От обледенения проводов – супергидрофобные покрытия

Отечественная разработка особенно актуальна для стран со схожим с Россией климатом.

Российский климат не благоприятствует энергетике: коррозия разъедает опоры ЛЭП, в плохую погоду снег и лед покрывают провода, вызывая повреждение линий, устранение неполадок требует много времени, сил и средств. С такими же проблемами сталкиваются многие северные государства, а также Китай и Япония.

В последние годы ученые разных стран исследуют возможность защиты проводов и конструкции ЛЭП с помощью специальных покрытий. Одно из таких решений – супергидрофобные покрытия, которые позволяют предотвратить обледенение, разработали и испытали ученые из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.

Налипание снега и льда на провода и опоры ЛЭП – большая проблема. Особенно опасны ледяные дожди, когда капли переохлажденной жидкости попадают на металлическую поверхность, имеющую температуру ниже нуля, отмечается в публикации на сайте STRF.ru. Ледяной дождь, прошедший в декабре 2010 года над Центральной Россией только на территории Московской области привел к отключению 217 высоковольтных ЛЭП, 134 высоковольтных питающих центров 220 кВ, а также более 10 тыс. трансформаторных подстанций.

На линиях чаще всего используют механические методы борьбы с обледенением, но они требуют доступа к ЛЭП, что нарушает нормальную работу участка. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его. Можно повысить сопротивление проводов, пропуская по ним ток в особом режиме. Провода нагреются, и лед расплавится, но этот метод приведет к потере энергии. В последние годы стали активно применять растворы, которые замерзают при температурах значительно более низких, чем вода. Эти жидкости хороши в дорожном хозяйстве и авиации, но не столь эффективны при транспортировке энергии. Срок действия таких «незамерзающих жидкостей» недолог, а регулярно наносить их на сотни, тысячи километров проводов – сверхзадача. Эти способы требуют постоянного активного участия персонала, затрат энергии или химических реактивов, а иногда небезопасны для окружающей среды. Таким образом, правильнее и экономичнее делать провода и опоры ЛЭП из таких материалов, на которых вода не задерживается, а потому и не намерзнет.

«Одна из отличительных особенностей супергидрофобных материалов – самоочистка поверхности от пыли и других твердых частиц при ее контакте с каплями жидкости, – рассказывает главный научный сотрудник ИФХЭ РАН член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Людмила Бойнович. – Дело в том, что даже при очень малых наклонах супергидрофобной поверхности капли воды не соскальзывают по ней, а скатываются. Благодаря водоотталкивающим свойствам поверхности, на ней практически не скапливается вода, которая может кристаллизоваться. Кроме того, уже образовавшийся лед, изморозь или мокрый снег к таким поверхностям прилипают плохо и осыпаются с проводов под действием собственного веса или ветра».

Специалисты Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина и Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского показали, что с алюминиевых поверхностей, на которые нанесено супергидрофобное покрытие, лед легко удалить. (На рисунке – сверху алюминиевая пластина с супергидрофобным покрытием. Снимок сделан в условиях снегопада при температуре воздуха минус 3°С, влажности 99% и скорости ветра 2 м/с.). Ученые работали с одножильными и многожильными алюминиевыми проводами. Сначала электрохимическими методами обрабатывали провода, в результате чего их поверхность становилась шероховатой – на ней возникали микро- и нанорельеф. Затем на шероховатую поверхность наносили гидрофобный агент – фтороксисилан. На таких поверхностях вода контактирует с материалом только по выступающим частям рельефа, то есть площадь реального контакта между жидкостью и материалом уменьшается в несколько раз. А чем меньше площадь контакта, тем меньше сцепление воды и льда с поверхностью.

Ученые давали образцам обмерзнуть, а потом определяли, какие усилия нужны, чтобы вытянуть или выкрутить провод из ледяного чехла. Оказалось, что на супергидрофобных поверхностях капли воды почти не растекаются и легко скатываются при углах наклона поверхности меньше 15°С. При супергидрофобизующей обработке прочность соединения льда с алюминием уменьшается в 2,6 раза, если из ледяного чехла приходится выкручивать многожильный кабель, и в 5-10 раз, когда вытягивают провод. При этом следов льда на освобожденном проводе не остается. От многократного повторения этой процедуры качество покрытия практически не пострадало, оно оказалось стойким к механическим нагрузкам. Поэтому супергидрофобное покрытие можно считать льдофобным. Оно хорошо переносит циклические перепады температур от минус 18°С до плюс 25°С, свойственные средней полосе России.

«Чтобы получение супергидрофобного покрытия превратилось из искусства в технологию, необходим определенный уровень развития нанотехнологий, – поясняет Людмила Бойнович. – Нанотолщина слоя гидрофобного агента позволяет добиться максимальной механической стойкости контакта материала и покрытия и минимизировать его расход. Нанесение более толстого слоя гидрофобного агента может привести к отслаиванию покрытия при колебаниях температуры. Кроме того, нанокривизна элементов текстуры на поверхности позволяет эффективно повышать ее гидрофобность».

Исследователи отмечают, что полученные ими супергидрофобные покрытия можно рассматривать как эффективное средство борьбы с обледенением и накоплением снега на алюминиевых элементах ЛЭП.

Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (программа фундаментальных исследований № 24 «Фундаментальные основы технологий наноструктур и наноматериалов») и Совета при Президенте РФ по грантам и государственной поддержке ведущих научных школ.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.