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电力行业防覆冰的纳米技术应用

2022年02月20日 点击:

前言



2010年以来,电网规模增长近一倍,保障了经济社会发展对能源电力的需求。2019年,全社会用电量5.63万亿千瓦时、最高用电负荷8.1亿千瓦、装机15.56亿千瓦。

截至2019年底,110(66)千伏及以上输电线路长度109.34万千米、变电(换流)容量49.4亿千伏安(千瓦)。

电力是目前我国重要的能源之一,国内目前拥有电力铁塔200多万座。全国约有1/3以上的区域遭受覆冰影响,中东、中南、西南部尤其严重,风场年发电量损失1%~10%,恶劣地区达20%~50%,潜在市场规模过百亿,未估算线缆、电力柜、变电站等。

信息来源:国家电网(官网)

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电力覆冰的影响


绝大多数电力设备暴露于外界,冰雪灾害侵袭电网过程中,可能造成短路、闪络、断线等电气扰动;输电走廊的破坏会改变电力输送路径,导致运行方式变化、影响系统的安全稳定运行。

冰雪、冻雨气象事件对电力系统运行影响的时间尺度为几小时至几天,为渐进累积过程。在严重冰雪灾害气象条件下,线路、杆塔、绝缘子等主设备覆冰逐渐增加,机械部件受力逐渐增大,线路受风面积增大,绝缘子绝缘水平降低,系统主设备的安全水平逐渐降低。

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绝缘子覆冰到一定程度,开始出现闪络跳闸线路、杆塔持续覆冰增加最终会导致机械部件受力超过限值而发生断线、倒塔。闪络跳闸、线路断线会改变系统潮流分布、导致停电和输电阻塞。

长时间持续的冰雪灾害又会恶化交通运输条件,威胁火电厂煤炭的及时供应和电力的充足供给。

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对于冰雪事件常见的除冰技术


冰雪冻雨灾害为小概率、大范围事件,仅靠一次系统投资来抵御所有可能的冰雪灾害既不经济也不可能,因此,迫切需要对冰雪事件侵袭建立相应的防御方案。

常见的解决方案包含热能除冰 、机械除冰、自然除冰、涂层防冰四种。

· 热能除冰:利用各种技术,以增加输电线路中的电流,使导线自身产生足够多的热量,以避免冰雪的覆积或使已有的覆冰融化脱落。

· 机械除冰:通过操作人员进行外力敲打,但除冰速度慢、工作量大且不经济,易发生人员伤亡,所以只能在没有其他更有效方法的紧急情况下使用。

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· 自然除冰:不借助外界能量而靠自然力实现除冰,在输电线路上安装阻雪环、平衡锤等装置,借助风力、重力等作用自行脱落,但具有较强的偶然性,不能实现可靠除冰。

这三种方案都是覆冰后去铲除冰雪覆盖,需要消耗大量的能量,不能满足实际电力系统工作中对覆冰处理的需求。涂层防冰能够做到抑制表面结冰,是一种理想的防冰方式,具有一定的研究价值。


涂层防冰-纳米技术


纳米涂层便是基于荷叶效应仿生科技的新一代高分子纳米复合材料,通过纳米提纯工艺深加工制造、改进的溶胶-凝胶反应及水解固化等多重反应而形成致密的纳米防护膜。

纳米涂层在配方上采用有机、无机复合物的制造技术(Hybrid Ceramic Polymer Technology),结合了有机物和无机物特点的新型复合物;有机、无机复合不再是两者单纯的物理混合(Mixture),而是通过化学键来形成新的化合物(Composite),混合反应后,改善了无机物柔韧性差的缺点,提高了有机物的硬度和耐高温等特点,同时克服了无机物高温烧结(850℃)的缺点,使成膜温度降至常温。

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纳米涂层具有优良的力学性能,纳米材料的特殊结构及大的体积百分数的界面使它的塑性、冲击韧性与常规材料相比有很大改善。纳米材料的优越性已充分表现在显著提高材料的强度、高低温疲劳寿命、抗氧化性及耐腐蚀性等方面,因此它在电力工业中有着十分广阔的应用前景。


输电线路

能使输电线路有效防水、防冰、防覆雪,防线缆覆冰舞动、从而降低冰雪灾害带来的损失与安全事故。

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铁塔

能有效减少铁塔上的覆冰量,保持铁塔的自身清洁,防止微生物(苔藓等)附着与腐蚀,从而降低铁塔倒塌的风险。

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绝缘子

针对高压输电线、高铁绝缘子防污,在绝缘子表面喷涂超双疏涂层达到绝缘子自清洁作用,保证绝缘子绝缘效果,采用纳米涂层后闪络电压可得到显著的提高。

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开闭所、端子箱、高压配电房、变电站

防污染、防静电、防尘、电子传导性,防止空气中的粉尘、黄沙、花粉等等的附着,箱内能有效防止空气中的水蒸气凝露而导致的短路。

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纳米技术的应用必将改变传统电力行业对周边环境影响,对改善周边环境、提高人群健康、改善人文环境和自然景观等产生潜在的深远的社会意义。

纳米技术与电力行业的结合,可以促进传统产业模式的调整与升级,使传统的电力产业定位于21世纪同类产业的技术制高点,推动电力工业的跨越式发展。