输电线路防覆冰技术的分析与建议
祁世宇，黄伟
（太原理工大学煤化所，煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，太原，030024）
摘要：输电线路的覆冰灾害常常给国家造成巨大的损失,给人民的生产生活带来极大的影响。本文概述了输电线路覆冰的原因及现有的不同的防覆冰措施，认为采用防覆冰涂料是一个切实有效的方法。总结了目前国内外防覆冰涂料的一些研究进展以及在我国开展防覆冰涂料的研究开发的迫切必要性。
输电线路的覆冰和积雪严重威胁着电力网络及设备的安全运行，线路大面积覆冰常导致一些输电铁塔不堪重负而倒塔断线，使电力设施遭到毁灭性破坏，对电力系统的安全运行产生严重危害。我国是输电线路覆冰严重的国家之一，线路冰害事故的发生居世界前列[1-5]。2008年1月到2月间，我国南方大部分地区和西北地区东部的13个省（区、市）连续遭受了四次罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻极端天气过程袭击，造成南方电网和国家电网公司36,740条10千伏及以上电力线路、1,743座变电站停运，各电压登记线路杆塔倒塌及损坏97万多处，导致3,348万户、1亿多人口停电，给经济、社会和人民生活造成了极为严重的影响，为世界电力工业史所仅见。全国电力系统直接经济损失为400亿元，占全国雪灾造成损失的22.3%。因此，开展防覆冰技术研究，开发可靠的防覆冰技术，采用有针对性的预防措施和处理方法，已成为一个重要而紧迫的课题，对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。
1输电线路覆冰类型
线路覆冰按冰的表现特性可分为[1,4-6]：
雨淞，是大气中的过冷却水滴在导线的迎风面形成的清澈光滑透明的覆冰，其平均密度>0.7g/cm3，粘附力很强。雨淞覆冰是最严重的一种覆冰形式，导线形成雨淞后，不论厚度如何，如遇天气下雪或雾淞覆冰将导致导线覆冰迅速增长，且因其密度大，产生的机械负荷也最大。
雾淞，分为粒状雾凇和晶状雾凇，大气中的水气在过饱和时，附着或升华凝结，形成放射状的结晶为雾淞，密度0.1-0.3g/cm3，对导线的附着力很弱，多见于海拔1000m以上的高山地区。
混合淞，通常是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨淞与雾淞混合冻结的不透明或半透明交替重叠覆冰，密度0.4-0.6g/cm3，粘附力强，在其发展和保持期不宜因振动而脱落。
湿雪,雪片表面有水膜存在，由于水的表面张力作用，不仅能粘附在导线上，还因自重及风的作用而转动，从而形成圆筒型覆雪，湿雪密度0.11-0.15g/cm3,粘附力较弱。而干雪表面没有水膜，密度≤0.11g/cm3，不会粘附在导线上。
按线路覆冰增长过程可分为[1]：干增长和湿增长。雾淞是干增长覆冰过程，雨淞和湿雪是湿增长覆冰过程，而混合淞是介于二者间的一种覆冰过程。
对电力系统而言，雨凇、混合凇及湿雪等对电力系统造成的危害最大。
2输电线路现有除冰防冰方法
除冰防冰方法、技术的研究与应用是世界性的难题，国内外对此进行着长期的研究。目前大约有30多种处于各种阶段的除冰防冰方法和技术，归纳起来大致可以分为以下几类：热力除冰法、机械除冰法、自然被动法和其他除冰法[7]。
2.1热力除冰法[8]
热力除冰法是利用附加热源或线路自身发热，使冰雪在导线上无法积覆，或是使已经积覆的冰雪熔化。典型的热力除冰技术有高压直流电流除冰技术[9]、交流电流除冰技术、脉冲电热除冰技术、高电流密度熔冰法以及1988~1990年由武汉高压研究所研制的低居里磁热线除冰法、我国一直采用和加拿大Manitoba水电局采用的短路电流融冰法等靠电热自行加热输电线路使覆冰融化的方法。热力除冰方法效果较明显，但能量损耗大，设备投资成本高，使用范围较小，不适宜用作远距离防护和除冰。
2.2机械除冰法
机械除冰就是利用机械外力，手工或自动强制使导线上的覆冰脱落。典型的机械除冰方法有“ad hoc”法、强力振动法和滑轮铲刮法等。
“ad hoc”法是由人员在现场操作, 处理方法不一, 当冰容易脱落时，采用手工除冰；当冰难以脱落时，则借助直升飞机或是枪械除冰。这种技术既不安全, 又不十分有效。强力振动法是通过振动使覆冰输电线路导线在控制范围内振动的除冰方法，该方法对雾淞的除冰有一定效果，对雨淞的效果有限，除冰效果不佳。滑轮铲刮法是一种由地面操作人员拉动一可在线路上行走的滑轮达到铲除导线上覆冰的方法。滑轮铲刮法具有反应行动快，耗能小，价格低廉等优点。但这种方法比较费时，且受环境、地理条件的限制。
机械除冰法在输电线路上使用存在操作困难、安全性能不完善等缺点，在我国应用较少。
2.3自然被动除冰法
被动除冰方法是在输电导线上安装阻雪环、平衡锤等装置使导线上的覆冰堆积到一定程度时，利用风力等来自大自然的外力脱冰的方法。此类方法简单易行，成本低。应用疏水性防覆冰涂料就是一种被动除冰方法。被动除冰法虽然不能保证可靠除冰，但无需附加能量，虽然不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。
2.4其他除冰法
除上述几种方法外，还有利用电磁脉冲、气动脉冲、电子冻结、激光熔冰、过冷却水滴碰撞前颗粒加热和冻结等防冰除冰方法，但很多目前还处于理想或试验阶段。
在我国比较常用的方法是人工除冰法。输电线路覆冰最严重的区段一般只是一条线路中的几档或几十档，所以用木棍、竹竿等最原始的工具对覆冰线路段敲击，从而除去线路上的覆冰。人工除冰法不仅费时费力，而且对于操作人员来说操作困难、极其危险。
3 输电线路防覆冰涂料
在所有的除冰防冰方法中，应用高疏水性和憎冰性涂料的方法备受研究者的广泛关注。对于输电线路的冰雪灾害，要长期、高效、方便、经济的解决问题，应以防、除并举，且着重于防。一般而言，防覆冰涂料要求具有与金属较好的结合力、较高的热传导性、低表面张力和高疏水憎冰以及光谱吸热性能等特性。将防覆冰涂料涂到已架设线路的导线或绝缘子上，可最大限度地降低水或冰的附着力，使其很容易从导线上脱落，从而起到主动防覆冰的作用。即使不能完全主动防止覆冰，也可最大限度的使冻雨或湿雪在冻结或粘附到导线之前在自然力（如风）的作用下滑落。
高疏水性防覆冰涂料被涂覆在输电线路导线表面后，在空气中固化形成强度高、表面光滑的涂覆层，涂层表面应具有优良的疏水性。涂层表面疏水性的大小取决于涂层表面能的大小，表面能越小，接触角越大，冰水与其的粘附力就越小。亲水性表面的接触角θ较小，水滴与表面的接触面积大；疏水性表面的接触角θ较大，水滴与表面的接触面积小。如图1，当θ<90o时,表现为亲水性，θ>90o时,表现为疏水性。人们把θ<5o的表面称之为超亲水性表面，把θ>150o的表面称之
为超疏水性表面。
为超疏水性表面。
图1 液滴接触角与界面张力的关系
根据上述理论，人们不断设计出各种防覆冰涂料。但已有实验证明[10]现有的氟塑料、硅橡胶等疏水涂料，虽然防水性较好，但无明显的防覆冰作用，尤其在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果更差。
美国波音公司采用有机硅憎水体系，用含异氰酸酯基团的化合物对有机硅树脂进行改性，获得金属基材附着力好的防覆冰涂料；Microphase Coatings Inc.的William H.Simendinger，Shawn D.Miller采用有机硅树脂与环氧树脂复配形成互穿网络的涂料[11]，该系列产品已在B2轰炸机上得到应用。目前进入商用化的防覆冰涂料有很多，例如Plastic Maritime Corporation的Wearlon Super F-1憎冰涂料，该涂料是室温固化的水性双组分涂料，以环氧有机硅为主体成膜物质，涂层具有低表面能，但该涂层不耐刮擦，主要用于铁塔、屋顶边缘等不经常受到损伤的部位；3000系列的Ecological Coatings防冰涂料具有很好的疏水、防冰性能，涂层耐候、耐刮擦，可用于电缆、铁塔、绳索、天线等处。
在憎水体系中加入具有特定吸光传热性能的颜料则期望取得很好的防覆冰效果。Kenneth A.Karkl利用铁黑作颜料，钠、钾等碱金属硅酸盐作成膜物[12]，所得涂膜的吸收率提高，但防水性能不好。北京大学刘胜锋用带羟基的丙烯酸酯改性的硅氧烷低聚物作成膜物, 以吸光性能良好半导体材料FeMnCuOx为颜料，涂在铝制底材上吸收率达到了0.96，发射率在0.4左右[13]，极大提高了光谱选择性；采用有机硅改性丙烯酸树脂为成膜物，以Fe2O3-Cr2O3-MnO2为颜料，吸收率为0.93，发射率为0.28[14]；胡小华等用改性的硅溶胶-苯丙乳液为基料，吸光性能良好的FeMnCuOx为颜料，制备疏水防冰涂料，在-20～0℃和较高相对湿度的实验室条件下具有减缓铝线表面结冰的作用[15]。河南安阳供电公司将RTV防污闪涂料应用在输电导线上，取得了明显减轻或防止覆冰的良好效果[16]。
仿生超疏水表面的研究是化学模拟生物体系研究中的一个新领域。荷叶等植物叶面所表现出的具有自清洁特征的超疏水性“荷叶效应”为我们在不同基底上制备超疏水性表面提供了指导。这种自清洁特征是由有一定粗糙度的表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的[17]。在荷叶等植物叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因[18]。将具有光催化作用的TiO2应用于聚四氟乙烯(PTS) 膜,具有优异的超疏水和自清洁性能[19]。H. Suzuki 等以质子或路易斯酸为催化剂，在氟化聚合物上接枝聚硅氧烷。所制得的涂层使得水滴在表面倾斜30°下就能自然滑落[20]。王浩、王昌松等通过喷涂工艺在铝基片表面制备出聚四氟乙烯(PTFE)−聚苯硫醚(PPS)复合超疏水涂层，该复合涂层具有与荷叶表面类似的二次结构，与水的静态接触角为155°，滚动角为7°，同时，复合涂层具有很好的力学性能，与铝基片的粘附力达到1级，硬度达到4H，柔韧性达到(1±0.1) mm[21]。粟常红等人将环氧树脂溶液涂在粗糙的铝片后，经过植入纳米二氧化硅表面修饰后获得了与荷叶表面结构、性能相似的超疏水表面，其静止接触角高达173°[22]。以上的这些实验研究虽然其疏水性能均达到了较高的水平，但除冰效果有限并只在湿雪条件下起作用，在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果会更差。因此，要将它们直接用于输电线路防覆冰则还需要进一步改进。
4 建议
相对于其他措施而言，防覆冰涂料具有更广泛的研究空间和应用前景，可以用于高压电缆、铁塔、通信线路以及飞行器等。理想的防覆冰涂料性能应是对基体有很好的结合力、较高的热传导性、耐候性，表面具有低表面张力、高疏水性、与冰具有较低的附着力和光谱吸热性能，对环境的污染小,符合环保要求的同时方便施涂、价格适当。
虽然我国是一个冰灾多发的国家，尤其近些年自然灾害频繁发生，但国内从事防覆冰涂料的研究还不多见，到目前为止还没有开发出专门的防覆冰涂料产品，因此有必要加强对这一领域的投入，加快防覆冰涂料的研究和开发，提高我国对抗冰雪灾害的能力，从而确保输电线路和重要设备设施等的安全，降低冰雪灾害对人民生产、生活的影响。
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