输电线路铝导线憎水性防覆冰涂层的研究

论文摘要

输电线路铝导线覆冰将导致线路机械负荷增加,引发断线、倒塔、导线舞动等安全事故,给国民经济和人们的生产生活带来严重影响,为此针对输电线路铝导线开展防冰除冰工作对于保障电力系统安全可靠运行具有重要的意义。本文依据超憎水性表面的构造原理,系统研究了不同微结构和涂层作用下铝表面的憎水、覆冰特性,并对其防覆冰性能进行了理论分析。为了模拟自然环境冻雨或毛毛雨引发的输电铝导线严重雨凇覆冰,研制了一套输电导线覆冰模拟系统,包括成冰小室、水滴直径和成冰风速调控等。试验表明,该系统可模拟冻雨和毛毛雨条件下的雨凇覆冰。研究了覆冰粘附强度测试方法以及覆冰气温和时间对覆冰粘附强度的影响,建立了基于提拉法覆冰粘附强度测试装置及低温测试条件。依据Cassie-Baxter原理,以憎水性较好的氟硅烷（FAS）为涂覆材料,结合化学刻蚀,在铝表面上制备了FAS涂覆不同微结构的超憎水性铝表面。试验研究了这些微结构铝表面的覆冰形成过程,发现FAS涂覆孔洞微纳米结构（D类微结构）铝单丝具有良好的防覆冰性能,阐明了表面微结构对铝单丝防覆冰性能的影响规律,即孔洞微纳米结构铝表面在低温环境下保持了较小的水滴滑行角和覆冰粘附强度,可以有效抑制过冷水的粘附和冻结。为探索涂层种类对微结构铝表面覆冰性能的影响,以孔洞微纳米结构（D类微结构）铝表面为基础,制备了室温硫化硅橡胶（RTV）、聚四氟乙烯（PTFE）、硬脂酸、FAS涂覆D类微结构铝表面。试验研究了这些涂层涂覆微结构铝表面的覆冰形成过程,发现了涂层种类对微结构铝表面的覆冰具有显著的影响,即FAS涂覆微结构铝表面防覆冰性能良好、硬脂酸涂覆微结构铝表面具有一定抑制和缓解覆冰形成的能力,而RTV、PTFE涂覆微结构铝表面仅能延缓覆冰层的形成时间,揭示了FAS与孔洞微纳米结构铝表面的有机结合是导致铝表面具备良好防覆冰性能的关键。为探索工程上铝绞线防覆冰的应用,基于FAS涂覆孔洞微纳米结构（D类微结构）铝单丝相同的制备方法,制备了FAS涂覆微结构JL-95铝绞线和JGL-120/20钢芯铝绞线。覆冰试验研究表明,微结构铝绞线缝隙处过冷水滴的粘附和冻结是造成其表面覆冰形成和增长的根源。通过采取在铝单丝和铝绞线表面构造双重微结构的方法,大大地减少了铝绞线缝隙处过冷水滴的粘附,极大地抑制了铝绞线表面覆冰的形成,所制备铝绞线防覆冰性能良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 输电导线防冰除冰方法研究现状
• 1.2.1 输电导线防冰除冰方法
• 1.2.2 输电导线防冰涂层的研究现状
• 1.3 憎水性防覆冰涂层的研究现状
• 1.3.1 憎水性涂层的研究现状
• 1.3.2 憎水性涂层防覆冰性能
• 1.3.3 存在的问题
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 试验装置及测试方法
• 2.1 输电导线覆冰模拟系统
• 2.1.1 成冰气温控制
• 2.1.2 成冰风速控制
• 2.1.3 成冰水滴直径控制
• 2.1.4 试验验证
• 2.1.5 覆冰试验方法
• 2.2 覆冰粘附强度测试
• 2.2.1 覆冰粘附强度测试装置
• 2.2.2 覆冰粘附强度测试方法
• 2.3 涂层表面憎水性测试
• 2.3.1 静态水滴接触角测试
• 2.3.2 动态水滴滑行角测试
• 2.4 涂层表面张力分析
• 2.5 涂层表面形貌观察分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 微结构对铝表面覆冰性能的影响
• 3.1 普通憎水性铝表面的覆冰性能
• 3.1.1 普通憎水性铝表面的制备及其表面性能
• 3.1.2 普通憎水性铝表面的覆冰粘附强度
• 3.1.3 普通憎水性铝表面覆冰的形成过程
• 3.1.4 普通憎水性铝表面覆冰性能分析
• 3.2 微结构铝表面的制备
• 3.3 微结构铝表面的憎水性
• 3.3.1 微结构铝表面的室温憎水性及其表面张力
• 3.3.2 微结构铝表面憎水性随温度的变化特性
• 3.4 微结构铝表面覆冰粘附强度
• 3.5 微结构铝表面的覆冰形成过程
• 3.5.1 微结构铝片表面的覆冰形成过程
• 3.5.2 微结构铝单丝表面覆冰
• 3.5.3 D类微结构Φ4.6mm铝单丝表面覆冰
• 3.6 试验结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 涂层种类对微结构铝表面覆冰性能的影响
• 4.1 不同涂层涂覆微结构铝表面的制备
• 4.2 涂层种类对微结构铝表面憎水性的影响
• 4.2.1 涂层涂覆微结构铝表面室温憎水性能
• 4.2.2 涂层涂覆微结构铝表面憎水性随温度的变化特性
• 4.3 涂层涂覆微结构铝表面覆冰粘附强度
• 4.4 不同涂层涂覆微结构铝表面的覆冰性能
• 4.4.1 涂层涂覆微结构铝片表面的覆冰形成过程
• 4.4.2 涂层涂覆微结构铝单丝表面覆冰
• 4.5 试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 输电铝绞线防覆冰涂层制备及其覆冰性能
• 5.1 JL-95铝绞线表面覆冰形成过程
• 5.1.1 JL-95铝绞线表面涂层的制备
• 5.1.2 普通JL-95铝绞线表面覆冰
• 5.1.3 憎水性JL-95铝绞线表面覆冰
• 5.2 LGJ-120/20钢芯铝绞线表面覆冰形成过程
• 5.2.1 普通LGJ-120/20钢芯铝绞线表面覆冰
• 5.2.2 憎水性LGJ-120/20钢芯铝绞线表面覆冰
• 5.3 自制铝绞线表面覆冰形成过程
• 5.3.1 自制铝绞线表面涂层制备
• 5.3.2 普通自制铝绞线表面覆冰
• 5.3.3 憎水性自制铝绞线表面覆冰
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 附录A 铝导线覆冰性能检测
• 附录B 涂层理化性能检测
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 作者简介