作为连接发电厂、变电所与用电设备的电能传送装置,架空输电线路是电力系统的重要组成部分,被喻为电力工业的大动脉^[1-3]。输电工程是国家发展的重要工程。恶劣的天气情况、城市施工现场塔吊、林区的高树和不规则的山地等都会使架空输电线发生严重的腐蚀,尤其是野外的输电线路受环境因素影响大,各种腐蚀安全事故屡见不鲜。野外复杂的腐蚀环境不仅会加速输电线路外表层即防腐蚀层老化,还会使输电线路上的绝缘子等辅助设备发生腐蚀。因此,按照科学方法对架空输电线路进行防腐蚀保护和腐蚀监测是非常必要的^[4-6]。

作者对架空输电线路的腐蚀监测技术和防腐蚀技术进行了总结和分析,针对架空输电线路所处环境,因地制宜采用不同防腐蚀技术才能最大程度保障架空输电线路的安全运行。

1.   架空输电线路腐蚀现状

1.1   导线腐蚀

架空输电线路担负着从电源向电力负荷中心传递电能的作用。目前,国内外架空输电线路的导线主要为钢芯铝绞线,其在输电线路中占有极其重要的位置。架空输电导线会因晃动产生疲劳磨损^[7]。同时,在恶劣环境影响下,架空输电导线发生腐蚀后的腐蚀产物会进一步转变为氧化物。氧化物的研磨作用使输电导线表面被破坏,如图1所示,造成输电导线抗拉强度降低,因此输电导线快速失效是疲劳磨损、腐蚀和氧化物研磨等复合作用的结果。

图  1  架空输电线路腐蚀失效形貌

Figure  1.  Corrosion failure morphology of overhead transmission line

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1.2   绝缘子腐蚀

绝缘子是一种特殊的绝缘控件,在架空输电线路中其主要功能是实现电气绝缘和机械固定。架空输电线路的绝缘子主要分为悬式型和支柱型。据统计,环境影响导致绝缘子绝缘性下降,从而造成电力系统故障的事故数量,在电网事故数量中排名第二^[8]。目前绝缘子的腐蚀主要发生在绝缘部分之间的金具部分。

由于地理环境会影响绝缘子的使用寿命,所以在预测绝缘子寿命时,应该考虑其安装位置。在工业区域,若只考虑电偶腐蚀,瓷绝缘子的预期寿命可达到56 a,但在实际应用中瓷绝缘子的最长寿命仅为30 a左右^[9]。悬式型绝缘子腐蚀大多发生在其最下部且表面有明显锈沟的区域,如图2所示；

图  2  绝缘子腐蚀形貌

Figure  2.  Corrosion morphology of insulator

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而支柱型绝缘子的腐蚀大多发生在水泥与锌套管界面处的环形区域。腐蚀严重的绝缘子大多位于山区和森林等湿度较大的区域^[10]。陈浩等^[11]研究了国内某220 kV变电站位于电解铝工业园内母线悬吊复合绝缘子连接金具的腐蚀原因,结果发现,电解铝产生的二氧化硫与绝缘子连接金具的镀锌层发生化学反应,镀锌层失去了对基体的保护作用,从而造成金具腐蚀。

2.   架空输电线路腐蚀检测技术

2.1   在线监测系统

架空输电线路分布广泛、复杂,信息化技术的发展为输电线路检测提供了有力的技术支持^[12],在架空输电线路检测中合理引入信息化技术,可及时发现系统故障,并采取科学合理的措施,确保电力系统设备的安全运行。检修人员还可以利用便携设备向中枢传输数据,为在线监测系统提供数据参考^[13]。输电线路在线监测系统可以实现温度实时监测、故障在线监测和高压在线监测,甚至可以在线监测由输电线腐蚀造成的老化、过热和电压波动等现象。

2.2   无人机检测+图像处理

随着无人机技术和算法的发展,无人机检测+图像处理的巡检方法日益成为输电线路腐蚀检测的重要发展方向。利用无人机搭载光学遥感设备获取腐蚀信息在电力基础设施自动监控中具有巨大的应用潜力。图3为无人机(UAV)监测架空输电线路。ARAAR等^[14]建立了一种从杂乱的背景中识别输电线路并从低级的几何图像和颜色中提取腐蚀信息的方法。WU等^[15]针对架空输电线路的防震锤和绝缘子腐蚀,基于YOLOV5算法的PWR-YOLOV5网络开发了一种腐蚀构件检测方法,并使用Pr软件从无人机拍摄的视频中提取、过滤大量相似图片和背景图片,提高了目标特别是小目标的检测性能。针对无人机图像检测方法精度低、计算慢和样本少等问题,叶翔等^[16]将改进优化后的YOLOV3模型用于输电线路绝缘子缺陷检测,通过引入Focalloss函数解决样本不平衡问题,通过Mish激活函数提高了模型的精度。架空输电设备检测为高空作业,而无人机拍摄角度通常会受到局限,存在图像偏差较大的情况。针对上述情况,张家盛等^[17]采用图像预处理算法拓充数据集,采用轻量化的MobileNet模型替换YOLO的主干特征来提升算法精度。该深度模型可以标注设备的锈蚀缺陷,提高数据处理效率。

图  3  无人机检测架空输电线路

Figure  3.  UAV detection of overhead transmission lines

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3.   架空输电线路的防腐蚀技术

3.1   超疏水涂层/结构

由于架空输电线路在自然环境中工作,腐蚀、结冰、污染和电晕问题无法避免,其中输电线路积冰一直是寒冷地区电力系统面临的重要问题。目前主流的解决积冰问题的方法是通过在架空输电线上涂覆超疏水涂层。该涂层主要是通过表面化学成分以及低表面能来实现防覆冰目标^[18]。

YANG等^[19]制备了ZnO/聚二甲基硅氧烷(ZnO/PDMS)涂层,该涂层的水接触角度高达159.5°、滑动角度为8.3°,涂层表面具有优异的防结冰性能。LIAO等^[20]采用连续化学蚀刻法成功在铝表面制备了水接触角为(161.9±0.5)°的超疏水涂层,这种涂层的微纳米表面结构减少了液固接触面积,减缓了从水滴到表面的热传递,水滴可以聚集在一起形成大水滴,从而起到防覆冰作用。ZUO等^[21]采用射频磁控溅射法制备了一种纳米结构的超疏水涂层,该涂层表面可以有效地排斥毫米级的冷却水滴,并降低微米级水滴的临界直径,从而降低冻结概率,减少积冰,在输电线路抗结冰方面具有良好的应用前景。

LIU等^[22]采用射频磁控溅射技术在铝合金表面制备了超疏水ZnO涂层。结果表明：当溅射时间为15 min时,表面密集聚集的纳米团簇结构使得涂层的水接触角达到了160°；在－10 ℃下,水滴冻结延迟约2 h,结霜延迟约5 h,这均说明该结构能有效地提高基体的防覆冰性能；同时,涂层表现出较低的冰附着强度,与裸输电线相比,冰附着强度降低了97.5%。

VAZIRINASAB等^[23]采用常压等离子体处理的方法,在高温硫化(HTV)硅橡胶表面直接构建了微纳米级超疏水结构。制备的超疏水HTV硅橡胶表面的静态水接触角大于160°,且具有自清洁特性。王宁等^[24]利用飞秒激光点阵列直写技术在聚二甲基硅氧烷表面制备了一种超疏水微纳米结构,微孔阵列加工采取逐点直冲加工的方法,点间距20 μm,单脉冲能量22.6 μJ,该表面结构实现了接触角154.5°和滚动角1.0°的优异超疏水性能。因此,通过对激光功率和阵列间距的调控,可以实现从亲水性向疏水性的转换。

3.2   防腐蚀涂层

防腐蚀涂层是架空输电线路常用的防腐蚀方式之一,具有经济性以及普适性。李明东等^[25]选择W61-3有机硅树脂、919-1改性树脂和HWS-2环氧树脂3类新型工业防腐蚀涂料对架空输电线路进行涂覆处理,并对其进行110 ℃耐热老化试验、乙酸盐雾和乙酸盐溶液浸泡试验。结果表明,W61-3有机硅涂料相较于其他两种涂料表现出更好的耐温性和耐腐蚀作用。刘栓等^[26]通过高速搅拌将预分散后的石墨烯分散到树脂基体中制备了石墨烯复合环氧涂层,研究了这种涂层对输电铁塔的防腐蚀作用,结果表明该涂层具有优异的物理阻隔性能。贺玉平等^[27]以桐油酸酐酯多元醇改性聚氨酯乳液作为成膜物质,并加入其他防锈助剂和固化剂等,设计了一种防腐蚀性能优异的水性聚氨酯防腐蚀涂层,经过试验得出其耐腐蚀性能、疏水性和力学性能均优于未改性的聚氨酯涂层。冯振强等^[28]在改性环氧树脂中加入固化剂,制备了一种高固体分环氧树脂涂层,并对其进行了综合防腐蚀性能测试。结果发现,该涂层具有较好的耐腐蚀性能,可用于输电线的防腐蚀。

3.3   绝缘子的防腐蚀技术

陈艺等^[29]研究发现绝缘子钢脚腐蚀的主要形式为电化学腐蚀,在大雾多发的地区腐蚀尤为严重。LUO等^[30]认为铁帽绝缘子腐蚀是由电解腐蚀和电偶腐蚀引起的,其中电解腐蚀起主导作用。他们还设计了一种U形锌环,该U形锌环通过有效增加锌环外侧和引脚侧的局部电场强度,从而抑制铁帽绝缘子的电解腐蚀。DE SANTOS等^[31]对室温硫化(RTV)硅胶涂层玻璃绝缘子和无涂层玻璃绝缘子进行了性能比较,通过检查和分析泄漏电流发现有RTV硅胶涂层的绝缘子的绝缘性远大于无涂层的绝缘子,RTV硅胶涂层具有良好的防腐蚀性能和耐用性。ZHUANG等^[32]在陶瓷绝缘子上喷涂一定量的TiO₂溶胶并煅烧制备了TiO₂涂层。结果显示,与无涂层绝缘子相比,涂覆TiO₂涂层的绝缘子在重污染环境中表现出更强的自清洁能力,其自清洁原理如图4所示。SANYAL等^[33]通过将分散剂、石蜡油、甲苯和L-EPDM等高速混合制备了一种CeO₂-EPDM防腐蚀涂层。该涂层接触角和滚动角分别可达160°和4°；电化学阻抗谱分析发现涂层的腐蚀电流密度和腐蚀速率为4.61×10^－7 A/cm²和5.41×10^－3 mm/a,远小于无涂层试件的腐蚀电流密度和腐蚀速率,因此该涂层具有一定超疏水性和耐腐蚀性能。

图  4  TiO₂涂层的自清洁原理

Figure  4.  Self-cleaning principle of TiO₂ coating

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4.   结束语

综述了架空输电线路的腐蚀现状、腐蚀检测技术和防腐蚀技术的发展。架空输电线路的防腐蚀监测技术主要有在线监测技术和无人机监测技术,为输电线路防腐蚀工作提供了高效和精准的信息化作业。架空输电线路防腐蚀技术的研究主要着眼于功能性防腐蚀涂层,超疏水防覆冰表面结构和涂层。防腐蚀涂层的耐腐蚀性能可以提供更加直接有效的防护。但在实际工程运用中往往需要考虑多种腐蚀工况,因此设计兼具防腐蚀、超疏水防覆冰和自清洁性能的多功能涂层是未来架空输电线设备防腐蚀技术的重要发展方向。