胡 琥，田昕，韓利紅，陳 彬，李顯秋，劉艷慧，李 靖

(1．云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201;

2．云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 節(jié)能減排檢測(cè)與研究工程中心，云南 昆明 650201)

在電力系統(tǒng)(如變電站、風(fēng)電場(chǎng)等)和特殊建筑物(如加油站等)接地施工過(guò)程中，由于對(duì)接地電阻要求高，為降低接地電阻各項(xiàng)工程中均大量采用降阻劑。無(wú)論是傳統(tǒng)的化學(xué)降阻劑和目前廣泛使用的物理降阻劑都存在自身無(wú)法凝固而流失的缺點(diǎn)，由此造成的環(huán)境危害巨大。在綠色和環(huán)保呼聲越來(lái)越高的今天，必須考慮接地工程對(duì)環(huán)境造成的污染，否則再高的性能也會(huì)被一票否決［1-2］。因此，研究開(kāi)發(fā)性能可靠、綠色環(huán)保的接地工程技術(shù)和材料就顯得尤為重要和急迫。本文，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土的研究，開(kāi)發(fā)出一種價(jià)格低廉、配制簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的導(dǎo)電混凝土材料，并通過(guò)接地工程對(duì)比性試驗(yàn)，性能優(yōu)越。

1 環(huán)保導(dǎo)電混凝土研制

導(dǎo)電性能的優(yōu)劣是導(dǎo)電混凝土的第一要素，反映混凝土導(dǎo)電性能的指標(biāo)就是材料的電阻率。為獲得盡可能低的電阻率本文先后嘗試使用了多種不同種類和規(guī)格的導(dǎo)電材料、不同的配制比例、不同的制造工藝，最終在平衡制造成本及配置工藝等各方面因素后找到了最優(yōu)化方案，方案特點(diǎn)簡(jiǎn)介如下:

(1)定制了一種新型納米技術(shù)碳纖維復(fù)合材料，這種材料本身較普通材料在抗粘結(jié)性方面有了很大的改善，而且又先將這種材料與超細(xì)鱗片石墨的物理混合，利用石墨的潤(rùn)滑性和擴(kuò)散性將纖維之間的粘結(jié)性降到最低。

(2)使用了與硅灰相似的石粉材料又一次起到了分散纖維的作用，而且此材料較硅灰成本低廉且來(lái)源廣泛。

(3)以物理分散方式取代了傳統(tǒng)的化學(xué)分散方式，較好地解決了纖維結(jié)團(tuán)不易分散均勻的問(wèn)題，為在工程中方便應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 是本文配制導(dǎo)電混凝土和普通石墨型導(dǎo)電混凝土電阻率的對(duì)比圖。

圖1 新型導(dǎo)電混凝土和普通石墨導(dǎo)電混凝土電阻率的對(duì)比圖

圖1 中對(duì)比用的是碳含量為95%的優(yōu)質(zhì)鱗片石墨，比例為15%;從材料和比例來(lái)看應(yīng)屬于很好的石墨型導(dǎo)電混凝土，但與采用復(fù)合材料的導(dǎo)電混凝土相比其導(dǎo)電性能明顯不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨型的電阻率還在逐步升高，而復(fù)合材料型的卻一直變化很小，導(dǎo)電性能非常穩(wěn)定，這也是一大優(yōu)勢(shì)，即在混凝土初凝階段就已具備良好和穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。在將導(dǎo)電混凝土作為降阻劑使用時(shí)，復(fù)合型導(dǎo)電混凝土在澆筑后很快就可進(jìn)行效果測(cè)試，其值與混凝土凝固后的數(shù)值基本一致，大大提高了工作效率，縮短了工作周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益［3-4］。

2 接地對(duì)比試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的工程實(shí)效，本文選取目前電力系統(tǒng)接地工程常用的幾種降阻技術(shù)方案，在選定的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行接地降阻工程對(duì)比性試驗(yàn)。

2．1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

選擇500 m2的空地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分為2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)為225 m2(圖2)。

試驗(yàn)區(qū)Ⅰ:225 m2(15 m ×15 m)，降阻劑、降阻水泥和環(huán)保導(dǎo)電混凝土試驗(yàn)區(qū)。

試驗(yàn)區(qū)Ⅱ:225 m2(15 m ×15 m)，接地模塊和電解電極試驗(yàn)區(qū)。

圖2 接地工程試驗(yàn)區(qū)圖

2．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．2．1 地網(wǎng)格點(diǎn)布局

在試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ區(qū)，每隔5 m 確定1 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)有16 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)共有32 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，如圖3 所示。(以試驗(yàn)Ⅰ區(qū)為例，試驗(yàn)Ⅱ區(qū)按同樣方法測(cè)定土壤電阻率。)

圖3 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)地網(wǎng)格點(diǎn)布局

2．2．2 測(cè)量方法

在建好的地網(wǎng)上，進(jìn)行面積與降阻試驗(yàn)。用SGT50 接地電阻測(cè)試儀(武漢維爾科技)，測(cè)量不同的地網(wǎng)面積接地電阻(如圖4、圖5、圖6 所示)。測(cè)量時(shí)將地網(wǎng)分為5 m×5 m 的若干個(gè)部分，測(cè)定單個(gè)部分和組合部分接地電阻，地網(wǎng)用50 mm×5 mm 扁鋼連接，扁鋼放置深度為0．8 m。

第一步:測(cè)量A 中A1 ～A4 各點(diǎn)的接地電阻。

圖4 接地電阻測(cè)量第一步圖示

第二步:先測(cè)量B 中B1 ～B2 點(diǎn)的接地電阻，然后將A、B 連接，測(cè)量A1 ～A4 和B1 ～B2 的接地電阻。

圖5 接地電阻測(cè)量第二步圖示

第三步:先測(cè)量C 中C1 ～C2 點(diǎn)的接地電阻，然后將A、B、C 連接，測(cè)量A1 ～A4、B1 ～B2、C1 ～C2的接地電阻。以此類推，測(cè)定所有部分和組合電阻率。

圖6 接地電阻測(cè)量第三步圖示

2．2．3 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)進(jìn)行降阻劑、降阻水泥和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土3 種材料的試驗(yàn)，在試驗(yàn)Ⅱ區(qū)進(jìn)行降阻接地模塊、電解地極2 種材料的試驗(yàn)。

(1)Ⅰ區(qū)試驗(yàn)

(a)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)的16 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，埋入50 cm高的降阻水泥柱，深度為0．8 m，測(cè)量接地電阻。

(b)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)，將降阻水泥柱取出，灌入新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土漿，深度為0．8 m，測(cè)量接地電阻。

(c)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)，完全清理新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土，灌入降阻劑，深度為0．8 m，測(cè)量接地電阻。

(2)Ⅱ區(qū)試驗(yàn)

(a)在試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的16 個(gè)網(wǎng)格接點(diǎn)下，埋入降阻模塊，深度為0．8 m，測(cè)量接地電阻。

(b)將接地模塊取出，16 個(gè)網(wǎng)格接點(diǎn)下，埋入16 套電解地極，深度為0．8 m，測(cè)量接地電阻。

(3)測(cè)量方位試驗(yàn)

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)和試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的每組試驗(yàn)中，當(dāng)每組試驗(yàn)的16 個(gè)網(wǎng)格全部連接后，用四極測(cè)量方法，測(cè)定4 個(gè)方向的接地電阻，每組試驗(yàn)在每個(gè)方向3 次重復(fù)。

2．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．3．1 土壤初始電阻率試驗(yàn)

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)和試驗(yàn)Ⅱ區(qū)，采用四級(jí)法，測(cè)量土壤初始電阻率。在測(cè)量中，用長(zhǎng)為1．2 m 角鋼，打入地下1．0 m，測(cè)量土壤初始電阻率，每組測(cè)點(diǎn)重復(fù)3 次。

測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)Ⅰ區(qū)土壤初始電阻率在53．30 ～56．95 Ω·m，平均為54．75 Ω·m;試驗(yàn)Ⅱ區(qū)土壤電阻率在43．19 ～70．86 Ω·m，平均為57．00 Ω·m，如表1、表2 所示。

表1 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)土壤初始電阻率(Ω·m)

表2 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)土壤初始電阻率(Ω·m)

2．3．2 降阻材料對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

選擇長(zhǎng)效物理防腐降阻劑、MEM 離子電解地極、MEM 離子換土料、HWG -M -1 接地模塊、降阻水泥、新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗(yàn)降阻材料參數(shù)

表4 為幾種降阻材料的對(duì)比試驗(yàn)。表中的結(jié)果表明，降阻劑和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的作用效果較好，與水平地網(wǎng)初始接地電阻值相比，增加降阻劑和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土后，接地電阻分別降低了29．5%和21．1%;降阻水泥柱的接地電阻降低了16．7%。接地模塊和電解地極的降阻效果一般，這是由于接地模塊和電解地極實(shí)質(zhì)上是起到垂直接地的作用，而垂直接地的效果分析表明，增加垂直接地體，對(duì)降低地網(wǎng)的接地電阻作用較小。因此，電解地極要與其他降阻材料組合使用，才能提高降阻的效果。

表4 降阻材料效果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

本文所研制的復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土不僅在導(dǎo)電性上完全達(dá)到甚至超過(guò)很多降阻劑材料(降阻劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為電阻率小于5 Ω·m，本文研制的復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土電阻率小于0．5 Ω·m。同時(shí)，最大的優(yōu)勢(shì)在于綠色環(huán)保，其中的所有材料均不含有對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。在國(guó)家大力推廣綠色環(huán)保政策的今天，這尤為難能可貴。由于混凝土自身的凝固特點(diǎn)，在土壤中不會(huì)隨時(shí)間而流失，對(duì)接地體不僅沒(méi)有腐蝕作用而且還有保護(hù)作用，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的起到降阻作用，也降低了后期使用和維護(hù)的成本，是一種非常理想的綠色環(huán)保型的降阻材料［5］。

3 結(jié)論

在對(duì)新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的研制和探索過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)整材料、配比、改進(jìn)工藝獲取了豐富的數(shù)據(jù)，通過(guò)工程試驗(yàn)研究獲得了滿意的結(jié)果。

(1)含碳量高且細(xì)度高的鱗片石墨有利于提高導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能。

(2)以新型碳纖維導(dǎo)電材料為主，輔以其它材料的復(fù)合型導(dǎo)電混凝土其導(dǎo)電性能要遠(yuǎn)高于石墨型導(dǎo)電混凝土而且性能更穩(wěn)定。

(3)根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果，無(wú)論導(dǎo)電性能和環(huán)保性能，新型導(dǎo)電混凝土都是非常理想的降阻劑材料，可完全取代傳統(tǒng)降阻劑用于接地系統(tǒng)中。

(4)復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土的所有材料均不含有對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，綠色環(huán)保。

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