用于高壓輸電線路的石墨覆銅柔性接地材料性能分析

潘亮亮，宋仕軍，郭文東，相中華，馬 奎

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川750001)

高壓輸電線路接地工程是確保高壓輸電線路與高壓變電站等穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］，接地材料（Grounding material，GM）的選擇與性能研究是高壓輸電線路接地工程中的重中之重。以往電力系統(tǒng)大多采用銅、鋼等金屬GM［2-3］，由于金屬長(zhǎng)期埋在土壤內(nèi)，受到外界因素影響，極易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，對(duì)GM 的使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，容易導(dǎo)致重大災(zāi)害事故發(fā)生。同時(shí)金屬GM 具有彈性模量大的特性［4］，造成高壓輸電線路中電氣接地效果受到嚴(yán)重制約；并且以金屬制成的GM 在受到雷電流沖擊下產(chǎn)生的升溫問(wèn)題也受到相關(guān)研究人員的普遍關(guān)注［5-6］。

為解決上述問(wèn)題，保障高壓輸電線路的穩(wěn)定安全運(yùn)行，石墨柔性材料被廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路接地工程中。石墨柔性材料的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在耐溫差、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱、抗輻射等方面［7-8］，且具有較高的壓縮性和回彈性，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在上世紀(jì)中后期成為新型材料，被普遍應(yīng)用在導(dǎo)熱、導(dǎo)電等領(lǐng)域［9］。石墨柔性材料應(yīng)用過(guò)程中，膠粘劑與纖維的耐溫性能無(wú)法滿足工頻短時(shí)故障大電流過(guò)程中熱穩(wěn)定性要求。為改善此問(wèn)題，研究一種石墨覆銅柔性接地材料（Graphite Copper-clad Flexible Grounding Material，GCFGM），將其應(yīng)用于高壓輸電線路工程中。本文致力于用于高壓輸電線路的石墨覆銅柔性接地材料性能分析，希望為GCFGM 的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 石墨覆銅柔性接地材料制備與性能測(cè)試

1.1 原料

GCFGM 制備所需原料見(jiàn)表1。

表1 GCFGM 制備所需原料Table 1 Raw materials for gcfgm preparation

1.2 制備過(guò)程

圖1 所示為用于高壓輸電線路的GCFGM 制備流程。

圖1 GCFGM 制備流程Fig. 1 Preparation process of GCFGM

GCFGM 制備流程可分為6 個(gè)環(huán)節(jié)，分別是膨脹石墨制備、石墨紙制備、雙層石墨紙制備、石墨線制備、石墨覆銅線、接地材料制備。

（1）膨脹石墨制備：為降低鱗片石墨中的碳化物雜質(zhì)含量，提升鱗片石墨壓制成型便利性，利用濃硫酸、過(guò)氧化氫、高錳酸鉀等化學(xué)物質(zhì)對(duì)碳含量98% 的鱗片石墨實(shí)施酸化處理［10-11］，獲取膨脹石墨。將膨脹石墨進(jìn)行高溫處理獲取可壓制成型的膨脹石墨，處理時(shí)間為4s±1s。

（2）石墨紙制備：利用輥壓機(jī)對(duì)膨脹石墨進(jìn)行輥壓成型處理，獲取石墨紙。

（3）雙層石墨紙制備：利用膠粘劑，經(jīng)由纖維布線、浸膠工藝與加熱固化等處理程序?qū)蓪邮埮c玻璃纖維貼合在一起［12］，獲取雙層石墨紙。

（4）石墨線制備：對(duì)雙層石墨紙實(shí)施切割處理，獲取寬度一致的石墨帶，通過(guò)捻合過(guò)程將石墨帶與玻璃纖維結(jié)合成為石墨線。

（5）石墨覆銅線：將CNCA 包覆在銅線外層，使銅線全部被包覆在CNCA 內(nèi)；選取繞包形式［13］，將石墨線包覆在CNCA 外層，通過(guò)加工制作石墨覆銅線。

（6）柔性接地材料制備：將內(nèi)層石墨覆銅線垂直、緊密排列，形成通流體；利用柔性石墨線編織外層散流面，利用整形過(guò)程制備GCFGM。

經(jīng)由上述過(guò)程制成的GCFGM 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 GCFGM 結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of GCFGM

圖2 中，數(shù)字1 區(qū)域表示玻璃纖維［14-15］，數(shù)字2 區(qū)域表示石墨覆銅線，數(shù)字3 區(qū)域表示石墨纖維線。

利用上述過(guò)程制備兩份GCFGM，兩份材料中銅絲使用量分別為10 根和15 根，兩份材料分別命名為材料A 和材料B。

1.3 性能測(cè)試

用于高壓輸電線路的GCFGM 性能測(cè)試所用儀器見(jiàn)表2。

表2 性能測(cè)試所用儀器Table 2 Instruments for performance test

2 GCFGM 性能分析

2.1 拉伸強(qiáng)度

GCFGM 在使用時(shí)需承受一定的拉伸強(qiáng)度，石墨柔性材料自身拉伸強(qiáng)度性能較差，因此在制備GCFGM 過(guò)程中加入玻璃纖維，玻璃纖維耐腐蝕、浸膠性能與拉伸強(qiáng)度較好，且具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是石墨柔性材料增韌的首選材料。GCFGM 內(nèi)玻璃纖維添加量對(duì)于GCFGM性能影響顯著，若GCFGM 中玻璃纖維分布較密，將提升石墨紙拉伸強(qiáng)度，同時(shí)用膠量隨著玻璃纖維使用量的提升而提升，將降低GCFGM 柔性，導(dǎo)致捻合過(guò)程難度提升；并且由于玻璃纖維使用量與用膠量的提升導(dǎo)致石墨使用量下降，造成GCFGM 導(dǎo)電性下降。若GCFGM中玻璃纖維分布較稀，將導(dǎo)致GCFGM 拉伸強(qiáng)度提升幅度不足，對(duì)石墨覆銅線編織產(chǎn)生消極影響。圖3 所示為玻璃纖維使用量對(duì)GCFGM 的影響，用GCFGM 內(nèi)玻璃纖維間距表示比例纖維使用量，間距越大，使用量越低。

圖3 玻璃纖維使用量對(duì)GCFGM 性能的影響Fig. 3 Effect of glass fi ber consumption on GCFGM performance

由圖3（a）得到，GCFGM 的電阻率隨著比例纖維使用量的下降表現(xiàn)出不同幅度的下降趨勢(shì)。在玻璃纖維間距由0mm 提升至0.25mm 的條件下GCFGM 的電阻率下降趨勢(shì)較為明顯，由3.2Ω·cm 下降至1.7Ω·cm 左右；而玻璃間距超過(guò)0.25mm 的條件下，電阻率下降趨勢(shì)變緩，達(dá)到基本平穩(wěn)狀態(tài)。

由圖3（b）得到，GCFGM 的拉伸強(qiáng)度隨著比例纖維使用量的下降表現(xiàn)出不同幅度的下降趨勢(shì)。在玻璃纖維間距提升至0.25mm 的條件下，GCFGM 的拉伸強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為明顯，而玻璃間距超過(guò)0.25mm 時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降趨勢(shì)變緩，達(dá)到基本平穩(wěn)狀態(tài)。

綜合圖3 得到，在GCFGM 中玻璃纖維間距為0.25mm的條件下，GCFGM 綜合性能最佳。

2.2 雷電沖擊性能

在高壓輸電線路受到雷電流沖擊條件下，雷電流通過(guò)GCFGM 流入大地，GCFGM 在大電流極短時(shí)間經(jīng)過(guò)條件下造成局部出現(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)溫度顯著提升，若GCFGM 的熱穩(wěn)定性未達(dá)標(biāo)，將導(dǎo)致高壓輸電線路瞬間燒斷，接地工程失效。由此可知GCFGM 的熱穩(wěn)定性十分重要。

為比較GCFGM 與傳統(tǒng)金屬類GM 在電流一致條件下的熱穩(wěn)定性能，采用雷電沖擊電壓發(fā)生器模擬雷電流，設(shè)定雷電流幅值為100kA，計(jì)算不同電流頻率和5kA/s工頻電流條件下，GCFGM 與傳統(tǒng)金屬GM 單位長(zhǎng)度的溫升情況。

表3 所示為接地材料相關(guān)參數(shù)。

表3 接地材料相關(guān)參數(shù)Table 3 Relevant parameters of ground materials

依照電壓與電流的幅值和相位值，確定各頻率交變流條件下，不同GM 的等效阻抗。上述過(guò)程中只考慮不同GM 內(nèi)自感。同時(shí)設(shè)定外部空氣環(huán)境初始溫度為24℃。

表4 所示為不同高壓輸電線路GM 在不同雷電流頻率下的阻抗值與工頻條件下瞬時(shí)大電流絕熱溫升情況。由此得到，當(dāng)直流電阻一致時(shí)，GCFGM 與傳統(tǒng)金屬GM 相比，可顯著降低高頻阻抗，且高壓輸電線路瞬時(shí)大電流溫升值也顯著下降。當(dāng)GCFGM 內(nèi)銅絲由10 根提升至15 根時(shí)，高頻阻抗與瞬時(shí)大電流升溫情況也表現(xiàn)出小幅度下降趨勢(shì)。這一結(jié)果說(shuō)明GCFGM 能夠有效防止高壓輸電線路被雷擊后出現(xiàn)高溫?zé)龜鄬?dǎo)致高壓輸電線路閃絡(luò)故障問(wèn)題，且合適的銅絲數(shù)量也可提升GCFGM 的導(dǎo)電性能，以滿足其升溫需求。

表4 不同GM 的阻抗及升溫Table 4 Resistance and temperature rise of different GM

2.3 耐腐蝕性能

高壓輸電線路應(yīng)用具有普遍性，不同地理區(qū)域土壤酸堿度有所差異，根據(jù)酸堿度差異可將我國(guó)土壤分為酸性、中性和堿性三類，因此GCFGM 耐腐蝕性能分析過(guò)程中，利用土壤模擬液實(shí)施GCFGM 耐腐蝕性能研究。

土壤模擬液配置過(guò)程中，利用蒸餾水調(diào)制鹽溶液，利用醋酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)土壤模擬液pH 值，土壤模擬液配置結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 腐蝕性能測(cè)試土壤模擬液Table 5 Soil simulation solution for corrosion performance test

將上一實(shí)驗(yàn)中的金屬GM 與材料B 分別放入表5 中三種不同土壤模擬液內(nèi)，為降低測(cè)試誤差，選取平行試驗(yàn)法，將兩種GM 分別同時(shí)實(shí)施2 組耐腐蝕性能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中需關(guān)注土壤模擬液體積變化，使其始終保持初始容量，整體測(cè)試過(guò)程歷時(shí)182 天。

通過(guò)失重法分析不同GM 浸入土壤模擬液前后的腐蝕速率，計(jì)算過(guò)程如下：

式（1）內(nèi)，m0和m分別表示GM 浸入土壤模擬液前、后的質(zhì)量，S和t分別表示GM 面積與浸入土壤模擬液時(shí)間。

圖4 所示為不同GM 年腐蝕速率測(cè)試結(jié)果。

圖4 年腐蝕速率測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Test results of annual corrosion rate

分析圖4 得到，GCFGM 在不同土壤模擬液中的年腐蝕速率基本一致，大致為0.2g·dm-2·a-1，與傳統(tǒng)金屬GM 相比顯著降低，說(shuō)明GCFGM 耐腐蝕性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)金屬GM。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析用于高壓輸電線路的石墨覆銅柔性接地材料性能，利用鱗片石墨等原料制備石墨覆銅柔性接地材料，從拉伸強(qiáng)度、雷電沖擊下升溫性能以及耐腐蝕性能三方面分析其性能。由于研究時(shí)間與文章篇幅所限，對(duì)石墨覆銅柔性接地材料有效接地長(zhǎng)度、地網(wǎng)感抗性能經(jīng)濟(jì)性以及其趨膚效應(yīng)等分析將在后續(xù)研究中進(jìn)行。