关注高电压技术，关注科学发展
《Degradation of Superhydrophobic Aluminium Overhead Line Conductor Surfaces》
题目：架空输电线超疏水表面的老化行为研究
作者：张旭，Chorphaka Plaengpraphan，连城星，李文源，韩清华，Simon M. Rowland，Ian Cotton，李奇
更多详情可进入《高电压技术》视频号进行观看哦~
近年来，超疏水表面因其出色的疏水性能受到广泛关注，研究表明其能够有效减少架空输电线表面水滴和污染物的沉积，降低电晕放电引发的可听噪声和电晕损耗。然而，在复杂的自然和电磁环境中，超疏水表面的可靠性面临挑战，尤其在高电压和持续雨水等苛刻条件下，涂层可能老化导致疏水性能下降。为此，本文着重对比研究了商用超疏水涂层和微结构超疏水表面在交流电场和持续喷水条件下的老化行为及其机理，为其在电力设备中的应用提供了理论指导和实践参考。
1）试验样品和方法
测试样品为直径31.6mm、长度1m的钢芯铝绞线。样品包括三个不同的表面处理条件：未处理、涂覆商用超疏水涂层以及激光刻蚀出微米级沟道，如图1所示。接触角和滑落角测试结果显示：未处理样品的接触角为85.6°，滚动角大于90°；商用涂层样品的接触角为158.3°，滚动角为3°；而微结构超疏水表面的接触角为163.1°，滚动角为1.7°，如图2所示。接触角越大且滚动角越小，超疏水性能越佳。因此，微结构超疏水表面在超疏水性能上优于商用涂层表面。将不同样品置于电晕笼中，在表面交流电场强度为18 kV/mm且持续喷水的条件下进行老化测试。
图1. 试验样品，(a) 无涂层架空线，(b) 商用超疏水涂层，(c) 微结构超疏水表面
图2. 试验样品接触角测试，(a) 无涂层架空线，(b) 商用超疏水涂层，(c) 微结构超疏水表面
2）结果和分析
在高电场和持续喷水条件下老化34小时后，对三种样品的表面微观形貌进行了观察和表面粗糙度计算（见图3）。老化前，未处理样品的表面粗糙度低于其他两种样品；老化后，未处理样品的表面粗糙度略有增加。商用涂层的表面粗糙度下降了29.8%，疏水性能显著降低，表面出现了水滴聚集。而微结构超疏水表面的粗糙度仅减少了11.3%，表面依旧保持超疏水性，没有水滴聚集。表面粗糙度和接触角成正比，因此，在交流电场和持续喷水条件下，商用涂层的老化程度更为严重。
图3. 3D表面轮廓。(a) 未处理样品老化前，(b) 未处理样品老化后，(c) 商用涂层样品老化前，(d) 商用涂层样品老化后，(e) 微结构超疏水表面老化前，(f) 微结构超疏水表面老化后。
水滴引发的放电主要有两种形式：一种是水滴滴落到导体表面，在接触弹起过程中形成尖端放电；另一种是水滴被吸附在导体表面，在交流电场下振动，形成泰勒锥，进而引发放电（分别见图4和图5）。这些放电过程会破坏商用涂层中的有机硅键，导致涂层疏水性能下降。相比之下，微结构超疏水表面在放电过程中虽然会损伤微结构，降低表面粗糙度，但由于其结构主要依赖物理形貌而非化学键，因此对放电的耐受性更强，表现出更好的可靠性。
图4. 水滴滴落接触放电过程
图5. 泰勒锥形成及其放电行为
结论
本研究针对商用超疏水涂层和微结构超疏水表面在交流电场和持续喷水条件下的老化特性进行了系统评估。结果表明，商用超疏水涂层在水滴滴落接触和泰勒锥引发的放电影响下，疏水性能显著下降，表面出现水滴聚集，表面粗糙度明显下降。相比之下，微结构超疏水表面在老化后仍然保持了良好的疏水性能，表面无水滴聚集，展现出更高的可靠性。
Xu Zhang, Chorphaka Plaengpraphan, Chengxing Lian, Wenyuan Li, Qinghua Han, Simon M. Rowland, Ian Cotton, Qi Li:Degradation of Superhydrophobic Aluminium Overhead Line Conductor Surfaces. High Voltage. 9(4), 763-772 (2024).
张旭，2022年获英国曼彻斯特大学博士学位，现为英国华威大学博士后研究员，主要研究方向包括复杂环境下电力设备及电工材料的局部放电和老化，功率半导体模块的封装及热管理。主持参与了多个科技项目，其中包括英国国家电网、中国国家电网、英国创新与研究署、株洲中车时代电气英国创新中心、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室等。
西蒙·M·罗兰（Simon M. Rowland）,东英吉利大学获得物理学学士学位，并在伦敦大学获得博士学位。目前，他是曼彻斯特大学的教授、IET会士和IEEE会士，并于2015年至2019年担任曼彻斯特大学电气学院院长。他曾在2011年和2012年担任IEEE介电与电气绝缘学会（DEIS）主席，主要研究方向为电气绝缘材料和系统的开发与应用。
伊恩·科顿（Ian Cotton）,于1995年在英国谢菲尔德大学获得电气工程一级荣誉学士学位，并于1998年在曼彻斯特大学获得电气工程博士学位。他目前是曼彻斯特大学教授兼曼彻斯特能源中心主任。主要研究方向包括高压系统在航空航天中的应用以及航空绝缘材料的老化机理研究。
李奇，2007年本科毕业于华中科技大学，2013年获英国曼彻斯特大学博士学位。现为重庆市百人计划特聘研究员、博士生导师，重庆大学电气学院“输变电装备技术全国重点实验室“及”雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站”成员。主研方向包括架空输电线路电磁环境影响与防护、架空输电线路升压扩容技术、固体绝缘材料老化机理和人工智能在电网中的应用等。
联系我们
