李 旭 譚新玉,2

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

覆冰是輸電線路嚴(yán)重的自然災(zāi)害,可造成電網(wǎng)多方面的嚴(yán)重?fù)p失,給電力系統(tǒng)穩(wěn)定乃至人類能源安全帶來嚴(yán)重威脅[1-5].覆冰會造成線路過載,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致倒塔斷線[6]、絕緣子串覆冰閃絡(luò).當(dāng)冰雪融化時(shí),冰閃的發(fā)生概率更高.加拿大和美國都曾發(fā)生過多次大面積的冰災(zāi),使輸電線路發(fā)生大面積的覆冰閃絡(luò),累計(jì)停電影響達(dá)到數(shù)百萬人[7].在2008年中國冰災(zāi)期間,許多輸電桿塔在積雪的重壓下倒塌,導(dǎo)致多個(gè)市、縣停電.湖南、江西兩省有37%的500 k V 輸電桿塔被拆除,造成約30億美元的損失.2015年,天津市遭遇暴風(fēng)雪,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)安全運(yùn)行,500 k V 輸電線路多次閃絡(luò)跳閘斷電,造成重大經(jīng)濟(jì)損失[8-10].絕緣子串防冰和除冰一直是一個(gè)亟待解決的問題.

當(dāng)絕緣子串表面被冰雪覆蓋時(shí),可能造成傘群橋接,改變絕緣子串表面的電場分布,使絕緣子泄漏距離縮短,電氣絕緣強(qiáng)度降低,進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò).此外,輸電線路覆冰閃絡(luò)事故多發(fā)生在冰雪融化的過程中,絕緣子表面的污穢物與融化的冰雪形成高導(dǎo)電性溶液,使電弧持續(xù)時(shí)間長,電弧貫穿引起的閃絡(luò)概率變大.研究表明,覆冰前污染越重,閃絡(luò)概率越高[11].文獻(xiàn)顯示,輸電線路冰雪災(zāi)害中,絕緣子覆冰閃絡(luò)事故的占比最大[7].因此,架空輸電線路防冰的最大目標(biāo)是在不影響線路運(yùn)行的情況下,提高效率和耐久性,降低技術(shù)成本,最大限度地消除結(jié)冰危害.

許多學(xué)者對輸電線路覆冰的影響因素和形成機(jī)制進(jìn)行了深入研究.包括覆冰觀測、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究等,不僅對輸電線路覆冰的特征、機(jī)理及其閃絡(luò)特性進(jìn)行研究,而且提出了除冰策略,包括絕緣子串和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、大電流融冰、涂層處理等防冰對策,以及覆冰后的外力除冰[12-16].一般來說,這些輸電線路防冰和除冰技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn).使用涂層來提高架空輸電線路電氣設(shè)備的性能和穩(wěn)定性有著悠久的歷史.RTV 或PRTV 抗污閃涂料被廣泛用于改善玻璃和陶瓷絕緣子的污閃性能,但因其疏水性不高,材料表面在長時(shí)間的霧、露、雨水等的作用和潤濕下,容易形成連續(xù)水流和水膜.且RTV 或PRTV 涂料常年暴露在戶外,遭受日曬、雨淋、高溫和嚴(yán)寒等以及紫外線的照射和強(qiáng)電磁場環(huán)境的影響,其防污閃能力就會慢慢減弱甚至消失.因此,其使用壽命不長[17].

隨著有機(jī)材料科學(xué)和納米科學(xué)的發(fā)展,越來越多具有超疏水、自清潔、半導(dǎo)體、自潤滑和自修復(fù)等功能的功能涂層被開發(fā)出來,用于輸電線路絕緣子防覆冰[18-19].這類功能涂層可節(jié)省人工,大大降低輸電線路維護(hù)成本.防冰材料利用低表面能或高潤滑性的優(yōu)點(diǎn),可以在低溫嚴(yán)寒條件下,降低物體表面冰的黏附強(qiáng)度、延遲覆冰時(shí)間、減少材料表面覆冰量.正是因?yàn)楣δ苄苑辣苛媳憩F(xiàn)出低成本、高效率、低能耗、輕量化等獨(dú)特優(yōu)勢,有望成為輸電線路覆冰問題的首選解決方案.本文從輸電線路覆冰及形成條件、輸電線路現(xiàn)有防冰、除冰技術(shù)和防冰涂層等幾個(gè)方面對輸電線路絕緣子的防冰研究進(jìn)行總結(jié)和分析,討論了超疏水涂層、光熱涂層和電熱涂層在架空輸電線路防冰保護(hù)中的效果.為預(yù)防和處理輸電線路覆冰災(zāi)害提供更多有效的方法.

1 輸電線路覆冰

輸電線路的覆冰一般可分為白霜、霧凇、混合凇、雨凇和雪5 類.當(dāng)輸電架空線和絕緣子串在0℃以下、風(fēng)速較低時(shí),空氣中的水分會與之接觸,在表面形成白霜,白霜主要以針狀或葉狀晶體形式存在.當(dāng)霧中的過冷水滴在風(fēng)的作用下,不斷與導(dǎo)線、絕緣子串表面碰撞,凝結(jié)成霧凇,霧凇外觀如松針,呈白色.當(dāng)溫度下降到-5～0℃、空氣相對濕度在85%以上、風(fēng)速為2～15 m/s時(shí),如果有霧或毛毛雨,輸電線和絕緣子串就會開始形成雨凇,在條件不變的情況下,短時(shí)間內(nèi)就會形成一層很厚、附力很強(qiáng)的雨凇[20-22].如果溫度繼續(xù)下降,就會出現(xiàn)雨雪天氣,雨和雪在雨凇表面迅速生長,形成密度為0.6 g/cm3以上的結(jié)冰.如果氣溫繼續(xù)從-5℃下降到-15℃,冰層將被霜覆蓋,這一過程中,輸電線或絕緣子表面會形成雨凇-霧凇混合層[23-24].當(dāng)晴冷天氣交替出現(xiàn),霧凇剛開始融化就又重新結(jié)冰,會增加冰的密度,發(fā)展成雨凇與霧凇交替重疊的混合物,即混合凇[25].

覆冰對絕緣子的電氣性能產(chǎn)生不利影響,主要有兩個(gè)原因:一是泄漏電流的焦耳熱,使冰雪融化,絕緣子表面污染物變潮濕,增加表面電阻;二是結(jié)冰會改變絕緣子的形狀,爬電距離會迅速減小,在污染和覆冰的共同作用下,容易引起絕緣子冰閃,冰閃是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,受水的電導(dǎo)率、覆冰后絕緣子的形狀和冰層分布的影響最大[12].

2 輸電線路防冰/除冰方法

2.1 熱力融冰法

熱力融冰是利用外加的熱源或?qū)Ь€的自加熱,使冰雪無法在導(dǎo)線上積聚,或融化已經(jīng)積聚的冰雪.熱力融冰法包括鐵磁材料法、阻線融冰法、短路電流融冰法和過電流融冰法.短路電流融冰分為交流短路融冰和直流短路融冰.熱力融冰法的缺點(diǎn)是耗電量大,融冰系統(tǒng)造價(jià)非常昂貴[5,12].

2.2 外力除冰法

外力除冰法是利用機(jī)械設(shè)備清除絕緣子或輸電線表面的冰雪.外力除冰法包括人力除冰、滑輪刮板除冰、電磁振動(dòng)除冰、機(jī)器人除冰和超聲除冰等[11].

人力除冰法,主要是指當(dāng)架空線路斷電時(shí),操作人員可以通過爬塔直接手動(dòng)除冰,或?qū)?jiān)硬的絕緣物體從地面扔到導(dǎo)體上敲掉冰,或用長木棍敲打冰.當(dāng)導(dǎo)線通電時(shí),用絕緣棒敲擊積冰處,除去覆冰.還可以在導(dǎo)線上做一個(gè)U 形陷阱,拖著它刮掉覆冰.這種方法比較原始,需要現(xiàn)場操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作.只適用于導(dǎo)線離地較低的輸電線路,除冰效率低、安全性差[11-12,23].

滑輪刮板除冰,主要由滑輪、牽引繩和鋼刀片組成,安裝在導(dǎo)線上.地面操作人員利用牽引繩拖動(dòng)滑輪沿導(dǎo)線移動(dòng).一方面,滑輪帶動(dòng)鋼刀在移動(dòng)路徑上刮除覆冰;另一方面,滑輪產(chǎn)生應(yīng)力使導(dǎo)體彎曲,使冰雪從導(dǎo)線上脫落.其優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單,操作方便,效果明顯,實(shí)用性強(qiáng);缺點(diǎn)是需要人工操作,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,受山區(qū)地形限制,對導(dǎo)線的損傷大[11-12,23].

電磁振動(dòng)除冰法是指使輸電導(dǎo)線產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng),從而使導(dǎo)線覆冰脫落的方法,主要分為電磁脈沖除冰法和電磁力除冰法.電磁脈沖除冰法是通過瞬時(shí)脈沖大電流產(chǎn)生的機(jī)械力使覆冰產(chǎn)生輕微膨脹變形后收縮、破裂而脫落.電磁力除冰法是將輸電線路在額定電壓下短路,短路電流產(chǎn)生的電磁力使導(dǎo)線互相撞擊而使覆冰脫落.但成本較高,產(chǎn)生的振動(dòng)容易損壞桿塔、金具和導(dǎo)線[11-12,23].

機(jī)器人除冰是近年來流行的一種除冰方法,它是由機(jī)器人代替人到達(dá)不容易除冰的危險(xiǎn)場所,實(shí)現(xiàn)除冰操作的自動(dòng)化[26-27].智能感知線路環(huán)境的輸電線路防冰/除冰機(jī)器人,可以在線路上正常運(yùn)行,對線路弧度具有很好的適應(yīng)性,最大上行坡度45°[28],如圖1所示.

圖1 除冰機(jī)器人[28]

近年來,輸電線路除冰機(jī)器人在電池、無線傳輸?shù)饶K進(jìn)行了改進(jìn).鋰離子電池的使用增加了機(jī)器人的使用時(shí)間.可任意擴(kuò)展、雙向傳輸?shù)臒o線傳輸模塊、采用新型防水接頭等措施提高了機(jī)器人的可靠性[29].神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制方法也被用來解決輸電線路除冰機(jī)器人的控制問題.Yang等探討了除冰機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)模型.提出了一種由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和單層反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制策略[30].

超聲除冰技術(shù)是利用超聲振動(dòng)引起的空化效應(yīng)、加熱效應(yīng)和最重要的機(jī)械效應(yīng)來除冰.當(dāng)高能超聲波在板-冰分層系統(tǒng)中傳播時(shí),由于冰與板的物理性質(zhì)不同而產(chǎn)生不同的傳播速度,從而在板-冰接觸面或界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力.這種剪切應(yīng)力可以破壞和剝離冰層[31].

2.3 被動(dòng)除冰法

被動(dòng)除冰法是指不借助外界能源,依靠自身特性進(jìn)行防冰,或者使覆冰在自然環(huán)境的風(fēng)力、紫外照射、溫度變化以及重力的作用下自行從輸電線路和絕緣子串上脫落的方法[12].主要包括安裝平衡錘、阻冰環(huán)、線夾和重錘等,還有通過除冰液、鹽等化學(xué)物質(zhì)來防止絕緣子覆冰的方法.但大部分除冰液和除冰鹽會污染環(huán)境和絕緣子.

超疏水防冰涂層被認(rèn)為是輸電線路和絕緣子除冰和防冰的有效替代方法[23].該方法是在絕緣子表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)或涂上一層超疏水材料,使水珠、冰雪不易覆蓋絕緣子表面,以達(dá)到被動(dòng)防冰效果.與傳統(tǒng)的防冰除冰方法相比,防冰材料可以降低冰在表面的附著力,從而降低覆冰程度.

3 輸電線路防冰/除冰涂層

由于絕緣子獨(dú)特的形式和較高的絕緣要求,熱力融冰法和外力除冰法并不適用于輸電線路絕緣子.工程實(shí)踐中常常通過改變絕緣子串的布局,如采用V型串[32]、T 型串排列[33]和大小傘群[34]來提高絕緣子的防覆冰性能,如圖2所示.但是并不能從根本上解決絕緣子覆冰的問題,只起到了緩解作用.與其他防冰和除冰技術(shù)相比,使用超疏水、電熱和光熱等功能涂層具有低能耗、輕重量和高效率的優(yōu)點(diǎn),顯示出廣泛應(yīng)用的潛力.

圖2 倒T 型排列[33]與大小傘裙[34]絕緣子串覆冰情況

3.1 超疏水防冰涂層

大量文獻(xiàn)資料和實(shí)踐證明,硅橡膠表面本質(zhì)上是疏水的[35-39].但是相關(guān)研究表明,水接觸角(WCA)不高且疏水表面覆冰時(shí),會降低硅橡膠絕緣子的覆冰閃絡(luò)性能[36].同時(shí),對長效室溫硫化硅橡膠(PRTV)涂層在覆冰狀態(tài)時(shí)的電氣特性的研究結(jié)果表明,PRTV涂層不能減少絕緣子上的覆冰量,而且當(dāng)涂有PRTV涂層的絕緣子覆冰后,在高電壓作用下,氣隙內(nèi)可能發(fā)生局部放電,焦耳熱將冰融化并潤濕污穢層[37].這種現(xiàn)象加速了閃絡(luò)的概率,使閃絡(luò)電壓降低.同時(shí),隨著老化時(shí)間的增加,絕緣子的閃絡(luò)梯度會減小,這是絕緣子表面的低疏水性使污染程度增加所致[38].類似荷葉的超疏水現(xiàn)象引起了各個(gè)研究領(lǐng)域的興趣.超疏水表面的水接觸角(WCA)大于150°,滾動(dòng)角(SA)小于10°.為了減少絕緣體表面與水介質(zhì)的相互作用,應(yīng)用了各種類型的改性,致使表面具有超疏水狀態(tài)[1].超疏水表面的防冰機(jī)理可以用3 個(gè)方面來表述:第一,超疏水表面的低滾動(dòng)角,使水滴在凍結(jié)前容易從表面彈跳離開;第二,水滴會在超疏水表面形成Cassie模型,粗糙的結(jié)構(gòu)會作為氣穴捕獲空氣,形成良好的保溫層,減少水滴與表面的熱交換,從而延遲水滴成核時(shí)間;第三,由于冰在超疏水表面的黏附力低(通常小于100 kPa),冰可以很容易地被自然力除去[12].目前超疏水防冰涂層的制備方法主要有溶膠-凝膠法、噴涂法、浸涂法、刻蝕法、激光燒蝕法以及其他方法等[11].這些制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1.

表1 典型超疏水表面涂層的制備方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

3.1.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法首先是將化學(xué)前驅(qū)體溶解于溶劑中,添加催化劑,使化學(xué)組分間發(fā)生水解、縮合等反應(yīng),形成溶膠體系;然后對溶膠體系進(jìn)行陳化,溶膠粒子相互交聯(lián)而形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠;最后經(jīng)過干燥和燒結(jié)過程制備具有納米結(jié)構(gòu)的材料.溶膠-凝膠法制備超疏水涂層對設(shè)備要求低、制備工藝相對簡單,但通常需要高溫處理.Sun等采用溶膠-凝膠法結(jié)合等離子體噴射法在HTV 硅橡膠表面制備了超疏水涂層,具有優(yōu)異的超疏水性和自清潔性能.在-30℃低溫下,涂層表面的結(jié)冰時(shí)間比HTV 硅橡膠表面延遲了5.6倍左右[39].Li等用溶膠-凝膠法制備了具有冰點(diǎn)以下防覆冰性能的玻璃/瓷絕緣子超疏水涂層,第一層是在基材表面構(gòu)建分層的SiO2涂層,第二層是化學(xué)改性的SiO2涂層.涂層的WCA 高達(dá)163.6°,SA 為1.4°.冬季室外試驗(yàn)也證實(shí)了該涂層的超疏水性能,并發(fā)現(xiàn)該涂層具有防冰功能[40].

3.1.2 噴涂法

噴涂法是指將涂料從容器中壓出或吸出,并通過噴槍霧化后施涂于物體表面的涂裝方法,具有操作簡單,適用于不同形狀、尺寸和材質(zhì)基材的優(yōu)點(diǎn)[2].因此,噴涂法制備超疏水涂層在科研和工業(yè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用.Liu等用噴涂法制備了一種基于SiO2/PDMS/EP的多功能納米涂層,改善了表面污染、覆冰、表面電荷積聚和表面閃絡(luò)等關(guān)鍵問題.實(shí)現(xiàn)了大于160°的WSA 和接近0°的小SA;減小了冰黏結(jié)強(qiáng)度[41].Lei等采用簡單的噴涂方法制備了SiO2納米顆粒和室溫硫化硅橡膠的超疏水涂層.在-8℃和-4℃時(shí),水滴能夠迅速滾離表面.在-12℃時(shí),表面的結(jié)冰延遲,冰體積減小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超疏水涂層具有較強(qiáng)的防冰能力[42].

3.1.3 浸涂法

浸涂法是將被涂物體全部浸沒在涂料中,經(jīng)過很短的時(shí)間再取出,并將多余的涂液重新流回槽內(nèi)的涂裝方法[11].浸涂法具有省工省料、生產(chǎn)效率高、設(shè)備與操作簡單、可采取機(jī)械化或自動(dòng)化進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn),最適于單一品種的大批量生產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于涂層的制備.Liao等用氣相疏水SiO2與環(huán)氧樹脂、氟硅樹脂材料浸涂法制備了超疏水防冰涂層,能有效減小覆冰面積和冰的積累[43],如圖3所示.

圖3 浸涂不同時(shí)間的SHP絕緣子與裸絕緣子覆冰[43]

Peng等采用浸涂法和篩沉積法制備復(fù)合絕緣子用SiO2/環(huán)氧樹脂涂層.該涂料具有優(yōu)異的防污和自清潔性能、良好的機(jī)械穩(wěn)定性、高的熱穩(wěn)定性(300℃)和優(yōu)異的防冰性能[44],如圖4所示.

圖4 涂覆和未涂覆表面的防冰試驗(yàn)過程[44]

3.1.4 刻蝕法

刻蝕法是一種常用的在固體表面制備粗糙結(jié)構(gòu)的方法,利用離子氣體或酸性或堿性溶液對固體表面進(jìn)行腐蝕,從而構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu).刻蝕法也被用于構(gòu)造超疏水防冰涂層[11].Liu等采用化學(xué)刻蝕和陽極氧化相結(jié)合的方法,在鋁合金表面制備了超疏水防冰表面,具有優(yōu)異的超疏水性和抗冰性能,有效延緩了水的凍結(jié).此外,在多次結(jié)冰/除冰循環(huán)后,所制備的防冰表面仍保持機(jī)械性,并且冰的附著強(qiáng)度保持在70 k Pa以下,接觸角保持在150°以上[45].Guo等采用納米碳酸鈣和二氧化硅顆粒結(jié)合氟硅樹脂和環(huán)氧樹脂,用刻蝕法制備了接觸角為166.4°、接觸角滯回為0.9°、滑動(dòng)角小于1°的超疏水表面.涂層表面能低,結(jié)構(gòu)中含有微米級凹坑和納米級珊瑚狀突起,具有良好的抗結(jié)冰性能[46].

3.1.5 激光燒蝕法

大多數(shù)涂層方法在應(yīng)用中仍存在一些問題,涂層材料與基材黏合的穩(wěn)定性、涂層的耐久性以及高成本影響了這些方法的實(shí)際應(yīng)用[11].激光燒蝕作為一種構(gòu)造持久超疏水涂層的方法受到研究人員的青睞.激光燒蝕是表面改性最簡單有效的方法,它不會改變基底本身的性能,通過激光將微結(jié)構(gòu)直接刻蝕在基底表面,達(dá)到超疏水效果.Hong等利用飛秒激光在氧化鋁陶瓷表面燒蝕出微納米結(jié)構(gòu),再經(jīng)聚二甲基硅氧烷(PDMS)修飾后,表面由超親水轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?涂層表面水滴的凍結(jié)時(shí)間延長了189 s.此外,涂層可以有效地防止霜的覆蓋[47].Zhao等用激光燒蝕技術(shù)在硅橡膠絕緣子傘裙表面成功地設(shè)計(jì)了9種紋理的微納米結(jié)構(gòu).確定了產(chǎn)生疏水性能、機(jī)械性能、防冰性能的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)[48].Emelyanenko等采用激光燒蝕方法,將等離子體中形成的納米顆粒沉積到表面,在復(fù)合硅橡膠上制備出的超疏水涂層的WSA 高達(dá)170°,且具有持久的疏冰性能.在溫度為-18℃的條件下,暴露40 h后,有25%的NaCl液滴仍保持液態(tài).涂層表面冰的黏附強(qiáng)度遠(yuǎn)低于未涂層表面[49].

3.1.6 其他方法

除以上制備超疏水防冰涂層的常用方法,為了獲得更好的超疏水效果,一些新的制備方法也被使用于防冰涂層.Liao等采用射頻磁控濺射技術(shù)在玻璃表面制備了由六邊形-環(huán)三甲氧基硅烷和Zn O 納米棒組成的納米薄膜.表面WCA 為165.6°,滑動(dòng)角小于1°.其在雨凇環(huán)境中表面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗冰性能,有效減小了結(jié)冰面積.結(jié)冰開始90 min后,表面無冰率為70.4%[50].Yuan等采用原位聚合的方法合成了含正十四烷和MUF樹脂殼的相變微膠囊.具有良好的熱調(diào)節(jié)能力和熱穩(wěn)定性.將制備好的相變微膠囊加入到PRTV 涂層中制備防冰涂層.-5℃下,使水滴的凍結(jié)時(shí)間從1 381 s延長至3 432 s.此外,涂層的冰附著強(qiáng)度僅為裸玻璃的15%[51].

3.2 電熱防冰涂層

超疏水防冰涂層在低溫環(huán)境下可延遲結(jié)冰,同時(shí),冰對表面的附著力降低,使冰層易受外力移動(dòng),不易附著在其表面,從而減少冰的積累.然而,在極端天氣下,或者在結(jié)冰-融冰循環(huán)數(shù)次后,液滴就很容易黏附在粗糙表面的內(nèi)部.即使粗糙表面結(jié)構(gòu)被完全覆蓋,其疏水、疏冰能力大大降低,冰仍會沿著粗糙表面結(jié)構(gòu)的底部繼續(xù)生長.為解決此問題,科學(xué)家們在涂層表面添加了光熱材料、電熱材料,使傳統(tǒng)的超疏水防冰表面具有熱性能.在融冰過程中,熱效應(yīng)首先使與固體界面接觸的冰融化,這樣冰層便容易被除去,減少了粗糙結(jié)構(gòu)的損失,提高了防冰涂層的耐久性.

電熱型防冰涂層是通過在涂層中添加炭黑等導(dǎo)電填料,降低涂層的電阻率,增加流過涂層的泄漏電流,通過焦耳熱與場效應(yīng)熱使涂層表面發(fā)熱,進(jìn)而延緩結(jié)冰或加快融冰.目前電熱型防冰涂層常用兩種方法來實(shí)現(xiàn):一種方法是在絕緣子的表面或者底部涂覆半導(dǎo)體硅橡膠;另一種方法是在超疏水涂層中添加導(dǎo)電粒子,如碳納米管、炭黑、石墨烯等.半導(dǎo)體硅橡膠可減少覆冰環(huán)境下絕緣子表面的覆冰積累,提高絕緣子冰閃絡(luò)電壓.研究表明,涂有半導(dǎo)體RTV 涂層的絕緣子比未涂絕緣子少了約50%的冰積累,在低溫下沒有冰柱橋接絕緣子串,因此,涂層絕緣子的抗閃絡(luò)能力較高.在低于臨界溫度的情況下,半導(dǎo)體RTV涂層可防止絕緣體上冰柱的形成[52],如圖5所示.

圖5 涂層絕緣子與未涂絕緣子表面覆冰[52]

Wei和Jia等從涂層電阻和涂層面積兩方面研究了半導(dǎo)體硅橡膠涂層對陶瓷絕緣子防冰性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在低溫環(huán)境下,最佳的未涂層帶寬約為5～8 cm.未涂層區(qū)域最好靠近絕緣子頂面邊緣,這樣冰柱更容易脫落[53],如圖6所示.Wei等又提出了在懸式絕緣子底部涂半導(dǎo)體硅橡膠,上表面不處理的絕緣子串防冰新思路.當(dāng)過冷水或液滴橋接未涂層區(qū)域時(shí),形成導(dǎo)電路徑.泄漏電流和局部放電產(chǎn)生的熱量能融化絕緣子表面的積冰[54].

半導(dǎo)體涂層是通過在涂層中加入導(dǎo)電填料如炭黑、碳納米管、氧化鋅等來降低絕緣體的表面電阻,并利用泄漏電流產(chǎn)生的焦耳熱防冰[12].導(dǎo)電填料和超疏水結(jié)合的復(fù)合電熱涂層,是一種新型的防冰/除冰涂層,與傳統(tǒng)的電加熱方法相比,可減少高達(dá)58%的抗冰能耗.實(shí)現(xiàn)低溫防冰,具有高效的電加熱和防冰性能[55].半導(dǎo)體涂層的導(dǎo)電性取決于導(dǎo)電顆粒的類型和體積分?jǐn)?shù).小比例的碳不影響硅橡膠的疏水性和疏水性轉(zhuǎn)移,能夠降低冰層與材料表面的黏附力.當(dāng)電流流過半導(dǎo)體涂層時(shí),產(chǎn)生的焦耳熱使表面溫度升高,阻止了絕緣子表面冰的積聚[56],如圖7所示.

圖7 絕緣子底表面涂覆半導(dǎo)體涂層前后覆冰情況[56]

利用超疏水層在半導(dǎo)體層上組裝制備新型的雜化涂層也成為電熱防冰涂層的新思路.Li等在半導(dǎo)體層上采用改性納米二氧化硅制備了一種超疏水自組裝涂層,WCA 大于155°.綜合考慮涂層厚度和導(dǎo)電填料含量對涂層表面閃絡(luò)電壓和溫升的影響,該復(fù)合涂層能夠改善涂層表面的電場和表面溫度[57].Wang等制備了一種基于石墨烯復(fù)合材料的超疏水/電熱協(xié)同防冰涂層,利用無機(jī)填料的三尺度性質(zhì)構(gòu)建了分層結(jié)構(gòu).石墨烯的超疏水性和高電熱效率使表面在雨凇條件下不結(jié)冰.在施加50 V 電壓后,70 s內(nèi)覆冰可迅速清除[58].Yan等制備了改性納米二氧化硅/碳雜化涂層,得出了絕緣子的泄漏電流、溫度分布、冰形態(tài)、冰柱長度和閃絡(luò)電壓.涂層產(chǎn)生的焦耳熱提高了絕緣子表面溫度,涂層在減少積冰和提高絕緣子閃絡(luò)電壓方面優(yōu)于超疏水涂層[59].

采用電熱涂層進(jìn)行絕緣子防冰存在兩個(gè)明顯的缺陷:一是功率損耗大,成本高;二是在工作狀態(tài)下,涂層內(nèi)的泄漏電流較大,導(dǎo)致涂層老化.絕緣子電熱防冰涂層的耐久性有待進(jìn)一步研究[12].

3.3 光熱超疏水防冰涂層

除了超疏水防冰涂層和電熱防冰涂層,光熱超疏水防冰涂層也被開發(fā)出來.具有光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料,如氮化鈦、碳化硅、碳納米管、石墨烯、蠟燭煙灰、生物碳等,被用于制備超疏水的光熱防冰涂層[25].

3.3.1 光熱轉(zhuǎn)換材料與超疏水材料結(jié)合

具有光熱轉(zhuǎn)換性能的材料常常與其他微納米顆粒,如二氧化硅微納米顆粒一起,結(jié)合低表面能材料,共同構(gòu)建超疏水光熱涂層.Li等用噴涂法制備了一種光熱防冰納米涂層.該納米涂層由低發(fā)射率的氮化鈦納米顆粒層和雙尺度二氧化硅顆粒疏水層組成.通電覆冰2 h后絕緣子(左)及其部分表面(右)的冰形貌如圖8所示.

圖8 通電覆冰2 h后絕緣子(左)及其部分表面(右)的冰形貌

光熱阻冰納米涂層導(dǎo)線和裸導(dǎo)線在低溫下的除冰和除霜過程如圖9所示.該納米涂層具有高的太陽能熱轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)具有超疏水性,可以在低至-15℃的低溫下實(shí)現(xiàn)有效除冰和除霜.涂層的平均太陽能吸收率為90%,而紅外發(fā)射率僅為6%,可有效抑制輻射熱損失,在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下可實(shí)現(xiàn)72℃的升溫[60].Zhang等將碳納米管與二氧化硅納米顆粒接枝,制備CNTs-SiO2混合物,然后用噴涂的方法將其摻入環(huán)氧基中,構(gòu)建超疏水光熱涂層,涂層的WCA 為159.3°.相互纏繞的CNTs-SiO2混合物,不僅使涂層表面形成微納米分層結(jié)構(gòu),具有超疏水性能,而且具有良好的機(jī)械耐久性.涂層表面的超疏水性和CNTs光熱轉(zhuǎn)換能力使CNTs-SiO2/環(huán)氧涂層可延遲冰凍時(shí)間,并在光照射下數(shù)秒內(nèi)融化冰層[61].

圖9 光熱阻冰納米涂層導(dǎo)線和裸導(dǎo)線在低溫下的除冰和除霜過程[60]

低成本的生物炭和氮化鈦等納米顆粒也用來制備超疏水光熱防冰涂層.氮化鈦等納米粒子與生物碳的集成使涂層具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和防冰性能.在太陽光照射下涂層表面溫度升高.由于涂層優(yōu)異的超疏水性和光熱特性,覆蓋的霜和冰可以快速融化并且滾離表面[62],生物炭和氮化鈦納米涂層的防冰/除冰性能如圖10所示.另外,峰狀碳化硅微觀結(jié)構(gòu)和絨毛狀碳納米管結(jié)構(gòu)的結(jié)合可使涂層表面具有超疏水性,其WCA 高達(dá)161°,SA 低至2°.涂層可以降低冰的附著強(qiáng)度.利用碳納米管的光熱效應(yīng),在近紅外光照射下,涂層的表面溫度迅速升高,高導(dǎo)熱的碳納米管將熱量迅速傳遞到周圍環(huán)境.光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%以上,可實(shí)現(xiàn)高效除冰[63].使用四氟乙烯高溫?zé)Y(jié)將納米金剛石(ND)橋接到Ti3C2Tx MXene(通過在Ti3AlC2中蝕刻Al元素制得)表面,產(chǎn)生具有微/納米結(jié)構(gòu)的疏水顆粒.通過在玻璃基板上逐層涂覆室溫硫化硅橡膠(RTV)和三元復(fù)合粒子,開發(fā)出超疏水光熱涂層[64].由于低表面能、微/納米結(jié)構(gòu)和光熱效應(yīng)的協(xié)同作用,該涂層獲得了優(yōu)異的超疏水性(WCA 和SA分別達(dá)到160.18°和1.8°)和強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力(溫升至109.3℃),成功地將太陽能應(yīng)用于防冰/除冰[64].Gou等將光熱材料石墨烯加入經(jīng)氟硅烷改性的SiO2超疏水溶液中,噴涂在銅基表面,制備出WCA 高達(dá)160.5°的新型光熱超疏水涂層.該涂層不僅可以延緩表面液滴的凍結(jié),減小霜層厚度,而且可以在近紅外(NIR)光照射下快速去除水珠.在冷卻系統(tǒng)打開,同時(shí)強(qiáng)度為2 W/cm2的紅外光照射下,水滴內(nèi)部溫度始終高于結(jié)晶溫度,水滴不會結(jié)冰[65].該項(xiàng)研究也進(jìn)一步加深了對超疏水結(jié)構(gòu)除冰過程的認(rèn)識.這幾種表面都是將光吸收材料的光熱性能和微納米結(jié)構(gòu)的超疏水性能結(jié)合在一起,提高了惡劣條件下的抗冰能力.光熱超疏水涂層性能對比見表2.

表2 光熱超疏水涂層性能對比

圖10 生物炭和氮化鈦納米涂層的防冰/除冰性能[62]

3.3.2 自潤滑光熱涂層

受豬籠草啟發(fā)的光滑液體注入多孔表面(SLIPS)具有出色的疏水性能,同時(shí),光滑表面可降低冰黏附強(qiáng)度,提高涂層的耐久性,與光熱材料相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)防冰和除冰相結(jié)合[25].一些研究者已經(jīng)報(bào)道了將光熱膜與自潤滑技術(shù)相結(jié)合用于防冰和除冰.它既可以被動(dòng)地疏冰,又可以通過在冰-基底界面將太陽光轉(zhuǎn)化為熱量來主動(dòng)地除冰,并能實(shí)現(xiàn)長期除冰性能[66-67].Zhou等制備了一種基于多壁碳納米管(MWNTs)和硅油的自潤滑光熱表面.在弱光條件下,該表面能抑制結(jié)霜,油層可以延緩結(jié)冰,并且降低冰的黏附強(qiáng)度.同時(shí),自潤滑光熱表面具有良好的外部補(bǔ)給能力,可以恢復(fù)疏冰性.硅油增強(qiáng)了側(cè)向的傳熱,改善了光熱除冰效果[66].與此研究思路相一致的研究是Muhammad等制備了一種自清潔的光滑光熱涂層.在光照200 s時(shí)表面溫度升高了40℃.在-20℃下,冷凍的液滴在光照后40 s內(nèi)能夠去除.在-20℃光照下,表面覆蓋的霜層在100 s內(nèi)融化.由于納米結(jié)構(gòu)中注入的硅油,該自清潔光滑光熱涂層具有長期的低溫除冰性能[67].在30°傾斜基底不同光熱涂層上冷凍液滴滑動(dòng)情況如圖11所示.

圖11 在30°傾斜基底不同光熱涂層上冷凍液滴滑動(dòng)[67]

3.3.3 自修復(fù)光熱涂層

自修復(fù)材料是一種受損后能夠進(jìn)行自我修復(fù)的新型材料.在受外界作用后做出自我診斷,并對裂紋或損傷能進(jìn)行一定程度的修復(fù).近些年,自修復(fù)材料被應(yīng)用于超疏水涂層中,用于解決耐久性問題.Liu等制備了一種低黏附的超疏水光熱自修復(fù)涂層.在光照下,涂層表面的冰和霜層會融化脫落.相變材料蜂蠟使涂層具有自修復(fù)性能.在化學(xué)和機(jī)械損傷后,簡單的熱處理后涂層就可以迅速恢復(fù)超疏水性[68].Cheng等通過結(jié)合廉價(jià)的光熱轉(zhuǎn)換材料(黑色涂料)、固體潤滑劑(石蠟)和多孔聚酰胺基材制備了一種光熱光滑表面,該表面具有快速自修復(fù)性能,可以在太陽光或近紅外(NIR)光輻照下快速自修復(fù).在-12℃條件下,涂層在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下可保持不結(jié)冰.即使溫度進(jìn)一步下降到-20℃,延遲結(jié)冰時(shí)間也可到212.5 s[69].Li等通過加成反應(yīng),用十二烷基胺和多巴胺修飾碳納米管,設(shè)計(jì)了耐久性好的超疏水光熱涂層.由于聚多巴胺和碳納米管的光熱協(xié)同作用,在1 k W/m2的太陽光輻照下,涂層的表面溫度迅速上升到89.8℃.同時(shí)涂層具有良好的自修復(fù)性能,機(jī)械和化學(xué)損傷后可自行修復(fù),大大延長其使用壽命[70].

蠟燭煙灰具有光熱轉(zhuǎn)換性能,同時(shí)還具有微納米粗糙結(jié)構(gòu),逐漸被研究者們用于制備超疏水光熱表面.蠟燭煙灰可以提供有序的微納米結(jié)構(gòu)和光熱性能,用蠟燭煙灰構(gòu)建超疏水光熱表面可降低成本,提高效率.Wu等用蠟燭煙灰,二氧化硅和聚二甲基硅氧烷(PDMS)刷三部分構(gòu)建了超疏水光熱表面.在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下,表面溫度可提高53℃.在環(huán)境溫度低至-50℃時(shí)可保持不結(jié)冰,表面已凍結(jié)的霜和冰能在300 s內(nèi)迅速融化.此外,經(jīng)過氧等離子體處理后,表面在太陽光照射下可恢復(fù)超疏水性[71].

4 結(jié) 論

輸電線路覆冰對電力系統(tǒng)來說是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題.超疏水防冰涂層以其顯著的防冰性能而備受關(guān)注.本文綜述了輸電線路防冰涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀,有以下結(jié)論:

1)輸電線路的覆冰有白霜、霧凇、混合凇、雨凇和雪5類,5種類型覆冰的形成條件和特征各不同,覆冰形態(tài)、密度以及對輸電線路的危害也各不相同.

2)輸電線路防冰除冰方法目前主要包括熱力融冰法、外力除冰法和被動(dòng)防冰除冰法.熱力融冰法耗電量大,融冰系統(tǒng)造價(jià)昂貴.外力除冰法效率低,容易損傷導(dǎo)線或絕緣子.被動(dòng)防冰除冰不耗費(fèi)能量、人力與物力,對設(shè)備的損害小,尤其是防覆冰涂層技術(shù)能達(dá)到較好的防冰/除冰效果,是各種方法中的首選.

3)防冰涂層提供了低成本、高效率、低能耗、輕量化的解決方案,具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力.具有超疏水性、電熱轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、超潤滑、自修復(fù)等特性的多功能涂層在解決輸電線路防冰、除冰問題上具有明顯的優(yōu)勢.

4)電熱涂層可降低絕緣子的電阻率,增加流過涂層的泄漏電流,通過焦耳熱與場效應(yīng)熱使涂層表面發(fā)熱,進(jìn)而延緩結(jié)冰或融冰.但電熱涂層內(nèi)的泄漏電流較大,涂層易老化,其耐久性需要進(jìn)一步研究.

5)光熱防冰涂層可在利用超疏水表面被動(dòng)防冰的同時(shí),結(jié)合外界太陽光提高基底表面溫度實(shí)現(xiàn)主動(dòng)除冰,或者利用超潤滑材料減小冰層與超疏水表面的黏附力以使其自然脫落.具有超疏水性、超潤滑、自修復(fù)等防冰性能的多功能涂層具有良好的應(yīng)用前景.