一種強通流防雷石墨基柔性接地新材料性能研究

摘要：針對現有電力系統接地領域金屬接地材料存在不足的問題，提出了一種新型的強通流柔性石墨復合接地材料，作為替代金屬接地材料的優選方案。本文介紹了一種新型的石墨基柔性接地材料，該材料具有強通流能力、耐腐蝕性和熱穩定性，適用于復雜土壤環境下的接地工程。通過試驗和仿真，對比了該材料與傳統鋼材類接地材料在耐腐蝕性、短時高頻電流耐受性等方面的性能差異。結果表明，該材料的耐腐蝕性能優于鋼材類材料，預期使用壽命超過30年；其與土壤的接觸性能也優于鋼材類材料，有利于提高輸電線路的防雷水平。

關鍵詞：石墨基柔性接地材料；強通流；性能研究；防雷應用

中圖分類號：TQ342+.743；TQ342+.83文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0107-03

Study on properties of strong flow graphite based flexible"grounding material for lightning protection

CHAO Lu，JIN Shi，AMUERSANA，WANG Haiping，ZHANG Lanjing，WANG Haiping

（Hohhot Meteorological Bureau， Hohhot 010051， China）

Abstract：In order to solve the problems of metal grounding materials in the grounding field of power system， a newtype of graphite based flexible grounding material was proposed as the preferred scheme to replace metal groundingmaterials. In this paper， a new type of graphite-based flexible grounding material was introduced， which had strongflow ability，corrosion resistance and thermal stability，and was suitable for grounding engineering in complex soilenvironment. Through experiments and simulations，the differences between the material and the traditionalsteel-type grounding material in corrosion resistance and short-time high frequency current resistance were com?pared. The results showed that the corrosion resistance of the material was better than that of steel materials，andthe expected service life was more than 30 years. Its contact performance with soil was also better than steel materi?als，which was conducive to improving the lightning protection level of transmission lines.

Key words：graphitebasedflexiblegroundingmaterial；strongflow；performancestudy；lightningprotectionapplication

近年來，石墨基柔性接地材料作為一種新型的接地材料，受到了廣泛的關注和研究。石墨基柔性接地材料是由石墨或石墨化物與其他導電填料和粘合劑復合而成的柔性材料，具有良好的導電性、抗腐蝕性、機械強度和柔韌性，可以根據需要制成不同形狀和尺寸的產品，適用于各種復雜的接地環境。石墨基柔性接地材料在防雷接地中的應用主要有2種方式：一是作為接地體或接地極，直接埋入土壤中，與雷電流形成良好的接觸；二是作為導電膠或導電涂層，涂覆在傳統金屬接地體表面，提高其導電性和抗腐蝕性。石墨基柔性接地材料在防雷接地中的應用效果已經得到了一些實際驗證，顯示出了較好的前景。

1試驗設計與方法

1. 1試驗材料

試驗所用材料為特制的強通流石墨基柔性接地材料，其由導電性石墨顆粒與柔性聚合物基質相結合而成。采用膨脹石墨制作的導電纖維編織成纜繩狀，外包一層石墨覆銅線，形成一種具有高導電性和耐腐蝕性的接地體。該接地材料的整體結構和截面結構如圖1所示。

該材料的導電散流面結構是由多層石墨納米片堆疊而成的，每層石墨納米片之間有一定的空隙，形成了導電網絡。該材料的導電散流面結構是實現強通流石墨基柔性接地材料優異性能的關鍵因素[1]。

強通流石墨基柔性接地材料采用了一種低阻抗復合強通流體結構。該結構由增韌柔性石墨線和石墨覆銅線交替疊加而成，具有良好的柔性和可塑性，能夠適應不同的接地環境。該材料的導電膠層采用了一種特殊的導電填料，能夠在高電流下形成強通流通道，提高接地效率。該材料的總厚度為2 mm，總阻抗為0.05Ω/m2，能夠承受100 kA的強通流沖擊，是一種理想的柔性接地材料[2]。

1. 2試驗設備

使用高精度電阻測量儀器（Agilent 34401A）進行電阻測量。該儀器采用四探針測量法，其中2個探針用于施加電流；另外2個探針用于測量電壓。通過測量電流和電壓之間的關系，儀器可以計算材料的電阻率。這個設備用于測量石墨基柔性接地材料的導電性能，并研究在不同環境條件下材料的電阻率變化[3]。

采用酸堿腐蝕測試裝置來模擬不同酸堿環境下的腐蝕情況。該裝置能夠控制不同濃度的酸堿溶液，并將材料暴露于這些溶液中一定的時間。這有助于評估石墨基柔性接地材料在不同腐蝕條件下的耐腐蝕性能。

為了模擬雷擊等高頻電流作用下的情況，借助高頻電流耐受性測試設備進行性能分析。該設備能夠施加短時高頻電流脈沖到材料上，以模擬雷擊情況。通過測量材料的電阻變化和性能退化情況，我們可以評估石墨基柔性接地材料在高頻電流作用下的導電性能和穩定性。

1. 3試驗方法

1. 3. 1耐酸堿腐蝕性能測試

在耐酸堿腐蝕性能測試中，首先準備一系列不同濃度的酸堿溶液，包括不同pH值的酸性和堿性溶液。然后，將預制的石墨基柔性接地材料樣品放置于腐蝕測試裝置中，分別暴露于不同的酸堿溶液中。在一定時間內，定期檢測樣品的質量變化，記錄電阻值的變化，并進行表面形態的觀察。通過比較不同條件下的測試結果，可以評估材料的耐腐蝕性能[4]。

1. 3. 2短時高頻電流耐受性測試

為模擬電力系統短路故障電流和雷電流頻譜的特點，以及石墨基柔性接地材料在實際應用中的情況，試驗進行了短時高頻電流耐受性測試，旨在評估材料在短時高頻大電流沖擊下的表現。考慮到電力系統短路故障電流含有大量高頻成分，而雷電流頻譜主要集中在10～100 kHz[5-6]。測試步驟如下：（1）準備樣品和設備。（2）設定測試參數。（3）實施測試。（4）觀察性能響應。（5）數據記錄與分析。

2結果與討論

2. 1耐酸堿腐蝕性能

根據土壤的pH值，可以將我國國土土壤分為以下幾類：酸性土壤（pH值小于6.5）、中性土壤（pH值在6.5到7.5之間）、堿性土壤（pH值大于7.5）。為了研究石墨基柔性接地材料在不同pH值的土壤中的耐腐蝕性能，本文采用了實驗室模擬土壤液的方法，測定了材料的耐腐蝕速率。

使用蒸餾水調配鹽溶液，使用醋酸和NaOH調節溶液的pH值，按照不同的pH值配制出酸性、中性和堿性的土壤模擬液，如表1所示。將石墨基柔性接地材料浸泡在土壤模擬液中，定期取出測量其質量變化和電阻變化，計算出其耐腐蝕速率[7]。

為了研究土壤環境對石墨基柔性接地材料的腐蝕影響，本文采用質量變化法測定了不同pH值的土壤模擬溶液中樣品的腐蝕率。試驗過程如下：將樣品和對照品（鋼材）分別放入酸性、中性和堿性的土壤模擬溶液中浸泡，定期取出稱重，計算質量損失率，進而得到腐蝕率，見表2。

由表2可知，石墨基接地材料在土壤模擬溶液中的腐蝕率很低，基本可以忽略不計，平均年表面腐蝕率不超過0.07%；且強通流石墨基柔性接地材料的防腐蝕特性明顯優于鋼材類材料，可以運用在各種極端的土壤環境。

2. 2短時高頻電流耐受性能

在電力系統中，石墨基柔性接地材料可以替代傳統的金屬接地材料，如鍍鋅鋼等，提高接地裝置的可靠性和安全性。但是，石墨基柔性接地材料也需要考慮其在實際工況下的適應性，特別是在遭受短路故障或雷電沖擊時的抗沖擊能力[8]。

電力系統中的短路故障電流和雷電流都含有較高的頻率成分，一般在10～100 kHz內。這些高頻成分會導致接地材料表面產生趨膚效應，即電流主要集中在表層流動，而不是均勻分布在截面上。趨膚效應會使接地材料的有效散流截面積減小，從而增加接地電阻和溫升，如圖3所示。

另外，高頻成分也會影響接地材料的徑向穿透深度，即接地材料能夠將電流有效排散到土壤中的深度。徑向穿透深度與電流的頻率、接地材料的磁導率和電導率有關。如果徑向穿透深度過小，接地材料就不能將電流及時泄散到大地中，就會造成地電位反擊現象，即接地裝置附近的土壤表面電位升高，對電氣設備和人員安全造成威脅[9]。

石墨基柔性接地材料與鋼類金屬接地材料相比，具有較低的磁導率和較高的電導率，這意味著當導體中有交流電或者交變電磁場時，石墨基材料內部的電流分布更加均勻，而鋼類材料內部的電流則集中在表面的薄層，導致內部電流較小。趨膚效應會使導體的電阻增加，損耗功率也增加，降低了接地效果[10]。因此，石墨基柔性接地材料具有更好的抗趨膚效應能力，能夠提高接地系統的可靠性和安全性。但是，在實際應用時，還需要根據不同的輸電線路參數、桿塔位置和運行環境等因素，合理選擇石墨基柔性接地材料的型號、規格和數量，以保證其在工頻和沖擊條件下滿足接地要求，并避免過渡設計或不足設計[11]。

3結語

（1）根據耐腐蝕試驗的結果，石墨基柔性接地體具有優良的耐腐蝕性能，能夠有效抵御強酸、強堿等腐蝕介質的影響，其表面腐蝕率平均每年不超過0.07％。石墨基柔性接地材料具有較強的抗腐蝕性能，能耐受各種惡劣的土壤條件，預期使用壽命超過30年；（2）石墨基柔性接地材料具有較高的導電率，能有效降低接地電阻，提高沖擊散流能力，減少雷電流對設備的危害；（3）石墨基柔性接地材料具有較好的柔韌性，能適應不同的土壤環境，與土壤緊密貼合，增加有效接觸面積，降低接觸電阻；（4）石墨基柔性接地體中加入了不銹鋼板，這樣可以增強接地體的抗短路電流沖擊能力，確保接地體結構的穩定性。

【參考文獻】

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