論金屬和非金屬材料柔性接地的實際應用

李鳳和

(中國電建集團四平線路器材有限公司，吉林 四平 136001)

架空輸電線路是用絕緣體將輸電線固定在直立于地面的桿塔上用以傳輸電能，它由導線、架空地線、桿塔、絕緣子串、防雷裝置、接地網等部分組成。而桿塔的防雷接地系統主要是由避雷裝置，連接引下線和接地網組成，并會有故障產生，其原因有：①避雷裝置老化，絕緣水平下降，經受不起過高的雷電沖擊過電壓；②接地網泄流能力和承載電荷能力不足，不能感應數量相當的雷云反電荷， 不能中和雷云電荷，產生大量的電荷堆積，造成過電壓；③接地網的工頻電阻或沖擊電阻過高不能滿足系統運行要求；④避雷裝置和接地網的連接配合存在薄弱環節，比如引下線焊接不良、蝕銹等等。

針對以上故障原因，石墨柔性接地的出現較好的解決了這個問題。重慶電力公司對部分鐵塔進行了改造，通過使用非金屬的石墨柔性接地產品，可以有效迅速地改善接地網的泄流承載能力，降低接地電阻，建立一條長效的泄放故障電流的通道。

1 接地體的發展歷史和現狀

（1）第一代接地體由早期的鋼、鍍鋅鋼等金屬接地體組成。耐腐蝕性差，焊接連接，施工困難，周期長，需要維護且費用高昂；腐蝕也使引下線的連接存在薄弱環節，導致接地網的有效面積就會減少。

（2）第二代接地體由第一代的材料加上降阻劑組成。利用細石墨粉、固化劑、潤滑劑等配制而成，使用于金屬導體和土壤之間，使它們緊密接觸，增加了電流流通面積，降低了周圍土壤電阻率。但對金屬有腐蝕，容易流失，也不環保；隨著時間的推移，降阻劑數量減少，最終接地電阻阻值增大。

（3）第三代接地體離子接地和鍍銅及陰極保護產品。利用電解質和金屬外層結合并反應產生自由離子達到更佳導電性，增加了電流流通面積。但電解質壽命有限，易被雨水稀釋，金屬外層會被內部鹽溶液腐蝕，降低降阻效率；鍍銅產品仍然有腐蝕問題；陰極保護價格昂貴。

（4）第四代接地體石墨柔性接地體是新一代接地體，它主要從兩方面著手解決問題：改善材料的腐蝕性；增強介質的泄流性能--建立長效的泄流通道。它無土壤接觸電阻、防腐蝕能力強、可消除雷擊過電壓、連接不需要焊接、工程施工容易、使用壽命長，柔軟性能好。它的雷電沖擊變化率平均是0.7%，大大低于標準規定的20%；它的降阻效果顯著，降阻系數為0.16，而前三代產品，降阻效率系數只有0.8左右。

2 理想接地系統

理想接地系統應保證電力系統運行的持續性、穩定性、連貫性、安全性和經濟性。讓我們從材料、連接方式、施工、安裝以及運行維護等方面來定義該系統。

a.導電性，熱穩定性能強；b.耐酸、堿和有機溶劑腐蝕，不污染環境；c.與土壤接觸電阻小，工頻和沖擊電阻小；d.能迅速泄放故障電流，無安全隱患(無過電壓，無地電位反擊)；e.連接方式可靠且無需焊接；f.吸水保水性強，使接地電阻阻值越來越小；g.柔軟性能好，抗拉強度高；h.產品輕便，搬運方便；i.安裝簡單容易，施工周期短；j.運行免維護，使用壽命長。

3 石墨是理想的接地體

石墨是碳同素異形體。原子內有大量的自由電子，最外層4個電子在形成石墨六元環時只共用3個電子，多余的1個自由電子在外加電場的作用下，作定向移動而導電；自由電子之間能進行動態能量傳遞而導熱。石墨的非金屬屬性和如下屬性使它成為理想的接地體。

導電性：導電性比一般非金屬高很多；

導熱性：導熱性超過鋼、鐵、銅等金屬材料；

耐腐蝕性：非金屬的元素，不易被氧化腐蝕，腐蝕率很低；

耐高溫及低溫的屬性：熔點為3850℃，沸點為4250℃；膨脹系數小，體積穩定；低溫下，膨脹系數小能抗急冷急熱變化；

吸附性：空隙結構，有很好的吸附性，易吸附水分、氣味等；

潤滑性：摩擦系數小，潤滑性能好，與土壤的粘和度高；

化學穩定性：在常溫下化學穩定性好，能耐酸、堿和有機溶劑的腐蝕；

可塑性：韌性好，可碾成很薄的薄片；

抗熱震性：常溫下，能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞；溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋。

4 石墨接地極沖擊散流特征-雷擊事故低

a.接地極或接地體的沖擊系數越小，其散流能力就越強；b.石墨接地極的沖擊系數最小，其散流能力最強；并且并聯比串聯效果更好；泄散雷電流迅速；c.石墨的非金屬特性決定其能緩解集膚效應，尤其是高頻集膚效應；可提高其材料的導流利用系數；d.金屬的沖擊系數比較接近，比非金屬的沖擊系數大，散流能力比非金屬弱；

離子接地體即使體內含有低阻非金屬成分，但是受物理限制，效果不明顯。

5 銅、鍍鋅鋼和石墨接地體性能比較

表1 接地材料的比較

銅包鋼 φ20x1500 11 8.55 0.78鋅包鋼 φ20x1500 8.9 6.84 0.77鍍鋅鋼 φ20x1500 8.2 6.31 0.77不銹鋼包鋼 HEV 2.3 1.7 0.74不銹鋼包鋼 CET 2.8 2 0.71 3米離子接地體 鋼質 2.5 1.9 0.76 3米離子接地體 鋅包鋼質 2.4 1.7 0.71 3米離子接地體 銅質 2.4 1.72 0.72 1個水平敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 8.8 5.8 0.66 1個垂直敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 11 5.73 0.52 2個水平串聯敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 8.5 4.74 0.56 2個水平并聯敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 7.2 2.22 0.31接地材料 規格 工頻電阻Ω 沖擊電阻Ω 沖擊系數銅包鋼 φ20x1500 11 8.55 0.78鋅包鋼 φ20x1500 8.9 6.84 0.77鍍鋅鋼 φ20x1500 8.2 6.31 0.77不銹鋼包鋼 HEV 2.3 1.7 0.74不銹鋼包鋼 CET 2.8 2 0.71 3米離子接地體 鋼質 2.5 1.9 0.76 3米離子接地體 鋅包鋼質 2.4 1.7 0.71 3米離子接地體 銅質 2.4 1.72 0.72 1個水平敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 8.8 5.8 0.66 1個垂直敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 11 5.73 0.52 2個水平串聯敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 8.5 4.74 0.56 2個水平并聯敷設石墨柔性接地極 φ120x1000 7.2 2.22 0.31

6 石墨柔性接地產品的技術特點及應用優勢

（1） SH系列B型長效降阻防雷接地體。獲國家專利，專利號是ZL 201420202635.5。是國內外新一代降阻材料，其導電性好，耐腐蝕性強，降阻性能好，是理想的非金屬接地材料，而且連接不用焊接，工程施工簡單。

（2）石墨降阻布。獲國家專利，專利號是ZL 201420687730.9。是國內外新一代降阻材料，它避免了傳統降阻劑、降阻模塊的弊端，降阻布在施工敷設過程中，方便，適合搬運，環保無毒，不隨雨水流失，不污染土壤、埋敷均勻、性能穩定可靠，具有良好的長效性；與石墨接地體、線等結合，建立了一條長效的泄流通道，適用于防雷接地領域。

（3）石墨柔性接地模塊。采用化學性能穩定的石墨材料作為模塊的導電介質，應用范圍廣。

（4）石墨柔性接地體。通過液體溶解組成物質，在澆筑到接地體周圍后滲透凝固成膠體，降阻效果顯著，降阻系數為0.16。也可以顯著降低沖擊響應，使雷電沖擊變化率平均為0.7%，大大低于標準規定的20%。尤其在高土壤電阻率的地區使用石墨柔性接地體，不但可以降低接地電阻，而且對環保無污染，一旦成形，埋于地下就不再溶解于水，而且含水量穩定，與石墨接地體、線等結合，可以建立一條長效的泄流通道。

（5）石墨復合接地材料專用連接件。獲國家專利，專利號是ZL 201520719443.6；該連接件是一種插銷壓接防雷接地體連接件，具有施工方便，連接可靠，接觸電阻小，構造簡單、防腐耐用、使用成本低等優點。綜上所述，石墨柔性接地體是目前最理想的接地材料，完全可以替代目前的傳統接地體，而且還具備運輸方便、施工簡單等特點，是架空輸電線路建設過程降低成本、減少故障的理想施工材料。