《A Review on Mechanism and Application of Functional Coatings for Overhead Transmission Lines》的学术报告

主要作者及机构

这篇综述文章的作者包括 Bo Tao、Li Cheng、Jiuyi Wang、Xinlong Zhang 和 Ruijin Liao，作者单位为重庆大学电气工程学院“电力传输设备及系统安全与新技术国家重点实验室”，文章发表于 Frontiers in Materials 的“Polymeric and Composite Materials”栏目，发布时间为 2022 年 9 月 12 日。

文章的背景及研究目的

本综述文章关注的是电力系统中使用的架空输电线，其由导线、绝缘子和铁塔等主要设备组成。架空输电线是当前电力传输的主流方式，具有电压等级广、建设成本低、维护方便等优点。然而，由于架空输电线长期暴露于复杂的自然环境中，常面临诸如导线覆冰、导线放电（电晕现象）、腐蚀以及绝缘子污染等问题，可能导致断线、倒塔或大规模停电等事故，给经济和社会带来巨大损失。

为了应对这些问题，近年来具有特定功能的涂层（简称功能涂层，Functional Coatings）逐渐成为研究热点。这些涂层具有超疏水（Superhydrophobic）、半导电、抗腐蚀、自清洁等性能，相较于传统方法，解决输电线问题的成本较低、效率较高。本文对功能涂层的性能机制、研发进展、应用现状、局限性及未来研究方向进行了系统梳理，总结了在输电线路可靠性问题上的科学意义与工程价值。

文章的主要内容和论点

1. 电力设备问题与功能涂层分类

根据架空输电线可能面临的问题，作者将功能涂层按照应用场景和功能需求进行了分类，主要集中于以下几个方面：

• 导线覆冰：超疏水涂层、光热涂层和电热涂层可以显著减少或延缓覆冰，有效降低机械负载和事故风险。
• 导线电晕：使用超疏水涂层与二氧化钛（TiO2）涂层可以降低导线表面的电场强度，减小放电问题。
• 导线腐蚀：抗腐蚀涂层和润滑脂能增强导线的耐腐蚀能力，提高设备寿命。
• 绝缘子污染：通过涂覆超疏水涂层、非线性涂层、TiO2 涂层等减少污闪事故。
• 绝缘子覆冰：应用超疏水和半导电涂层提高抗覆冰性能，防止闪络。
• 铁塔腐蚀：抗腐蚀涂层通过对铁塔结构的保护，延长使用寿命和降低维护成本。

2. 导线功能涂层的研究与应用

（1）超疏水涂层抗覆冰性能 - 机制：超疏水涂层通过降低水滴附着力，让水滴在冻结前掉落；产生气垫隔热，延缓水滴结晶；降低冰的附着力，使其易被自然作用力移除。 - 制备工艺：主要采用一阶段（如浸涂、喷涂）或两阶段（化学蚀刻结合表面能修饰）方法制造。其中，二氧化硅（SiO2）和锌氧化物（ZnO）纳米结构常用于涂层的微纳米结构制备。 - 研究成果：超疏水涂层可显著延缓覆冰，减少冰的粘附力，部分涂层可承受数十次甚至上百次的结冰/解冰循环。

（2）其他抗覆冰涂层 - SLIPS 涂层（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces）：通过注入润滑剂降低冰附着力。实验显示，润滑剂类型和浓度直接影响其耐久性能。 - 光热涂层与电热涂层：利用近红外光或加热电极快速融冰，减少覆冰影响。

（3）抗电晕功能涂层 - 通过超疏水涂层和 TiO2 涂层降低水滴附着和污染沉积，以减少电晕放电。 - TiO2 涂层的光催化活性可分解污染物，进一步提高抗电晕能力。

（4）抗腐蚀功能涂层 - 导线的腐蚀主要来源于电化学反应和机械摩擦，研究主要集中于涂覆润滑脂和开发新型覆层（如铝包覆钢芯）。

3. 绝缘子的功能涂层应用

（1）超疏水涂层抗污染闪络性能 - 性能表现：超疏水涂层显著减少绝缘子表面的污垢粘附，并具有“自清洁”能力。 - 制备方法：仿形复制模具、蚀刻技术和直接涂层技术。 - 局限性：需要解决长期户外暴露中的耐久性问题，包括机械磨损和紫外线老化。

（2）半导电涂层抗覆冰性能 - 半导电涂层通过泄漏电流产生焦耳热来融冰，有效减少覆冰量并避免闪络。 - 局限性在于功率损耗较大，且可能加速涂层老化。

（3）TiO2 涂层 - TiO2 涂层在紫外线照射下具有光催化去污和超亲水特性，通过形成水膜减少污染物堆积和干区放电的发生。

4. 铁塔的功能涂层应用

• 铁塔主要采用富锌环氧底漆、云母氧化铁中间漆和丙烯酸面漆的三层涂装系统，以应对大气腐蚀。
• 近年来，新型抗腐蚀涂层（如功能化多壁碳纳米管涂层、高分子胶囊涂层等）的研发显示出良好的防护效果。

5. 文章的意义与展望

综述文章总结了当前功能涂层在架空输电线主要问题中的应用现状与研究进展，并结合实验结果探讨了这些涂层的性能机制。以下几点为未来研究的关键：

• 优化涂层制备工艺与实际电力设备匹配性：加速实验室成果向工程实践的转化，例如如何将超疏水涂层大规模应用于导线以及复杂形状的绝缘子表面。
• 提升涂层耐久性能：针对户外复杂环境的挑战，功能涂层需具备优异的抗磨损、抗紫外线和抗老化能力。
• 开发多功能复合涂层：结合多种涂层技术，将抗覆冰、抗腐蚀、抗电晕等多种功能集成于一体，以应对复杂的多重问题场景。

通过深化功能涂层的研发和实际应用研究，未来有望实现架空输电线问题的更优解，保障电力系统的稳定性，降低维护成本。

学术价值与亮点

本综述全面梳理了功能涂层在架空输电线的研究热点及应用前沿，是当前领域内的重要参考文献。文章总结了功能涂层的性能机制、实验成果及其工程局限性，并提出了解决涂层实际应用面临问题的重要方向，为后续研究提供了重要参考。