前 言

變配電所接地網(wǎng)故障會(huì)造成電網(wǎng)和供電區(qū)域的嚴(yán)重事故，危及周圍人身安全。接地材料的腐蝕是造成接地網(wǎng)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(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等的活動(dòng)也會(huì)對(duì)鋼接地極造成一定的腐蝕。在國外、特別是發(fā)達(dá)國家，為了減少材料腐蝕造成的損失經(jīng)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(chǎn)量低、價(jià)格高，銅接地的使用大大增加了接地成本，在我國全面實(shí)施銅接地仍存在一些困難。

近年非金屬導(dǎo)電材料的研究和應(yīng)用越來越多，石墨以其良好的導(dǎo)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(dǎo)電材料的研究熱點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于電極、導(dǎo)電涂層、導(dǎo)電填料和納米材料等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對(duì)石墨接地材料的研究較多，我國一些地區(qū)在實(shí)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(dǎo)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(jīng)濟(jì)效益。沈杰等人在臺(tái)州臨縣線進(jìn)行了接地試驗(yàn)，比較了鍍鋅扁鋼、圓鋼、銅包鋼和石墨接地體的成本，結(jié)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(jìn)一步研究將在接地材料的腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

1 石墨覆銅柔性接地材料概述

石墨銅復(fù)合柔性接地材料是以石墨為導(dǎo)電材料，與金屬、混凝土等材料復(fù)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(fù)合材料、柔性石墨復(fù)合材料、石墨導(dǎo)電混凝土和石墨接地模塊。劉伯偉等研究了鍍銅對(duì)非金屬顆粒和燒結(jié)摩擦材料強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明Cu-Fe 基摩擦材料的彎曲強(qiáng)度由95mpa 提高到114mpa，壓縮強(qiáng)度為165mpa，他們認(rèn)為這是由于金屬與非金屬接觸狀態(tài)的改善和強(qiáng)度的提高。摩擦材料的母材在燒結(jié)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(jìn)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(jié)合強(qiáng)度低。在鍍銅過程中銅沉積在顆粒的整個(gè)表面，使顆粒的非金屬表面光滑，在燒結(jié)過程中母材能很好地覆蓋非金屬材料，通過與銅的相互擴(kuò)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(jié)強(qiáng)度。

1.1 石墨-金屬復(fù)合材料

金屬-石墨復(fù)合材料具有許多特殊的性能和應(yīng)用，不僅具有良好的金屬導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而且具有優(yōu)異的石墨潤滑性能。制備金屬-石墨復(fù)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(jī)械混合制備復(fù)合材料的方法。這種方法沒有充分結(jié)合金屬和石墨的優(yōu)點(diǎn)，限制了金屬-石墨復(fù)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(fù)合形成金屬-石墨復(fù)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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤滑性和耐磨性，然而在這些研究中報(bào)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(dāng)?shù)幕罨瘎┳饔孟略谑砻娉练e銅鍍層，對(duì)石墨的粒徑?jīng)]有嚴(yán)格的限制。如對(duì)粒徑小于45um的石墨，通過本實(shí)驗(yàn)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(jī)械產(chǎn)品相比，粉末產(chǎn)品具有導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。它克服了石墨的脆性，提高了材料的強(qiáng)度。根據(jù)地理環(huán)境的不同，金屬裝甲可以由不同的材料制成?？蓪?shí)現(xiàn)石墨與石墨的直接連接，避免縫隙腐蝕實(shí)用性強(qiáng)。

1.2 柔性石墨復(fù)合材料

柔性石墨復(fù)合材料的研究始于20世紀(jì)60年代，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)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(dǎo)電、耐腐蝕、耐輻射、自動(dòng)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(yīng)用，柔性石墨復(fù)合材料受到人們的關(guān)注，如高純鱗片石墨、氧化插層石墨、高溫膨脹石墨絲與無機(jī)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(dǎo)體利用率高于金屬接地材料。柔性石墨復(fù)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(qiáng)的化學(xué)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(wǎng)的使用壽命，降低了維護(hù)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵。評(píng)價(jià)接地材料質(zhì)量的性能參數(shù)主要有材料電阻率、大電流沖擊電阻、機(jī)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)電性。石墨與其它材料的復(fù)合能有效地改善石墨的力學(xué)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(yàn)基地接地實(shí)驗(yàn)室的幫助下對(duì)不同型號(hào)、規(guī)格的柔性石墨接地材料進(jìn)行了沖擊和工頻耐壓試驗(yàn)。結(jié)果表明，材料的截面尺寸對(duì)材料的承載力有著顯著的影響。并聯(lián)試驗(yàn)表明，柔性石墨接地材料的穩(wěn)定性優(yōu)于圓鋼和實(shí)心石墨接地材料。通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)小于傳統(tǒng)接地體，使遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)較低的接地電阻。石墨本身的導(dǎo)電性很好，電阻率可達(dá)8～13×10-6Ω。在室溫下復(fù)合石墨導(dǎo)電纖維將進(jìn)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(dǎo)電單元，芯部填充特定的抗拉強(qiáng)度，絕緣材料和石墨線外部分進(jìn)行包裝以增大接地體的直徑，從而擴(kuò)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(xué)穩(wěn)定性，除強(qiáng)氧化性酸堿外，在大多數(shù)化學(xué)介質(zhì)中石墨表現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(yán)重。沿線接地極平均每5～6年更換一次。使用石墨復(fù)合接地極時(shí)，由于石墨是惰性氣體不需要鈍化防腐技術(shù)，接地極的使用壽命可達(dá)30年，與傳統(tǒng)的金屬接地極相比柔性石墨銅復(fù)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(xì)氧化傾向越嚴(yán)重。如何解決儲(chǔ)存和使用過程中的氧化問題一直是一個(gè)值得關(guān)注的問題。鈍化劑已成功地應(yīng)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(jī)理是不同的。根據(jù)研究其機(jī)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(tuán)，易被金屬吸附；另一部分是疏水性有機(jī)官能團(tuán)。親水基團(tuán)吸附在金屬表面，疏水基團(tuán)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(zhì)，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(fù)合膜。一般來說，有機(jī)鈍化劑的成膜保護(hù)大多是復(fù)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(fù)合膜，形成保護(hù)膜。另外，8-羥基喹啉在堿性介質(zhì)中對(duì)鋁的保護(hù)作用也是由于金屬基體表面形成不溶性絡(luò)合物所致。

有些鈍化劑不形成絡(luò)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(duì)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(diǎn)上，這些點(diǎn)通常只是容易腐蝕的點(diǎn)。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(yīng)用實(shí)例

110kV擴(kuò)建線路需增設(shè)直塔擴(kuò)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(zhì)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(xiàn)鍍鋅鉛地下部分已嚴(yán)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(fù)合柔性接地材料。新輸電線路的塔型為1D5sdj15，根據(jù)土壤電阻率測量結(jié)果進(jìn)行了土壤分層反演計(jì)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(yīng)將石墨復(fù)合接地體埋設(shè)在塔基礎(chǔ)周圍。根據(jù)塔基的地形特征，采用四個(gè)中等長度的28mm 實(shí)心石墨復(fù)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(wǎng)的平均埋深約為2m，塔基礎(chǔ)回填后，分別測量接地電阻的四個(gè)導(dǎo)體，工頻接地電阻值應(yīng)穩(wěn)定在5.13Ω，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。工頻接地電阻塔下接地網(wǎng)的土壤電阻率應(yīng)小于10Ω。

以上工程應(yīng)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。