柔性缆状石墨接地极及接地技术研究

柔性缆状石墨接地极及接地技术研究

朱罡陇源杰杨永盛余斌

(云南省电力设计院云南昆明650000)

摘要：柔性缆状石墨接地极是输电线路接地装置的一种创新性接地材料。本文从产品的研制工艺方面进行阐述，重点论述了该产品在不同地质、地形条件下的使用方法和接地电阻，以及与其他金属接地极、降阻剂辅助圆钢接地极、降阻模块接地极接地形式的适用范围、优缺点及造价做对比分析。

关键词：输电线路；接地电阻；石墨接地极；长效绿色环保

引言

以石墨为原材料制作的新型石墨导电板材和电缆属于一种新型非金属导电材料体，该导电体呈惰性，化学稳定性优良，在常温条件下不受强酸、强碱和有机溶剂及电偶腐蚀，不生锈，电阻稳定，使用寿命长达30年，且免维护更新改造工程，易加工成型，产品无需钝化和防腐工艺，安全可靠，可广泛在酸性、碱性土壤和高电阻、低电阻土壤以及海滩、湿地、热带地区、寒冷地区使用，且不受环境气候条件的限制，节能、环保、节约土地、经费.

1柔性缆状石墨接地极制造工艺及创新点

1.1柔性缆状石墨接地极构成及结构特点

柔性缆状石墨接地极，主要由连接端头、接地极缆状主体、绝缘防护套构造而成。

图一：柔性缆状石墨接地极示意图

所需石墨原材料纯度在99%以上，通过酸化、膨胀，排列导电方向保证原材料的导通性。连接端头材质采用0Cr18Ni9不锈钢，具有很强的耐酸碱腐蚀和耐空气氧化腐蚀。绝缘护套采用丙纶内丹和天然橡胶外衬的形式制作，不但耐老化，且使用方便、灵活。

产品结合电缆和绳索的使用特性和加工方法，研制出的柔性缆状石墨接地极产品质量轻、密度小、长度按所需规格制作、无需电气焊接。柔性缆状石墨接地极适合酸碱性土壤、沼泽地、湿热地带、海边滩涂以及高山丘陵等施工困难，土壤电阻率较高的地区。

1.2导电石墨线的制备

1.2.1氧化石墨、膨胀石墨制备工艺

导电石墨线是柔性缆状石墨接地极的主要构成材料，氧化石墨、膨胀石墨的制备是导电石墨线制造工艺中最为关键的步骤。

本工艺选取固定碳含量99%的高碳石墨为原材料，用浓硫酸和浓硝酸的混合物（体积比4:1）浸泡高碳石墨，对其进行氧化处理，硫的氧化物作为插层剂进入石墨的片层中，形式石墨插层复合物，插层的过程是一个电子转移的过程。插层石墨在隔氧的条件下热处理，处理温度一般为800~1000℃，处理时间随处理温度的升高适当缩短，一般为15~30s。高温处理后，插层剂气化，使得石墨插层复合物在c轴方向上发生膨胀，形成多孔结构的膨胀石墨，膨胀使得石墨颗粒的碳原子层发生分离，分离的石墨颗粒厚度5~80nm，直径在几十µm，直径和厚度的比值达到300~500,这样的高比值表面结构极大的增强了石墨的导电能力。

1.2.2导电石墨线制作工艺

导电石墨线的制备是决定项目产品导电性的另一个关键步骤，我导电石墨线制作技术和设备均已申报发明专利。导电石墨线制作时把膨胀石墨，用专用生产设备逐层复合在无碱玻璃纤维和加强丝上。通过该步工序，保证了膨胀石墨排列一致，首尾相接。从而保证了石墨线的导电性。

1.3柔性缆状石墨接地极创新点

项目产品主要成分石墨，质量轻，耐腐蚀性好，导电性能优良，且无回收利用价值；

项目产品采用独特的缆状设计加工，柔性好，铺设方便，降低施工难度；

研制工艺独有，项目产品生产工艺和生产设备全部为独立研发生产，并获国家发明专利；

应用环境广，在普通耕种地区，海滩盐碱地，高海拔岩石地区，以及导电性离子较少的特殊土壤，都有很好的使用效果。

2柔性缆状石墨接地极在不同地质、地形条件的使用方法

总结各工程的勘察资料，土壤有地下水或有腐蚀的地区、弱腐蚀性地区、耕种地区土壤电阻率为0～500Ω·m，根据腐蚀性的不同土壤电阻率又分为0～100Ω·m和100～500Ω·m。黄土、沙土、含有石块的粘土土壤电阻率为500～1000Ω·m。北方风化石、山沙、草原，河床干沙土壤电阻率为1000～1500Ω·m。南方山区风化石、砂砾、红沙土1500～2000Ω·m。

山区岩石地区、山区风化石根据不同地质条件电阻率为2000～5000Ω·m。

根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）、《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》（GB17949.1-2000)和DLT621-1997规定，保证杆塔接地电阻在雷雨季节干燥时的工频接地电阻在合格范围内，柔性缆状石墨接地极设计用量如下图所示。

常规线路杆塔工频接地计算值

3柔性缆状石墨接地极与普通常规接地极对比分析

3.1降阻效果对比

根据《110kV～750kV架空线路设计规范》（GB50545-2010)和DLT/621-1997规定，土壤电阻率在1500～2000Ω·m范围时，工频接地电阻＜25Ω既满足要求。下面以云南电网公司220kV线路某基杆塔和浙江省电力公司110kV线路为例，对石墨接地极和降阻剂辅助圆钢接地极降阻效果比较试验。

由上表不难看出，在达到标准要求接地电阻时，石墨接地极所需原材料长度较降阻剂辅助圆钢接地极短。在使用周期内，碳钢接地极会随腐蚀程度的增加接地电阻逐渐升高，且降阻剂盐碱等成分会加剧碳钢的腐蚀。大量的试验表明，普通碳钢接地极在一般性土壤中使用年限为7~10年，在周围有降阻剂的环境下使用年限一般为5~6年。石墨接地极主要由石墨构成，属惰性电极，耐腐蚀状况优，表面呈网状结构，会使土壤与接地极更好的结合，接触电阻较圆钢更小。因此石墨防雷接地极相比较与常规接地极，在降阻效果和使用寿命上较为突出。

3.2接地材料耐腐蚀性对比

石墨中碳原子单层上由C-C共价键构成，层与层之间由范德华力结合，同一层每个碳原子与周围3个碳原子共用一个电子，使每个碳原子最外层只有7个电子，其中一个是没有共用的，在通电时，每个电子在同一个原子层上做定向运动，传导电荷，C-C键在整个原子层中呈一个无限大共轭体系，从而变得及其稳定，因此常规条件下不会被腐蚀。

钢铁在土壤中的腐蚀主要为电化学腐蚀。钢铁与周围的土壤溶液形成原电池，钢铁作为阳极会逐渐溶解腐蚀。在土壤呈酸性的条件下，铁会发生置换出氢气，发生析氢腐蚀。在周围土壤溶液呈碱性的条件下，铁会出现吸氧腐蚀。反应式如下

因此钢铁接地极的腐蚀部位在深埋土中与空气隔绝部分，铁锈则集中在表面。当土壤中由降阻剂时，Cl-、SO42-等离子成分含量高，原电池溶液浓度大，加快了电化学腐蚀速率，导致钢铁快速锈蚀掉。

3.3不同接地材料的经济效益比较

由上表可以看出，土壤电阻率1000～1500Ω·m由于使用降阻剂在材料费是大致相同基本在6000元左右，但施工费上降阻剂辅助圆钢接地极施工费为石墨接地极的三倍。在土壤电阻率1500～2000Ω·m的地区石墨接地极材料费为降阻剂辅助圆钢接地极的2倍，施工费为降阻剂辅助圆钢接地极的三分之一，总体一次性造价基本持平。30年改造费用上，石墨接地极因耐腐蚀性能优而无需改造，降阻剂辅助圆钢接地装置在30年内至少改造3次，投资将会大大增加，总体看来在全寿命周期内总投资石墨接地极为普通接地极的30%左右。

下表是根据以往设计及运维经验总结的各接地极使用寿限内，总投资比较。

经对比，使用石墨防雷接地极相比与其他常规接地极，在材料费、维护费、及使用年限上都有比较好的效果，使用该新型材料具有很好的经济效益。

3.4柔性缆状石墨接地极社会效益分析

通过调研及相关单位提供的依据表明，目前我国防雷接地体被广泛推广应用的是镀锌钢铁类制品，占市场的99.7%以上。镀铜、纯铜、合金、降阻模块和烧结碳棒制品，因污染环境严重、耗能高、浪费材料，社会上应用量较少，这些制品导电性能优良，但也都不同程度存在着问题，如：具有代表性的镀锌钢铁制品不耐腐蚀、易生锈、使接地电阻升高导致雷电事故，使用寿命短（5年左右），更新改造频繁，浪费材料、土地、经费严重，且生产过程还会排放有毒废液，污染环境，耗能高。碳棒产品制造工艺复杂、耗能高，污染环境严重，韧性差、脆性大、易折断，金属连接线易锈蚀损坏，安装连接困难。另外，目前我国在用钢铁防雷接地体约一亿基，每年因腐蚀、生锈导致失效报废的约4000万基，更新这些失效接地体需要费用600多亿元，征用土地18万亩，少产粮食1.08亿斤；消耗镀锌钢材75万吨，盐酸、硝酸类金属钝化液4.5万吨，液化气22.5万立方米，电37.5万度；排放有毒废液、废气3万吨。还每年造成全国雷电事故数万起，轻则停电、使用户停工停产，重则设备损坏、人员伤亡，直接和间接经济损失巨大，影响了国民经济建设和社会发展。

目前在我国凡是使用上述传统防雷接地体的单位，都不同程度的深受产品问题的困扰和危害，但该问题在我国至今无法解决。用户唯一办法是勤检查、勤更换，该法费用大、浪费材料、土地，这与我国节能、减排、环保、高产能的工业发展政策不相符，与我国人多地少、资源匮贬的国情和国民经济又快又好的建设发展战略相悖。

目前的研究表明，以石墨为原材料制作的新型石墨导电板材和电缆属于一种新型非金属导电材料体，该导电体呈惰性，化学稳定性优良，在常温条件下不受强酸、强碱和有机溶剂及电偶腐蚀，不生锈，电阻稳定，使用寿命长达30年，且免维护更新改造工程，易加工成型，产品无需钝化和防腐工艺，安全可靠，可广泛在酸性、碱性土壤和高候条件的限制。且节能、环保、节约材料、经费、土地。尤其适合在海滩、湿地、热带地区、寒冷地区使用，并不受环境气候条件限制，且该产品无回收利用价值，可有效解决目前我国金属防雷接地极体易被盗的问题，

（下转第466页）

该新型产品可以作为一种长效绿色经济型防雷接地电极使用。

4结论

石墨防雷接地极是一种降电阻效果优良，耐腐蚀性能强，使用便捷，节省费用，可替代常规接地极使用，具有良好的经济效益和社会效益。研究该新型产品作为防雷接地电极在电力系统的应用，符合我国节能、减排、环保、高产能的工业发展政策，与我国人多地少、资源匮贬的国情和建设节约型社会的发展战略相符合，具有广泛的经济效益和重要的实际应用价值。

参考文献：

[1]《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）.中国建筑出版社，2010

[2]《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》（GB17949.1-2000)，中国科学出版社

[3]GB50545-2010《110kV～750kV架空输电线路设计规范》，中国计划出版社

[4]DL/T621-1997《交流电气装置的接地》，中国电力出版社

作者简介：

朱罡，大学本科，高级工程师，云南省电力设计院，从事输电线路设计研究。

陇源杰、大学本科，工程师，云南电网公司建设分公司，从事输电线路设计研究。

杨永盛、大学本科，助理工程师，云南电网公司建设分公司，从事输电线路设计研究。

余斌、大学本科，助理工程师，云南省电力设计院，从事输电线路设计研究。