高压电缆表面超疏水性与其覆冰行为研究

输电线路严重覆冰能引发重大电力事故，国内外尚无积极有效的解决办法。研究输电线路防冰抗冰是关系到国家经济发展和社会稳定的重要课题。然而，目前覆冰行为的基础研究集中在环境气象条件对覆冰宏观长大的影响，很少关注线路表面物理化学行为在覆冰机理中的作用，特别是没有从材料角度研究如何防止覆冰发生。本项目首次提出应用超疏水技术通过改变输电线路材料表面结构性质来抑制甚至根绝覆冰发生。拟以工业高压电缆为主要样品，从表面微纳结构制备与表征、实验模拟、现场观测、模型分析、理论计算等方面研究超疏水性、环境/气象参数、覆冰行为之间的关系，进而揭示超疏水表面的抗冰机理，为开发实用输电线路防/抗冰技术提供科学依据和理论方法。主要解决3个关键科学问题：（1）超疏水微纳结构的表面几何及化学与覆冰行为的关系；(2) 环境因素对超疏水表面抗冰行为的影响；（3）超疏水表面抑制覆冰的最适粗糙度或最优几何。

通过建立模型利用专用软件，对材料的表面相貌、粒度、水滴的存在状态、水滴与界面的接触变化情况、水滴与界面的接触面积、水滴在界面处的热力学能变化等情况进行了理论模拟，获得了材料表面的二级微纳结构、类荷叶结构存在形式更有利于材料疏水的结论。分类比较了不同分形维度结构表面对材料接触角的影响及影响的差异情况。同时也从热力学的角度分析了微纳多级结构对接触角的影响及其原因。. 根据高压电线电缆是裸线的自身特性，一般方法是直接在基底上处理得到微纳结构。其他方法则在基底上沉积微纳颗粒获得多层结构或涂层结构。所制得表面的接触角超过150°，滚动角小于10°。在实验过程中使用的方法大都简单易行、成本低廉、实验周期短、可操作性强，为超疏水表面的将来实际应用提供了示范性方法与途径。. 在超疏水表面制备成功的基础上，用普通冰箱和自行设计制造的实验装置及仪器设备分别对超疏水表面的抗冰性能进行了研究。通过普通冰箱所提供的较稳定环境条件和自制仪器提供的变化环境条件，发现超疏水表面有延迟结冰的性能，其延迟结冰时间可达300-700s，能够有效减缓冰冻灾害等恶劣天气对电力输送设施的不利影响。利用自制仪器实时图像采集系统，能够直观的获得水滴结成水珠变化过程，为将来理论研究结冰、抗冰行为提供了很好的思路并具有较高的实际应用价值。. 在上述研究基础上，设计了新型高压电线电缆，在超疏水电缆的基础上又增加了电阻加热部分，使原本不具有防冰特性的传统电缆变成了新型电缆。该电缆既包含了防结冰的功能，又使电线电缆在达到结冰限度而结冰后有效地除冰，两大功能在不同的阶段起作用，能更加有效地降低恶劣天气对输电线路造成的影响。