石墨覆銅柔性接地材料及其接地特性

前 言

變配電所接地網故障會造成電網和供電區(qū)域的嚴重事故，危及周圍人身安全。接地材料的腐蝕是造成接地網故障的主要原因。傳統(tǒng)的接地材料主要有碳鋼、鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼等，它們作為接地極埋在土壤中易被土壤中的鹽腐蝕。土壤中的一些微生物如硫細菌、鐵細菌、硫酸鹽還原菌等的活動也會對鋼接地極造成一定的腐蝕。在國外、特別是發(fā)達國家，為了減少材料腐蝕造成的損失經常用銅代替鋼接地。我國部分地區(qū)采用銅接地有效延長了接地材料的使用壽命。然而中國的銅產量低、價格高，銅接地的使用大大增加了接地成本，在我國全面實施銅接地仍存在一些困難。

近年非金屬導電材料的研究和應用越來越多，石墨以其良好的導電性、穩(wěn)定性、長期的使用性能和易得的原材料，成為非金屬導電材料的研究熱點。它廣泛應用于電極、導電涂層、導電填料和納米材料等領域。目前國內外對石墨接地材料的研究較多，我國一些地區(qū)在實際的防雷接地工程中石墨材料已被用作接地材料，其具有良好的導電性和耐腐蝕性。石墨接地材料良好的耐腐蝕性能大大降低了接地工程的維修成本，有效地提高其在接地工程中的經濟效益。沈杰等人在臺州臨縣線進行了接地試驗，比較了鍍鋅扁鋼、圓鋼、銅包鋼和石墨接地體的成本，結果表明石墨接地體總投資是近30年來最低的，其中鍍鋅鋼和圓鋼占35～50%，銅包鋼僅占20～30%。石墨銅柔性接地材料的進一步研究將在接地材料的腐蝕與防護領域取得突破性進展。

1 石墨覆銅柔性接地材料概述

石墨銅復合柔性接地材料是以石墨為導電材料，與金屬、混凝土等材料復合，提高材料綜合性能的一種非金屬接地材料，目前主要包括石墨金屬復合材料、柔性石墨復合材料、石墨導電混凝土和石墨接地模塊。劉伯偉等研究了鍍銅對非金屬顆粒和燒結摩擦材料強度的影響，結果表明Cu-Fe 基摩擦材料的彎曲強度由95mpa 提高到114mpa，壓縮強度為165mpa，他們認為這是由于金屬與非金屬接觸狀態(tài)的改善和強度的提高。摩擦材料的母材在燒結過程中仍處于固態(tài)，未鍍銅的非金屬顆粒表面通常很粗糙，金屬不易進入非金屬顆粒表面的凹面部分，也不易與非金屬顆粒表面緊密連接，不僅留下孔洞，而且由于沒有相互作用、結合強度低。在鍍銅過程中銅沉積在顆粒的整個表面，使顆粒的非金屬表面光滑，在燒結過程中母材能很好地覆蓋非金屬材料，通過與銅的相互擴散作用，使聚集金屬與非金屬顆粒釘在一起并相互嚙合，從而大大提高了粘結強度。

1.1 石墨-金屬復合材料

金屬-石墨復合材料具有許多特殊的性能和應用，不僅具有良好的金屬導電性和導熱性，而且具有優(yōu)異的石墨潤滑性能。制備金屬-石墨復合材料有兩種方法：一種是傳統(tǒng)的金屬粉末和石墨粉末機械混合制備復合材料的方法。這種方法沒有充分結合金屬和石墨的優(yōu)點，限制了金屬-石墨復合材料的性能；另一種是通過特殊工藝將各種金屬涂覆在石墨表面，然后與金屬復合形成金屬-石墨復合材料，這是目前研究較多的課題。如與銅粉和石墨粉相比，石墨粉鍍銅后的材料具有良好的導電性、導熱性、潤滑性和耐磨性，然而在這些研究中報告的鍍銅工藝需要限制不同粒徑的石墨顆粒。

本研究采用無電鍍的方法，在適當的活化劑作用下在石墨表面沉積銅鍍層，對石墨的粒徑沒有嚴格的限制。如對粒徑小于45um的石墨，通過本實驗的鍍銅工藝可在石墨表面鍍銅不同粒徑的石墨。與傳統(tǒng)機械產品相比，粉末產品具有導電性好、機械強度高、耐磨性好等優(yōu)點。它克服了石墨的脆性，提高了材料的強度。根據地理環(huán)境的不同，金屬裝甲可以由不同的材料制成?？蓪崿F石墨與石墨的直接連接，避免縫隙腐蝕實用性強。

1.2 柔性石墨復合材料

柔性石墨復合材料的研究始于20世紀60年代，廣泛應用于冶金、機械、化工、石油、熱電等工業(yè)部門，不僅保留了天然石墨的優(yōu)良性能，如導電、耐腐蝕、耐輻射、自動潤滑等，而且還具有彈性和非天然石墨的抗?jié)B性。近年來，石墨材料在接地工程中逐漸得到應用，柔性石墨復合材料受到人們的關注，如高純鱗片石墨、氧化插層石墨、高溫膨脹石墨絲與無機或合成纖維及水乳膠粘接而成的新型柔性石墨銅包覆柔性接地材料，以及熱塑性軋制、電纜成型工藝制備的新型柔性石墨銅包覆柔性接地材料等。高波研究表明，柔性石墨銅包覆的柔性接地材料具有良好的電磁特性，其導體利用率高于金屬接地材料。柔性石墨復合接地體由絕緣材料和石墨絲組成，與傳統(tǒng)的金屬接地體相比具有良好的耐腐蝕性。石墨具有較強的化學穩(wěn)定性，不易被環(huán)境侵蝕，具有長期穩(wěn)定性，提高了電網的使用壽命，降低了維護成本，具有良好的經濟性。

2 石墨覆銅柔性接地材料的性能

接地材料的性能是保證接地系統(tǒng)安全的關鍵。評價接地材料質量的性能參數主要有材料電阻率、大電流沖擊電阻、機械性能、高低溫電阻，大量研究表明，在滿足上述性能要求的條件下，涂有石墨銅的柔性接地材料具有良好的減阻和耐腐蝕性能。

接地性能。石墨具有典型的層狀結構，全石墨具有重疊的芳環(huán)平面方向，通過共軛π-電子交替連接顯示出高的導電性。石墨與其它材料的復合能有效地改善石墨的力學性能，使其綜合性能滿足接地要求。吳迅宗等利用60kV/10kA 脈沖電流發(fā)生器和工頻電源，在特高壓交流試驗基地接地實驗室的幫助下對不同型號、規(guī)格的柔性石墨接地材料進行了沖擊和工頻耐壓試驗。結果表明，材料的截面尺寸對材料的承載力有著顯著的影響。并聯試驗表明，柔性石墨接地材料的穩(wěn)定性優(yōu)于圓鋼和實心石墨接地材料。通過模擬試驗發(fā)現柔性石墨鍍銅接地電阻材料的高頻雷擊電流面積小于圓鋼接地體，蒙皮接地材料的沖擊遠小于傳統(tǒng)接地體，使遠程接地體的電流耗散效率。

降阻性能。石墨銅柔性接地材料具有良好的吸濕保濕能力，與土壤接觸效率高，從而降低了接地電阻，在土壤電阻率高的地區(qū)也能實現較低的接地電阻。石墨本身的導電性很好，電阻率可達8～13×10-6Ω。在室溫下復合石墨導電纖維將進一步降低其電阻率。在柔性石墨包銅柔性接地材料中，以石墨線為基本導電單元，芯部填充特定的抗拉強度，絕緣材料和石墨線外部分進行包裝以增大接地體的直徑，從而擴大接地體直徑與大地的有效接觸面積，降低接地電阻。

防腐性能。石墨具有高度的化學穩(wěn)定性，除強氧化性酸堿外，在大多數化學介質中石墨表現出高度的耐腐蝕性，腐蝕速度比金屬慢得多。研究表明，鋼接地極在有焦粉層土壤中的腐蝕速率為無焦粉層土壤的1/10，原因是焦屑含碳量高、結構疏松，電極上的氧氣容易逸出，降低了電極的放電容量，延長了電極壽命。陳凱等研究人員發(fā)現，東部沿海地區(qū)金屬主要受氯堿和氯離子的腐蝕，接地極的腐蝕更為嚴重。沿線接地極平均每5～6年更換一次。使用石墨復合接地極時，由于石墨是惰性氣體不需要鈍化防腐技術，接地極的使用壽命可達30年，與傳統(tǒng)的金屬接地極相比柔性石墨銅復合接地材料的防腐效果顯著。

3 鍍銅石墨粉的表面穩(wěn)定化處理

鍍銅石墨粉表面積大、活性高，易被吸濕氧化，粉末越細氧化傾向越嚴重。如何解決儲存和使用過程中的氧化問題一直是一個值得關注的問題。鈍化劑已成功地應用于金屬或合金材料，鍍銅石墨粉的表面穩(wěn)定性也取決于鈍化劑的使用。一般來說，每種鈍化劑的作用機理是不同的。根據研究其機理如下：

該鈍化劑是一種表面活性劑，其分子由兩部分組成：一部分是親水極性基團，易被金屬吸附；另一部分是疏水性有機官能團。親水基團吸附在金屬表面，疏水基團指向外部。這種連續(xù)的表面吸附層可以隔離金屬和環(huán)境介質，起到抗腐蝕的作用。

鈍化劑由Cu2+在銅粉表面形成。該膜是一種致密、耐腐蝕的復合膜。一般來說，有機鈍化劑的成膜保護大多是復雜的，例如，抑制劑氨基醇在鹽酸和鐵中的作用是在鐵表面形成[HORNH3][FeCl3]或[HORNH3][FeCl]不溶性復合膜，形成保護膜。另外，8-羥基喹啉在堿性介質中對鋁的保護作用也是由于金屬基體表面形成不溶性絡合物所致。

有些鈍化劑不形成絡合物而是直接吸附在銅表面。由于其吸附速度快，能快速建立平衡，對金屬粉末具有良好的鈍化效果。它能與銅和銅形成穩(wěn)定的配位鍵（軟酸）。表面和吸附速度快，易于建立平衡。因此，即使?jié)舛群艿鸵埠茈y形成完整的緊密分子陣列。但由于分子被吸附在以最大自由力場吸引它們的點上，這些點通常只是容易腐蝕的點。因此，即使在很低的濃度下也有很好的防腐效果。

4 石墨覆銅柔性接地材料桿塔接地應用實例

110kV擴建線路需增設直塔擴建。該區(qū)地下河水位較淺，距地面-3m 處有滲漏。該地區(qū)地質條件較差，是典型的酸性土壤。原線路鐵塔采用鍍鋅鋼接地材料，發(fā)現鍍鋅鉛地下部分已嚴重腐蝕。為了提高塔式接地裝置的耐腐蝕性能采用石墨銅復合柔性接地材料。新輸電線路的塔型為1D5sdj15，根據土壤電阻率測量結果進行了土壤分層反演計算。土壤分層為：上層土壤電阻率為136Ωm，土層厚度約為0.3m，下層土壤由于含水量高，電阻率約為102Ωm。

在施工過程中，應將石墨復合接地體埋設在塔基礎周圍。根據塔基的地形特征，采用四個中等長度的28mm 實心石墨復合接地體，其長度為10m。各接地體的水平部分相互連接，接地網的平均埋深約為2m，塔基礎回填后，分別測量接地電阻的四個導體，工頻接地電阻值應穩(wěn)定在5.13Ω，符合相關標準要求。工頻接地電阻塔下接地網的土壤電阻率應小于10Ω。

以上工程應用表明，覆石墨銅柔性接地材料能有效地防止極端土壤條件下接地體的腐蝕，使輸電線路桿塔接地裝置能滿足安全、可靠、穩(wěn)定和長期使用的要求。