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在导线与绝缘子表面涂覆 ‘超憎水性’涂层以减轻覆冰

May 24, 2017 • HV/HP Testing / 高压/高能试验, 最近文章汇总

CIGRE手册438(2010)论述了电网覆 冰预警及监测系统, 并针对现有各 种防冰、除冰手段展开了讨论。这 些应对手段分为'主动'手段,如: 机 械、发热或振动, 和'被动'手段, 如: 在导线及绝缘子上涂覆特殊防冰涂 层。当前CIGRE工作组B2.44正在紧 锣密鼓地进行国际层面的防冰涂层 研究,该工作组的牵头人是来自加 拿大的Masoud Farzaneh教授。  
对于位于斯堪的纳维亚的电力公司 来说,线路覆冰积雪的问题司空见 惯,因此他们已经开展了大量自己 的防冰涂层研究工作。本文由STRI 的Igor Gutman、挪威Statnett公司 的M. Radojcic,以及瑞典Svenska Kraftnät公司的L. Carlshem撰写, 报 导了近期对防冰涂层领域的研究。  
  通过涂覆不易黏附冰的涂层以防止输 电线路覆冰原则上是可行的。事实 上,多年前加拿大的试验已经表明, 与完全亲水的表面相比,涂覆涂层降 低了表面与冰之间的黏附力。例如, 从理论上说,有机硅材料与冰之间的 黏附力仅为裸金属导线与冰之间黏附 力的1/3至1/5。为了验证该结论,约 10年前生产了原型BLX导线,使用了 5%的有机硅浸渍,并在STRI进行了 试验。但试验结果表明,没有证据说 明‘标准’憎水性材料与冰之间的黏 附力小于亲水性材料。  
2009年与2011年之间举行的IWAIS会 议上(大气条件下杆塔覆冰国际研讨 会), 研究组展示了使用超憎水性材料 (即使用纳米技术开发的、以接触角 约150°为特性的材料)得到的研究 成果。超憎水性材料显然抑制了水滴 在表面的聚集,从而阻碍在导线与绝 缘子表面形成凝冰。根据一些研究报 告,对于具有接触角小幅滞后特性的 超憎水性涂层,其与冰的黏附力仅为 参照抛光铝样品的1/5至1/6。  
在斯堪的纳维亚电力公司的支持下, STRI进行了超憎水性涂层抗结冰筛选 试验,得到了涂层的特定性能。试验 采用亲水性导线(即全新、喷砂、喷 涂以及酸处理过的导线)作为参考, 将导线直接暴露在水雾中,冰在样品 表面径向凝结,在很短的时间内形成 表面光滑且呈圆形的横截面。因此, 这些导线表面结冰速率几乎一致。  
绝缘子表面 在导线与绝缘子表面涂覆 '超憎水性'涂层以减轻覆冰 Pic22

在超憎水性材料表面观察到的异常覆冰现象:左图来自STRI的实验结 果,右图来自蒋兴良教授在2013年IWAIS全体会议上的论文。

 
但是,对于超憎水性导体,其表面结 冰过程有所不同,这是由于表面的覆 冰以结冻水滴的形式增长,彼此分 离冻结水滴的结冰速度甚至很快。并 且,即使分离为‘孤岛’的冰区在结 冰过程中相互接触,其结冰方式仍不 会发生改变。显然,中国的研究人员 使用自己的超憎水性导线也得出了相 似的结果。  
绝缘子表面 在导线与绝缘子表面涂覆 '超憎水性'涂层以减轻覆冰 Pic32

抗结冰筛选试验原 理图 。

  基于上述令人振奋的发现,启动了一 个试验项目,旨在评估几项较之传统 导线更理想的因素,包括:
·更低的结冰速率
·因电晕放电而产生的电磁干扰以及 可闻噪声无明显增长
·低老化速率
·可视程度
·具有憎水性恢复特性
 
  选用6种不同的导线与涂层组合进行 实验室试验,其中'原始'导线均采用 外径38.25mm的Parrot型导线。 6种样品具体参数如下:
  1、全新的,从成卷线中取出的, 未使用的导线样品
2、表面涂覆憎水性RTV涂层的导线
3、表面涂覆超憎水性涂层的导线
4、表面经磨沙处理以降低光泽度的 导线
5、全新的、涂覆常规金属用漆的导线
6、经酸处理以降低视觉冲击的导线 也对表面涂覆超憎水性涂层的绝 缘子进行了试验。
 
绝缘子表面 在导线与绝缘子表面涂覆 '超憎水性'涂层以减轻覆冰 Pic42

实验室覆冰试验(左图)与户外覆冰试验(右)。

  A. 结冰速率   进行一个简单的筛选试验以比较不同 导线的抗结冰能力,试验中,样品被 固定在一个转筒内。
  首先在实验室中针对光滑覆冰进行试 验,然后进行户外试验(主要针对雾 凇)。实验室覆冰试验在一个人工气候 箱中进行, 温度维持在-7℃至-4℃。在 试验开始前,导线样品预冷却到-7℃ 持续24小时。户外试验时,气温约 为-10℃。
  STRI研发了一种特殊仪器以评估现场 条件下导线与冰的黏附力。该仪器的 有效性已得到证实,并在之后甚至提 供给了CIGRE B2.44工作组,帮助开展 未来现场测量的标准化工作。将测量 标准化是非常重要的,即测量各种补 救措施对覆冰产生的影响,以及户外 条件下进行的测量。  
  使用了1.4kg的砝碼,在一根圆棒上 滑动,将圆棒放置在导线上,以便在 自重的作用下静止。然后先后通过杆 的前半部(15cm)与整个杆(30cm) (分别被称为 '半冲击' 与 '全冲击' )将 重量传递到下方的导线上。  
使用有代表性的光滑冰(即高密度透 明冰),在实验室的覆冰试验结果显 示,超憎水性的纳米涂层并没有明显 改善导线的抗覆冰性能,6支导线样品 覆冰重量几乎相等。但是,对于憎水 性的两根导线样品(即RTV涂层与纳米 涂层),其覆冰形态与其它样品上光 滑的覆冰不同。这种差别在超憎水性 涂层的样品上最为明显,即便经过了 3小时的覆冰之后,其表面仍然持续 '崎岖不平'的特点。造成该现象的原 因可能是,涂层表面分子的强极性使 水分子定向分布,从而影响了冰的形 成,甚至在有一定距离的情况下。  
绝缘子表面 在导线与绝缘子表面涂覆 '超憎水性'涂层以减轻覆冰 Pic63

风促使覆冰脱落将有利于减少导线覆冰。(INMR拍摄)

  使用憎水性纳米涂层后,其憎水性恢 复非常迅速,但或许会阻碍憎水性穿 透污秽层(而这通常是硅橡胶中低分 子量组份的特性)。本试验最重要的 其中一个发现是:碰触便能轻松去除 超憎水性涂层表面相互孤立的冰粒, 即覆冰初始阶段冰与导线黏附力很 小。而对于亲水性导线,试验中水分 在其湿润表面大面积同时凝结,导致 黏附力很强。结冰过程本质上的不同 或许证明了风以及导线机械运动带来 的应力对实际线路除冰的重要性。
  户外试验证明,与其它样品相比,超 憎水性导线表面的雾凇覆冰更薄。而 在实验室试验中,人为产生的光滑覆 冰则没有观察到类似现象。一种可能 的解释是,这或许是由超憎水性导线 覆冰起始阶段具有不同特性所造成。
  B.电晕与可闻噪声
电晕放电的影响,尤其是可闻噪声 (AN)是超憎水性涂层研究中的重要 参数。普遍认为,憎水性导线(例 如,刚涂覆的油脂或刚涂覆的RTV)的 AN水平高于运行一段时间后的老化导 线,或人为喷砂处理的导线。此外, 提出了使用特殊亲水性涂料导线以降 低噪音的建议,并得到了验证。因 此,展示超憎水性导线也具有同样的 降噪就显得尤为重要。  
绝缘子表面 在导线与绝缘子表面涂覆 '超憎水性'涂层以减轻覆冰 Pic8

AN试验装置。


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