柔性石墨復(fù)合接地裝置引下線優(yōu)化設(shè)計方案研究

黃金龍

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國民用電需求日益增長，各電壓等級輸電線路進(jìn)入了建設(shè)高峰期，傳統(tǒng)的圓鋼接地裝置已不能滿足全壽命周期的應(yīng)用需求。近年來伴生了以柔性石墨復(fù)合接地裝置為代表的新型接地裝置，通過工程應(yīng)用實(shí)踐表明，其接地裝置引下線設(shè)計方案亟待改進(jìn)，因此，研究柔性石墨復(fù)合接地裝置引下線優(yōu)化設(shè)計方案對于輸電線路設(shè)計及建成后運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。

1 柔性石墨復(fù)合接地裝置應(yīng)用背景

石墨柔性接地材料是一種利用膨化石墨做為基材復(fù)合其他材料而制成的新型接地材料。石墨復(fù)合接地體保證了較好的導(dǎo)電性，并且具有良好的耐腐蝕、抗拉、抗扭和抗彎等性能。在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，相較于常規(guī)金屬接地材料，具有顯著的防腐特性。由于石墨接地體是柔性材質(zhì)，保證與土壤膠體在外力作用下有效粘合，減小接地體與土壤間空氣間隙對接地電阻的影響，且石墨柔性接地材料的有效散流面積大于鋼材類接地材料，可顯著降低沖擊接地電阻；另外，方便運(yùn)輸與施工，可有效地預(yù)防接地體被偷盜及人為破壞，生產(chǎn)成本可控。其腐蝕性能能夠達(dá)到長期免維護(hù)效果，大幅節(jié)約了金屬材料的浪費(fèi)和維護(hù)消耗的人力以及資源成本；同時，也減少了金屬材料生產(chǎn)中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，從而帶來巨大的社會和環(huán)境效益。

基于以上分析，柔性石墨復(fù)合接地在土壤腐蝕地區(qū)和要求較高的環(huán)境脆弱區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

2 柔性石墨復(fù)合接地裝置引下線應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)目前較為常用的柔性石墨復(fù)合接地裝置引下線主要有鎧裝石墨引下線和φ12 mm鍍鋅圓鋼引下線兩種型式。

2.1 鎧裝石墨引下線

已建特高壓直流線路工程柔性石墨接地裝置的接地引下線和水平埋地接地體均采用鎧裝的柔性石墨[1]，并通過定制的套盒狀連接件進(jìn)行連接，鎧裝石墨引下線與水平石墨接地體連接示意圖見圖1(a)，鎧裝石墨引下線與塔腳連接端子示意圖見圖1(b)，其中長度單位為mm，以下圖2至圖6長度單位相同。

圖1 鎧裝石墨引下線連接示意圖

通過施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎧裝石墨引下線存在以下問題。

b.鎧裝石墨引下線抗外力破壞較差，易被人力、牲畜拖拽等從與塔腳的連接端子中松脫而失去接地效果。

c.外露的鎧裝石墨引下線由于鎧裝質(zhì)量不過關(guān)，密封性不好，在雨水沖刷下使鎧裝內(nèi)的石墨流失而使接地效果大打折扣。

2.2 鍍鋅圓鋼引下線

鍍鋅圓鋼引下線連接方式見圖2。由φ12 mm鍍鋅圓鋼引下，鍍鋅連接板與φ28 mm石墨基柔性接地體連接。φ28 mm石墨基柔性接地體與配套的鍍鋅連接板一端采用鍍鋅螺栓緊固的壓接方式連接；φ12 mm鍍鋅圓鋼引下線與配套的鍍鋅連接板另一端采用焊接方式連接。

圖2 鍍鋅圓鋼引下線連接示意圖

此種連接方式雖然解決了鎧裝石墨引下線引起的缺點(diǎn)和不足，但是，不同材質(zhì)的異種金屬或金屬與導(dǎo)電非金屬在同一種介質(zhì)中接觸，由于腐蝕電位的不同，產(chǎn)生偶動電流流動，使電位較低(活潑)的金屬被氧化造成接觸點(diǎn)的局部腐蝕，導(dǎo)致引下線、連接板腐蝕嚴(yán)重，鍍鋅層脫落。

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3 柔性石墨復(fù)合接地裝置引下線優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)以上分析，采用柔性石墨復(fù)合接地裝置，其引下線主要有金屬引下線和石墨引下線兩種方式。金屬引下線需解決好金屬材料與石墨連接時的電化學(xué)腐蝕問題；石墨引下線方式需解決好石墨流失和抗外力破壞的問題。針對上述兩種引下線方式，提出采用金屬引下線和采用石墨引下線與石墨水平接地體連接兩種改進(jìn)方案。前者又可分為螺栓壓接和楔形壓接兩種壓接方式，后者根據(jù)形狀不同，又可分為圓形石墨繩和方形石墨帶兩種方式。

3.1 金屬引下線楔形壓接

柔性石墨復(fù)合接地裝置金屬引下線楔形壓接方案見圖3。該方案引下線部分由扁鋼、φ12 mm鍍鋅圓鋼、楔形套管與φ28 mm柔性石墨組成。扁鋼與φ12 mm鍍鋅圓鋼、φ12 mm圓鋼與楔形套管采用焊接方式連接，焊接、除渣、酸洗后再熱鍍鋅。每根引下線附帶1 m石墨接地體，引下線與鐵塔連接的螺栓采用熱鍍鋅件。其技術(shù)要求如下。

圖3 金屬接地引下線楔形壓接

a.鍍鋅扁鋼接地端子。鍍鋅扁鋼作為引下線裝置和桿塔的連接部位，采用5 mm×40 mm×210 mm或者5 mm×85 mm×110 mm的規(guī)格，為滿足防腐要求，鍍鋅層厚度不應(yīng)小于0.12 mm。

b.鍍鋅圓鋼。該部分作為引下環(huán)節(jié)，由于存在于土壤的交疊部分，宜采用防腐蝕性較強(qiáng)的措施，鋅層厚度不小于0.15 mm。

c.熱鍍鋅楔形套管。該部分作為金屬引下與石墨基柔性接地材料的過渡部分，其鍍鋅層厚度不小于0.15 mm。楔形鍍鋅套管以及與其連接的φ12 mm鍍鋅圓鋼(埋地部分)外側(cè)應(yīng)涂覆有機(jī)防腐涂層，進(jìn)行二次防腐。為防止涂層的劃傷，外部增加熱縮管措施，并保證熱縮管包裹長度可延伸到地面以上，鍥型套管增加熱縮管前纏繞一層0.1 mm鋅皮。

d.非金屬插頭。該部分是實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅楔形套管和石墨基柔性接地材料的有效壓接，采用PA尼龍材料(電木)。

e.引下線。一般長度為4 m，對于部分基礎(chǔ)露高較大的基礎(chǔ)，廠家應(yīng)根據(jù)施工單位提供的數(shù)據(jù)提供特定長度的引下線。

f.壓接時，柔性石墨不應(yīng)露出楔形套管上端，避免石墨散股，影響防腐措施。

3.2 金屬引下線螺栓壓接

柔性石墨復(fù)合接地裝置金屬引下線螺栓壓接方案見圖4。φ28 mm柔性石墨與φ12 mm圓鋼引下線之間采用扁鋼連接板進(jìn)行過渡連接，扁鋼連接板的一端與φ12 mm圓鋼引下線采取焊接的連接方式，另一端與φ28 mm柔性石墨采用壓接的連接方式。焊接后，扁鋼連接板與φ12 mm圓鋼引下線應(yīng)首先除渣，然后進(jìn)行熱鍍鋅。供貨時鍍鋅扁鋼連接板與φ28 mm柔性石墨應(yīng)已壓接完成，壓接時石墨應(yīng)纏繞不少于2層的0.1 mm鋅皮。該組合接地引下線鍍鋅扁鋼連接板(包含螺栓、焊接點(diǎn)部位)以及與其連接的φ12 mm鍍鋅圓鋼(埋地部分)外側(cè)均應(yīng)涂瀝青進(jìn)行防腐，由石墨接地裝置廠家整套提供。其技術(shù)要求如下。

圖4 金屬引下線螺栓壓接

a.柔性石墨與鍍鋅扁鋼連接板壓接時，應(yīng)纏繞至少2層的0.1 mm鋅皮，起到陰極保護(hù)的作用。

b.連接板配套螺栓采用304不銹鋼材質(zhì)。

c.引下線一般長度為4 m，對于部分基礎(chǔ)露高較大的基礎(chǔ)，廠家應(yīng)根據(jù)施工單位提供的數(shù)據(jù)提供特定長度的引下線。

d.焊接后，扁鋼連接板與φ12 mm圓鋼引下線應(yīng)首先除渣、酸洗等，然后進(jìn)行熱鍍鋅，鍍鋅層厚度及工藝均應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

e.鍍鋅扁鋼連接板(包含螺栓、焊接點(diǎn)部位)以及與其連接的φ12 mm鍍鋅圓鋼(埋地部分)外側(cè)均應(yīng)涂覆有機(jī)防腐涂層，進(jìn)行二次防腐。

f.熱鍍鋅連接板上下兩個板均采用弧形槽結(jié)構(gòu)，弧形槽尺寸應(yīng)與柔性石墨匹配，并且盡量減少上下兩個板間間隙。

3.3 圓形石墨繩鎧裝

φ28 mm圓型鎧裝式石墨基柔性接地引下線主體分為3部分。

a.里層為304不銹圓鋼，直徑為6 mm，主要起定型和增加引下線強(qiáng)度的作用。

b.最外層為304不銹鋼絲編織的致密保護(hù)層，厚度不小于1.3 mm，對柔性石墨結(jié)構(gòu)起到防外破的作用。

c.中間層為引下線的主要泄流部分——石墨基柔性接地材料，該部分為非磁性材料，高頻阻抗低，且為低集膚效應(yīng)結(jié)構(gòu)。

其連接形式見圖5。

圖5 圓形石墨鎧裝連接示意圖

3.4 方形石墨帶鎧裝

鎧裝式石墨柔性接地引下線主體分為4層，從內(nèi)到外依次如下。

a.304不銹鋼增強(qiáng)層，由厚度為1.3 mm的304不銹鋼板制成，304不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性；沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，使用溫度-196 ℃～800 ℃。增加引下線的整體機(jī)械性能。

b.柔性石墨編織層，厚度不小于8 mm，超強(qiáng)耐腐蝕性能，柔軟輕便。

c.304不銹鋼編織鎧裝層，厚度不小于1.3 mm，提高材料的表面的機(jī)械強(qiáng)度，抗外力破壞，防野生動物撕咬。

d.硅橡膠防護(hù)層，結(jié)構(gòu)致密，抗紫外線能力強(qiáng)。能夠耐受雨水的長期沖刷作用，該種材料廣泛應(yīng)用于電纜接頭絕緣防護(hù)并能耐受紫外線的長期作用。

其結(jié)構(gòu)和連接見圖6。不銹鋼連接頭采用鎖緊工藝，不銹鋼絲可以嵌入整個壓接區(qū)，確保引下線連接頭具有較強(qiáng)的抗拉性能。

圖6 結(jié)構(gòu)和連接示意圖

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 防腐性能比較

a.熱鍍鋅楔形套管結(jié)構(gòu)金屬引下線整體性強(qiáng)，且與石墨過渡部分采用鋅皮進(jìn)行陰極保護(hù)措施，外側(cè)易于進(jìn)行防腐處理，防腐性能好。

b.連接板結(jié)構(gòu)金屬引下線鋅皮陰極保護(hù)，防腐性能較好。

c.圓形石墨繩鎧裝引下線和方形石墨帶鎧裝引下線避免了不同材料之間的電化學(xué)腐蝕，具有很好的防腐性能。

4.2 現(xiàn)場安裝比較

a.熱鍍鋅楔形套管結(jié)構(gòu)金屬引下線和連接板結(jié)構(gòu)金屬引下線廠家成套提供，安裝便利。

b.圓形石墨繩鎧裝引下線和方形石墨帶鎧裝引下線同樣由廠家成套提供，杜絕了使用預(yù)埋件進(jìn)行引下線固定的繁瑣工序。

4.3 后期維護(hù)比較

a.熱鍍鋅楔形套管結(jié)構(gòu)金屬引下線由于該結(jié)構(gòu)鍍鋅鋼可完全與土壤進(jìn)行隔離，如無外力破壞，腐蝕周期可達(dá)30年以上，如需更換，僅更換引下線即可，無需大規(guī)模挖掘。

b.連接板結(jié)構(gòu)金屬引下線因連接板需螺栓緊固，且上下連接板之間有間隙，涂瀝青防腐效果一般，腐蝕周期大約為15年，如需更換，僅更換引下線即可，無需大規(guī)模挖掘。

c.圓形石墨繩鎧裝引下線和方形石墨帶鎧裝引下線如無外力破壞，可免維護(hù)，使用壽命30年以上，但不銹鋼接地電阻大，降阻效果差。

4.4 造價比較

熱鍍鋅楔形套管結(jié)構(gòu)金屬引下線預(yù)估造價為800～1 000元/基；連接板結(jié)構(gòu)金屬引下線預(yù)估造價為700～800元/基；圓形石墨繩鎧裝引下線預(yù)估造價為1 400～1 600元/基；方形石墨帶鎧裝引下線預(yù)估造價為1 200～1 300元/基。

5 結(jié)論及建議

金屬引下線中的楔形壓接方案，無需螺栓緊固，整體表面較平滑，涂瀝青防腐效果較好，同時外側(cè)加裝熱縮管進(jìn)行再次隔離，可有效解決電化學(xué)腐蝕問題，防腐周期可達(dá)30年以上，具有全壽命周期價格低、整體性好、安裝方便、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。

金屬引下線中的螺栓壓接方案連接板因采用螺栓緊固，緊固時容易造成鍍鋅層受損，同時其表面不夠平滑，涂瀝青防腐效果一般，防腐周期約15年。

石墨引下線中的圓形石墨繩結(jié)構(gòu)，避免了不同材料之間的電化學(xué)腐蝕，具有較好的防腐性能；但防外力破壞能力一般，采用不銹鋼增強(qiáng)機(jī)械性能，其接地電阻增大，影響降阻效果，且該方案費(fèi)用最高。

石墨引下線中的方形石墨帶結(jié)構(gòu)，避免了不同材料之間的電化學(xué)腐蝕，具有較好的防腐性能；但采用不銹鋼增強(qiáng)機(jī)械性能，其接地電阻增大，影響降阻效果，且該方案費(fèi)用較高。

綜合考慮降阻效果、防腐性能及經(jīng)濟(jì)性，柔性石墨復(fù)合接地裝置建議采用熱鍍鋅圓鋼引下線與圓形柔性石墨繩楔形壓接方案，并涂瀝青和加熱縮管進(jìn)行二次防腐。該種連接方式已在張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程和青海-河南±800 kV特高壓直流線路工程中得到應(yīng)用，效果良好。