冬季風機葉片覆冰解決措施研究技術報告

李行勇

摘 要：冬季時，微地形地區的電力設備易出現嚴重的覆冰。對電力系統的安全運行造成威脅，如風機停機，輸電線路斷線，絕緣子串閃絡等事故的發生。針對以上問題，本項目采用自行研制的人工覆冰試驗氣候箱，觀察了涂覆疏水型防覆冰涂料的風機葉片表面覆冰的形貌，測量了覆冰厚度、重量，研究了涂層的防覆冰性能。采用自行研制的凍冰模具和涂層表面覆冰粘附強度測量裝置，測試了涂層表面覆冰的剪切力，根據覆冰剪切力的測量結果通過公式計算出覆冰粘結力和覆冰粘結力的變化率；通過覆冰粘附強度、覆冰粘結力、覆冰粘結力的變化率來表征疏水性涂層防覆冰的性能。

關鍵詞：冬季 風機 葉片 覆冰 解決 技術

一、試驗裝置及方法

本項目擬通過人工覆冰試驗、防冰涂層表面覆冰附著力測量試驗及涂層疏水性能測量試驗，評價了涂層的防冰性能，采用的試驗裝置包括模擬覆冰試驗裝置（覆冰試驗氣候箱）、涂層表面覆冰附著力測量裝置和涂層表面水滴接觸角測試儀。

1.1風機葉片試樣覆冰模擬系統

國內外大學及國家重點實驗室如加拿大魁北克大學、中國電力科學研究院、沈陽工業大學、清華大學等研究機構設計研制的人工覆冰氣候室，基本都是大型的房式或罐式結構，設計適合放置在實驗室內的小型覆冰氣候試驗箱，其外形尺寸為920×940×1680mm（長×寬×高），其箱體的低溫試驗箱的尺寸僅為400×450×550mm（長×寬×高），占地面積小，成本低廉。覆冰試驗氣候箱主要由低溫氣候箱、制冷系統、噴淋系統以及風速調節系統組成，盡可能的模擬了風機葉片覆冰所需的自然環境條件。根據試驗箱尺寸設計了兩臺試樣固定裝置，一次可放置12個100×50×5mm（長×寬×高）大小的風機葉片小試片。

1.2覆冰附著力及粘附強度測試

風機葉片表面涂覆防覆冰涂料是解決風機葉片覆冰問題比較有效的方法。涂層表面覆冰粘附強度是表征涂層防覆冰性能的重要參數，覆冰粘附強度越小，涂層表面覆冰越容易脫落。涂層表面由于成分和結構的差別，表面覆冰粘附強度的大小也存在差異，覆冰粘附強度較大的涂層表面的覆冰不易發生脫落，需在較大的外力作用表面覆冰才可能脫落；而覆冰粘附強度較小的涂層表面覆冰在較小外力作用下即可脫落，特別是當涂層表面的覆冰粘附強度特別小時，其表面覆冰還可以在重力作用下自由脫落；為此針對涂料表面的覆冰粘附強度進行測試分析，將有助于衡量和評價涂層表面的防覆冰性能，這對于研究在材料表面的涂層的防覆冰性能具有重要的指導作用。

1.3覆冰剪切力測試

為了能直接測出風機葉片試片表面涂層覆冰后的剪切力，加工制作了兩種不同形狀的凍冰模具：環型模具和方型模具，環型模具采用304拉絲不銹鋼材料加工，方型模具采用PVC材料加工，通過使用兩種凍冰模具等效的對覆冰剪切力進行

測量。

覆冰剪切力測量系統包括拉力機控制箱、固定傳感器的升降臺、傳感器（壓頭）、測試夾具（臺鉗）等。設計了兩種壓頭，壓頭1用來壓不銹鋼圓環，壓頭1車有弧度，稱為弧形壓頭。圓弧所形成的圓和不銹鋼圓環的外圓是同心圓，保證了施加的力在同一軸心方向上，且為線性施力。壓頭2用來壓方形環，盡可能使方環受力均勻。凍冰結束后，將夾子打開，取下凍冰上蓋，將試片固定在臺鉗上，在拉力機控制箱設定好剪切速度、試樣形狀、試樣面積開始測試。

二、試驗結果及分析討論

2.1覆冰模擬實驗結果及分析

分別對-10℃和-20℃凍雨模擬實驗覆冰之后的A-A11號小試片稱重，各個小試片表面的覆冰狀況不同，可通過覆冰重量計算單位面積的覆冰量及覆冰速率。由于試片表面涂覆涂料的差別，試片表面所形成的覆冰質量差異較明顯，A1、A2在-10℃和-20℃時覆冰質量均明顯小于其他試片。A1、A2與未涂覆防覆冰涂料的試片A相比較，在-10℃時A1的覆冰質量僅為A的26.47%，A2的覆冰質量僅為A的29.41%；-20℃時A1的覆冰質量僅為A的20.95%，A2的覆冰質量僅為A的32.38%。

A3、A6、A7、A10當試驗箱溫度為-20℃時，覆冰重量同-10℃時相差較大，其中一個原因就是由于環境溫度降低，過冷水滴釋放潛熱快，在與涂層表面接觸后，潤濕性增強，與涂層表面接觸面積加大，凍結速度加快，之后降落的過冷水滴呈平鋪增長的趨勢，形成較厚的冰層，覆冰重量增加。其余涂層表面的覆冰狀況同-10℃時增長趨勢相同。

2.2疏水性涂層覆冰附著力及粘附強度測試結果及分析

覆冰溫度越低，各涂層表面粘附強度越大。B1、B2兩種涂層表面覆冰粘附強度相對于其他涂層表面覆冰粘附強度較小。-20℃B8涂層表面覆冰粘附強度為1502.991KPa約為-10℃覆冰粘附強度的8倍，-20℃B11涂層表面覆冰粘附強度為1505.153KPa約為-10℃覆冰粘附強度的7倍，說明溫度對疏水性涂層表面覆冰粘附強度的影響較大，疏水性涂層表面覆冰粘附強度是判斷疏水性涂層防覆冰性能的重要參數。依據涂層表面覆冰的粘附強度評價其疏冰性能時，粘附強度應是同一覆冰溫度下的測量值，這樣測量結果才有可比性。

2.3疏水性涂層水滴接觸角測試結果

在室溫20℃條件下使用OCA20接觸角視頻測量儀對小試片表面不同涂層進行水滴接觸角測試，各涂層表面的水滴接觸角大小不同。其中接觸角超過100°有A1、A2、兩種種涂層，A1、A2兩種涂層水滴接觸角分別為103.886°、103.994°。其中接觸角超過90°有A4、A6、A3、A9、A10、A5六種涂層，接觸角依次增大，分別為90.542°、90.858°、91.575°、93.104°、94.947°、97.151°。A7、A8、A11三種涂層和未涂覆防覆冰涂料的涂層水滴接觸角測試不理想，均低于90°分別為87.116°、83.423°、84.422°、57.471°。未涂覆防覆冰涂料的涂層接觸角測試已達到親水涂層。接觸角是判定涂層疏水性能的重要因素之一，通過接觸角來衡量液體在涂層表面的潤濕程度，十分直觀，但不能反應潤濕過程的能量變化。需要通過其他理論計算，這也是后續研究的重要課題之一。

三、結語

測量結果表明，本項目采用的防覆冰涂料可以顯著減少覆冰重量，采用的防冰涂料施工工藝參數可以滿足防覆冰涂層的各項技術要求。

參考文獻：

[1] 盧方.風機葉片覆冰監測與防冰除冰試驗研究[D].湖南大學，2014.