摘要：針對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)接地領(lǐng)域金屬接地材料存在不足的問(wèn)題，提出了一種新型的強(qiáng)通流柔性石墨復(fù)合接地材料，作為替代金屬接地材料的優(yōu)選方案。本文介紹了一種新型的石墨基柔性接地材料，該材料具有強(qiáng)通流能力、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，適用于復(fù)雜土壤環(huán)境下的接地工程。通過(guò)試驗(yàn)和仿真，對(duì)比了該材料與傳統(tǒng)鋼材類接地材料在耐腐蝕性、短時(shí)高頻電流耐受性等方面的性能差異。結(jié)果表明，該材料的耐腐蝕性能優(yōu)于鋼材類材料，預(yù)期使用壽命超過(guò)30年；其與土壤的接觸性能也優(yōu)于鋼材類材料，有利于提高輸電線路的防雷水平。

關(guān)鍵詞：石墨基柔性接地材料；強(qiáng)通流；性能研究；防雷應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ342+.743；TQ342+.83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0107-03

Study on properties of strong flow graphite based flexible"grounding material for lightning protection

CHAO Lu，JIN Shi，AMUERSANA，WANG Haiping，ZHANG Lanjing，WANG Haiping

（Hohhot Meteorological Bureau， Hohhot 010051， China）

Abstract：In order to solve the problems of metal grounding materials in the grounding field of power system， a newtype of graphite based flexible grounding material was proposed as the preferred scheme to replace metal groundingmaterials. In this paper， a new type of graphite-based flexible grounding material was introduced， which had strongflow ability，corrosion resistance and thermal stability，and was suitable for grounding engineering in complex soilenvironment. Through experiments and simulations，the differences between the material and the traditionalsteel-type grounding material in corrosion resistance and short-time high frequency current resistance were com?pared. The results showed that the corrosion resistance of the material was better than that of steel materials，andthe expected service life was more than 30 years. Its contact performance with soil was also better than steel materi?als，which was conducive to improving the lightning protection level of transmission lines.

Key words：graphitebasedflexiblegroundingmaterial；strongflow；performancestudy；lightningprotectionapplication

近年來(lái)，石墨基柔性接地材料作為一種新型的接地材料，受到了廣泛的關(guān)注和研究。石墨基柔性接地材料是由石墨或石墨化物與其他導(dǎo)電填料和粘合劑復(fù)合而成的柔性材料，具有良好的導(dǎo)電性、抗腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，可以根據(jù)需要制成不同形狀和尺寸的產(chǎn)品，適用于各種復(fù)雜的接地環(huán)境。石墨基柔性接地材料在防雷接地中的應(yīng)用主要有2種方式：一是作為接地體或接地極，直接埋入土壤中，與雷電流形成良好的接觸；二是作為導(dǎo)電膠或?qū)щ娡繉?，涂覆在傳統(tǒng)金屬接地體表面，提高其導(dǎo)電性和抗腐蝕性。石墨基柔性接地材料在防雷接地中的應(yīng)用效果已經(jīng)得到了一些實(shí)際驗(yàn)證，顯示出了較好的前景。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1. 1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為特制的強(qiáng)通流石墨基柔性接地材料，其由導(dǎo)電性石墨顆粒與柔性聚合物基質(zhì)相結(jié)合而成。采用膨脹石墨制作的導(dǎo)電纖維編織成纜繩狀，外包一層石墨覆銅線，形成一種具有高導(dǎo)電性和耐腐蝕性的接地體。該接地材料的整體結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該材料的導(dǎo)電散流面結(jié)構(gòu)是由多層石墨納米片堆疊而成的，每層石墨納米片之間有一定的空隙，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該材料的導(dǎo)電散流面結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)通流石墨基柔性接地材料優(yōu)異性能的關(guān)鍵因素[1]。

強(qiáng)通流石墨基柔性接地材料采用了一種低阻抗復(fù)合強(qiáng)通流體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由增韌柔性石墨線和石墨覆銅線交替疊加而成，具有良好的柔性和可塑性，能夠適應(yīng)不同的接地環(huán)境。該材料的導(dǎo)電膠層采用了一種特殊的導(dǎo)電填料，能夠在高電流下形成強(qiáng)通流通道，提高接地效率。該材料的總厚度為2 mm，總阻抗為0.05Ω/m2，能夠承受100 kA的強(qiáng)通流沖擊，是一種理想的柔性接地材料[2]。

1. 2試驗(yàn)設(shè)備

使用高精度電阻測(cè)量?jī)x器（Agilent 34401A）進(jìn)行電阻測(cè)量。該儀器采用四探針測(cè)量法，其中2個(gè)探針用于施加電流；另外2個(gè)探針用于測(cè)量電壓。通過(guò)測(cè)量電流和電壓之間的關(guān)系，儀器可以計(jì)算材料的電阻率。這個(gè)設(shè)備用于測(cè)量石墨基柔性接地材料的導(dǎo)電性能，并研究在不同環(huán)境條件下材料的電阻率變化[3]。

采用酸堿腐蝕測(cè)試裝置來(lái)模擬不同酸堿環(huán)境下的腐蝕情況。該裝置能夠控制不同濃度的酸堿溶液，并將材料暴露于這些溶液中一定的時(shí)間。這有助于評(píng)估石墨基柔性接地材料在不同腐蝕條件下的耐腐蝕性能。

為了模擬雷擊等高頻電流作用下的情況，借助高頻電流耐受性測(cè)試設(shè)備進(jìn)行性能分析。該設(shè)備能夠施加短時(shí)高頻電流脈沖到材料上，以模擬雷擊情況。通過(guò)測(cè)量材料的電阻變化和性能退化情況，我們可以評(píng)估石墨基柔性接地材料在高頻電流作用下的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性。

1. 3試驗(yàn)方法

1. 3. 1耐酸堿腐蝕性能測(cè)試

在耐酸堿腐蝕性能測(cè)試中，首先準(zhǔn)備一系列不同濃度的酸堿溶液，包括不同pH值的酸性和堿性溶液。然后，將預(yù)制的石墨基柔性接地材料樣品放置于腐蝕測(cè)試裝置中，分別暴露于不同的酸堿溶液中。在一定時(shí)間內(nèi)，定期檢測(cè)樣品的質(zhì)量變化，記錄電阻值的變化，并進(jìn)行表面形態(tài)的觀察。通過(guò)比較不同條件下的測(cè)試結(jié)果，可以評(píng)估材料的耐腐蝕性能[4]。

1. 3. 2短時(shí)高頻電流耐受性測(cè)試

為模擬電力系統(tǒng)短路故障電流和雷電流頻譜的特點(diǎn)，以及石墨基柔性接地材料在實(shí)際應(yīng)用中的情況，試驗(yàn)進(jìn)行了短時(shí)高頻電流耐受性測(cè)試，旨在評(píng)估材料在短時(shí)高頻大電流沖擊下的表現(xiàn)?？紤]到電力系統(tǒng)短路故障電流含有大量高頻成分，而雷電流頻譜主要集中在10～100 kHz[5-6]。測(cè)試步驟如下：（1）準(zhǔn)備樣品和設(shè)備。（2）設(shè)定測(cè)試參數(shù)。（3）實(shí)施測(cè)試。（4）觀察性能響應(yīng)。（5）數(shù)據(jù)記錄與分析。

2結(jié)果與討論

2. 1耐酸堿腐蝕性能

根據(jù)土壤的pH值，可以將我國(guó)國(guó)土土壤分為以下幾類：酸性土壤（pH值小于6.5）、中性土壤（pH值在6.5到7.5之間）、堿性土壤（pH值大于7.5）。為了研究石墨基柔性接地材料在不同pH值的土壤中的耐腐蝕性能，本文采用了實(shí)驗(yàn)室模擬土壤液的方法，測(cè)定了材料的耐腐蝕速率。

使用蒸餾水調(diào)配鹽溶液，使用醋酸和NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，按照不同的pH值配制出酸性、中性和堿性的土壤模擬液，如表1所示。將石墨基柔性接地材料浸泡在土壤模擬液中，定期取出測(cè)量其質(zhì)量變化和電阻變化，計(jì)算出其耐腐蝕速率[7]。

為了研究土壤環(huán)境對(duì)石墨基柔性接地材料的腐蝕影響，本文采用質(zhì)量變化法測(cè)定了不同pH值的土壤模擬溶液中樣品的腐蝕率。試驗(yàn)過(guò)程如下：將樣品和對(duì)照品（鋼材）分別放入酸性、中性和堿性的土壤模擬溶液中浸泡，定期取出稱重，計(jì)算質(zhì)量損失率，進(jìn)而得到腐蝕率，見(jiàn)表2。

由表2可知，石墨基接地材料在土壤模擬溶液中的腐蝕率很低，基本可以忽略不計(jì)，平均年表面腐蝕率不超過(guò)0.07%；且強(qiáng)通流石墨基柔性接地材料的防腐蝕特性明顯優(yōu)于鋼材類材料，可以運(yùn)用在各種極端的土壤環(huán)境。

2. 2短時(shí)高頻電流耐受性能

在電力系統(tǒng)中，石墨基柔性接地材料可以替代傳統(tǒng)的金屬接地材料，如鍍鋅鋼等，提高接地裝置的可靠性和安全性。但是，石墨基柔性接地材料也需要考慮其在實(shí)際工況下的適應(yīng)性，特別是在遭受短路故障或雷電沖擊時(shí)的抗沖擊能力[8]。

電力系統(tǒng)中的短路故障電流和雷電流都含有較高的頻率成分，一般在10～100 kHz內(nèi)。這些高頻成分會(huì)導(dǎo)致接地材料表面產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，即電流主要集中在表層流動(dòng)，而不是均勻分布在截面上。趨膚效應(yīng)會(huì)使接地材料的有效散流截面積減小，從而增加接地電阻和溫升，如圖3所示。

另外，高頻成分也會(huì)影響接地材料的徑向穿透深度，即接地材料能夠?qū)㈦娏饔行派⒌酵寥乐械纳疃?。徑向穿透深度與電流的頻率、接地材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率有關(guān)。如果徑向穿透深度過(guò)小，接地材料就不能將電流及時(shí)泄散到大地中，就會(huì)造成地電位反擊現(xiàn)象，即接地裝置附近的土壤表面電位升高，對(duì)電氣設(shè)備和人員安全造成威脅[9]。

石墨基柔性接地材料與鋼類金屬接地材料相比，具有較低的磁導(dǎo)率和較高的電導(dǎo)率，這意味著當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，石墨基材料內(nèi)部的電流分布更加均勻，而鋼類材料內(nèi)部的電流則集中在表面的薄層，導(dǎo)致內(nèi)部電流較小。趨膚效應(yīng)會(huì)使導(dǎo)體的電阻增加，損耗功率也增加，降低了接地效果[10]。因此，石墨基柔性接地材料具有更好的抗趨膚效應(yīng)能力，能夠提高接地系統(tǒng)的可靠性和安全性。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要根據(jù)不同的輸電線路參數(shù)、桿塔位置和運(yùn)行環(huán)境等因素，合理選擇石墨基柔性接地材料的型號(hào)、規(guī)格和數(shù)量，以保證其在工頻和沖擊條件下滿足接地要求，并避免過(guò)渡設(shè)計(jì)或不足設(shè)計(jì)[11]。

3結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)耐腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果，石墨基柔性接地體具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能夠有效抵御強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕介質(zhì)的影響，其表面腐蝕率平均每年不超過(guò)0.07％。石墨基柔性接地材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，能耐受各種惡劣的土壤條件，預(yù)期使用壽命超過(guò)30年；（2）石墨基柔性接地材料具有較高的導(dǎo)電率，能有效降低接地電阻，提高沖擊散流能力，減少雷電流對(duì)設(shè)備的危害；（3）石墨基柔性接地材料具有較好的柔韌性，能適應(yīng)不同的土壤環(huán)境，與土壤緊密貼合，增加有效接觸面積，降低接觸電阻；（4）石墨基柔性接地體中加入了不銹鋼板，這樣可以增強(qiáng)接地體的抗短路電流沖擊能力，確保接地體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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