟系统[J].汪佛池,杜岳凡,李成榕,吕玉珍,赵宇倩.高电压技术.2009(09)

        [2]导线覆冰增长规律的试验研究[J].文习山,龚宇清,姚刚,蒋日坤,蓝磊.高电压技术.2009(07)

        [3]直流融冰装置的研制与应用[J].傅闯,饶宏,黎小林,晁剑,田杰,陈松林,赵立进,许树楷,马晓红.电力系统自动化.2009(11)

       [4]交流电网并联电容法融冰方案研究[J].胡林生.甘肃水利水电技术.2009(03)

        (作者单位:中国葛洲坝集团电力有限责任公司武汉设计院)