冬季风机叶片覆冰解决措施研究技术报告

冬季风机叶片覆冰解决措施研究技术报告

摘要：冬季时，微地形地区的电力设备易出现严重的覆冰。对电力系统的安全运行造成威胁，如风机停机，输电线路断线，绝缘子串闪络等事故的发生。针对以上问题，本项目采用自行研制的人工覆冰试验气候箱，观察了涂覆疏水型防覆冰涂料的风机叶片表面覆冰的形貌，测量了覆冰厚度、重量，研究了涂层的防覆冰性能。采用自行研制的冻冰模具和涂层表面覆冰粘附强度测量装置，测试了涂层表面覆冰的剪切力，根据覆冰剪切力的测量结果通过公式计算出覆冰粘结力和覆冰粘结力的变化率；通过覆冰粘附强度、覆冰粘结力、覆冰粘结力的变化率来表征疏水性涂层防覆冰的性能。
关键词：冬季风机叶片覆冰解决技术
一、试验装置及方法
本项目拟通过人工覆冰试验、防冰涂层表面覆冰附着力测量试验及涂层疏水性能测量试验，评价了涂层的防冰性能，采用的试验装置包括模拟覆冰试验装置（覆冰试验气候箱）、涂层表面覆冰附着力测量装置和涂层表面水滴接触角测试仪。
1.1风机叶片试样覆冰模拟系统
国内外大学及国家重点实验室如加拿大魁北克大学、中国电力科学研究院、沈阳工业大学、清华大学等研究机构设计研制的人工覆冰气候室，基本都是大型的房式或罐式结构，设计适合放置在实验室内的小型覆冰?夂蚴匝橄洌?其外形尺寸为920×940×1680mm（长×宽×高），其箱体的低温试验箱的尺寸仅为400×450×550mm（长×宽×高），占地面积小，成本低廉。覆冰试验气候箱主要由低温气候箱、制冷系统、喷淋系统以及风速调节系统组成，尽可能的模拟了风机叶片覆冰所需的自然环境条件。根据试验箱尺寸设计了两台试样固定装置，一次可放置12个100×50×5mm（长×宽×高）大小的风机叶片小试片。
1.2覆冰附着力及粘附强度测试
风机叶片表面涂覆防覆冰涂料是解决风机叶片覆冰问题比较有效的方法。涂层表面覆冰粘附强度是表征涂层防覆冰性能的重要参数，覆冰粘附强度越小，涂层表面覆冰越容易脱落。涂层表面由于成分和结构的差别，表面覆冰粘附强度的大小也存在差异，覆冰粘附强度较大的涂层表面的覆冰不易发生脱落，需在较大的外力作用表面覆冰才可能脱落；而覆冰粘附强度较小的涂层表面覆冰在较小外力作用下即可脱落，特别是当涂层表面的覆冰粘附强度特别小时，其表面覆冰还可以在重力作用下自由脱落；为此针对涂料表面的覆冰粘附强度进行测试分析，将有助于衡量和评价涂层表面的防覆冰性能，这对于研究在材料表面的涂层的防覆冰性能具有重要的指导作用。
1.3覆冰剪切力测试
为了能直接测出风机叶片试片表面涂层覆冰后的剪切力，加工制作了两种不同形状的冻冰模具：环型模具和方型模具，环型模具采用304拉丝不锈钢材料加工，方型模具采用PVC材料加工，通过使用两种冻冰模具等效的对覆冰剪切力进行
测量。
覆冰剪切力测量系统包括拉力机控制箱、固定传感器的升降台、传感器（压头）、测试夹具（台钳）等。设计了两种压头，压头1用来压不锈钢圆环，压头1车有弧度，称为弧形压头。圆弧所形成的圆和不锈钢圆环的外圆是同心圆，保证了施加的力在同一轴心方向上，且为线性施力。压头2用来压方形环，尽可能使方环受力均匀。冻冰结束后，将夹子打开，取下冻冰上盖，将试片固定在台钳上，在拉力机控制箱设定好剪切速度、试样形状、试样面积开始测试。
二、试验结果及分析讨论
2.1覆冰模拟实验结果及分析
分别对-10℃和-20℃冻雨模拟实验覆冰之后的A-A11号小试片称重，各个小试片表面的覆冰状况不同，可通过覆冰重量计算单位面积的覆冰量及覆冰速率。由于试片表面涂覆涂料的差别，试片表面所形成的覆冰质量差异较明显，A1、A2在-10℃和-20℃时覆冰质量均明显小于其他试片。A1、A2与未涂覆防覆冰涂料的试片A相比较，在-10℃时A1的覆冰质量仅为A的26.47%，A2的覆冰质量仅为A的29.41%；-20℃时A1的覆冰质量仅为A的20.95%，A2的覆冰质量仅为A的32.38%。
A3、A6、A7、A10当试验箱温度为-20℃时，覆冰重量同-10℃时相差较大，其中一个原因就是由于环境温度降低，过冷水滴释放潜热快，在与涂层表面接触后，润湿性增强，与涂层表面接触面积加大，冻结速度加快，之后降落的过冷水滴呈平铺增长的趋势，形成较厚的冰层，覆冰重量增加。其余涂层表面的覆冰状况同-10℃时增长趋势相同。
2.2疏水性涂层覆冰附着力及粘附强度测试结果及分析
覆冰温度越低，各涂层表面粘附强度越大。B1、B2两种涂层表面覆冰粘附强度相对于其他涂层表面覆冰粘附强度较小。-20℃B8涂层表面覆冰粘附强度为1502.991KPa约为-10℃覆冰粘附强度的8倍，-20℃B11涂层表面覆冰粘附强度为1505.153KPa约为-10℃覆冰粘附强度的7倍，说明温度对疏水性涂层表面覆冰粘附强度的影响较大，疏水性涂层表面覆冰粘附强度是判断疏水性涂层防覆冰性能的重要参数。依据涂层表面覆冰的粘附强度评价其疏冰性能时，粘附强度应是同一覆冰温度下的测量值，这样测量结果才有可比性。
2.3疏水性涂层水滴接触角测试结果
在室温20℃条件下使用OCA20接触角视频测量仪对小试片表面不同涂层进行水滴接触角测试，各涂层表面的水滴接触角大小不同。其中接触角超过100°有A1、A2、两种种涂层，A1、A2两种涂层水滴接触角分别为103.886°、103.994°。其中接触角超过90°有A4、A6、A3、A9、A10、A5六种涂层，接触角依次增大，分别为90.542°、90.858°、91.575°、93.104°、94.947°、97.151°。A7、A8、A11三种涂层和未涂覆防覆冰涂料的涂层水滴接触角测试不理想，均低于90°分别为87.116°、83.423°、84.422°、57.471°。未涂覆防覆冰涂料的涂层接触角测试已达到亲水涂层。接触角是判定涂层疏水性能的重要因素之一，通过接触角来衡量液体在涂层表面的润湿程度，十分直观，但不能反应润湿过程的能量变化。需要通过其他理论计算，这也是后续研究的重要课题之一。
三、结语
测量结果表明，本项目采用的防覆冰涂料可以显著减少覆冰重量，采用的防冰涂料施工工艺参数可以满足防覆冰涂层的各项技术要求。
参考文献：
[1]卢方.风机叶片覆冰监测与防冰除冰试验研究[D].湖南大学，2014.