نانوپوشش‌ها در خطوط انتقال هوایی برق: هادی، عایق و دکل ها
الموضوعات :
مجید میرزایی
1
,
عباس فیضی نیا
2
,
یاسر قربانی امیر
3
1 - گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران
2 - گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران
3 - گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران
الکلمات المفتاحية: پوشش عملکردی, فوق آبگریز, ضد یخ‌زدگی, ضد کرونا, ضد تخلیه آلودگی, ضد خوردگی, خطوط انتقال هوایی.,
ملخص المقالة :
خطوط انتقال هوایی روش اصلی انتقال برق هستند. هادی‌ها، عایق‌ها و دکل‌ها تجهیزات الکتریکی اصلی این خطوط به شمار می‌روند. از آنجا که این خطوط در محیط طبیعی فعالیت می‌کنند، مشکلاتی مانند یخ‌زدگی، تخلیه کرونا، رسوب آلودگی و خوردگی به وجود می‌آید. این مشکلات می‌توانند منجر به حوادثی شوند که خسارات اقتصادی زیادی را به همراه دارند. برای حل این مشکلات، می‌توان از پوشش‌های عملکردی با ویژگی‌های فوق آبگریز، نیمه‌هادی، ضدخوردگی و سایر ویژگی‌ها بر روی تجهیزات الکتریکی استفاده کرد که دارای مزایای هزینه پایین و کارایی بالا هستند. به همین علت، پوشش‌های عملکردی در سال‌های اخیر به یکی از موضوعات پرطرفدار تحقیقات در حوزه عایق‌کاری خارجی تبدیل شده‌اند. با در نظر گرفتن چالش‌های متعدد مرتبط با تجهیزات الکتریکی در خطوط انتقال هوایی، ضرورت بهره‌گیری از رویکردهای متفاوت احساس می‌شود. این مقاله مروری، پوشش‌های عملکردی را بر اساس زمینه های کاربرد و عملکرد آنها دسته‌بندی می‌کند. در هر بخش، ابتدا علل مشکلات تجهیزات الکتریکی به طور مختصر بررسی می‌شود، سپس مکانیزم عملکرد این نوع پوشش‌ها برای رفع مشکلات توضیح داده می‌شود. در ادامه، وضعیت توسعه و کاربرد این پوشش‌ها به صورت خلاصه ارائه شده و محدودیت‌های آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. در پایان، مسائل کلیدی مرتبط با تحقیق در زمینه پوشش‌های عملکردی مرور خواهند شد و مسیرهای تحقیقاتی آینده مورد بحث قرار می‌گیرند.
1. Li, B. et al. (2020) Protection technologies of Ultra-High-Voltage AC transmission systems Academic Press
2. Farzaneh, M. and Jakl, F. (2015) Coatings for Protecting Overhead Power Network Equipment in Winter Conditions: Working Group B2. 44 Cigré
3. Zhao, Q. et al. (2022). Review of transmission line icing and anti-icing technologies. The proceedings of the 16th Annual Conference of China Electrotechnical Society: Volume II. Springer
4. Farzaneh, M. et al. (2008) Anti-icing and de-icing techniques for overhead lines. In Atmospheric icing of power networks, pp. 229-268, Springer
5. Xu, X. (2015). The development and analysis of shot peening process to improve the aluminum conductor steel reinforced corrosion resistance. Jinan: University of ShanDong
6. Karady, G.G. et al. (1995) Flashover mechanism of silicone rubber insulators used for outdoor insulation-I. IEEE transactions on power delivery 10, 1965-1971
7. Cao, Y. et al. (2022) Multi-applicable, durable superhydrophobic anti-icing coating through template-method and chemical vapor deposition. Surfaces and Interfaces 32, 102100
8. Tourkine, P. et al. (2009) Delayed freezing on water repellent materials. Langmuir 25, 7214-7216
9. Boinovich, L.B. and Emelyanenko, A.M. (2013) Anti-icing potential of superhydrophobic coatings. Mendeleev Communications 1, 3-10
10. Lo, T.N. et al. (2021) Nanoscale coatings derived from fluoroalkyl and PDMS alkoxysilanes on rough aluminum surfaces for improved durability and anti-icing properties. ACS Applied Nano Materials 4, 7493-7501
11. Liu, G. et al. (2020) Anti-frosting/anti-icing property of nano-ZnO superhydrophobic surface on Al alloy prepared by radio frequency magnetron sputtering. Materials Research Express 7, 026401
12. Liu, G. et al. (2021). Fabrication of durable superhydrophobic aluminium surface and its anti-icing properties. 2021 International Conference on Electrical Materials and Power Equipment (ICEMPE). IEEE
13. Volpe, A. et al. (2020) Direct femtosecond laser fabrication of superhydrophobic aluminum alloy surfaces with anti-icing properties. Coatings 10, 587
14. Liao, R. et al. (2014) Fabrication of superhydrophobic surface on aluminum by continuous chemical etching and its anti-icing property. Applied Surface Science 317, 701-709
15. Jin, H.-y. et al. (2018) Investigation on preparation and anti-icing performance of super-hydrophobic surface on aluminum conductor. Chinese Journal of Chemical Physics 31, 216-222
16. Fenero, M. et al. (2020) Omniphobic etched aluminum surfaces with anti-icing ability. Langmuir 36, 10916-10922
17. Kulinich, S. et al. (2011) Superhydrophobic surfaces: are they really ice-repellent? Langmuir 27, 25-29
18. Kim, P. et al. (2012) Liquid-infused nanostructured surfaces with extreme anti-ice and anti-frost performance. ACS nano 6, 6569-6577
19. Jiang, G. et al. (2018) Superhydrophobic SiC/CNTs coatings with photothermal deicing and passive anti-icing properties. ACS applied materials & interfaces 10, 36505-36511
20. Wang, P. et al. (2020) A superhydrophobic/electrothermal synergistically anti-icing strategy based on graphene composite. Composites science and technology 198, 108307
21. Liu, Q. et al. (2015) Durability of a lubricant-infused Electrospray Silicon Rubber surface as an anti-icing coating. Applied Surface Science 346, 68-76
22. Liu, G. et al. (2022) Robust and self-healing superhydrophobic aluminum surface with excellent anti-icing performance. Surfaces and Interfaces 28, 101588
23. Yang, C. et al. (2016) Anti-icing properties of superhydrophobic ZnO/PDMS composite coating. Applied Physics A 122, 1-10
24. Tan, X. et al. (2021) A simple fabrication of superhydrophobic PVDF/SiO 2 coatings and their anti-icing properties. Journal of Materials Research 36, 637-645
25. Boinovich, L.B. et al. (2019) Modus operandi of protective and anti-icing mechanisms underlying the design of longstanding outdoor icephobic coatings. ACS nano 13, 4335-4346
26. Maruvada, P.S. (2000) Corona performance of high-voltage transmission lines Research Studies Press Baldock, UK
27. Pfeiffer, M. and Franck, C.M. (2015) Impact of conductor surface type and rain intensity on HVDC corona losses. IEEE Transactions on Power Delivery 30, 2284-2292
28. Hylten-Cavallius, N. et al. (1964) Insulation requirements, corona losses, and corona radio interference for high-voltage DC lines. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems 83, 500-508
29. Zhang, X. et al. (2019). Acoustic noise emitted from overhead line conductors with superhydrophobic coating. 2019 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC). IEEE
30. Xu, P. et al. (2022) Effect of TiO2 coating on the surface condition and corona characteristics of positive DC conductors with particle matters. High Voltage 7, 147-157
31. Megala, V. and Sugumaran, C.P. (2020) Enhancement of corona onset voltage using PI/MWCNT nanocomposite on HV conductor. IEEE Transactions on Plasma Science 48, 1122-1129
32. Lin, Z. et al. (2013) Ice-phobic Coatings Based on Silicon-Oil-Infused Polydimethylsiloxane.
33. Yong, Y. et al. (2016) Positive DC corona inception on dielectric coated stranded conductors in air. The Institution of Engineering and Technology 10, 7
34. Bian, X. et al. (2019) Corona characteristics of conductor with TiO2 hydrophilic film subjected to DC high voltage. The Journal of Engineering 2019, 3046-3050
35. Lian, C. et al. (2019). Long-term durability of stearic acid silicon dioxide nanoparticle superhydrophobic coating on aluminium alloy overhead line conductors. 2019 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC). IEEE
36. Zhang, X. et al. (2022) Experimental verification of the potential of superhydrophobic surfaces in reducing audible noise on HVAC overhead line conductors. High Voltage 7, 692-704
37. Li, B. et al. (2020). Study on corrosion test of corrosion-proof steel core of high-anticorrosive conductor. 2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE). IEEE
38. Håkansson, E. et al. (2015) Galvanic corrosion of high temperature low sag aluminum conductor composite core and conventional aluminum conductor steel reinforced overhead high voltage conductors. IEEE Transactions on Reliability 64, 928-934
39. Ma, X. et al. (2017) Fretting wear behaviors of aluminum cable steel reinforced (ACSR) conductors in high-voltage transmission line. Metals 7, 373
40. Zhang, B. et al. (2016). The study on the applicability of aluminum conductor carbon core in the high incidence area of galloping for transmission lines. 2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE). IEEE
41. Ujah, C. et al. (2022) Review on materials applied in electric transmission conductors. Journal of Materials Science, 1-18
42. Li, Q. et al. (2020) Surface charge pattern analysis based on the field-dependent charging theory: a review. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 27, 257-269
43. Yuan, Z. et al. (2020) Review on the characteristics, heating sources and evolutionary processes of the operating composite insulators with abnormal temperature rise. CSEE Journal of Power and Energy Systems 8, 910-921
44. George, J.-M. et al. (2014) Field experience and laboratory investigation of glass insulators having a factory-applied silicone rubber coating. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 21, 2594-2601
45. Pylarinos, D. et al. (2015) Comparative investigation of silicone rubber composite and room temperature vulcanized coated glass insulators installed in coastal overhead transmission lines. IEEE Electrical Insulation Magazine 31, 23-29
46. Peng, W. et al. (2019) Robust Mg (OH) 2/epoxy resin superhydrophobic coating applied to composite insulators. Applied Surface Science 466, 126-132
47. Zhu, M.-X. et al. (2021) Superhydrophobic and high-flashover-strength coating for HVDC insulating system. Chemical Engineering Journal 404, 126476
48. Ibrahim, M.E. et al. (2014) Nanofilled nonlinear coating material for improving proactive flashover performance of high voltage insulators. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 21, 2156-2163
49. Castaño, J.G. et al. (2014) Ceramic insulators coated with titanium dioxide films: Properties and self-cleaning performance. Electric power systems research 116, 182-186
50. Bhushan, B. et al. (2009) Self-cleaning efficiency of artificial superhydrophobic surfaces. Langmuir 25, 3240-3248
51. Ghunem, R.A. et al. (2022) Development and application of superhydrophobic outdoor insulation: A review. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 29, 1392-1399
52. Maghsoudi, K. et al. (2018) Direct replication of micro-nanostructures in the fabrication of superhydrophobic silicone rubber surfaces by compression molding. Applied Surface Science 458, 619-628
53. Patil, D. et al. (2021) Fabrication of self-cleaning superhydrophobic silicone rubber insulator through laser texturing. Surface Engineering 37, 308-317
54. Wang, H. et al. (2021) A self-healing polyurethane-based composite coating with high strength and anti-corrosion properties for metal protection. Composites Part B: Engineering 225, 109273
55. Vazirinasab, E. et al. (2019) Evaluation of atmospheric-pressure plasma parameters to achieve superhydrophobic and self-cleaning HTV silicone rubber surfaces via a single-step, eco-friendly approach. Surface and Coatings Technology 375, 100-111
56. Peng, W. et al. (2018) Creation of a multifunctional superhydrophobic coating for composite insulators. Chemical Engineering Journal 352, 774-781
57. de Santos, H. and Sanz-Bobi, M.Á. (2021) Research on the pollution performance and degradation of superhydrophobic nano-coatings for toughened glass insulators. Electric Power Systems Research 191, 106863
58. Olad, A. et al. (2021) Potential of slippery liquid infused porous surface coatings as flashover inhibitors on porcelain insulators in icing, contaminated, and harsh environments. Progress in Organic Coatings 151, 106082
59. Zhuang, J. (2010) Structure modification of TiO2 film and its novel application for promoting the anti-contamination performance of high voltage outdoor insulators. Fuzhou: University of Fuzhou,
60. Zhuang, J. et al. (2010) A novel application of nano anticontamination technology for outdoor high‐voltage ceramic insulators. International journal of applied ceramic technology 7, E46-E53
61. Farzaneh, M. et al. (2010) Systems for prediction and monitoring of ice shedding, anti-icing and de-icing for power line conductors and ground wires.
62. Wei, X. et al. (2014) Development of anti-icing coatings applied to insulators in China. IEEE Electrical Insulation Magazine 30, 42-50
63. Liao, W. et al. (2007) Reducing ice accumulation on insulators by applying semiconducting RTV silicone coating. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 14, 1446-1454
64. Qin, Y. et al. (2009). An application of RTV with different conductivities in anti-icing. 2009 IEEE 9th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials. IEEE
65. Wei, X. et al. (2016) Effect of the Parameters of the Semiconductive Coating on the Anti-Icing Performance of the Insulators. IEEE Transactions on Power Delivery 31, 1413-1421
66. Yan, X. et al. (2016) An OH-PDMS-modified nano-silica/carbon hybrid coating for anti-icing of insulators part ii: Anti-icing performance. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 23, 2165-2173
67. Li, X. et al. (2014) A study on superhydrophobic coating in anti-icing of glass/porcelain insulator. Journal of sol-gel science and technology 69, 441-447
68. Guo, C. et al. (2015) Glaze icing on superhydrophobic coating prepared by nanoparticles filling combined with etching method for insulators. Journal of Nanomaterials 2015, 404071
69. Zuo, Z. et al. (2015). Fabrication and anti-icing property of superhydrophobic coatings on insulator. 2015 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). IEEE
70. Emelyanenko, A.M. et al. (2017) Reinforced superhydrophobic coating on silicone rubber for longstanding anti-icing performance in severe conditions. ACS applied materials & interfaces 9, 24210-24219
71. Sun, J. et al. (2020) Wettability behavior and anti-icing property of superhydrophobic coating on HTV silicone rubber. AIP Advances 10,
72. Hong, Z. et al. (2022) Anti-icing ceramics surface induced by femtosecond laser. Ceramics International 48, 10236-10243
73. Jiang, X. et al. (2010) Effect of hydrophobicity coating on insulator icing and DC flashover performance of iced insulators. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 17, 351-359
74. Hu, Q. et al. (2021) Study on modification of room temperature vulcanized silicone rubber by microencapsulated phase change material. Journal of Energy Storage 41, 102842
75. Zhu, L. et al. (2013) Ice-phobic coatings based on silicon-oil-infused polydimethylsiloxane. ACS applied materials & interfaces 5, 4053-4062
76. Yuan, Y. et al. (2021) Fabrication of phase change microcapsules and their applications to anti-icing coating. Surfaces and Interfaces 27, 101516
77. Shreepathi, S. et al. (2010) Electrochemical impedance spectroscopy investigations of epoxy zinc rich coatings: Role of Zn content on corrosion protection mechanism. Electrochimica Acta 55, 5129-5134
78. Alibakhshi, E. et al. (2014) Sodium zinc phosphate as a corrosion inhibitive pigment. Progress in Organic Coatings 77, 1155-1162
79. Arman, S. et al. (2013) Application of the electrochemical noise to investigate the corrosion resistance of an epoxy zinc-rich coating loaded with lamellar aluminum and micaceous iron oxide particles. Corrosion Science 77, 118-127
80. Ecco, L.G. et al. (2016) Waterborne acrylic paint system based on nanoceria for corrosion protection of steel. Progress in Organic Coatings 96, 19-25
81. Wang, L. et al. (2016). Influences of transmission tower anticorrosive coatings on electrical performance of composite insulator. 2016 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). IEEE
82. Popoola, A. et al. (2016) Anti-corrosion coating of mild steel using ternary Zn-ZnO-Y2O3 electro-depositon. Surface and Coatings Technology 306, 448-454
83. Fan, W. et al. (2020) Epoxy coating capable of providing multi-component passive film for long-term anti-corrosion of steel. Applied Surface Science 521, 146417
84. Nayak, S.R. et al. (2021) Functionalized multi-walled carbon nanotube/polyindole incorporated epoxy: An effective anti-corrosion coating material for mild steel. Journal of Alloys and Compounds 856, 158057
نانوپوشش‌ها در خطوط انتقال هوایی برق: هادی، عایق و دکل‌ها
مجید میرزایی*، عباس فیضی نیا، یاسر قربانی
https://doi.org/10.71508/crn.2024.140309261193707 |
mjmirzaei@nri.ac.ir
1- مقدمه
خطوط انتقال هوایی از مزایای منحصر به فرد و غیرقابل جایگزینی برخوردار هستند[1]. این مزایا شامل دامنه وسیع ولتاژهای قابل استفاده، هزینه ساخت پایین و سهولت در نگهداری می باشند. به همین دلایل، این خطوط به یکی از روشهای اصلی در انتقال برق تبدیل شده‌اند. در خطوط انتقال برق، هادی‌ها، عایق‌ها و دکل‌ها از اجزای اصلی تجهیزات الکتریکی محسوب می‌شوند. هادی‌ها وظیفه انتقال جریان برق را بر عهده دارند، عایق‌ها پشتیبانی مکانیکی و عایق‌بندی الکتریکی را فراهم می‌کنند، و دکل‌ها به حمایت از خطوط، عایق‌ها و تجهیزات دیگر اختصاص دارند. نظر به این که خطوط انتقال هوایی در معرض شرایط طبیعی قرار دارند، لازم است توانایی مقابله با عوامل همچون باد، نور خورشید، باران، برف، یخ و آلودگی را داشته باشند. مشکلاتی نظیر یخ‌زدگی و کرونا در هادی‌ها، خوردگی هادی، آلودگی و یخ‌زدگی عایق‌ها و همچنین خوردگی دکل‌ها می‌توانند عملکرد خطوط انتقال را به شدت مختل کنند. این نواقص ممکن است منجر به شکست هادی‌ها، فروپاشی دکل‌ها، آسیب به پایه‌های آنها و قطع گسترده برق شوند که در نهایت باعث خسارات اقتصادی قابل توجهی خواهد شد[2]. به عنوان نمونه، در ژانویه سال ۲۰۰۸، یک بحران ناشی از باران، برف و یخبندان در جنوب چین رخ داد که باعث شد خطوط انتقال هوایی به شدت با یخ پوشانده شوند. این اتفاق به سقوط ۱۳۲۵ دکل با ولتاژ ۲۲۰ کیلوولت و بالاتر و همچنین آسیب دیدن ۲۱۲۹ هادی منجر شد[3] و خسارات اقتصادی مستقیم بیش از 5/3 میلیارد دلار بود[4]. در فوریه ۲۰۲۱، طوفان زمستانی شدیدی ایالات متحده را درنوردید که منجر به یخ‌زدگی گسترده در شبکه برق تگزاس و قطع برق برای بیش از 5/4 میلیون نفر شد. این رویداد اهمیت ویژه‌ای به رفع مشکلات در خطوط انتقال هوایی بخشید، چرا که پایداری این خطوط و کاهش زیان‌های اقتصادی وابسته به آن است. استفاده از پوشش‌ها برای بهبود عملکرد و افزایش پایداری تجهیزات الکتریکی در خطوط انتقال هوایی سابقه طولانی دارد. برای مثال، در سال ۱۹۲۷ در ایالات متحده، از وازلین برای اولین بار بر روی اتصالات هادی به منظور جلوگیری از خوردگی استفاده شد[5]. از دهه ۱۹۷۰، پوشش‌های ضد تخلیه آلودگی RTV به طور گسترده برای بهبود عملکرد تخلیه آلودگی در عایق‌های شیشه‌ای و سرامیکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند[6]. با پیشرفت‌های حاصل در علم مواد آلی و نانوفناوری، تولید پوشش‌های عملکردی با کارایی بالا به طور چشمگیری افزایش یافته است. این پوشش‌ها شامل ویژگی‌هایی نظیر فوق آبگریزی، خودتمیزشوندگی، نیمه‌هادی و ضدخوردگی هستند. نمونه‌هایی از پوشش‌های عملکردی شناخته‌شده در جدول ۱ ارائه شده است.
این ویژگی‌ها نشانگر آن است که پوشش‌های عملکردی، قابلیت‌هایی منحصر به فرد مانند صرفه اقتصادی، بازدهی بالا، مصرف انرژی کمتر و وزن پایین را ارائه می‌دهند. از این رو، انتظار می‌رود که این پوشش‌ها به یک گزینه برتر در حل مشکلات خطوط انتقال تبدیل شوند. با این حال، تاکنون تنها تعداد محدودی از این پوشش‌ها به مرحله تجاری‌سازی رسیده‌اند. علت اصلی این محدودیت‌ها به مشکلاتی بازمی‌گردد که هنوز در پوشش‌های عملکردی فعلی وجود دارند؛ مسائلی شامل هزینه بالای تولید، ضعف در مقاومت سایشی و عمر مفید کوتاه که به طور جدی بر قابلیت اطمینان و کاربردی بودن آنها تأثیر می‌گذارد و مانع از گسترش استفاده این فناوری شده است. تحقیقات اخیر تلاش دارند تا این مشکلات را حل کرده و تمرکز خود را بر بهینه‌سازی روشهای تولید پوشش و افزایش دوام آن قرار داده‌اند. این بررسی همچنین به طور مختصر عوامل اصلی مشکلات تجهیزات الکتریکی در خطوط انتقال، مکانیزم عملکرد پوشش‌های عملکردی، روشهای تولید آنها و محدودیت‌های مربوطه را تحلیل کرده و آنها را در جدول ۱ دسته‌بندی می‌کند. علاوه بر این، مسائل کلیدی مرتبط با تحقیقات در حوزه پوشش‌های عملکردی برای خطوط انتقال خلاصه شده و مسیرهای احتمالی پژوهش‌های آینده نیز معرفی شده‌اند.
جدول 1. پوشش‌های عملکردی برای خطوط انتقال هوایی.
تجهیزات الکتریکی | مشکلات | پوشش‌های عملکردی |
هادی | یخ‌زدگی هادی | پوشش‌های ابرآبگریز |
پوشش الکترومکانیکی | ||
پوشش‌های فوتوترمال | ||
کرونا هادی | پوشش‌های TiO₂ | |
پوشش‌های ابرآبگریز | ||
خوردگی هادی | گریس‌های ضدخوردگی | |
عایق | آلودگی عایق | پوشش‌های ابرآبگریز |
پوشش‌های غیرخطی | ||
پوشش‌های TiO₂ | ||
یخ‌زدگی عایق | پوشش‌های نیمه‌رسانا | |
پوشش‌های ابرآبگریز | ||
پوشش‌هایی با مواد تغییر فاز | ||
دکل | خوردگی دکل | پوشش‌های ضدخوردگی |
2- پوشش‌های هادی‌ها
2-1- پوشش‌هایی برای جلوگیری از یخ‌زدگی هادی‌ها
در شرایط جوی مناسب، امکان تشکیل یخ بر روی خطوط هوایی، شامل هادی‌ها و خطوط زمین، وجود دارد. وزن یخ تجمع‌یافته بر این خطوط به طور معمول حدود ۳۲۵ کیلوگرم بر متر است و در شرایط دشوارتر حتی بیش از این مقدار می‌شود. این وضعیت می‌تواند به افزایش بارهای مکانیکی وارد بر خطوط انتقال منجر شود. علاوه بر این، یخ‌زدگی با تغییر ویژگی‌های آیرودینامیکی خطوط، آنها را در برابر نوسانات ناشی از باد آسیب‌پذیرتر می‌کند. این امر ممکن است در دوره یخ‌زدایی سبب حرکات ناگهانی خطوط شده و حتی به وقوع حوادث جدی نظیر قطعی گسترده برق، سقوط دکل‌ها یا تخریب خطوط انتقال منجر شود. ازاین‌رو، رفع چالش یخ‌زدگی برای عملکرد پایدار و مطمئن خطوط انتقال هوایی و کاهش زیان‌های اقتصادی اهمیتی ویژه دارد. روشهای موجود برای مقابله با یخ‌زدگی در خطوط هوایی عمدتاً در دو دسته ضدیخ‌زدگی و یخ‌زدایی قرار می‌گیرند. استفاده از پوشش‌های ویژه مانند پوشش‌های فوق آبگریز، الکتروترمال و فوتوترمال برای پیشگیری از یخ‌زدگی هادی‌ها مزایایی نظیر مصرف انرژی پایین، وزن سبک و کارایی بالاتر نسبت به سایر فناوری‌های موجود را ارائه می‌دهد. این فناوری ها پتانسیل قابل توجهی برای کاربردهای گسترده‌تر دارند[7].
2-1-1- پوشش‌های فوق آبگریز
سطوح فوق آبگریز1 (SHS)با زاویه تماس استاتیک(SCA) بیش از ۱۵۰ درجه و زاویه لغزش کمتر از ۱۰ درجه مشخص می‌شوند. سه عامل اصلی مکانیزم ضد یخ‌زدگی این سطوح را توضیح می‌دهند: نخست، زاویه لغزش پایین این سطوح به قطرات آب امکان می‌دهد پیش از یخ زدن، از روی سطح جدا شوند. دوم، قطرات آب روی این سطوح به صورت مدل کاسی-باکستر قرار می‌گیرند، جایی که ساختار زبر سطح به عنوان محفظه‌ای برای به دام انداختن هوا عمل کرده و لایه‌ای عایق حرارتی ایجاد می‌کند. این لایه عایق باعث کاهش تبادل حرارت بین قطرات و سطح شده و فرآیند هسته‌زایی قطرات آب را به تأخیر می‌اندازد[8].
سومین نکته این است که به‌واسطه چسبندگی بسیار پایین یخ به سطوح فوق آبگریز (معمولاً کمتر از ۱۰۰ کیلوپاسکال)، یخ می‌تواند به‌آسانی توسط نیروهای طبیعی از سطح جدا شود[9]. از آنجا که خطوط هوایی اغلب از هادی‌های آلومینیومی ساخته شده‌اند، در اینجا تمرکز بر تحقیقات انجام‌شده پیرامون زیرلایه‌های آلومینیومی خواهد بود. فرآیند ساخت پوشش‌های فوق آبگریز روی این زیرلایه‌ها را می‌توان به دو روش کلی تقسیم کرد: یک‌مرحله‌ای و دو‌مرحله‌ای. در روش یک‌مرحله‌ای، پوشش فوق آبگریز مستقیماً بر زیرلایه آلومینیومی ایجاد می‌شود و از روش هایی نظیر غوطه‌وری، اسپری یا روش قطره‌ای بهره می‌گیرد. برای نمونه، یانگ و همکاران موفق به توسعه یک پوشش فوق آبگریز ZnO/PDMS با زاویه تماس معادل 5/159درجه و زاویه لغزش 3/8 درجه شدند. زمانی که سطح در دماهای بین ۵- تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد با زاویه شیب ۱۰ درجه قرار می‌گیرد، قطرات آب به‌طور کامل از سطح فوق آبگریز(SHS) سر می‌خورند، که بیانگر عملکرد فوق‌العاده در جلوگیری از یخ‌زدگی است. حتی پس از ده چرخه یخ‌زدایی/یخ‌زدگی، زاویه تماس همچنان بیش از ۱۵۰ درجه باقی می‌ماند و زاویه لغزش تغییر محسوسی نمی‌کند؛ بنابراین، دوام پوشش بسیار مطلوب بوده و ویژگی خودترمیمی نیز مشاهده شده است. در پژوهشی دیگر، تان و همکاران با استفاده از پلی‌وینیلیدین فلوراید (PVDF)و SiO2 موفق به تهیه یک پوشش فوق آبگریز با روش غوطه‌وری یک‌مرحله‌ای شدند. در این پوشش، زاویه تماس برابر با ۱۵۹ درجه و زاویه لغزش تنها ۳ درجه بود. این پوشش توانست زمان یخ‌زدگی را تا چهار برابر افزایش داده و چسبندگی یخ به سطح آلومینیوم را ۴۰ درصد کاهش دهد. افزون بر این، پوشش مزبور مقاومت بالایی را در برابر شرایط جوی شدید، مقاومت در برابر خوردگی اسید و قلیایی و مقاومت در برابر دماهای بالا است. در روش دو‌مرحله‌ای، دو مرحله اصلی پردازش و اصلاح سطوح آلومینیومی برای ایجاد ویژگی‌های فوق آبگریز وجود دارد. در مرحله اول، زیرلایه آلومینیومی با استفاده از روش‌هایی مانند حکاکی شیمیایی[10]، اسپری مغناطیسی[11]، آندایز کردن[12]، یا لیزر فمتوثانیه[13] پیش‌پردازش می‌شود تا ساختارهای میکرو-نانو آماده‌سازی شوند. در مرحله دوم، این زیرلایه‌ها با روش‌هایی نظیر غوطه‌وری، رسوب بخار شیمیایی یا رسوب بخار فیزیکی اصلاح می‌شوند تا سطحی با انرژی پایین و ویژگی‌های آبگریز ایجاد شود. برای نمونه، در یک تحقیق[14]، زیرلایه‌های آلومینیومی با ترکیبی ازCuCl2 و HCl حکاکی شیمیایی شدند و سپس با سیلان اصلاح شدند. نتیجه این فرآیند منجر به تولید سطحی با ساختار میکرو-نانو شد که زاویه تماس آن 5/0±9/161 درجه و زاویه لغزش آن 1±8/6 اندازه‌گیری شده است. چنین سطحی توانست در آزمایش ضد یخ‌زدگی پس از 50 دقیقه حدود 53% از عملکرد خود را حفظ کند. در تحقیقی دیگر توسط جین و همکاران، یک سطح فوق آبگریز با زاویه تماس 159 درجه و زاویه لغزش 6 درجه تهیه شد. این آزمایش در دمای 25- درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 85% انجام شد. نتایج نشان داد که وجود سطح زبر فوق آبگریز همراه با انرژی سطح پایین باعث کاهش قابل توجه تعداد و اندازه ساختارهای یخی روی هادی‌های پردازش‌شده در مقایسه با هادی‌های آلومینیومی معمولی شده است. در تحقیق دیگری که توسط زو و همکاران انجام شد، یک SHS بر سطح ورق‌های آلومینیومی با استفاده از اسپری مغناطیسی و اصلاح با سیلان ایجاد شد. این سطح شامل یک لایه نانوساختاری از ZnO و یک لایه مولکولی هگزادسیل‌تری متوکسی سیلان(HDTMS) بود که انرژی سطح پایین آن ویژگی ضد یخ‌زدگی استثنایی‌ای نشان داد(شکل 1).
شکل ۱. فرآیند یخ‌زدگی بر روی هادی در آزمایش شبیه‌سازی یخ‌زدگی (سمت چپ خط قرمز هادی بدون پوشش و سمت راست هادی فوق آبگریز تهیه شده) [15]
در آزمایش یخ‌زدگی شفاف، طی 60 دقیقه، تنها 65/24 درصد از سطح فوق‌آبگریز (SHS)با یخ پوشیده شد. فِنرو و همکاران[16] از طریق حکاکی شیمیایی ورق آلومینیومی با FeCl3 و اتصال مولکول‌های PTFE به سطح، یک سطح اومنیفوبیک تهیه کردند. در آزمایش یخ‌زدگی در دمای °C5- و رطوبت نسبی 5±50 درصد، زمان یخ‌زدگی قطرات آب بر روی سطح اومنیفوبیک 20 برابر بیشتر از ورق آلومینیومی فاقد پوشش بود. لیو و همکاران با استفاده از اسپری مغناطیسی، یک سطح فوق‌آبگریز مبتنی بر ZnOبر روی یک ورق آلومینیومی ایجاد کردند. این روش طی 15 دقیقه قادر به تولید ساختاری زبر با ابعاد میکرو-نانو شامل نانوکلاسترهای متراکم بود. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که تأخیر در یخ‌زدگی قطرات آب بر روی سطح فوق‌آبگریز حدود 2 ساعت است؛ همچنین در دمای °C 10- این تأخیر به تقریباً 5 ساعت می‌رسد و چسبندگی یخ روی این سطح تنها 7/4 ±12کیلوپاسکال اندازه‌گیری شد. سطح SHS مبتنی بر ZnO دارای ویژگی‌های برتری در مقاومت در برابر یخ‌زدگی و ضدیخ‌زدگی است. کولینیچ و همکاران[17] بیان کردند که پایداری مکانیکی ساختارهای میکرو-نانو بر روی سطوح فوق‌آبگریز بسیار پایین است. با افزایش تعداد چرخه‌های یخ‌زدایی و یخ‌زدگی، این ساختارها به شدت آسیب دیده و منجر به کاهش قابل توجه خواص ضدیخ‌زدگی سطح SHS می‌شوند. بنابراین انجام تحقیقات گسترده‌تر بر استحکام پوشش‌های فوق‌آبگریز ضروری است. لو و همکاران[10] با استفاده از حکاکی شیمیایی و عملیات آب داغ، یک ساختار سلسله‌مراتبی زبر میکرو-نانو را بر روی سطح آلومینیوم ایجاد کرده و آن را با پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) و 1H, 1H, 2H, 2H-هپتادکافلوروکسیل پوشش دادند. خواص SHS تحقق‌یافته شامل زاویه تماس °175، زاویه لغزش °5/1 و چسبندگی یخ برابر با 3/25 کیلوپاسکال بود. افزون بر این، میزان چسبندگی یخ پس از گذراندن 100 چرخه یخ‌زدایی و یخ‌زدگی به 2/47 کیلوپاسکال افزایش یافت.
سطح ضد یخ‌زدگی بررسی‌شده نشان‌دهنده دوام بسیار خوبی است که احتمالاً به انعطاف‌پذیری PDMS مربوط می‌شود. در یکی از تحقیقات، سطحی فوق آبگریز با خاصیت ضد یخ‌زدگی و دوام بالا، از طریق فرایند آندایز کردن و اصلاح سیلان روی ورق آلومینیومی ایجاد شد. نتایج نشان داد که پس از 30 چرخه یخ‌زدگی و یخ‌زدایی، چسبندگی یخ کمتر از 70 کیلوپاسکال و زاویه تماس آب بالای 150 درجه باقی ماند. کائو و همکاران[7] نیز پوشش‌های فوق آبگریز ضد یخ‌زدگی (پوشش‌های F-SiO2) را بر روی ورق‌های آلومینیومی و هادی‌ها با روش الگوی دوده و رسوب بخار شیمیایی توسعه دادند. تصاویرSEM مربوطه در شکل‌های 2الف و 2ب ارائه شده است. در آزمایش یخ‌زدگی قطرات در دمای °C 10- و رطوبت نسبی حدود 85%، زمان تأخیر یخ‌زدگی بر روی پوشش فوق آبگریز 75/9 برابر بیشتر از سطح آلومینیوم بدون پوشش بود. همچنین چسبندگی یخ بر روی این سطح به میزان 8/14 کیلوپاسکال اندازه‌گیری شد. علاوه بر این، این پوشش پس از 150 چرخه یخ‌زدگی و یخ‌زدایی همچنان عملکرد ضد یخ‌زدگی خود را حفظ کرد. در آزمایش یخ‌زدگی شبیه‌سازی‌شده برای هادی‌ها، هادی‌های پوشش‌دار و بدون پوشش ابتدا به مدت 30 دقیقه در دمای °C 10- نگهداری شدند. سپس با ریختن قطرات آب در دمای °C 0 ، زمان شروع یخ‌زدگی بررسی شد. نتایج نشان داد که هادی پوشش‌دار تا 270 ثانیه شروع به یخ‌زدن نکرد. این دستاوردها در شکل‌های 2ج و 2د ارائه شده‌اند. با این حال، محدودیت‌هایی نظیر دوام پایین، پیچیدگی روشهای ساخت و هزینه‌های بالا مانع از استفاده گسترده از این پوشش‌ها برای ضد یخ‌زدگی خطوط هوایی بوده است. به‌ویژه، لیو و همکاران[12] دریافتند که یخ می‌تواند تحت تأثیر گشتاور ناشی از افزایش تنش رشته یا نصب دستگاه‌های ضد پیچش و همچنین استفاده از یک پوشش هیدروفوبیک ساده (نه لزوماً فوق آبگریز) آزاد شود. این یافته می‌تواند راهنمایی مؤثر برای کاربرد پوشش‌های ضد یخ‌زدگی بر روی هادی‌ها ارائه کند.
شکل 2. تصاویر SEM از (الف و ب) نمای کلی و نمای بزرگ‌شده جزئی پوشش F-SiO2 ، (ج و د) آزمایش عملکرد ضد یخ‌زدگی هادی شبیه‌سازی شده[7].
2-1-2- سایر پوشش‌ها
علاوه بر پوشش‌های فوق آبگریز ضد یخ‌زدگی، راهکارهای مبتنی بر سطوح متخلخل با مایع لغزنده(SLIPS)[18, 19]، پوشش‌های فوتوترمال[19] و پوشش‌های الکتروترمال[20] نیز مزایای ویژه و منحصر‌به‌فردی را ارائه کرده‌اند.
2-1-2-1- سطوح متخلخل مملو از مایع لغزنده
کیم و همکاران[18] با استفاده از نفوذ فیلم‌های پلی‌پیرول به ضخامت 3 تا 4 میکرومتر، سطح SLIPS را بر روی ورق‌های آلومینیومی ایجاد کردند. این فیلم‌ها از طریق رسوب‌گذاری الکتروشیمیایی اکسیداتیو تهیه شده و با یک روان‌کننده پرفلورینه با گرانروی پایین ترکیب شدند. نتایج نشان داد که در دمای 10- درجه سانتی‌گراد، چسبندگی یخ بر روی این ورق‌های درمان شده تنها به 6/3±6/15 کیلوپاسکال رسید. لیو و همکاران[21] لیو و همکاران با به‌کارگیری روش الکترواسپری و جداسازی فازی توانستند یک پوشش سیلیکون رابر میکروساختاری روی صفحات آلومینیومی ایجاد کنند و سپس با تزریق روان‌کننده پرفلورپلی‌اتر، SLIPS با زاویه تماس ظاهری برابر 8/5°±6/162 و هیسترزیس زاویه تماس نزدیک به صفر تولید کنند. در آزمایش‌های چرخه یخ‌زدگی/یخ‌زدایی آنها مشاهده شد که چسبندگی یخ با از دست رفتن روان‌کننده به‌مرور زمان افزایش یافت. لیو و همکاران[11] با استفاده از آندایزکردن نانوپودرهایی به قطر 88 نانومتر و عمق 20 میکرومتر روی سطح آلومینیوم تولید کردند. سپس با تزریق روغن سیلیکونی با گرانروی‌های مختلف، SLIPS ساختند. مقایسه‌ها نشان داد که چسبندگی یخ برای SLIPS تزریق شده با روغن سیلیکونی با ویسکوزیته ۱۰ میلی‌پاسکال ثانیه، تا 3/99 % کاهش یافته و به 7/2 کیلوپاسکال رسید. همچنین، پس از انجام 21 چرخه یخ‌زدگی/یخ‌زدایی، مشخص شد که SLIPS تزریق شده با روغن سیلیکونی دارای ویسکوزیته 50 میلی‌پاسکال ثانیه دوام بالاتری داشته و چسبندگی یخ، تنها 10% از مقدار اولیه ورق‌های آلومینیومی بدون پوشش باقی مانده است. در پروژه‌ای دیگر، لیو و همکاران با استفاده از فلوروسیلان (FAS-17)که به درون منافذ تولیدشده توسط آنودایز کردن تزریق شده بود، یکSLIPS ضدیخ‌زدگی با قابلیت خودترمیمی ساختند(شکل 3). این سطح دارای زاویه تماس ظاهری معادل 7/1°±9/165 و زاویه لغزش °3/0±6/0 بود. در آزمایش یخ‌زدگی شفاف نیز مشخص شد که ورق‌های آلومینیومی SLIPS تا 80 دقیقه در برابر تشکیل یخ مقاوم بودند. پس از آزمایش سایش به میزان 68/7 متر، زاویه تماس SCA اندکی کاهش یافت و به 1/3°±3/156 رسید. اما جالب توجه این بود
شکل ۳. (الف) تصاویر تشکیل یخ بر روی ورق آلومینیوم بدون پوشش و SHS تهیه شده، (ب) زاویه تماس و زاویه لغزش برای آب بر روی SHS پس از چرخه‌های سایش و درمان خودترمیمی، (ج) تصاویر SEM از SHS پس از سایش به مدت 68/7 متر. تصویر کوچک‌تر بزرگ‌نمایی بیشتری را نشان می‌دهد[22].
که پس از 30 دقیقه خودترمیمی در دمای 70 درجه سانتی‌گراد، این مقدار به 1/2°± 1/156 بازگشت. داده‌های مرتبط با فرآیند خودترمیمی در تصاویر SEM ثبت شده و نشان دادند که ساختار منافذ ایجاد شده توسط آندایزکردن همچنان حفظ شده است[22].
2-1-2-2- پوشش‌های فوتوترمال و الکتروترمال
جیانگ و همکاران[19] با استفاده از روش اسپری، یک پوشش فتوترمال و فوق آبگریز SiC/CNTs با زاویه تماس 161 درجه و زاویه لغزش 2 درجه تهیه کردند. این پوشش تحت تابش نور نزدیک به مادون قرمز (808 نانومتر) توانست دمای سطح را در عرض 10 ثانیه از°C 30 به °C 120 افزایش دهد، که امکان یخ‌زدایی سریع را فراهم می‌سازد. وانگ و همکاران[20] روشی ترکیبی ضد یخ‌زدگی بر پایه اثر الکتروترمال و خواص فوق آبگریز کامپوزیت‌های گرافن ارائه دادند. در این روش، پس از قطع منبع تغذیهDC، تنها مقدار کمی یخ روی سطح تشکیل می‌شود. اما با اعمال ولتاژ 50 ولت، یخ در عرض 70 ثانیه به سرعت از بین می‌رود. لیو و همکاران[12] نیز با استفاده از روش ساده اسپری، پوشش‌های فتوترمال، الکتروترمال و فوق آبگریز ساخته شده از نانولوله‌های کربنی رسانا(ECNTs) و پلی‌اکریلات‌های اصلاح‌شده با فلور را برای یخ‌زدایی در طول روز معرفی کردند. در انتها، جدول 2 عملکرد تعدادی از پوشش‌های کاربردی که با یخ‌زدایی هادی‌ها مرتبط هستند را مقایسه می‌کند.
در جدول 3 اطلاعات مربوط به طول عمر و مقاومت به ضربه پوشش‌های ضدیخ‌زدگی از نوع فوق آبگریز، سطوح متخلخل با مایع لغزنده، فوتوترمال و الکتروترمال در هادی‌های انتقال برق مقایسه شده است.
2-2- پوشش‌هایی برای جلوگیری از کرونا در هادی‌ها
برای خطوط انتقال که باید نیازهای توان مراکز بار را تأمین کنند، سطح ولتاژ به‌تدریج در حال افزایش است. هنگامی‌که شدت میدان الکتریکی در سطح هادی به حد معینی می‌رسد، محیط هوای اطراف هادی یونیزه شده و پدیده‌ای به نام تخلیه کرونا رخ می‌دهد. این پدیده اثرات منفی مختلفی به همراه دارد، از جمله اتلاف انرژی مرتبط با کرونا، ایجاد تداخل رادیویی، افزایش نویز صوتی، تولید اوزون و موارد دیگر. محاسبه و مدیریت این اتلاف‌ها بخش مهمی از طراحی بهینه خطوط انتقال هوایی محسوب می‌شود و در خطوط انتقال ولتاژ بالا و مسافت طولانی، به‌ویژه در مناطق مرتفع، نقش حیاتی ایفا می‌کند[31]. در شرایط جوی خاص نظیر باران، برف یا مه، قطرات آب بر روی سطح هادی ظاهر می‌شوند. این قطرات تحت تأثیر میدان الکتریکی و نیروی گرانش، تغییر شکل داده و میدان الکتریکی روی سطح هادی را تحریف می‌کنند. این امر موجب کاهش ولتاژ شروع کرونا و افزایش اتلاف‌های مربوط به کرونا می‌شود[32]. همچنین تفاوت‌هایی میان کرونا در مدارهای جریان متناوب(AC) و جریان مستقیم (DC)وجود دارد که ناشی از رفتار حرکتی بارهای فضایی است. حداکثر میزان تداخل رادیویی و نویز صوتی در خطوط AC معمولاً در شرایط جوی نامطلوب مشاهده می‌شود، در‌حالی‌که این مسائل در خطوط DC اغلب در شرایط جوی مطلوب رخ می‌دهند [33]. علاوه بر این، در خطوط DC، ذرات معلق که بار مخالف دارند به سطح هادی می‌چسبند؛ این مسئله زبری سطح را افزایش داده و ولتاژ شروع کرونا را کاهش می‌دهد. برای مقابله با این مشکلات، همگن کردن یا کاهش شدت میدان الکتریکی روی سطح هادی امری ضروری است. روش‌هایی همچون افزایش قطر هادی، استفاده از هادی‌های دسته‌ای، افزایش فاصله فازها یا ارتفاع دکل می‌تواند به کاهش اتلاف‌های کرونا کمک کند؛ اما این راهکارها هزینه ساخت را به‌شدت افزایش می‌دهند. اخیراً
[1] Superhydrophobic surfaces
جدول ۲. مقایسه عملکرد تحقیقات معمولی درباره پوشش‌های عملکردی یخ‌زدگی هادی‌ها
نوع پوشش | قابلیت رطوبت‌پذیری (زاویه تماس ایستا (SCA) و زاویه لغزش (SA)) | عملکرد ضد یخ‌زدگی (زمان تأخیر یخ‌زدگی، مساحت یخ‌زدگی، چسبندگی یخ و غیره) | دوام (نتیجه تست‌های یخ‌زدگی/ذوب‌کردن، تست سایش با کاغذ سنباده و غیره) | مرجع |
پوشش‌های فوق‌هیدروفوبیک یک مرحله ای | SCA 159.5° SA 8.3° | زمایش یخ‌زدگی در دمای -°C10 ، زمان تأخیر یخ‌زدگی تقریباً 1380 ثانیه | پس از 10 آزمایش یخ‌زدگی/ذوب‌کردن، SCA >150° | [23] |
پوشش‌های فوق‌هیدروفوبیک یک مرحله ای | SCA 159° SA 3° | آزمایش یخ‌زدگی 6 ساعته، کاهش جرم یخ 71.4% | پس از 18 آزمایش یخ‌زدگی/ذوب‌کردن، SCA 148°، SA 13.5° | [24] |
پوشش‌های فوق‌هیدروفوبیک دو مرحله ای | SCA ~161.9°، SA ~6.8° | 50 دقیقه آزمایش یخ‌زدگی، 53% سطح یخ‌زدگی غیرمنجمد | پس از 5000 قطره، 50 میکرولیتر آب، آزمایش قطره آب، SCA 155.7 ± 2.3° | [14] |
پوشش‌های فوق‌هیدروفوبیک دو مرحله ای | SCA ~171.8°، SA <1.5° | آزمایش یخ‌زدگی در دمای -°C10، زمان تأخیر یخ‌زدگی بیشتر از 2000 دقیقه | پس از 100 آزمایش یخ‌زدگی/ذوب‌کردن، SCA >162°، SA <15° | [25] |
اسلیپ ها | SCA ~162.6° | آزمایش چسبندگی یخ در دمای°C 20 -، چسبندگی یخ ~ kPa60 | پس از 100 آزمایش یخ‌زدگی/ذوب‌کردن، نرخ حفظ روان‌کننده ~37% | [21] |
اسلیپ ها | SCA ~165.9°، SA ~0.6° | 80 دقیقه آزمایش یخ‌زدگی، اکثر سطح غیرمنجمد است | پس از 12kPa, 7.68 m 1,000 cW سایش با کاغذ سنباده، SCA >156°، SA ~11.6°، اما SLIPSهای آماده می‌توانند خودترمیم شوند | [22] |
پوشش فوتوترمال | SCA 161°، SA <2° | آزمایش چسبندگی یخ در رطوبت 30% و دمای °C30 چسبندگی یخ kPa65/2 | تحت تابش NIR دما از °C 30 به °C 120 در عرض 10 ثانیه افزایش یافت | [19] |
پوشش الکتروترمال | SCA 167°، SA 2° | آزمایش یخ‌زدگی در دمای -5°C، زمان تأخیر یخ‌زدگی 335 ثانیه | پس از g 500 سایش با کاغذ سنباده، SCA >150°، SA <10° | [20] |
جدول 3. مقایسه طول عمر و مقاومت به ضربه نانوپوشش های ضد یخ زدگی در هادی‌های انتقال برق
| طول عمر | مقاومت در برابر ضربه | مراجع | |
پوشش‌های فوق آبگریز | عمر مفید متغیر است؛ دوام به قرارگیری در معرض محیط و سایش مکانیکی بستگی دارد | معمولاً خوب است؛ با این حال، دوام مکانیکی می‌تواند در شرایط ساینده نگران‌کننده باشد | [26] | |
سطوح متخلخل مملو از مایع لغزنده (SLIPS) | عمر مفید متغیر است؛ کاهش روان‌کننده در طول زمان می‌تواند اثربخشی را کاهش دهد
| مقاومت در برابر ضربه اولیه بالا؛ عملکرد ممکن است با کاهش روان‌کننده کاهش یابد | [27] | |
پوشش‌های فوتوترمال | عمر مفید متغیر است؛ اثربخشی به شرایط محیطی و قرارگیری در معرض نور خورشید بستگی دارد | مقاومت در برابر ضربه خوب؛ طراحی شده برای جذب نور خورشید و تبدیل آن به گرما، جلوگیری از تشکیل یخ | [28] | |
پوشش‌های الکتروترمال | عمر مفید متغیر است؛ به دوام اجزای الکتریکی و عوامل محیطی بستگی دارد | مقاومت در برابر ضربه خوب؛ از گرمایش الکتریکی برای جلوگیری از تجمع یخ استفاده می‌کند | [27] | |
پوشش‌های فوتوترمال فوق آبگریز | عمر مفید متغیر است؛ ترکیب فوق‌هیدروفوبیک با اثرات فوتوترمال برای بهبود ضد یخ‌زدگی | مقاومت در برابر ضربه خوب؛ عملکرد دوگانه ممکن است دوام را بهبود بخشد | [28] | |
پوشش‌های فوتوترمال خود-روان‌کننده
| عمر مفید متغیر است؛ طراحی شده برای عملکرد ضد یخ‌زدگی بلندمدت با ویژگی‌های خود-روان‌کننده | مقاومت در برابر ضربه بهبود یافته به دلیل ویژگی خود-روان‌کنندگی | [29] | |
پوشش‌های فوق آبگریز مقاوم | عمر مفید متغیر است؛ برای افزایش دوام در جلوگیری از عوامل محیطی مانند کاهش باران طراحی شده است | مقاومت در برابر ضربه بهبود یافته؛ طراحی شده برای تحمل تنش‌های محیطی | [30] |
محققان پوشش‌های ضد کرونا را به‌عنوان راه‌حلی مؤثر ارائه داده‌اند که می‌تواند این مشکل را تا حد زیادی برطرف کند. پوشش‌های موردبررسی[34] شامل پوشش‌های مبتنی برTiO2 [35] و پوشش‌های دی‌الکتریک با ویژگی بالا[36] می باشند. استفاده از پوشش‌های آبگریز و فوق آبگریز بر روی هادی‌ها به جلوگیری از چسبیدن قطرات آب کمک می‌کند و تحریف میدان الکتریکی ناشی از این قطرات را کاهش می‌دهد. برای مثال، تحقیق ژو و لی نشان داده است که پوشش یک میله فولادی با ماده RTV باعث کاهش حدود 60 درصدی اتلاف کرونا نسبت به میله معمولی شده است[37]. همچنین، مطالعات دیگری نشان داده‌اند که افزایش ضخامت پوششRTV روی کابل‌های آلومینیومی تقویت‌شده با فولاد(ACSR)، ولتاژ شروع کرونا در جریان مستقیم را نیز افزایش داده است[38]. در پژوهش دیگری، تیم تحقیقاتی ژانگ با استفاده از یک پوشش فوق آبگریز، تعداد قطرات آب روی سطح ACSR را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده‌اند، که منجر به کاهش نویز صوتی و افزایش ولتاژ شروع کرونا شده است. پوشش‌های مبتنی بر TiO2 نیز عملکرد منحصر‌به‌فردی از خود نشان داده‌اند. این پوشش‌ها علاوه بر دارا بودن خواص فوق‌آبدوست القایی برای توزیع یکنواخت قطرات آب، دارای ویژگی‌های فوتوکاتالیستی برای تجزیه آلودگی هستند که زبری سطح را کاهش داده و میدان الکتریکی را یکنواخت‌تر می‌کند. تحقیقی نشان داده است که افزودن نانوذرات TiO2 به پوشش رزین سیلیکونی-اکریلیک می‌تواند شدت میدان الکتریکی روی سطح هادی را کاهش داده و ولتاژ شروع کرونا را بالا ببرد. همچنین پوشش‌های صاف و متراکم ساخته‌شده از TiO2 با روش اسپری پلاسما توانسته‌اند تحت تأثیر نور UV چگالی رسوبات نمکی روی سطح را کاهش دهند. نتایج بیانگر آن بود که تابشUV ظرفیت TiO2 برای افزایش ولتاژ شروع کرونا و کاهش تخلیه کرونا را تقویت کرده است[39].
ژو و همکاران[3] با استفاده از روش اسپری پلاسما، پوشش‌های صاف و متراکم TiO2 را بر روی هادی‌ها ایجاد کردند. آزمایش کرونا مثبت DC نشان داده است که تحت تأثیر کاتالیز نور فرابنفش یا حضور میدان الکتریکی DC (معمولاً حدود 20 کیلوولت بر سانتی‌متر)، پوشش TiO2 مقدار زیادی جفت الکترون-حفره تولید می‌کند، که می‌تواند به تجزیه آلاینده‌ها از سطح خطوط انتقال DC کمک کند. در شکل 4 مشخص شده که تابش UV موجب کاهش چگالی رسوب نمکی سطح(Sa) هادی‌های پوشیده‌شده با TiO2 می‌شود. همچنین، جعبه مستطیلی در شکل 4 بیانگر آن است که استفاده از این پوشش می‌تواند ولتاژ شروع کرونا را افزایش دهد. پوشش‌هایی با ویژگی دی‌الکتریک و هدایت الکتریکی بالا قادرند میدان الکتریکی روی سطح هادی را کاهش داده و مشکل تخلیه کرونا را بهبود بخشند. پوشش‌های با دی‌الکتریک بالا و هدایت بالا می‌توانند میدان الکتریکی را بر روی سطح هادی کاهش دهند و مشکل تخلیه کرونا را بهبود بخشند(شکل 5). مگالا[36] پوشش‌های ترکیبی پلی‌ایمید/نانولوله‌های کربنی چند جداره (PI/MWCNT)به ضخامت 2 میلی‌متر را بر روی ACSR اعمال کرده است. نتایج آزمایش کرونا AC نشان داده که شدت میدان الکتریکی در سطحACSR پوشیده شده با 10 درصد وزنیMWCNT ، نسبت به نمونه‌های بدون پوشش 23% کاهش یافته است. همچنین، ولتاژ شروع کروناAC به میزان 87/25% افزایش پیدا کرده، از دست دادن کروناAC در شدت میدان 25 کیلوولت بر سانتی‌متر، 53/23 درصد کاهش یافته و ولتاژ تداخل رادیویی(RIV) نیز به میزان 18 دسی‌بل کاهش مشاهده شده است. در مجموع، روشهای متنوعی برای استفاده از پوشش‌های عملکردی جهت حل مشکل کرونا در هادی‌ها پیشنهاد شده است. اما اینکه کدام راهکار بهینه‌ترین نتیجه را ارائه می‌دهد، نیازمند تحقیق بیشتری است. با این حال، تاکنون گزارشی مبنی بر استفاده گسترده از پوشش‌های ضد کرونا منتشر نشده است، زیرا این پوشش‌ها همچنان دارای برخی محدودیت‌هایی هستند که نمی‌توان آنها را نادیده گرفت. برای مثال، پژوهش‌ها نشان داده‌اند که دوام پوشش‌های فوق آبگریز تحت شرایط تخلیه کرونا با مشکلاتی روبه‌رو است. در میان آنها، لیان و همکاران[40] صفحات آلومینیومی را با پوششی فوق آبگریز از ترکیب SiO2/اسید استئاریک پوشاندند؛ این پوشش زاویه تماس 169درجه و زاویه لغزش تنها 3 درجه داشت. نمونه‌ها تحت بررسی‌های مختلف شامل پیری حرارتی، پیری ناشی از کرونا، تابش UV و مواجهه با شرایط محیطی قرار گرفتند.
نتایج نشان دادند که دماهای بالا و تخلیه کرونا آسیب جدی به خاصیت فوق آبگریز وارد می‌کنند؛ همچنین تابشUV و
د |
ج |
ب |
الف |
