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

（國網寧夏電力有限公司，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定、安全運行的關鍵環節［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。以往電力系統大多采用銅、鋼等金屬GM［2-3］，由于金屬長期埋在土壤內，受到外界因素影響，極易出現腐蝕問題，對GM 的使用壽命產生嚴重影響，容易導致重大災害事故發生。同時金屬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重制約；并且以金屬制成的GM 在受到雷電流沖擊下產生的升溫問題也受到相關研究人員的普遍關注［5-6］。

為解決上述問題，保障高壓輸電線路的穩定安全運行，石墨柔性材料被廣泛應用于高壓輸電線路接地工程中。石墨柔性材料的主要優勢體現在耐溫差、耐腐蝕、導電導熱、抗輻射等方面［7-8］，且具有較高的壓縮性和回彈性，對環境無污染，在上世紀中后期成為新型材料，被普遍應用在導熱、導電等領域［9］。石墨柔性材料應用過程中，膠粘劑與纖維的耐溫性能無法滿足工頻短時故障大電流過程中熱穩定性要求。為改善此問題，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 的實際工程應用提供理論依據。

1 石墨覆銅柔性接地材料制備與性能測試

1.1 原料

GCFGM 制備所需原料見表1。

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

1.2 制備過程

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 個環節，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含量，提升鱗片石墨壓制成型便利性，利用濃硫酸、過氧化氫、高錳酸鉀等化學物質對碳含量98% 的鱗片石墨實施酸化處理［10-11］，獲取膨脹石墨。將膨脹石墨進行高溫處理獲取可壓制成型的膨脹石墨，處理時間為4s±1s。

（2）石墨紙制備：利用輥壓機對膨脹石墨進行輥壓成型處理，獲取石墨紙。

（3）雙層石墨紙制備：利用膠粘劑，經由纖維布線、浸膠工藝與加熱固化等處理程序將兩層石墨紙與玻璃纖維貼合在一起［12］，獲取雙層石墨紙。

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

（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；選取繞包形式［13］，將石墨線包覆在CNCA 外層，通過加工制作石墨覆銅線。

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

經由上述過程制成的GCFGM 結構如圖2 所示。

圖2 GCFGM 結構圖Fig. 2 Structure of GCFGM

圖2 中，數字1 區域表示玻璃纖維［14-15］，數字2 區域表示石墨覆銅線，數字3 區域表示石墨纖維線。

利用上述過程制備兩份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 性能測試

用于高壓輸電線路的GCFGM 性能測試所用儀器見表2。

表2 性能測試所用儀器Table 2 Instruments for performance test

2 GCFGM 性能分析

2.1 拉伸強度

GCFGM 在使用時需承受一定的拉伸強度，石墨柔性材料自身拉伸強度性能較差，因此在制備GCFGM 過程中加入玻璃纖維，玻璃纖維耐腐蝕、浸膠性能與拉伸強度較好，且具有明顯經濟優勢，是石墨柔性材料增韌的首選材料。GCFGM 內玻璃纖維添加量對于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度，同時用膠量隨著玻璃纖維使用量的提升而提升，將降低GCFGM 柔性，導致捻合過程難度提升；并且由于玻璃纖維使用量與用膠量的提升導致石墨使用量下降，造成GCFGM 導電性下降。若GCFGM中玻璃纖維分布較稀，將導致GCFGM 拉伸強度提升幅度不足，對石墨覆銅線編織產生消極影響。圖3 所示為玻璃纖維使用量對GCFGM 的影響，用GCFGM 內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出不同幅度的下降趨勢。在玻璃纖維間距由0mm 提升至0.25mm 的條件下GCFGM 的電阻率下降趨勢較為明顯，由3.2Ω·cm 下降至1.7Ω·cm 左右；而玻璃間距超過0.25mm 的條件下，電阻率下降趨勢變緩，達到基本平穩狀態。

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

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GCFGM 流入大地，GCFGM 在大電流極短時間經過條件下造成局部出現極短時間內溫度顯著提升，若GCFGM 的熱穩定性未達標，將導致高壓輸電線路瞬間燒斷，接地工程失效。由此可知GCFGM 的熱穩定性十分重要。

為比較GCFGM 與傳統金屬類GM 在電流一致條件下的熱穩定性能，采用雷電沖擊電壓發生器模擬雷電流，設定雷電流幅值為100kA，計算不同電流頻率和5kA/s工頻電流條件下，GCFGM 與傳統金屬GM 單位長度的溫升情況。

表3 所示為接地材料相關參數。

表3 接地材料相關參數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。上述過程中只考慮不同GM 內自感。同時設定外部空氣環境初始溫度為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大電流絕熱溫升情況。由此得到，當直流電阻一致時，GCFGM 與傳統金屬GM 相比，可顯著降低高頻阻抗，且高壓輸電線路瞬時大電流溫升值也顯著下降。當GCFGM 內銅絲由10 根提升至15 根時，高頻阻抗與瞬時大電流升溫情況也表現出小幅度下降趨勢。這一結果說明GCFGM 能夠有效防止高壓輸電線路被雷擊后出現高溫燒斷導致高壓輸電線路閃絡故障問題，且合適的銅絲數量也可提升GCFGM 的導電性能，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

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

土壤模擬液配置過程中，利用蒸餾水調制鹽溶液，利用醋酸和氫氧化鈉調節土壤模擬液pH 值，土壤模擬液配置結果見表5。

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

將上一實驗中的金屬GM 與材料B 分別放入表5 中三種不同土壤模擬液內，為降低測試誤差，選取平行試驗法，將兩種GM 分別同時實施2 組耐腐蝕性能測試，測試過程中需關注土壤模擬液體積變化，使其始終保持初始容量，整體測試過程歷時182 天。

通過失重法分析不同GM 浸入土壤模擬液前后的腐蝕速率，計算過程如下：

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

圖4 所示為不同GM 年腐蝕速率測試結果。

圖4 年腐蝕速率測試結果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，與傳統金屬GM 相比顯著降低，說明GCFGM 耐腐蝕性能明顯優于傳統金屬GM。

3 結語

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。由于研究時間與文章篇幅所限，對石墨覆銅柔性接地材料有效接地長度、地網感抗性能經濟性以及其趨膚效應等分析將在后續研究中進行。