RU109901U1

RU109901U1 - UNINSULATED WIRE WITH SUPER HYDROPHOBIC ANTI-ICE COVERING FOR ELECTRIC AIR TRANSMISSION LINES

Info

Publication number: RU109901U1
Application number: RU2011114829/07U
Authority: RU
Inventors: Людмила Борисовна Бойнович; Александр Михайлович Емельяненко
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2011-10-27

Abstract

1. Провод алюминиевый неизолированный для воздушных линий электропередач с супергидрофобным антиобледенительным покрытием, включающим наноструктурированную пленку оксида алюминия и слой фторсодержащего гидрофобизатора толщиной от 0,5 до 3 нм. ! 2. Провод по п.1, отличающийся тем, что слой гидрофобизатора нанесен адсорбцией из раствора перфтороксисилана в неполярном растворителе. ! 3. Провод по п.1, отличающийся тем, что слой гидрофобизатора нанесен из раствора низкомолекулярной фракции политетрафторэтилена в сверхкритическом диоксиде углерода. 1. Non-insulated aluminum wire for overhead power lines with a super-hydrophobic anti-icing coating, including a nanostructured aluminum oxide film and a fluorine-containing water-repellent layer from 0.5 to 3 nm thick. ! 2. The wire according to claim 1, characterized in that the layer of water-repellent is applied by adsorption from a solution of perfluoroxysilane in a non-polar solvent. ! 3. The wire according to claim 1, characterized in that the layer of water repellent is applied from a solution of a low molecular weight fraction of polytetrafluoroethylene in supercritical carbon dioxide.

Description

Техническое решение относится к электроэнергетике, а именно к воздушным линиям электропередачи, и может быть использовано для защиты проводов воздушных линий электропередач от налипания льда и снега в зимний период.The technical solution relates to the electric power industry, namely to overhead power lines, and can be used to protect the wires of overhead power lines from sticking ice and snow in the winter.

Обледенение и налипание снега на воздушных линиях электропередачи (ЛЭП) представляет большую проблему: увеличивается вес проводов, что может привести к их обрыву и прекращению подачи электроэнергии. Кроме того, возникает так называемая «пляска» проводов, которая представляет собой периодическое движение провода, преимущественно в вертикальной плоскости, имеющее низкую частоту порядка долей герца, и очень большой амплитуды, например, от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров; при этом максимальные значения амплитуд колебаний могут достигать величины стрелы провеса (РД 34.20.182-90 «Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кв», M., 1991).Icing and sticking of snow on overhead power lines (transmission lines) is a big problem: the weight of the wires increases, which can lead to breakage and interruption of power supply. In addition, there is a so-called “dance” of wires, which is a periodic movement of the wire, mainly in the vertical plane, having a low frequency of the order of a hertz fractions, and a very large amplitude, for example, from several tens of centimeters to several meters; at the same time, the maximum values of the oscillation amplitudes can reach the magnitude of the sag (RD 34.20.182-90 “Methodological guidelines for typical protection against vibration and vibrations of wires and lightning protection cables of overhead power transmission lines with a voltage of 35-750 sq”, M., 1991).

Известен провод для ЛЭП, приспособленный для удаления льда со своей поверхности за счет джоулева тепла. Данный провод покрыт материалом, способным поглощать энергию переменного электрического тока, и покрытие имеет толщину, достаточную для генерирования тепла и плавления льда, причем покрытие находится между электрическим проводником и внешней проводящей оболочкой. Материал покрытия может быть сегнетоэлектрическим, полупроводниковым или ферромагнитным материалом. Поглощение электромагнитной энергии вызывает нагревание проводника до температуры, которая выше температуры таяния льда. Нагревание проводов может происходить только тогда, когда температура окружающей среды падает ниже температуры таяния льда или материал покрытия можно "включать" и "выключать", если для нагревания покрытия применяется отдельный источник питания (патент РФ №2234781 «Способ и устройство для удаления льда с поверхностей» с приоритетом от 1999.11.30, опубликованный 2004.08.20). Недостатками данного провода является конструктивная и технологическая сложность. Кроме того, на нагрев провода и расплавление снега или льда расходуется электроэнергия, что удорожает стоимость передачи электроэнергии по воздушным ЛЭП.A known wire for power lines, adapted to remove ice from its surface due to the Joule heat. This wire is coated with a material capable of absorbing the energy of an alternating electric current, and the coating has a thickness sufficient to generate heat and melt the ice, the coating being between the electrical conductor and the outer conductive sheath. The coating material may be ferroelectric, semiconductor or ferromagnetic material. The absorption of electromagnetic energy causes the conductor to heat to a temperature that is higher than the melting temperature of the ice. Heating of wires can occur only when the ambient temperature drops below the melting temperature of the ice or the coating material can be turned on and off if a separate power source is used to heat the coating (RF patent No. 2234781 “Method and device for removing ice from surfaces ”With priority from 1999.11.30, published 2004.08.20). The disadvantages of this wire are structural and technological complexity. In addition, energy is consumed for heating the wire and melting snow or ice, which increases the cost of transmitting electricity through overhead power lines.

Известен способ формирования антифрикционного и антиобледенительного покрытия, описанный в патенте РФ №2063272, опубл. 1996.07.10, включающий в себя очистку поверхности, нанесение слоев грунтовки, нанесение низкоэнергетического покрытия, сушку, перед нанесением покрытия для придания многомодальной шероховатости либо наносят подслой наполнителя с частицами сферической формы радиусом от 10^-1 до 10^-3 мкм, либо обрабатывают поверхность электронным пучком или лазерным лучом, причем сушку производят в магнитных или электростатических полях, направленных перпендикулярно к поверхности покрытия. Недостатками указанного способа является необходимость большого числа сложных технологических операций, трудность нанесения на большие площади, недостаточно высокая гидрофобность получаемого покрытия, и как следствие, низкая антиобледенительная эффективность при высокой стоимости покрытия.A known method of forming an anti-friction and anti-icing coating described in the patent of the Russian Federation No. 2063272, publ. 1996.07.10, which includes cleaning the surface, applying primer layers, applying a low-energy coating, drying, before applying the coating to give multimodal roughness, either apply a filler sublayer with spherical particles with a radius of 10 ^-1 to 10 ^-3 microns, or treat the surface with electronic beam or laser beam, and drying is carried out in magnetic or electrostatic fields directed perpendicular to the surface of the coating. The disadvantages of this method is the need for a large number of complex technological operations, the difficulty of applying to large areas, the hydrophobicity of the resulting coating is not high enough, and as a consequence, low de-icing efficiency at a high coating cost.

Технической задачей является создание провода для воздушной ЛЭП, поверхность которого обладает низкой адгезией по отношению к воде, снегу и льду, и тем самым обеспечивает защиту ЛЭП от обледенения и накопления снега. Технический результат заключается в придании супергидрофобных свойств защитному покрытию на поверхности алюминиевых проводов и уменьшении склонности к накоплению снега и наледи на таких проводах. Данный результат является совокупным и обеспечивается сочетанием наноструктурирования поверхности провода и нанесения на поверхность гидрофобизующего покрытия.The technical task is to create a wire for an overhead power line, the surface of which has low adhesion to water, snow and ice, and thereby protects the power line from icing and accumulation of snow. The technical result consists in imparting superhydrophobic properties to a protective coating on the surface of aluminum wires and reducing the tendency to accumulate snow and ice on such wires. This result is cumulative and is provided by a combination of nanostructuring of the wire surface and the application of a hydrophobizing coating on the surface.

Гидрофобной является поверхность, угол смачивания которой каплей дистиллированной воды превышает 90°С, для супергидрофобной поверхности значение этого угла превышает 150°С при углах скатывания не более 15°. Супергидрофобные поверхности, помимо низкой адгезии по отношению к воде, снегу и льду, обладают водонепроницаемостью, стойкостью к коррозии, устойчивостью к биообрастанию, к неорганическим и целому ряду органических загрязнений, а также демонстрируют эффект самоочистки при выпадении осадков.A surface is hydrophobic, the wetting angle of which with a drop of distilled water exceeds 90 ° C; for a superhydrophobic surface, the value of this angle exceeds 150 ° C at a rolling angle of no more than 15 °. Superhydrophobic surfaces, in addition to low adhesion to water, snow and ice, are waterproof, corrosion resistant, resistant to biofouling, inorganic and a number of organic contaminants, and also demonstrate the effect of self-cleaning during precipitation.

Известно, что создание гидрофобных покрытий обеспечивается осаждением на поверхность подложки однородной пленки гидрофобизатора, не искажающей морфологию подложки, при этом для усиления водоотталкивающих свойств покрытий, т.е. для получения эффекта супергидрофобности, предлагается создание наноструктурированных поверхностей с многомодальной шероховатостью, которые затем покрываются фторсодержащим гидрофобизирующим составом (например, US 5,324,556; US 5,599,489, патент РФ №2400510).It is known that the creation of hydrophobic coatings is ensured by the deposition on the surface of the substrate of a uniform film of a hydrophobizing agent that does not distort the morphology of the substrate, while enhancing the water-repellent properties of the coatings, i.e. to obtain the effect of superhydrophobicity, it is proposed to create nanostructured surfaces with multimodal roughness, which are then coated with a fluorine-containing water-repellent composition (for example, US 5,324,556; US 5,599,489, RF patent No. 2400510).

Известны различные способы наноструктурирования поверхности, например обработкой плазмой (US 5,679,460), осаждением металла на металл в ходе самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции (PCT/GB2007/003508), химическим протравливанием поверхности (US 7,150,904, US 7,258,731), нанесением слоя расплавленного полимера с последующей кристаллизацией покрытия и образованием фрактальной структуры, химическим осаждением упорядоченных структур из паров и растворов, нанесением пленок сублимирующихся материалов, электроосаждением наночастиц и пористых пленок, применением фотолитографических методов.Various methods are known for nanostructuring the surface, for example, by plasma treatment (US 5,679,460), deposition of metal on a metal during a spontaneous redox reaction (PCT / GB2007 / 003508), chemical etching of the surface (US 7,150,904, US 7,258,731), applying a layer of molten polymer followed by crystallization of the coating and the formation of a fractal structure, chemical deposition of ordered structures from vapors and solutions, deposition of films of sublimated materials, electrodeposition of nanoparticles and porous knock, using photolithographic methods.

В предлагаемом решении наноструктурирование поверхности осуществляется стандартным методом электрохимического оксидирования поверхности в растворе электролита. Последующая гидрофобизация наноструктурированной поверхности обеспечивается нанесением фтороорганического гидрофобного агента либо адсорбцией из раствора, либо осаждением из сверхкритического диоксида углерода. Оба способа гидрофобизации позволяют обрабатывать большие поверхности, в частности, первым способом поверхность алюминиевого провода может быть обработана непосредственно после скрутки перед наматыванием на барабан, а вторым способом удобно обрабатывать провод, уже намотанный на барабан.In the proposed solution, surface nanostructuring is carried out by the standard method of electrochemical oxidation of a surface in an electrolyte solution. Subsequent hydrophobization of the nanostructured surface is ensured by the application of an organofluorine hydrophobic agent, either by adsorption from a solution or by precipitation from supercritical carbon dioxide. Both methods of hydrophobization allow you to process large surfaces, in particular, the first method the surface of the aluminum wire can be processed immediately after twisting before winding on the drum, and the second method is convenient to process the wire already wound on the drum.

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна». К отличительным признакам предлагаемого провода неизолированного для воздушных линий электропередачи относятся морфология (текстура) поверхности, наличие и состав гидрофобизующего покрытия.When conducting a search by sources of patent and scientific and technical literature, no solutions were found containing the totality of the proposed features for solving the task, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the patentability criterion of "novelty." The distinguishing features of the proposed non-insulated wire for overhead power lines include surface morphology (texture), the presence and composition of the hydrophobic coating.

Примером реализации предлагаемого технического решения является алюминиевый провод, поверхность которого наноструктурирована методом электрохимического оксидирования, а в качестве гидрофобизующего покрытия нанесена пленка перфтороксисилана толщиной от 0.5 до 3 нм путем адсорбции из раствора в неполярном растворителе. Угол смачивания водой на такой поверхности составляет 167 градусов, угол скатывания - менее 12 градусов.An example of the implementation of the proposed technical solution is an aluminum wire, the surface of which is nanostructured by electrochemical oxidation, and a perfluoroxysilane film from 0.5 to 3 nm thick by adsorption from a solution in a non-polar solvent is applied as a hydrophobic coating. The water wetting angle on such a surface is 167 degrees, the rolling angle is less than 12 degrees.

Другим примером реализации предлагаемого технического решения является алюминиевый провод, поверхность которого наноструктурирована методом электрохимического оксидирования, а в качестве гидрофобизующего покрытия нанесена пленка низкомолекулярной фракции политетрафторэтилена толщиной от 0.5 до 3 нм путем осаждения из раствора в сверхкритическом диоксиде углерода. Угол смачивания водой на такой поверхности составляет 156 градусов, угол скатывания - менее 15 градусов.Another example of the implementation of the proposed technical solution is an aluminum wire, the surface of which is nanostructured by electrochemical oxidation, and a film of a low molecular weight fraction of polytetrafluoroethylene from 0.5 to 3 nm thick is deposited as a hydrophobic coating by precipitation from a solution in supercritical carbon dioxide. The angle of wetting with water on such a surface is 156 degrees, the rolling angle is less than 15 degrees.

Использование предлагаемого провода повышает надежность работы воздушных линий электропередач в режиме снеговых и гололедно-ветровых нагрузок.Using the proposed wire improves the reliability of overhead power lines in the mode of snow and ice-wind loads.

Claims

1. Non-insulated aluminum wire for overhead power lines with a super-hydrophobic anti-icing coating, including a nanostructured aluminum oxide film and a fluorine-containing water-repellent layer from 0.5 to 3 nm thick.

2. The wire according to claim 1, characterized in that the layer of water-repellent is applied by adsorption from a solution of perfluoroxysilane in a non-polar solvent.

3. The wire according to claim 1, characterized in that the layer of water repellent is applied from a solution of a low molecular weight fraction of polytetrafluoroethylene in supercritical carbon dioxide.