高压输电设备表面覆冰机理的计算化学研究

Icing on the high-voltage conductors and power network causes many serious problems. Up to now no effective deicing or icing inhibitor techniques have been discovered yet in practice. Meanwhile, although there are many numerical models available, none of them is capable of guiding anti-icing methodology because of their limitation in the framework of thermodynamics and fluid dynamics. In this project, for the first time, we suggest that the chemistry of icing should be the key for icing or deicing mechanisms, which should be clarified in atomic and molecular scale. Periodic density functional theory together with the all-electron basis set slab model will be used in the calculations to simulate the supercooled water absorption on various surfaces including conductor, tower, and inductors. Chemical absorption and dissociation and the multilayer absorption is to be revealed. Subsequently, the icing mechanism of supercooled water on the absorbed surface will be simulated using large-scale molecular dynamics techniques. The work might provide new insight to the microscopic mechanism for the ice accretion on high-voltage power network and the development of novel deicing techniques.

高压输电设备（包括铝导线、铁架、绝缘子）表面覆冰是一种非常严重的自然灾害，至今仍没有有效的防覆冰与除冰技术，只能被动地降低部分灾害影响。同时，覆冰相关的理论模型均是基于热力学与流体力学的数学物理模型，无法从根本上解决覆冰问题。本项目提出高压输电设备表面覆冰应该从化学角度考虑，在原子分子层次上阐明导致表面覆冰的微观机理，才能获得覆冰现象的本质。因此，本项目拟采用全电子基组的密度泛函理论与分子动力学模拟方法，研究输电设备表面的水化反应机理与电子结构以及多层吸附结构，继而重点考察处于强电场中微纳尺度的过冷水滴在水化多层吸附结构上的凝聚动力学行为，模拟表面覆冰过程的分子图象，揭示高压输电设备表面覆冰的普遍规律与决定性影响因素，为进一步从分子设计的角度探索解决覆冰问题的新技术提供理论新思路。

高压输电设备（包括铝导线与绝缘子）覆冰是一种严重的自然灾害，至今仍缺少有效的防覆冰技术。另一方面，现有的覆冰理论均是基于热力学与流体力学的数学物理模型，无法从根本上解决覆冰问题。本项目从化学角度与分子设计角度研究高压输电覆冰问题，目标在于利用量子化学计算与分子动力学模拟的结果，探索新型防覆冰方法，为解决高压输电设备覆冰工程问题提供新思路。本项目取得的重要成果包括以下六个方面：.一、铝导线表面的氧化与吸附机理：在氧化铝表面水分子吸附分解与结晶的研究基础上，开展了羧酸分子的吸附分解机理研究。获得了稳定吸附表面结构，揭示了催化脱氢与脱水反应的竞争机理，为设计铝基超疏水表面奠定理论基础。.二、铝导线超疏水表面的覆冰模拟：根据分子设计提出了基于十二酸的超疏水铝合金表面防覆冰方案。与普通铝材料相比，超疏水铝材料的覆冰温度下降3倍，覆冰时间延迟2倍，冰晶附着力降低了6倍。与传统的防覆冰涂料完全不同，十二酸修饰剂是对输电导线表面的化学改造，而非简单物理包裹，可望彻底解决导线覆冰问题。.三、绝缘子表面污秽模拟：采用高岭土与含糖污秽模型，研究了污秽对高压绝缘子表面污闪现象的影响规律。发现糖可以牢固地吸附在污秽上，而且在强电场中可以分解产生活泼自由基。糖通过竞争性吸附，将污秽中的水分子驱赶到表面，增强了污秽的导电性。同时，糖能够改变无机盐的迁移行为以及表面水层的电导率。该研究为设计绝缘子表面涂层的寿命及制订维护方案提供了理论指导。.四、含氟分子的大气氧化降解反应动力学模拟：CH3CFO+OH反应以氢抽提机理为主，反应速率常数呈负温度效应；CF3I+O反应存在单三态势能面交叉，主要产物为CF3+IO。理论计算不仅为已有实验结果提供了理论解释，而且澄清了实验中的矛盾，也为设计新型含氟添加剂、提高涂层抗覆冰能力奠定了基础。.五、共价有机框架晶体结构的设计与模拟：设计了一系列多孔二维或三维COF分子，建立了晶体结构参数解析与模拟方法，提出将COF用于疏水涂层的防覆冰新思路。.六、绝缘子放电机理模拟：采用量子化学方法研究了环氧树脂绝缘子及硅橡胶涂层的放电机理，提出了以COS为特征气体的故障检测方法。