高壓輸電設備表面覆冰機理的計算化學研究

《高壓輸電設備表面覆冰機理的計算化學研究》是依託武漢大學，由王寶山擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高壓輸電設備表面覆冰機理的計算化學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王寶山
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

高壓輸電設備（包括鋁導線、鐵架、絕緣子）表面覆冰是一種非常嚴重的自然災害，至今仍沒有有效的防覆冰與除冰技術，只能被動地降低部分災害影響。同時，覆冰相關的理論模型均是基於熱力學與流體力學的數學物理模型，無法從根本上解決覆冰問題。本項目提出高壓輸電設備表面覆冰應該從化學角度考慮，在原子分子層次上闡明導致表面覆凍的微觀機理，才能獲得覆冰現象的本質。因此，本項目擬採用全電子基組的密度泛函理論與分子動力學模擬方法，研究輸電設備表面的水化反應機理與電子結構以及多層吸附結構，繼而重點考察處於強電場中微納尺度的過冷水滴在水化多層吸附結構上的凝聚動力學行為，模擬表面覆冰過程的分子圖象，揭示高壓輸電設備表面覆凍的普遍規律與決定性影響因素，為進一步從分子設計的角度探索解決覆冰問題的新技術提供理論新思路。

結題摘要

高壓輸電設備（包括鋁導線與絕緣子）覆冰是一種嚴重的自然災害，至今仍缺少有效的防覆冰技術。另一方面，現有的覆冰理論均是基於熱力學與流體力學的數學物理模型，無法從根本上解決覆冰問題。本項目從化學角度與分子設計角度研究高壓輸電覆冰問題，目標在於利用量子化學計算與分子動力學模擬的結果，探索新型防覆冰方法，為解決高壓輸電設備覆冰工程問題提供新思路。本項目取得的重要成果包括以下六個方面： 一、鋁導線表面的氧化與吸附機理：在氧化鋁表面水分子吸附分解與結晶的研究基礎上，開展了羧酸分子的吸附分解機理研究。獲得了穩定吸附表面結構，揭示了催化脫氫與脫水反應的競爭機理，為設計鋁基超疏水表面奠定理論基礎。 二、鋁導線超疏水表面的覆冰模擬：根據分子設計提出了基於十二酸的超疏水鋁合金表面防覆冰方案。與普通鋁材料相比，超疏水鋁材料的覆冰溫度下降3倍，覆冰時間延遲2倍，冰晶附著力降低了6倍。與傳統的防覆冰塗料完全不同，十二酸修飾劑是對輸電導線表面的化學改造，而非簡單物理包裹，可望徹底解決導線覆冰問題。 三、絕緣子表面污穢模擬：採用高嶺土與含糖污穢模型，研究了污穢對高壓絕緣子表面污閃現象的影響規律。發現糖可以牢固地吸附在污穢上，而且在強電場中可以分解產生活潑自由基。糖通過競爭性吸附，將污穢中的水分子驅趕到表面，增強了污穢的導電性。同時，糖能夠改變無機鹽的遷移行為以及表面水層的電導率。該研究為設計絕緣子表面塗層的壽命及制訂維護方案提供了理論指導。 四、含氟分子的大氣氧化降解反應動力學模擬：CH3CFO+OH反應以氫抽提機理為主，反應速率常數呈負溫度效應；CF3I+O反應存在單三態勢能面交叉，主要產物為CF3+IO。理論計算不僅為已有實驗結果提供了理論解釋，而且澄清了實驗中的矛盾，也為設計新型含氟添加劑、提高塗層抗覆冰能力奠定了基礎。 五、共價有機框架晶體結構的設計與模擬：設計了一系列多孔二維或三維COF分子，建立了晶體結構參數解析與模擬方法，提出將COF用於疏水塗層的防覆冰新思路。 六、絕緣子放電機理模擬：採用量子化學方法研究了環氧樹脂絕緣子及矽橡膠塗層的放電機理，提出了以COS為特徵氣體的故障檢測方法。