上海充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ANGHAI JIAO TONG UNIVERSIT 论文题目：纳米技术在输电线路防冰除冰中 的应用 学生姓名：方文婕 学生学号：5131209072 所在院系：安泰经济与管理学院 所在班级：F1312004 指导教师：程先华
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 论文题目：纳米技术在输电线路防冰除冰中 的应用 学生姓名: 方文婕 学生学号: 5131209072 所在院系: 安泰经济与管理学院 所在班级: F1312004 指导教师: 程先华
摘要 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，开展防覆冰技术研究已成为一 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。而目前已有的防冰 除冰方法有诸多缺点，只能作为输电导线防覆冰的应急预案，因此本文提出通过将电热涂料 的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结合，研制出一种新型 绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，它可以主动抑制输电线路覆冰的形成，并在文中分析了这 种涂料的可行性。 关键词：荷叶效应，超疏水，半导体，电热效应 ABSTRACT Since the transmission line icing seriously influences the secure and reliable operation of the power system,it has come to be an important and pressing task to carry out the research on anti-icing technology,which take great weight on the improvement of the secure operation of the power system.At present,anti-icing and de-icing methods of many shortcomings,are only able to serve as emergency preplans.Therefore,this paper combined the electric heating effect of semiconductor electrothermal coating together with the super hydrophobicity and low surface energy of the super-hydrophobic coating,and prepared a new kind of semiconductor super-hydrophobic compound coating for insulators,which can actively inhibit the formation of transmission line icing,and analyzes the feasibility of such coatings. Key words:lotus effect,super-hydrophobic,semiconductor,electrothermal effect
摘要 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，开展防覆冰技术研究已成为一 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。而目前已有的防冰 除冰方法有诸多缺点，只能作为输电导线防覆冰的应急预案，因此本文提出通过将电热涂料 的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结合，研制出一种新型 绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，它可以主动抑制输电线路覆冰的形成，并在文中分析了这 种涂料的可行性。 关键词：荷叶效应，超疏水，半导体，电热效应 Մ⽐ʞᓟ⽐ Մince the transmission line icing seriously influences the secure and reliable operation of the power system, it has come to be an important and pressing task to carry out the research on anti-icing technology, which take great weight on the improvement of the secure operation of the power system. t present, anti-icing and de-icing methods of many shortcomings, are only able to serve as emergency preplans. ⽐herefore, this paper combined the electric heating effect of semiconductor electrothermal coating together with the super hydrophobicity and low surface energy of the super-hydrophobic coating, and prepared a new kind of semiconductor & super-hydrophobic compound coating for insulators, which can actively inhibit the formation of transmission line icing, and analyzes the feasibility of such coatings. Key words：lotus effect， super-hydrophobic， semiconductor， electrothermal effect
目录 第1章立项依据 1.1项目背景 1.2 项目意义 1.3输电线路防冰除冰方法现状 1.3.1热力除冰法 3 1.3.2机械除冰法- 2 1.3.3被动除冰法 ) 1.3.4其它方法… 2 1.4项目研究内容和目标- 2 1.4.1项目内容-- 1.4.2研究方向- ) 第2章可行型分析… 2.1超疏水涂料防冰机理 3 2.1.1表面能与接触角-- 2.1.2荷叶效应- 3 2.13超疏水涂料对覆冰的影响 3 2.2半导体电热涂料的发热机理- 2.2.1半导体涂料的制备方法 -4 2.2.2半导体涂料的导电机理-- -4 2.2.3半导体涂料对覆冰的影响- -4 2.3技术方案- 第3章结论与展望 3.1项目结论- -6 3.2项目存在的难点与不足 6 第4章参考文献-… 7
目录 第 1 章 立项依据--------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1 项目背景------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 项目意义------------------------------------------------------------------------------------------1 1.3 输电线路防冰除冰方法现状------------------------------------------------------------------2 1.3.1 热力除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.2 机械除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.3 被动除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.4 其它方法------------------------------------------------------------------------------------2 1.4 项目研究内容和目标---------------------------------------------------------------------------2 1.4.1 项目内容------------------------------------------------------------------------------------2 1.4.2 研究方向------------------------------------------------------------------------------------2 第 2 章 可行型分析-----------------------------------------------------------------------------------------3 2.1 超疏水涂料防冰机理---------------------------------------------------------------------------3 2.1.1 表面能与接触角---------------------------------------------------------------------------3 2.1.2 荷叶效应------------------------------------------------------------------------------------3 2.1.3 超疏水涂料对覆冰的影响---------------------------------------------------------------3 2.2 半导体电热涂料的发热机理------------------------------------------------------------------4 2.2.1 半导体涂料的制备方法------------------------------------------------------------------4 2.2.2 半导体涂料的导电机理------------------------------------------------------------------4 2.2.3 半导体涂料对覆冰的影响---------------------------------------------------------------4 2.3 技术方案------------------------------------------------------------------------------------------5 第 3 章 结论与展望-----------------------------------------------------------------------------------------6 3.1 项目结论------------------------------------------------------------------------------------------6 3.2 项目存在的难点与不足------------------------------------------------------------------------6 第 4 章 参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------7
第1章立项依据 1.1项目背景 积雪覆冰是一种美丽的自然景观，但是积雪覆冰对于电力系统输电线路而言或是一种严 重的自然灾害。随着我国电力事业的不断发展，特别是对西部水电煤电资源的开发，西电东 送、北电南送目标的确定，大量的输电线路必然要经过高海拔、重覆冰的地区。当输电线路 出现严重覆冰时，会引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆（塔）、断线及绝缘子闪络等重大事故， 严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，造成巨大的经济损失。] 我国是输电线路覆冰多发地区，据不完全统计，我国电力系统自1954年底至今，各地6kV 以上电压等级输电线路共发生过1000多起各种各样的覆冰灾害2001年2月河南省发生大面 积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故，在2004年12月21日至28日间500kV输电线路发生冰 闪34次。2005年的春节，受持续低温阴雨的异常天气影响，湖南省湘潭、长沙、岳阳等8个 城市有多条220千伏及500千伏主干线覆冰，覆冰最厚处达七八十毫米，多处电线杆塔出现险 情，甚至倒塌。冰冻时间、覆盖范围、线路覆冰情况均为1954年以来最严重的一次。2008年 1月上旬至2月下旬期间，我国南方地区发生的大面积冰冻雨雪灾害，对我国浙江、安徽、 江苏、福建、湖北、湖南、云南、广东等十多个省市电网造成了严重的破坏，造成全国范围 内36740条10kV及以上电力线路、1743座变电站停运，直接经济损失超过1000亿元人 民币，而造成的间接经济损失以及社会影响更是难以估计。2012年初，持续低温雨雪天气 导致南方电网部分电力线路出现严重覆冰，贵州和广西电网共有超过20条500kV输电线 路出现跳闸等覆冰事故。6-10 倒下的输电塔 1.2项目意义 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，特别是随着近年来受全球气候 变暖的影响，极端天气频繁出现，冰灾事故发生概率有所上升，冰灾对电网安全的影响更加 显著，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。 1.3输电线路防冰除冰方法现状 第1页共8页
第1页共 8 页 第 1 章 立项依据 1.1 项目背景 积雪覆冰是一种美丽的自然景观，但是积雪覆冰对于电力系统输电线路而言或是一种严 重的自然灾害。随着我国电力事业的不断发展，特别是对西部水电煤电资源的开发，西电东 送、北电南送目标的确定，大量的输电线路必然要经过高海拔、重覆冰的地区。当输电线路 出现严重覆冰时，会引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆(塔)、断线及绝缘子闪络等重大事故， 严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，造成巨大的经济损失。[1-5] 我国是输电线路覆冰多发地区，据不完全统计，我国电力系统自 1954 年底至今,各地 6kV 以上电压等级输电线路共发生过 1000 多起各种各样的覆冰灾害 2001 年 2 月河南省发生大面 积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故,在 2004 年 12 月 21 日至 28 日间 500kV 输电线路发生冰 闪 34 次。2005 年的春节,受持续低温阴雨的异常天气影响,湖南省湘潭、长沙、岳阳等 8 个 城市有多条 220 千伏及 500 千伏主干线覆冰,覆冰最厚处达七八十毫米,多处电线杆塔出现险 情,甚至倒塌。冰冻时间、覆盖范围、线路覆冰情况均为 1954 年以来最严重的一次。2008 年 1 月上旬至 2 月下旬期间，我国南方地区发生的大面积冰冻雨雪灾害，对我国浙江、安徽、 江苏、福建、湖北、湖南、云南、广东等十多个省市电网造成了严重的破坏，造成全国范围 内 36740 条 10kV 及以上电力线路、1743 座变电站停运，直接经济损失超过 1000 亿元人 民币，而造成的间接经济损失以及社会影响更是难以估计。2012 年初，持续低温雨雪天气 导致南方电网部分电力线路出现严重覆冰，贵州和广西电网共有超过 20 条 500kV 输电线 路出现跳闸等覆冰事故。[6-10] 1.2 项目意义 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，特别是随着近年来受全球气候 变暖的影响，极端天气频繁出现，冰灾事故发生概率有所上升，冰灾对电网安全的影响更加 显著，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。 1.3 输电线路防冰除冰方法现状 倒下的输电塔
1.3.1热力除冰法 热力除冰法是通过短路、增加负荷等方法增大流过输电导线内部的电流，从而使导线发 热增加，表面温度升高，将其表面覆冰部分或全部融化。依据增大导线电流方式的不同，可分为 低居里电磁线、短路融冰、带负荷融冰、移相变压器等除冰方式。由于该方法是利用电流发 热来去除导线表面覆冰，低温大气条件下要保持输电导线表面较高温度需要较大的电流，为此 该方法具有能耗高、除冰效果有限、除冰线路长度不宜过长等缺点。] 1.3.2机械除冰法 机械除冰法是指通过机械外力手动或自动强制作用于导线上使覆冰脱落。依据外力作用 方式不同可分为滑轮铲刮法、强力振动法等；由于覆冰脱落完全依赖机械外力作用而产生，为 此该方法具有除冰效率低、工作强度大、易受地形地影响等缺点。2) 1.3.3被动除冰法 被动除冰法指利用风、地球引力、随机散射和温度变化等自然条件脱冰的方法。如采用 平衡锤、阻雪环等方法去除导线表面覆冰：由于这些方法产生防冰除冰效果完全依赖于自然 条件，为此其防冰除冰效果很有限。] 1.3.4其它方法 为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的3种技术是I985年由Graber和Mack 等分别研究和改进的超声振动除冰技术，1988年由Zumwalt和Egbert等研究和改善的电 磁脉冲除冰技术以及1992年Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和 应用的气动脉冲除冰技术。如果电磁脉冲技术在航空器除冰中得到可靠应用，那么这种技术 将是输电线路除冰最易接受的方法。416 1.4项目研究内容和目标 1.4.1项目内容 热力除冰、机械除冰、自然被动法和其他防冰除冰方法有能耗高、效率低、易受地形地 貌影响等缺点，均只能作为输电导线防覆冰的应急预案，并不能从根本上抑制和消除输电导 线覆冰灾害的发生。所以如果在输电导线表面覆盖适当的涂层，主动抑制和缓解表面覆冰的 形成和增长，这将可以从根本上消除输电导线覆冰灾害的发生。同时它基本不需要人工干预， 也减少了后期运行维护的成本。 1.4.2研究方向 涂料材料应当具有以下这些特性： (1)有良好的憎水性能，水滴在其表面的接触角大，可有效防止水膜的形成 (2)有良好的憎污性或使污秽表面也有憎水性 (3)有较低的表面能，水在涂料表面的张力低或冰在其表面的粘附力小，当被冰覆盖时可 有良好的剥离效果 (4)要有良好的吸光性和传热性，这样对于溶冰有利，对被动法除冰很有帮助 (5)要有良好的耐候性，即对光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏的耐受能力强 如果能够研究出具有以上性质的涂料，将其涂于导线表面对导线防覆冰是很有利的。首 先，良好的憎水性能导致其表面不容易形成覆冰，其次，即使形成覆冰，当天气转晴温度升 高后，由于其良好的吸光性和传热性，温度上升迅速，能够加快融冰的速度；最后，其较低 的表面能也导致冰容易从表面剥离，有助于机械除冰法。而良好的耐候性能够延长涂料的使 用寿命，提高经济效率。 第2页共8页
第2页共 8 页 1.3.1 热力除冰法 热力除冰法是通过短路、增加负荷等方法增大流过输电导线内部的电流,从而使导线发 热增加,表面温度升高,将其表面覆冰部分或全部融化。依据增大导线电流方式的不同,可分为 低居里电磁线、短路融冰、带负荷融冰、移相变压器等除冰方式。由于该方法是利用电流发 热来去除导线表面覆冰,低温大气条件下要保持输电导线表面较高温度需要较大的电流,为此 该方法具有能耗高、除冰效果有限、除冰线路长度不宜过长等缺点。[11] 1.3.2 机械除冰法 机械除冰法是指通过机械外力手动或自动强制作用于导线上使覆冰脱落。依据外力作用 方式不同可分为滑轮铲刮法、强力振动法等;由于覆冰脱落完全依赖机械外力作用而产生,为 此该方法具有除冰效率低、工作强度大、易受地形地影响等缺点。[12] 1.3.3 被动除冰法 被动除冰法指利用风、地球引力、随机散射和温度变化等自然条件脱冰的方法。如采用 平衡锤、阻雪环等方法去除导线表面覆冰;由于这些方法产生防冰除冰效果完全依赖于自然 条件,为此其防冰除冰效果很有限。[13] 1.3.4 其它方法 为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的 3 种技术是 1985 年由 Graber 和 Mack 等分别研究和改进的超声振动除冰技术，1988 年由 Zumwalt 和 Egbert 等研究和改善的电 磁脉冲除冰技术以及 1992 年 Martin 和 Putt、1996 年由 Loughborough 和 Hass 等研制和 应用的气动脉冲除冰技术。如果电磁脉冲技术在航空器除冰中得到可靠应用，那么这种技术 将是输电线路除冰最易接受的方法。[14-16] 1.4 项目研究内容和目标 1.4.1 项目内容 热力除冰、机械除冰、自然被动法和其他防冰除冰方法有能耗高、效率低、易受地形地 貌影响等缺点，均只能作为输电导线防覆冰的应急预案,并不能从根本上抑制和消除输电导 线覆冰灾害的发生。所以如果在输电导线表面覆盖适当的涂层,主动抑制和缓解表面覆冰的 形成和增长,这将可以从根本上消除输电导线覆冰灾害的发生。同时它基本不需要人工干预， 也减少了后期运行维护的成本。 1.4.2 研究方向 涂料材料应当具有以下这些特性： （1）有良好的憎水性能，水滴在其表面的接触角大，可有效防止水膜的形成 （2）有良好的憎污性或使污秽表面也有憎水性 （3）有较低的表面能，水在涂料表面的张力低或冰在其表面的粘附力小，当被冰覆盖时可 有良好的剥离效果 （4）要有良好的吸光性和传热性，这样对于溶冰有利，对被动法除冰很有帮助 （5）要有良好的耐候性，即对光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏的耐受能力强 如果能够研究出具有以上性质的涂料，将其涂于导线表面对导线防覆冰是很有利的。首 先，良好的憎水性能导致其表面不容易形成覆冰; 其次，即使形成覆冰，当天气转晴温度升 高后，由于其良好的吸光性和传热性，温度上升迅速，能够加快融冰的速度;最后，其较低 的表面能也导致冰容易从表面剥离，有助于机械除冰法。而良好的耐候性能够延长涂料的使 用寿命，提高经济效率