帶狀柔性石墨接地體制備及阻抗性能研究

劉德友，務孔永，李偉性，袁文俊，廖 鵬，李斌明

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.河南四達電力科技研究院有限公司，河南 許昌 461500）

0 引 言

石墨廣泛應用于精密模具、冶金化工機械、光伏半導體、玻璃陶瓷工藝以及儀器儀表等領域。根據石墨的基本形態，可分為球狀石墨、帶狀柔性石墨接地體和塊狀石墨。由于帶狀柔性石墨接地體結構獨特，已廣泛應用于電力行業[1]。為了準確獲得帶狀柔性石墨接地體的阻抗性能和分析帶狀柔性石墨接地體制備對阻抗性能的影響，本文結合實際帶狀柔性石墨接地體制備生產工藝，利用Keysight E4990A型阻抗分析儀進行條件對比實驗，對帶狀柔性石墨接地體的制備及阻抗性能進行研究，詳細分析帶狀柔性石墨接地體的各階段生產工藝以及生產參數控制，結合抗阻性分析，分析不同品質、不同橫截面積、不同長度以及不同溫度狀態的帶狀柔性石墨接地體阻抗性能，完成了對提出的帶狀柔性石墨接地體的制備及阻抗性能研究。

1 帶狀柔性石墨接地體的制備

帶狀柔性石墨接地體的制備與傳統石墨制備相似，以可膨鱗片石墨為原料，進行高溫膨化、碾壓成膜、添加粘結劑、添加玻纖、剪切成條、編織成線等。但是，由于石墨的具體形態與傳統石墨不同，帶狀柔性石墨接地體的制備過程參數需嚴謹控制，選擇一次成型工藝，如圖1所示[2]。

圖1 帶狀柔性石墨接地體制備流程圖

選用天然鱗片石墨（固定碳含量≥99%），經插層、水洗、烘干以及高溫膨化等處理后，使其膨脹自身體積100～300倍得到膨脹石墨[3]。膨脹石墨的導電率比鱗片石墨大幅提升，其表面自由能和表面活性也迅速增加，因而具有強吸附性和自粘性，可不加任何粘結劑直接壓制成各種制品，具有良好的可加工性能。插層方法采用化學氧化法，將98.0wt.%的濃硫酸稀釋至80.0wt.%冷卻，與硝酸按一定比例配成混酸。在不斷攪拌的條件下加入天然鱗片石墨，插層劑離子或基團可與被氧化的碳原子相結合制得插層石墨，反應一段時間后進行水洗、抽濾和烘干處理。膨脹方法采用高溫膨脹法，將裝有插層石墨的石英燒杯置于600～1 000 ℃的爐膛，半掩爐門觀察插層石墨的膨脹情況，不再膨脹時取出冷卻。鱗片石墨的石墨層結合緊密，排列整齊有序，而制備的膨脹石墨呈蠕蟲狀。石墨蠕蟲由許多微胞組成，微胞間存在大量縫隙，孔徑很大，柔韌性好，硫含量低。

為了更好地對編織好的柔性石墨接地體進行壓實，在保證足夠的壓力前提下，應保證足夠的下壓時間，防止帶狀柔性石墨接地體回彈，降低帶狀柔性石墨接地體密度。其中，壓力與對應時間關系為[4]：

式中，δ代表帶狀柔性石墨接地體所需的最小下壓壓力；F代表配料選用的石墨粒度；q代表各石墨粒度比例。石墨化會造成大量能源的損失，且易造成石墨電阻率的提升，導電性能下降，為此石墨化的時間應嚴格按照要求進行控制。石墨化計算時間公式為[5]：

式中，m代表帶狀柔性石墨接地體的體積，單位m3；W代表帶狀柔性石墨接地體的質量，單位kg；Q代表帶狀柔性石墨接地體的膨化溫度。基于帶狀柔性石墨接地體生產過程中的高溫膨化、碾壓成膜、添加粘結劑、添加玻纖、剪切成條以及編織成線等操作，實現了帶狀柔性石墨接地體的制備。

2 帶狀柔性石墨接地體的阻抗性能研究

為了對帶狀柔性石墨接地體阻抗性進行研究，本文采用德科技（中國）有限公司生產的Keysight E4990A型阻抗分析儀對不同的帶狀柔性石墨接地體進行分析。

阻抗性能是帶狀柔性石墨接地體的重要物理參數，用于衡量帶狀柔性石墨接地體在電路中電流所起的阻礙作用大小，通常用Z表示。阻抗性能是一個復數，有實部和虛部組成，其中實部代表帶狀柔性石墨接地體的電阻大小，虛部代表帶狀柔性石墨接地體的電抗大小。電阻是帶狀柔性石墨接地體本身具有的特性，表示單位電壓下阻礙電流流動的能力。阻抗性能計算示意圖如圖2所示。

圖2 阻抗性能計算示意圖

圖2 中，R代表帶狀柔性石墨接地體的電阻；j為虛數單位；X為虛部，是ωL-1/ωc的值，單位為Ω；θ代表容抗與感抗向量，即電角度。

為了分析不同品質、不同橫截面積、不同長度以及不同溫度狀態的帶狀柔性石墨接地體阻抗性能，設置了12個實驗組，控制不同變量變化范圍分析帶狀柔性石墨接地體阻抗的變化情況。其中，實驗1組采用帶狀柔性石墨接地體長度1 m，橫截面積4.8×10-4m2，實驗溫度為20 ℃，選用帶狀柔性石墨接地體品質為85%優良；實驗2組，保證實驗其他參數不變，選用品質為95%優良的帶狀柔性石墨接地體進行對比實驗；實驗3組同實驗2組，保證實驗其他參數不變，選用品質為99%優良的帶狀柔性石墨接地體進行對比實驗；實驗4組～實驗6組，其固定變量為石墨長度合實驗溫度，采用帶狀柔性石墨接地體長度1 m，實驗溫度為20 ℃，選用帶狀柔性石墨接地體品質為99%優良，控制帶狀柔性石墨接地體橫截面積變化，實驗4組～實驗6組帶狀柔性石墨接地體橫截面積分別為2.0×10-4m2、4.8×10-4m2、7.2×10-4m2；實驗7組～實驗9組，其固定變量為石墨橫截面積和實驗溫度，帶狀柔性石墨接地體橫截面積為4.8×10-4m2，實驗溫度為20 ℃，選用帶狀柔性石墨接地體品質為99%優良，控制帶狀柔性石墨接地體長度變化，實驗7組～實驗9組帶狀柔性石墨接地體長度分別為2 m、1.5 m、1 m；實驗10組～實驗12組，其固定變量為石墨橫截面積和石墨長度，帶狀柔性石墨接地體橫截面積為4.8×10-4m2，帶狀柔性石墨接地體長度1 m，選用帶狀柔性石墨接地體品質為99%優良，控制帶狀柔性石墨接地體長度實驗環境溫度的變化，實驗10組～實驗12組帶狀柔性石墨接地體試驗環境溫度分別為20 ℃、0 ℃、-15 ℃。

根據帶狀柔性石墨接地體阻抗性能分析實驗要求進行對比實驗，并將對比實驗結果記錄在統一的表中，如表1所示。

表1 實驗數據結果統計表

分析實驗數據結果統計表表1可以得出，在不同品質的帶狀柔性石墨接地體下，隨著品質的不斷提高，帶狀柔性石墨接地體的阻抗不斷減小，其帶狀柔性石墨接地體的品質有利于改善帶狀柔性石墨接地體的阻抗。在選擇相同品質的帶狀柔性石墨接地體下，在相同長度和相同溫度的前提下，帶狀柔性石墨接地體的截面積越大，測定的阻抗越小，帶狀柔性石墨接地體的主抗與截面積成反比；反之，帶狀柔性石墨接地體截面積越小，測定的阻抗越大。其他變量不變，帶狀柔性石墨接地體的長度越大，帶狀柔性石墨接地體的阻抗越大，帶狀柔性石墨接地體的阻抗與長度成正比；反之，帶狀柔性石墨接地體的長度越小，阻抗越小。隨著試驗溫度的降低，帶狀柔性石墨接地體阻抗不斷減小，得出帶狀柔性石墨接地體的阻抗與環境溫度成正比。

3 結 論

本文提出了帶狀柔性石墨接地體制備及阻抗性能研究，基于帶狀柔性石墨接地體生產過程控制，實現了帶狀柔性石墨接地體的制備。利用Keysight E4990A型阻抗分析儀，分析不同品質、不同橫截面積、不同長度以及不同溫度狀態的帶狀柔性石墨接地體阻抗性能，實現了對提出的帶狀柔性石墨接地體的制備及阻抗性能研究，得出了影響帶狀柔性石墨接地體阻抗的因素主要為自身電阻的大小，自身容抗對帶狀柔性石墨接地體的影響較小。因此，帶狀柔性石墨接地體在經過大電流沖擊時容抗影響阻抗的較小，帶狀柔性石墨接地體阻抗的變化也較小，增大了電流泄放效率，保證了設備安全，更適用于輸電線路的防雷接地。