石墨接地体（通用3篇）
石墨接地体 篇1
摘要：目前电力系统接地体主要面临腐蚀和降阻问题, 而传统广泛使用的镀锌钢降阻效果有限, 同时耐腐蚀能力不足, 文章对新型柔性石墨复合接地材料的应用效果进行研究, 获得该材料的实际效果, 为今后推广应用提供经验。
关键词：柔性石墨,接地体,应用
随着电力系统容量的不断增大, 接地网安全运行的要求越来越严格, 对杆塔接地电阻的稳定性的要求也越高。目前电力系统接地体主要面临腐蚀和降阻问题, 长期以来, 国内外开展了大量接地技术研究课题, 提出了等离子接地棒、石墨接地模块、降阻剂等降阻技术, 以及阴极保护防腐技术, 但至未从根本上解决接地腐蚀及接地降阻问题[1]。
文章从长效稳定接地新材料应用的角度出发, 开展石墨基柔性复合接地体的应用技术研究。通过对输电线路杆塔进行接地改造, 并实测改造后的接地电阻, 对柔性石墨复合接地体的效果进行评价。
1 柔性石墨复合接地体
石墨是导电性良好的非金属材料, 常温下石墨的电阻率可达到8~13×10-6Ω·m, 接近金属的导电性能。通常取3.25×10-5Ω·m作为石墨复合接地材料本体电阻率的稳态测量值, 若辅以导电纤维其电阻率可降至10-6Ω·m级别。由于石墨复合接地材料采用抗磁性的石墨导体, 石墨材料磁化后的磁场方向与外加磁场相反, 是一种抗磁性非金属材料, 其相对磁导率为0.999979, 计算中一般近似为1。
接地体相对磁导率越大时, 分布在接地体表层的电流密度值越大, 趋肤效应也就越明显。钢、镀锌钢、不锈钢等铁磁材料相对磁导率较大, 而铜接地材料及石墨复合接地材料的相对磁导率均小于1, 非磁性接地材料的有效散流截面积大于钢接地材料。接地体的电导率越高, 接地体的趋肤深度越小, 从而有效散流面积越小, 导体材料的利用率不高。相对于金属接地材料, 石墨复合接地材料的导体利用率较高。综合看来, 石墨复合接地材料具有良好的电磁特性[2]。
柔性石墨复合接地体采用加强纤维作为骨架, 以高纯膨胀石墨作为主体, 辅以水溶性导电胶进行压制, 通过多次编织成型, 最终得到高密度柔性复合接地体。经过试验验证柔性石墨复合接地体具有耐腐蚀、可弯曲、价格低、便安装以及防盗等优点, 在高压输电线路接地网的研究及应用上具有可观的推广价值。
2 接地改造
文章针对某220k V发生过雷击跳闸事故, 且接地电阻偏高的8基输电线路杆塔, 调研输电线路接地系统的实际运行情况及存在的问题, 对杆塔接地情况进行评估。研究接地材料在土壤中的腐蚀机理研究, 结合输电线路杆塔接地系统运行情况及存在的问题, 提出柔性石墨接地材料的应用技术要求。通过仿真计算, 研究新型接地材料的特性, 提出新型接地材料的使用原则和最佳应用方案, 进行接地网改造。对降阻效果以及经济性、技术性、施工便捷性进行对比分析, 为该装置推广应用提供运行经验。
2.1 接地改造方案
项目组成员选取了某500k V高压输电线路8基杆塔进行接地改造, 通过调研杆塔接地资料, 选取典型杆塔接地型式建模, 通过CDEGS软件, 计算接地体在不同土壤电阻率和不同射线长度下的接地电阻根据计算结果, 选择合适的接地型式, 对输电线线路杆塔进行改造。
2.2 现场施工及测量
本次测量采用运行单位广泛使用的ZC-8摇表, 对改造后的杆塔进行接地电阻实测。与改造前进行对比, 对改造效果进行评价。
下表1为接地电阻实测结果对比情况。
从上述实测结果可以看出, 8基杆塔实测值均原小于接地圆钢。实验表明新材料接地效果明显优于原有圆钢接地网。
3 结束语
采用柔性石墨接地体完成了杆塔接地装置的改造, 测量数据比较分析表明, 柔性石墨接地降阻效果显著、耐腐蚀性能强、施工简单, 有较高的经济性, 且使用寿命长, 具有在全国输电线路杆塔接地改造中推广应用的价值。
参考文献
[1]李景禄, 杨廷方, 周羽生.接地降阻应用及存在问题分析[J].高电压技术, 2004, 3.
[2]丁国君, 寇晓适, 郭磊, 等.基于改性石墨材质接地体的应用研究[J].智能电网, 2015, 6.
石墨接地体 篇2
一、石墨的导电原理与特性
石墨晶体中的每个碳原子以一个S电子和两个P电子与其周围的三个碳原子形成共价键, 而另一个具有活动性的P电子则形成离域大Π键, 从而使石墨晶体如同金属导电, 导电性能是碳钢的2倍, 铝的2.5倍, 是最佳非金属高温超导体材料, 导电具有方向性, 顺向是逆向的1000倍, 而且随着温度的升高导电性能提高, 电阻率降低, 与金属的导电性能相反。
二、分析镀锌、镀铜、纯铜接地极和降阻模块易锈蚀的原因
镀锌钢铁极体是依靠表面上的热镀锌层阳极保护抗锈蚀, 但该工艺存在着“先天性”的缺点, 如:一是锌在潮湿的土壤环境中, 自身受氯离子侵蚀和生物的危害;二是受热镀锌工艺限制, 镀层极其有限, 所以保护钢铁的能力也有限;三是安装时锌层的局部破坏, 在腐蚀环境严重的土壤里锌的生命力很“脆弱”, 保护钢铁的能力有限 (一年左右) 。当锌层消耗殆尽时, 裸露的钢铁材料便与土壤中的活性离子发生离子交换, 生成具有很高电阻阻值的不溶水或微溶于水的金属盐。该金属盐包裹在接地体的外部形成一个封闭的外壳, 使接地体不能和土壤直接的接触, 造成接地电阻阻值升高, 使防雷接地失效, 发生雷击事故;在土壤电阻率低的地区, 由于土壤中所含的活性离子浓度高, 裸露的钢铁金属材料和土壤中的活性离子发生反应, 消耗了接地体中的金属离子, 使接地体金属消耗, 泄电截面减少, 在雷击电流通过时发热, 而使接地体在高温下烧断损坏, 装置失效;在土壤电阻率高的地区, 由于土壤电阻率高, 达不到接地电阻要求, 为了使接地电阻的阻值达到设计的要求, 在施工时要使用大量的离子型降阻剂 (或降阻模块) , 接地极体周围的活性离子浓度增大, 提高了土壤的导电性能, 达到接地电阻阻值的目的, 由于活性离子在土壤中的浓度增大, 金属接地体中的离子交换速度加快, 造成了接地体因腐蚀而报废。
镀铜和纯铜接地体在生产制造时排放有毒废液、废渣、废气, 污染环境严重, 消耗贵重金属量大, 价格昂贵, 成本高, 这些铜制品与钢铁金属接地网的连接部位易产生异金属腐蚀 (电偶腐蚀) , 加快了与钢铁接地网连接部位的锈蚀损坏, 铜与钢铁金属所形成的原电池电位是基本相同的, 在钢铁接地网上焊接上铜接地体, 其接地电阻并不比钢铁体明显。况且铜金属体在潮湿的土壤环境中也生锈, 如生成一层绿色的碱式碳酸铜 (铜锈) , 污染地下水源。
降阻模块制品实际上也是一种金属类产品, 只是厂方提前将传统的石墨等降阻材料与水泥混合预制在镀锌钢铁体上而已, 它在土壤中与接地网连接, 其接地降阻工作原理如同石墨降阻剂。该产品外置的石墨块体虽然自身抗腐蚀、不生锈, 但它吸收酸碱离子导电介质和水分, 自身的电子电位呈负值, 促使内部电位较正的钢铁极体受腐蚀的速度加快, 使产品因腐蚀提前失效报废, 此时降阻模块也随之成为废品。
三、石墨接地体的性能指标及实际应用
目前我国的石墨接地体发展比较迅速, 石墨接地体的生产制作工艺也在不断进步。
主要分为钢绞缆状石墨线缆接地极 (如图1) 和不锈合金石墨复合材料接地体 (如图2) 两大类:
(一) 钢绞缆状石墨线缆接地极主要技术性能指标及安装方法
1、主要性能指标:
(1) 导电介质:非金属高温超导石墨体
(2) 形状尺寸:钢绞缆状, 直径φ18㎜, 长10000㎜
(3) 电阻率:≤0.25Ω.m
(4) 接地电阻:在土壤电阻率ρ<50Ω·m时2.7Ω
(5) 耐电流冲击:在120KA电流冲击下不变形、损坏, 电阻率不变。
(6) 高温性能:1000℃/h
(7) 低温性能:-60℃/h
(8) 埋地表面平均腐蚀率 (㎜/年) :0、不受腐蚀
(9) 使用年限:30年
2、安装方法:
(1) 主要用于供电线路的杆塔防雷接地工程。
(2) 本接地体埋设深度为0.8米以下。
(3) 先将接地体连接端头与杆塔、避雷器引下线连接固紧后, 再将该接地体放入沟内, 用细土埋设、踏实。
(3) 需要加垂直体时, 应先将垂直体与接地体连接固定后, 再将其放入沟底及垂直体的坑内, 之后用细土埋实。
(二) 、不锈合金石墨复合材料接地体主要技术性能指标及安装方法
1、主要技术性能指标:
(1) 导电介质:不锈合金金属带、高温超导石墨层。
(2) 形状尺寸:扁钢状、不锈金属体为5×50×2500, 表面石墨层3㎜, 复合后极体为8×53×2500。
(3) 导通回路电阻率:0.003074Ω.m
(4) 埋地表面平均腐蚀率 (㎜/年) :抗腐蚀
(5) 使用年限:30年
(6) 其它性能指标可参照传统产品5×50×2500镀锌扁钢体标准执行。
2、安装方法:
(1) 主要用于变电站接地网一、二次接地
(2) 产品埋设深度0.8米以下。
(3) 用量与焊接与5×50的扁钢相同。
(4) 焊接后的焊点表面须置石墨导电层。
(5) 任意两根接地极的距离不得小于5米。
(6) 本不锈合金金属接地体与地面上的钢铁金属接地引线连接, 采用螺接法, 连接点须清洁。
(7) 其它技术规范要求依据50×50的扁钢接地技术要求执行。
石墨接地体在大庆油田电网中35KV线路杆塔上进行了5年的跟踪式接地电阻测试, 平均阻抗为5.2Ω,
试验点1:
1、试验地点:赵家泡甲线8号、9号塔
2、埋设时间:2006年9月16号
3、接地电阻检测记录
3.1 第一年: (2006年9月16日) 8号塔为4.7Ω, 9号塔为4.5Ω。
3.2 第二年: (2007年8月20日) 8号塔为4.75Ω, 9号塔为4.5Ω。
3.3 第三年: (2008年8月10日) 8号塔为4.7Ω, 9号塔为4.4Ω。
3.4 第四年: (2009年10月16日) 8号塔为4.6Ω, 9号塔为4.5Ω。3.5第五年: (2010年9月11日) 8号塔为4.7Ω, 9号塔为4.5Ω。
试验点2:
1、试验地点:葡敖线1号杆塔
2、埋设时间:2006年9月16日
3、接地电阻检测记录
3.1 第一年: (2006年9月16日) 为4.7Ω
3.2 第二年: (2007年8月20号) 为4.65Ω
3.3 第三年: (2008年8月10日) 为4.6Ω
3.4 第四年: (2009年10月16日) 为4.7Ω
3.5 第五年: (2010年9月11日) 为4.7Ω
试验点3:
1、试验地点:喇九线3号杆、10号杆
2、埋设时间:2006年9月17号
3、接地电阻检测记录
3.1 第一年: (2006年9月17日) 3号杆为4.2Ω, 10号杆为6Ω。
3.2 第二年: (2007年8月20日) 3号杆为4.3Ω, 10号杆为6.2Ω。
3.3 第三年: (2008年8月10日) 3号杆为4.2Ω, 10号杆为6.2Ω。
3.4 第四年: (2009年10月16日) 3#杆为4.4Ω, 10#杆为6.3Ω。
3.5 第五年: (2010年9月11日) 3号杆为4.2Ω, 10号杆为6Ω。
测试的接地电阻值比较稳定, 从而得出石墨接地体具备安装简单、耐腐蚀、接地电阻持久稳定的特性, 解决了目前我国传统防雷接地极和变电站接地网制造耗能高、污染环境严重, 使用不耐腐蚀、易生锈, 接地电阻不稳, 导致雷电事故, 使用寿命短、检查维护困难, 更新改造工程频繁, 浪费材料、土地、能源、费用大等问题。
摘要：本文强调了电网接地系统对整个电网稳定性的重大影响, 分析了多种接地体材料在使用过程中发现的问题, 对石墨接地体的性能指标和安装方法及监测结果做了简要的阐述。
柔性石墨接地材料的制备工艺研究 篇3
1 实验部分
1.1 原料
膨胀石墨(密度0.0035g/cm3,碳含量99%),自制;丙烯酸乳液(固含量50%,黏度250cP),国药集团化学试剂有限公司;导电碳纤维(T700SC-12000-50C24K),日本东丽公司;玻璃纤维(ER-468-600型,纤维直径14μm),重庆国际复合材料有限公司。
1.2 柔性石墨接地材料的制备
(1)膨胀石墨纸的制备:辊间压力为18MPa,线速度为3m/min,单层石墨纸厚度0.010~0.015mm,密度为1.1~1.2g/cm3。
(2)短切导电碳纤维混合丙烯酸乳胶的制备:将一定长度的短切碳纤维按乳液量15%(质量分数)的比例添加于丙烯酸乳液中,在实验分散机中3000r/min的转速下,进行30min的分散。
(3)导电碳纤维改性石墨纸的制备:按5~8g/m2的量涂布量进行辊涂丙烯酸酯胶,经过100℃烘烤干燥。
(4)玻璃纤维丝浸胶及复合石墨纸:玻璃纤维间距0.2mm,胶粘剂用量约20%,经过100℃的烘烤干燥,在18MPa辊压下复合石墨纸。
(5)复合双层石墨纸的制备:石墨纸在100℃下加热,然后将2层石墨纸复合玻璃纤维的面相互压合,复合压力18MPa,线速度为3m/min。
(6)石墨纸分割:通过分割机将将复合石墨纸分切成宽度为2cm的石墨带。
(7)石墨带捻线:将石墨带通过漏斗状卷纸装置,卷成筒状,按30股/捻的方式捻成直径约2.8mm的石墨线。
(8)柔性石墨接地材料制备:采用外层套编内层芯线的编织方式,外层采用同轴反向编织,外层石墨线为24根,内层芯线选择44根石墨线,单根石墨线的编织张力为15N,通过整形后,编织的石墨接地体直径约28mm。
1.3 性能测试
采用电子万能试验机(JB-117型,上海久滨仪器有限公司)对样品进行拉伸强度测试,取1段长20cm的石墨线样品,将两端固定于夹具上,测试石墨线的拉伸断裂强度。采用四极法微电阻测量仪(YG3540型,上海鉴易精密仪器有限公司)对样品进行电阻率测试。采用雷电冲击电压发生器(HRHG-SGSC型,武汉国电华瑞电业测试科技有限公司)对样品检测冲击电流耐受测试。按照GB/T 9274对样品进行耐酸碱腐蚀测试。丙烯酸乳胶涂布量测试:切取单位面积的烘干后的石墨纸,称质量,然后减去单位面积石墨纸的质量,即得丙烯酸乳胶的涂布量。
2 结果与讨论
2.1 石墨纸制备工艺对石墨线性能的影响
接地材料制备的第一道工序是通过压延,将膨胀石墨粉压制成石墨纸,工艺需要考虑合适的辊压力和单层石墨纸的厚度。压力过大,则制得的石墨纸脆性太强[9],不利于捻线;压力太小,则强度不够;单层石墨纸的厚度,太薄则强度不够,将影响复合石墨线的电导率;过厚则不利于捻线,影响性能稳定。实验设定石墨用量为15g/m2时,不同辊压力制得的石墨纸的厚度见图1。从图可知,随着辊压力的增加,压缩的幅度逐渐减小,石墨纸的密度也逐渐增大,通过对石墨纸的强度、柔韧性的评估,选择辊压为18MPa比较合适,制得的石墨纸的厚度约0.013mm。在此辊压下膨胀石墨纸有相对较高的强度,便于后续加工。
2.2 短切导电碳纤维对石墨纸性能的影响
导电碳纤维是高导电性的碳素材料,除具有高导电性能之外,还具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、强度高和质轻等特点[10]。通过复合短切碳纤维可以增强石墨纸的防撕裂性,提高电导率。碳纤维改性膨胀石墨的方式有两种:一是直接将短切碳纤维分散与膨胀石墨预混合,再辊压成纸;二是将切短碳纤维高速分散于丙烯酸乳液中,涂布于石墨纸的表面。由于第一种方法中碳纤维难以分散均匀,因而效果有限。
实验中将碳纤维切短后分散于丙烯酸乳液中,首先要考虑碳纤维的长度,使之能够相互衔接,形成导电通路[11],力学性能上起到支撑作用,但是添加量过多,会增加成本,要综合分析费效比,因此为保证石墨纸的柔韧性和成本,需要控制碳纤维在乳液中的含量和涂布量。通过涂布实验,当碳纤维在丙烯酸胶粘剂中含量为15%时,涂布量为6g/m2,制得的石墨纸抗张强度和柔韧性较好。在此前提下,短切碳纤维长度对石墨线电阻率的影响图见图2。从图可知,随着碳纤维长度的变化,石墨线的电阻率呈先降后升的趋势,当碳纤维长度为3mm左右时,电阻率为0.00196Ω·m具有最佳的导电性能。分析原因,当纤维过短时,较难形成相互连接的网络状态[11],而导电性较差;当碳纤维过长时,会发生卷曲而分散不均的现象,也影响了导电网络的形成。
2.3 玻璃纤维复合对石墨线性能的影响
柔性石墨接地线由于在使用过程中需要承受一定的拉伸强度,而石墨自身强度很低[12],采用价格便宜、耐腐蚀、浸胶能力较好和强度较高的玻璃纤维作为增强材料是最合适的选择[13]。玻璃纤维用量对石墨线的性能影响是一个重要因素,当纱线间距小,分布密,则石墨纸强度高,但是石墨含量相对减少,导电性下降,同时用胶量相应增加,导致石墨纸的柔性下降,难以捻成细线。玻璃纤维纱线分布过稀,则增强不够,也不利于石墨线的编织。玻璃纤维增强对石墨线性能的影响见图3。从图可知,随着玻璃纤维用量降低,石墨线的强度和电阻率都逐步下降。当玻纤间距超过0.2mm后,石墨线的强度下降更明显,而电阻率的变化很缓慢。通过分析此图,选取玻璃纤维丝间距为0.2mm左右时,制得的石墨线综合性能最好,石墨线的电阻率为0.00196Ω·m,拉伸强度0.4MPa。
2.4 柔性石墨接地材料样品基本性能检测
柔性石墨接地材料的基本性能包括材料的导电性能和力学强度性能。检测样品是直径为28mm的石墨接地材料,拉伸强度达5kN,电阻率为0.000025Ω·m,根据GB/T 21698—2008对复合接地材料性能的要求[14],样品基本性能完全满足要求。由于有丙烯酸胶黏剂和短切碳纤维的增强作用,石墨鳞片受外力冲击时不易脱落,对于接地材料电阻率还可以根据需要增加接地体的内芯数量,增加接地面积,一步降低接地电阻[15]。
2.5 柔性石墨接地材料的冲击电流耐受实验
柔性石墨接地材料冲击电流耐受实验见表1。冲击电流耐受性能是接地材料满足接地使用性能的重要要求之一,是保证电力设施能够承受雷电等强电流作用而稳定运行的保障。根据GB/T 21698—2008对复合接地材料性能的要求,对样品施加8~20μs、5kA冲击电流10次、每2次间隔1min的强度实验,柔性石墨接地材料在经过标准实验后的电阻率变化不大于10%[14],见表1。从表1可知,电阻率为0.000025~0.000027Ω·m,变化幅度很小。石墨接地材料的冲击电流耐受性能良好,在经过强冲击电流后材料的电阻率几乎没有变化,可以满足雷击电流和短路故障电流的排散。
2.6 柔性石墨接地材料耐腐蚀性检测
接地材料埋设于地下,需要承受不同土壤环境下的长久腐蚀,当腐蚀达到一定程度后,接地体会因为接地电阻的增大而失去对电力设备的保护作用,因而也是接地材料的重要性能之一。参照涂料耐液体介质检测标准GB/T 9274,对柔性石墨接地材料经过酸、碱腐蚀后的外观、电阻率和拉伸强度进行测试,见表2。
经过480h浸泡5%NaOH溶液后,测试结果见表3。从表3可知,石墨接地材料经过碱液浸泡后,外观形貌没有明显变化,各项性能均保持较好,可满足常规碱性土壤环境下的使用要求。
2.7 柔性石墨接地材料耐酸性检测
经过480h浸5%H2SO4溶液后,测试结果见表4。从表4可见,柔性石墨接地材料经过酸液浸泡后,拉伸强度和电阻率均在技术要求的范围内,材料保持了较好的接地性能,符合一般酸性土壤条件下对接地性能的要求。
3 结论
以膨胀石墨为基体材料,利用导电碳纤维、玻璃纤维作为增强材料,经过压延、上胶、复合、捻线和编织等多道工序,制得应用于电力设施安全防护的柔性石墨接地材料。
制得的直径为2.8mm的柔性石墨接地材料拉伸强度达5kN、电阻率为0.000025Ω·m,冲击电流耐受强度达5kA以上,并可长期耐受酸碱性的腐蚀环境,确保在不同土壤环境下,接地材料长期有效工作。