考慮多層土壤電阻的石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能研究

楊健銘，姜鵬，柏曉路，張勝峰，務孔永，楊易斐

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴州 貴陽 550081；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；3.河南四達電力設備股份有限公司，河南 長葛 461503）

為了保障電力設備能夠在電阻率高，地形復雜，雷雨季較長的土壤區域中安全有效地運行，可以通過安裝多層復合材料石墨烯銅層接地系統(即石墨烯復合接地極)，降低電力設備被雷擊損壞頻率，減少人身被雷擊傷害事故，由此國內外學者對石墨烯快復合快速接地裝置進行了研究。文獻

[1]學者針對均勻土壤研究短垂直接地棒對雙層土壤的降阻效果，結果證明，短垂直接地棒對小接地網具有一定的降阻效果，但是，由于現有的研究針對的是均勻土壤中的降阻性能研究，在多層土壤電阻的環境中降阻性能還未深入研究。為解決上述問題，進行石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能研究，為工程接地提供參考。

1 考慮多層土壤電阻的石墨烯電化學性能

1.1 計算石墨烯電容

本文通過模擬石墨烯阻抗譜等效電路，分析石墨烯電容性質。多層土壤電阻的石墨烯阻抗譜模擬等效電路圖，如圖1所示。

圖1 多層土壤電阻的石墨烯阻抗譜模擬等效電路圖

在圖1中，d為石墨烯快復合快速接地裝置雙電層電容；R為歐姆阻抗；t為石墨烯快復合快速接地電極電化學阻抗；Z為Wurburg阻抗；L為石墨烯快復合快速接地裝置降阻的極限電容。通過圖1，得到多層土壤電阻的石墨烯快復合快速接地裝置降阻中電容性質：相互平行時，石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能要比導電方向與纖維方向相互垂直時較高。為精確多層土壤電阻對石墨烯電容性質的影響，計算石墨烯快復合快速接地裝置降阻電極中活性物質的比電容，以此降低石墨烯快復合快速接地裝置接地體密度。設石墨烯快復合快速接地裝置降阻電極中活性物質的比電容為C，可得公式（1）：

式中，Q為循環伏安掃描的充電和放電過程中的平均電量；V為循環伏安掃描的電位區間；m為電極中活性物質的質量，單位為g。以此為理論依據，提高石墨烯快復合快速接地裝置降阻能力。

1.2 分析石墨烯導電性

為分析石墨烯導電性，根據公式（1）計算和對比多層土壤電阻下，得到石墨烯快復合快速接地裝置和短垂直接地棒兩種方法的比電容數據，由于多層土壤電阻的共同作用，石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能必然是一個復數。通過石墨烯的導電性能夠直接反映出石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能。設考慮多層土壤電阻的石墨烯導電性計算表達式為s，則有：

式中，I為石墨烯快復合快速接地裝置降阻過程中的恒流放電電流。通過得出石墨烯導電性，分析考慮多層土壤電阻的石墨烯快復合快速接地裝置降阻導電性。考慮多層土壤電阻的石墨烯電化學性能總述表，如表1所示。

結合表1所示，土壤電阻層次越多，石墨烯導電性越弱，降阻速率能力越高。

2 設計采用接地降阻石墨烯復合接地體的接地網

基于上述研究，設計采用接地降阻石墨烯復合接地體的接地網，得到表1中參數對接地裝置電阻的影響如圖2所示。

圖2 降阻速率能力和導電性對接地裝置電阻的影響

表1 考慮多層土壤電阻的石墨烯電化學性能總述表

由圖2可知，石墨烯復合接地極材料對接地裝置電阻的影響較小。因此，石墨烯復合接地極材料性能穩定，施工簡單，安裝便利，對地面的破壞程度小。多層復合石墨烯接地棒（如圖3所示）是一種新型導電材料，經過高溫膨化加入石墨烯、銅、銀等金屬滲透到接地棒里，使之比其他普通接地材料放電速度快3～5倍。這種新型接地棒因芯棒與地棒直接通過過盈配合，簡化生產工藝，提高了生產效率，特別是安全接地棒，不需要復雜的大型工具，只需一把油鎬即可施工安裝，有效地提高了安裝效率，節省了人力物力。

圖3 多層復合石墨烯接地棒

由于市場的接地系統的芯棒一般都是直接在鋼棒的外表面覆一層鋼，然而，由于銅材料和鋼材料的金相組織結構的差異，使得銅層與鋼棒表面的黏合力不夠，導致銅層覆在鋼棒的表面后極容易局部脫落或者因其與土壤的摩擦而剝落。石墨烯復合接地體棒與棒之間無須羅紋，只有公與母插入式，石墨烯、銅等多種金屬材料燒結大大提高了其棒與金屬的結合度，對接地體本身的機械硬度、導電能力、防腐性能、防凍等都分別與傳統提高了5～15倍。

因此，設計采用接地降阻石墨烯復合接地體的接地網可以在充分考慮多層土壤電阻的情況下，在保證降阻效果的情況下，可以有效提高石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能。

3 結語

通過考慮多層土壤電阻的石墨烯快復合快速接地裝置降阻性能研究，能夠取得一定的研究成果。通過不同參數對接地裝置電阻的影響對比分析，石墨烯復合接地極裝置的降低接地電阻效果優于其他傳統接地極，節約開挖土方量，減少施工強度、青賠費用，縮減施工時間；特別在交通不便的山區，不需要再搬運焊機等笨重設備，安裝流程簡化，搭接連接即可，大大縮短了安裝施工時間，總體性價比高。