石墨基柔性接地纜的產品研究

 能源行業電力接地技術標委會11月7日在武漢組織召開了電力行業標準《輸電線路桿塔石墨基柔性接地體技術條件》初稿審查會。會議認為，該標準初稿結構合理，技術內容完整，編寫格式符合標準GB/T1.1—2009的要求；審查委員會委員對該標準初稿的內容提出了10條主要修改意見。
    據了解，石墨基柔性復合接地材料和柔性石墨接地極都是基于同一種材料，主要用于電力系統接地網工程，降阻性能優于其它傳統接地極，且工程的總體性價比高。
    在柔性接地材料的研究和應用方面，為了對“石墨基柔性接地材料”有更多的了解，我們轉發楊振國等近期發表的論文《高壓輸電線路石墨基柔性接地纜的產品選型研究》，以饗大家。

    隨著國內新材料、新技術以及新工藝的不斷涌現，高壓輸電線路桿塔的接地裝置型式也在不斷創新發展。近年，一種新型石墨基柔性接地纜正在逐漸被應用到高壓、特高壓桿塔接地裝置中。該型產品呈電纜狀，采用高碳石墨為主體材料，通過多道工藝編制絞合而成。與常規鍍鋅鋼接地體相比其主要優點是耐腐蝕、非磁性、大電流沖擊不反擊、耐高低溫、接地電阻穩定、免維護等。通過對國內改型接地產品調研得知，目前市場上主流的石墨基柔性接地纜主要分為兩種結構，如圖1和圖2 所示。

    此兩種產品的主要特點詳見表1。從表1 可看出，這兩種結構型式的石墨基柔性接地纜主要區別在于外徑尺寸以及內部是否存在鋼芯結構。我們重點對該兩種結構產品的防腐、防雷以及經濟性進行剖析。

    需特別關注柔性石墨的電偶腐蝕以及縫隙腐蝕。

    1)當其它金屬在電解質溶液中互相接觸，因腐蝕電位的差異而產生電流流動，這樣便構成了一個腐蝕電池，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，這種現象稱作電偶腐蝕。

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

    2）縫隙的腐蝕 當金屬部件在介質中時，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，使隙內的介質處于滯流狀態，引起縫內金屬加速腐蝕，這種局部腐蝕稱為縫隙腐蝕。

綜上，結構形式1 的石墨基柔性接地纜內部鋼線結構電偶腐蝕及縫隙腐蝕問題更為嚴重，因此在鹽漬土、鹽堿地等土壤腐蝕問題較為突出的區域應慎用。
GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》給出了一般土壤對圓鋼的腐蝕速率為0.3～0.2 mm/a。同時，明確了地下按機械強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，兩種結構型式的接地纜壽命及腐蝕率計算見表2。

    石墨在常溫下具有良好的化學穩定性能，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕，所以該材料本身的腐蝕率小于0.1%。從表2 計算結果可以看出，按照與高壓輸電線路設計壽命一致的50 年計算，兩種結構型式的產品石墨層年腐蝕率均符合要求，且理論壽命遠大于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：它的結構形式1 產品中間含有鋼結構，尚需考慮其腐蝕壽命問題。同理，常規Φ12 圓鋼而言，按初始直徑為12 mm，腐蝕后直徑為8 mm計算，則需要的腐蝕年限為13 年左右，Φ10 圓鋼為7年。結構型式1 的石墨基柔性接地纜由于需要達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結構型式1 的石墨基柔性接地纜的腐蝕速率會更快，接地網的使用壽命將更短。

    當雷電流直擊到塔頂，電流經過塔本身下行到接地線之后泄放到大地，大電流此時瞬間經過接地線導致接地線上局部溫度瞬時增高，固接地材料的選材時必須得考慮到它的本身的熱穩定性，不然容易被宛如其來的瞬間高溫燒斷接地線路，從而引起接地裝置的失效。

    我國高壓配電線路接地體的設計中，運用用的雷電流取100 kA，用式1 計算得出來超過100 kA雷電流幅值概率僅為7.3%，由此可以看出超過該幅值100 kA的電流的雷電概率較低。圖3 為按公式1 計算、繪制的雷電流幅值概率曲線。

    以100 kA雷電流幅值進行計算，僅考慮采用柔性石墨（不含鋼）作為接地材料時，計算得到的接地體瞬時溫升見表3。從表3 可以看出，結構型式2 產品接地體直徑較大，其瞬時溫升理論值為180.3 ℃，而結構型式1 將達到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，其物理性質幾乎沒有什么變化，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械強度，目前市面上在該產品中均加入了玻璃纖維等材料，其耐受溫度一般不超過300 ℃。可見，為降低材料本身的電阻以降低溫升，Φ20 直徑的結構形式1 產品必須在中心加入金屬，提高導電性能以滿足溫升要求，避免被燒斷進而導致整個接地系統失效發生后續雷電反擊閃絡故障。

    采用伸長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，接地極將呈現電感效應，阻礙電流向接地極遠端流動。如果接地極過長，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度。

    GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中D.1.3 規定，架空線路雷電性能計算時可采用雷電流波形為2.6/50 μs 的雙斜角波，即波前時間取T=2.6 μs。據此，不同電阻率下要求的有效水平接地體長度計算如表4所示。

    據此，對不同土壤電阻率下兩種結構型式的接地線用量進行計算，結果見表6 及圖5。由表6 及圖5理論結果可知，兩種結構型式的接地纜用量差會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范圍內變化相對較緩，差值為2～3 m左右。式（4）表明接地電阻的大小與外徑有關，它與接地材料材質無關，因此如果在不考慮兩種結構產品是否采用鋼絞線而產生的價格差異，在達到同等降阻效果的條件下，外徑較小的結構形式1 石墨接地纜使用長度更長一些，接地溝開挖量也相對更大一些，施工成本略高。若不存在土壤防腐問題，以土壤電阻率800 Ω·m為例，參考表1 給出的兩種結構形式的材料價格，經計算，使用結構形式2 的石墨基柔性接地纜比使用結構形式1 的能夠節省綜合費用約1000元，對于桿塔接地工程的石墨接地材料選型具有一定的指導意義。

對目前國內市場上較為常見的兩種結構高壓輸電線路新型石墨基柔性接地纜的抗腐蝕、防雷以及經濟性方面進行了綜合比較，主要結論如下：
（1）高壓輸電線路桿塔設計壽命一般為50 年，結構形式1（Φ20）產品不適合鹽漬土、鹽堿地等易腐蝕區域，運行壽命相對較低。結構形式2（Φ28）產品適合，符合防腐性能要求，且綜合投資增加并不大。
（2）兩種型式接地體實際有效長度均在較高允許范圍內，無明顯浪費。事實上有關計算表明，Φ28的圓形石墨材料，由于其非磁性，緩解高頻集膚效應，材料的利用率可達到80%以上。
（3）在不增加外徑的前提下，按雷電流熱穩定要求，結構形式1（Φ20）產品中心必須配置金屬導體以降低產品自身電阻率來降低瞬時大幅溫升。
（4）純柔性石墨接地體直徑取Φ28 較為適宜，不宜過低，且材料本身電阻率不宜低于5×10-5 Ω·m，以滿足熱穩定需求。
（5）結構形式1（Φ20）產品更適合應用于土壤電阻率過高但土壤不涉及防腐問題的區域，此時具有較為顯著的經濟性。