石墨基柔性接地纜的產(chǎn)品研究

 能源行業(yè)電力接地技術(shù)標(biāo)委會(huì)11月7日在武漢組織召開(kāi)了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路桿塔石墨基柔性接地體技術(shù)條件》初稿審查會(huì)。會(huì)議認(rèn)為，該標(biāo)準(zhǔn)初稿結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)內(nèi)容完整，編寫(xiě)格式符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T1.1—2009的要求；審查委員會(huì)委員對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)初稿的內(nèi)容提出了10條主要修改意見(jiàn)。
    據(jù)了解，石墨基柔性復(fù)合接地材料和柔性石墨接地極都是基于同一種材料，主要用于電力系統(tǒng)接地網(wǎng)工程，降阻性能優(yōu)于其它傳統(tǒng)接地極，且工程的總體性價(jià)比高。
    在柔性接地材料的研究和應(yīng)用方面，為了對(duì)“石墨基柔性接地材料”有更多的了解，我們轉(zhuǎn)發(fā)楊振國(guó)等近期發(fā)表的論文《高壓輸電線路石墨基柔性接地纜的產(chǎn)品選型研究》，以饗大家。

    隨著國(guó)內(nèi)新材料、新技術(shù)以及新工藝的不斷涌現(xiàn)，高壓輸電線路桿塔的接地裝置型式也在不斷創(chuàng)新發(fā)展。近年，一種新型石墨基柔性接地纜正在逐漸被應(yīng)用到高壓、特高壓桿塔接地裝置中。該型產(chǎn)品呈電纜狀，采用高碳石墨為主體材料，通過(guò)多道工藝編制絞合而成。與常規(guī)鍍鋅鋼接地體相比其主要優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕、非磁性、大電流沖擊不反擊、耐高低溫、接地電阻穩(wěn)定、免維護(hù)等。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)改型接地產(chǎn)品調(diào)研得知，目前市場(chǎng)上主流的石墨基柔性接地纜主要分為兩種結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2 所示。

    此兩種產(chǎn)品的主要特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。從表1 可看出，這兩種結(jié)構(gòu)型式的石墨基柔性接地纜主要區(qū)別在于外徑尺寸以及內(nèi)部是否存在鋼芯結(jié)構(gòu)。我們重點(diǎn)對(duì)該兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的防腐、防雷以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行剖析。

    需特別關(guān)注柔性石墨的電偶腐蝕以及縫隙腐蝕。

    1)當(dāng)其它金屬在電解質(zhì)溶液中互相接觸，因腐蝕電位的差異而產(chǎn)生電流流動(dòng)，這樣便構(gòu)成了一個(gè)腐蝕電池，從而使腐蝕電位較低的金屬的溶解速度增加，造成接觸處的局部腐蝕，而腐蝕電位較高的金屬得到保護(hù)，這種現(xiàn)象稱作電偶腐蝕。

     研究表明  柔性石墨對(duì)金屬鋼絞線進(jìn)行包裹，因夏季雷雨季節(jié)雨水量大，在酸堿度相對(duì)偏高的土壤中則形成腐蝕電池。由于石墨具有導(dǎo)電性且其電極電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大多數(shù)金屬的電極電位，在這一腐蝕電池中，金屬充當(dāng)電池的負(fù)極，柔性石墨充當(dāng)電池的正極。從而電解質(zhì)溶液中的氫離子被還原成氫氣放出，電子從金屬流向石墨，其結(jié)果是金屬不斷溶解而被腐蝕。即使密封部件周圍沒(méi)有電解質(zhì)，只要在一定的空氣濕度下（相對(duì)濕度超過(guò)60%），金屬表面會(huì)形成一層薄薄的水膜，柔性石墨內(nèi)部也會(huì)變得濕潤(rùn)，水膜的酸性增強(qiáng)，H+濃度增大。此時(shí)柔性石墨與金屬間會(huì)形成許多微電池，發(fā)生腐蝕。

    2）縫隙的腐蝕 當(dāng)金屬部件在介質(zhì)中時(shí)，由于金屬與金屬或者金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，使隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬加速腐蝕，這種局部腐蝕稱為縫隙腐蝕。

綜上，結(jié)構(gòu)形式1 的石墨基柔性接地纜內(nèi)部鋼線結(jié)構(gòu)電偶腐蝕及縫隙腐蝕問(wèn)題更為嚴(yán)重，因此在鹽漬土、鹽堿地等土壤腐蝕問(wèn)題較為突出的區(qū)域應(yīng)慎用。
GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了一般土壤對(duì)圓鋼的腐蝕速率為0.3～0.2 mm/a。同時(shí)，明確了地下按機(jī)械強(qiáng)度要求的鋼接地材料的小尺寸圓鋼直徑為8 mm。單單石墨層而言，兩種結(jié)構(gòu)型式的接地纜壽命及腐蝕率計(jì)算見(jiàn)表2。

    石墨在常溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性能，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕，所以該材料本身的腐蝕率小于0.1%。從表2 計(jì)算結(jié)果可以看出，按照與高壓輸電線路設(shè)計(jì)壽命一致的50 年計(jì)算，兩種結(jié)構(gòu)型式的產(chǎn)品石墨層年腐蝕率均符合要求，且理論壽命遠(yuǎn)大于50年，單純從防腐角度看可終身免更換。

    但值得特別注意的是：它的結(jié)構(gòu)形式1 產(chǎn)品中間含有鋼結(jié)構(gòu)，尚需考慮其腐蝕壽命問(wèn)題。同理，常規(guī)Φ12 圓鋼而言，按初始直徑為12 mm，腐蝕后直徑為8 mm計(jì)算，則需要的腐蝕年限為13 年左右，Φ10 圓鋼為7年。結(jié)構(gòu)型式1 的石墨基柔性接地纜由于需要達(dá)到柔性的便于安裝的性能，中心不能采用剛性圓鋼而改用可塑性更好的鋼絲絞線替代，但是絞線間必然存在縫隙，相較于同等直徑的圓鋼，在鹽漬土及鹽堿地區(qū)結(jié)構(gòu)型式1 的石墨基柔性接地纜的腐蝕速率會(huì)更快，接地網(wǎng)的使用壽命將更短。

    當(dāng)雷電流直擊到塔頂，電流經(jīng)過(guò)塔本身下行到接地線之后泄放到大地，大電流此時(shí)瞬間經(jīng)過(guò)接地線導(dǎo)致接地線上局部溫度瞬時(shí)增高，固接地材料的選材時(shí)必須得考慮到它的本身的熱穩(wěn)定性，不然容易被宛如其來(lái)的瞬間高溫?zé)龜嘟拥鼐€路，從而引起接地裝置的失效。

    我國(guó)高壓配電線路接地體的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用用的雷電流取100 kA，用式1 計(jì)算得出來(lái)超過(guò)100 kA雷電流幅值概率僅為7.3%，由此可以看出超過(guò)該幅值100 kA的電流的雷電概率較低。圖3 為按公式1 計(jì)算、繪制的雷電流幅值概率曲線。

    以100 kA雷電流幅值進(jìn)行計(jì)算，僅考慮采用柔性石墨（不含鋼）作為接地材料時(shí)，計(jì)算得到的接地體瞬時(shí)溫升見(jiàn)表3。從表3 可以看出，結(jié)構(gòu)型式2 產(chǎn)品接地體直徑較大，其瞬時(shí)溫升理論值為180.3 ℃，而結(jié)構(gòu)型式1 將達(dá)到600.9 ℃。研究表明柔性石墨從-270 ℃的超低溫到3650 ℃（在非氧化氣體中）的高溫，其物理性質(zhì)幾乎沒(méi)有什么變化，在空氣中也可以使用到600 ℃左右。但為了提高石墨基柔性接地纜的機(jī)械強(qiáng)度，目前市面上在該產(chǎn)品中均加入了玻璃纖維等材料，其耐受溫度一般不超過(guò)300 ℃?？梢?jiàn)，為降低材料本身的電阻以降低溫升，Φ20 直徑的結(jié)構(gòu)形式1 產(chǎn)品必須在中心加入金屬，提高導(dǎo)電性能以滿足溫升要求，避免被燒斷進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)接地系統(tǒng)失效發(fā)生后續(xù)雷電反擊閃絡(luò)故障。

    采用伸長(zhǎng)接地體可以有效的降低桿塔接地裝置的工頻接地電阻，但并不能確保其良好的雷電保護(hù)效果。接地極在沖擊電流作用下與在工頻電流作用下不同，接地極將呈現(xiàn)電感效應(yīng)，阻礙電流向接地極遠(yuǎn)端流動(dòng)。如果接地極過(guò)長(zhǎng)，則在沖擊電流作用下只有一部分被利用，即接地極具有有效長(zhǎng)度。

    GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中D.1.3 規(guī)定，架空線路雷電性能計(jì)算時(shí)可采用雷電流波形為2.6/50 μs 的雙斜角波，即波前時(shí)間取T=2.6 μs。據(jù)此，不同電阻率下要求的有效水平接地體長(zhǎng)度計(jì)算如表4所示。

    據(jù)此，對(duì)不同土壤電阻率下兩種結(jié)構(gòu)型式的接地線用量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表6 及圖5。由表6 及圖5理論結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)型式的接地纜用量差會(huì)隨著土壤電阻率的升高而不斷地增大，但在一般土壤電阻率在500～1200 Ω·m范圍內(nèi)變化相對(duì)較緩，差值為2～3 m左右。式（4）表明接地電阻的大小與外徑有關(guān)，它與接地材料材質(zhì)無(wú)關(guān)，因此如果在不考慮兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品是否采用鋼絞線而產(chǎn)生的價(jià)格差異，在達(dá)到同等降阻效果的條件下，外徑較小的結(jié)構(gòu)形式1 石墨接地纜使用長(zhǎng)度更長(zhǎng)一些，接地溝開(kāi)挖量也相對(duì)更大一些，施工成本略高。若不存在土壤防腐問(wèn)題，以土壤電阻率800 Ω·m為例，參考表1 給出的兩種結(jié)構(gòu)形式的材料價(jià)格，經(jīng)計(jì)算，使用結(jié)構(gòu)形式2 的石墨基柔性接地纜比使用結(jié)構(gòu)形式1 的能夠節(jié)省綜合費(fèi)用約1000元，對(duì)于桿塔接地工程的石墨接地材料選型具有一定的指導(dǎo)意義。

對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)高壓輸電線路新型石墨基柔性接地纜的抗腐蝕、防雷以及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了綜合比較，主要結(jié)論如下：
（1）高壓輸電線路桿塔設(shè)計(jì)壽命一般為50 年，結(jié)構(gòu)形式1（Φ20）產(chǎn)品不適合鹽漬土、鹽堿地等易腐蝕區(qū)域，運(yùn)行壽命相對(duì)較低。結(jié)構(gòu)形式2（Φ28）產(chǎn)品適合，符合防腐性能要求，且綜合投資增加并不大。
（2）兩種型式接地體實(shí)際有效長(zhǎng)度均在較高允許范圍內(nèi)，無(wú)明顯浪費(fèi)。事實(shí)上有關(guān)計(jì)算表明，Φ28的圓形石墨材料，由于其非磁性，緩解高頻集膚效應(yīng)，材料的利用率可達(dá)到80%以上。
（3）在不增加外徑的前提下，按雷電流熱穩(wěn)定要求，結(jié)構(gòu)形式1（Φ20）產(chǎn)品中心必須配置金屬導(dǎo)體以降低產(chǎn)品自身電阻率來(lái)降低瞬時(shí)大幅溫升。
（4）純?nèi)嵝允拥伢w直徑取Φ28 較為適宜，不宜過(guò)低，且材料本身電阻率不宜低于5×10-5 Ω·m，以滿足熱穩(wěn)定需求。
（5）結(jié)構(gòu)形式1（Φ20）產(chǎn)品更適合應(yīng)用于土壤電阻率過(guò)高但土壤不涉及防腐問(wèn)題的區(qū)域，此時(shí)具有較為顯著的經(jīng)濟(jì)性。