石墨基柔性接地材料在高盐碱性土壤环境的应用

石墨基柔性接地材料在高盐碱性土壤环境的应用

谢植权

广东电网有限责任公司揭阳惠来供电局 广东揭阳 522000

【摘要】镀锌碳钢是第一代接地材料，由于价格低廉，市场容易获取，在一般要求的接地工程中仍在应用。随着相关标准的完善，也对其有明确的规定，如： DL/T 5394-2007第7章中对钢质接地网防腐有明确的要求； 法国标准NF C17-102中4.6条甚至规定：热镀锌钢材由于其抗腐蚀性能差，只能作为临时性 或短期使用。现在我国大部分地区的接地装置仍然使用镀锌钢作为接地材料，镀锌钢具有工艺简单，价格低廉，导电性好等优点，碳钢表面的镀锌层能形成致密的氧化物薄膜，保护内层钢铁基体；当锌层与钢铁基体形成腐蚀电池时，由于锌的电极电位更负，作为腐蚀电池的阳极发生腐蚀溶解，钢铁作为阴极受到保护。在高盐碱性土壤环境中传统镀锌钢接地材料，由于高盐碱最容易让镀锌钢传统接地无论是接口或者接地线直接腐蚀，造成电网接地不达标情况出现，严重影响电网及人身安全。

近两年来，石墨基柔性接地带和石墨降阻布是国内电力系统和石油系统推出的新型接地材料，采用膨化石墨作为主材质，抗腐蚀性能良好，且具有良好的柔韧性，运输方便；施工过程中省去了原先采用金属材质作为接地材料时需要的焊接、切割等复杂程序，与土壤有良好的接触，降低了接地电阻，对环境不造成污染。石墨作为原材料，石墨自身的分子结构，稳定性能及高，完整能达到在高盐碱性土壤中其耐腐蚀性，使用寿命可达 40 年以上。对此，文章探讨了石墨基柔性接地材料，在保障电网的线路接地质量，并且提高线路可靠性。

【关键词】柔性石墨带；接地材料；

前言：随着社会的不断发展，对电网安全运行的要求越来越高，特殊地区输电线路常规接地装置更需要根据当地的实际土壤环境，对接地材料的运用进一步升级及替换，才能解决电网安全运行的接地不合格问题。石墨基柔性接地带和石墨降阻布解决了传统传统金属由于腐蚀，而断裂问题。

石墨作为接地材料的主材，石墨是一种天然的非金属导体材料，由于其结构特点，具有：

耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。鳞片石墨的导电性能更是优于其他结构石墨，导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

化学稳定性：石墨的化学性质很稳定，不溶于水、酸、碱和有机溶剂，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

近两年来，柔性石墨接地缆绳是用在国内电力系统的新型接地材料，其采用膨化石墨作为主材质，抗腐蚀性能良好，且具有良好的柔韧性，运输方便；施工过程中省去了原先采用金属材质作为接地材料时需要的焊接、切割等复杂程序，与土壤有良好的接触，降低了接地电阻；对环境不造成污染。

在国外，美国和其它欧洲国家台变接地主要采用铜材作为接地材料，并且被相关的国际标准(如IEEE和BS)推荐为主要的接地材料。应用于接地工程中的铜材主要有铜排、铜绞线、镀铜钢和镀铜钢绞线等为主的接地导体。铜接地材料的导电性能较钢接地材料好；接地材料截面相同时，铜材热稳定性较好；铜的表面会产生附着性极强的氧化物，能够对内部材料起到很好的保护作用，阻断腐蚀的进一步形成；铜接地材料不存在钢接地材料的点腐蚀情况，寿命较长。虽然铜包钢接地材料防腐性能较好，但一般在接地材料端部容易出现点腐蚀，当铜包钢接地材料因自然因素发生扭曲或弯折时，表面铜覆盖层易破裂进而加速内部钢材料的腐蚀速率，并且腐蚀试验表明，碱性土壤会加剧铜的腐蚀。前苏联曾采用不锈钢作为接地体，由于不锈钢中含有铬元素，使钢的电极电位由负变正，从而阻止了电化学腐蚀，其耐土壤腐蚀能力良好，但在透气性较差的土壤中，不锈钢表现出很高的点蚀敏感性；另外，土壤中离子含量的增加，也会促进不锈钢腐蚀速率的增大，由于不锈钢中的合金含量较高，其成本比碳钢要高倍；另外，由于合金的加入会导致不锈钢电阻率增加，为了保证理想的泄流效果必须加大接地体的截面积，也变相的提高了其制造及应用成本。

  经过不断论证，石墨基柔性接地材料具有以下优点：

石墨具有良好导电性，利用其做成的石墨基柔性接地体具有抗腐蚀、易施工、运输方便、环保等方面的特点。同时考虑到石墨原料在我国储量丰富，生产加工过程能耗低，产品无污染等特点，利用石墨做成的导电产品越来越多的开始在社会中应用。该接地材料具有如下特点：

1）抗腐蚀：石墨能耐受酸、碱、盐溶液、海水的长期侵蚀，可在-50℃～100℃环境中安全使用；石墨导电、强耐腐性能，具有较强的机械性能，耐酸碱和有机溶剂的侵蚀。杂散电流作用下不发生电解反应。

2）柔性：具有较好的抗拉、抗弯曲、抗扭转性能，表面粗糙构成细孔，和土壤浸润性强，随土壤一起蠕变，不产生空气间隙，扩大和土壤的接触面，降低与土壤的接触电阻；

3）较好热稳定性：电流分散，大截面降低电流密度；材料的比热容大，吸热能力强；土壤水分渗透进接地体，100度气化吸收大量热量；耐受振荡冲击：200kA，80s；耐受短路冲击：3kA，0.5s；

4）非磁性，减小电感；

5）提高冲击利用率：普通磁性材料集肤效应严重，材料利用率低；带状柔性石墨材料，非磁性缓解其高频集肤效应，加上特殊的工艺结构，材料的利用率为80%以上。

6）易施工：可盘绕，运输方便；开挖量少，可蛇形开挖避开岩石、树木等，回填简单，采用压接连接，无需焊接，无需电源焊机等现场要求。

7）抗高温性：膨胀石墨保留了石墨的全部特性，具有良好的抗高温性能，其熔点大约为3652℃，沸点大约为4827℃。石墨跟其他几种耐高温材料同时经过高温电弧灼烧，石墨的质量损失约为8‰，最耐高温的金属氧化物——氧化锆的质量损失约为129‰，高硅氧玻璃纤维增强塑料的质量损失为23‰，尼龙纤维增强酚醛塑料的质量损失为12‰，高铝刚玉损失82‰，由此可见石墨的质量损失最少。

8）高吸附性：膨胀石墨结构疏松多孔，有较大的比表面积，一般可达50~200m2/g，孔径基本以中、大孔为主，因此易于吸附非极性有机大分子物质，能吸附活性炭不能吸附的大分子，尤其是非极性的大分子。其内部结构具有较多的微观孔隙、较大的比表面积，孔径基本以中、大孔为主，从而具有极强的吸潮保湿作用，使即使在干旱季节，也能够保持自身及周围土壤的相对湿润，因而能达到良好的降阻效果。

9）高导热性：在固体中担负导热的主要是电子，晶格振动(声子)和光子。大多数非金属晶体主要以声子作载流子，晶体结构越规整其声子的散播越少，但随着温度的升高散播不断增加，热导降低，在高温时光子传热明显，其导热也可能增加。石墨片层上存在高活性的离域大π键，这种特殊的微观结构决定了其导热性能具有明显的各项异性，其导热的载流子既有声子又有电子，在沿着石墨片方向的热导率远大于垂直于片层方向的热导率，根据固体物理理论以及惠特曼-弗兰兹定理分析，柔性石墨的导热载体中晶格振动对柔性石墨热导率的贡献远大于自由电子的贡献。因此石墨基柔性接地材料具有极好的导热性，从而可迅速传递热量，使体系温度显著降低。

参考文献：

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