桿塔混凝土接地用新型無腐蝕導電材料研究

中圖分類號：TQ178 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）07-0075-04

Research on new non-corrosive conductive materials for concrete grounding of pole towers

WANG Shijun，ZHANG Yongsheng，QIU Xiangke （State Grid Jibei Electric Power Co.，Ltd.，Chengde Power Supply Company，Chengde O67OOo，Hebei China）

Abstract：In order to improve the corrosion resistanceof the concrete grounding materials of the tower and ensure the safe and stable operation of wind power facilities in mountainous areas，anew type of non-corrosive conductive material suitable forthe concrete grounding ofthe tower was developed with cement，bentonitecomposite materials， stainless steel fiber，graphene and rare earth as the main materials，and its comprehensive performance was evaluated，and it was succesfullyapplied in the foundation grounding of the built wind turbines in a certain place.The results showed that the new non-corosive conductive materials for concrete grounding of the tower could significantly improve the conductivity，mechanical propertiesandanti-corrosion properties of concrete，and all comprehensive performance indexes could meet the requirements of relevant standards.Inthe field application process，theconcrete structure prepared bythenew non -corrosive conductive material had played a good role in reducing resistance，and the resistance reduction eficiency could reach up to 63.8% ，and the power frequency grounding resistance of each grounding device had reached the design value requirements.

Key words ： tower; power grid ; concrete ; grounding materials； corrosion performance

風能作為新能源，具有清潔、可再生、利用方便等多種優點，是各國利用的重點能源[1-3]。我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富，具備風力發電的基礎條件[47]。隨著我國風力發電技術的深入發展，輸變電工程的建設項目隨之增多。

然而在山區建設風電設施時會遇到各種難題，其中之一就是接地材料的腐蝕比較嚴重，接地裝置受到腐蝕的緣由多種多樣，電化學腐蝕以及吸氧腐蝕都會導致接地裝置受損，在污染環境嚴峻的場所中，接地裝置的腐蝕緣由主要是吸氧腐蝕[8-11]。目前，我國電網接地系統多采用熱鍍鋅鋼，但鍍鋅材料可以被酸和強堿溶解，只能適用于一般大氣和天然水環境中，而在工業污染區與高腐蝕地區，鍍鋅層的耐用年限很短，已不能滿足接地系統的安全使用要求。混凝土基礎的自然接地裝置，滿足接地電阻設計要求的關鍵是導電材料[12-14]。為了設施安全穩定運行、滿足環保要求以及施工的方便，對無腐蝕導電材料以及自然接地裝置進行有益的研究和探索，具有十分重要的現實意義[15-16]。本文在分析了目前山區桿塔基礎型式及經濟技術對比的基礎之上，開展了桿塔混凝土接地用新型無腐蝕導電材料的研究工作，并在目標區域已建風電機組基礎接地中進行了成功應用，為保障保證風電機組的安全穩定運行提供一定的技術支撐。

1桿塔混凝土基礎型式比選及經濟性分析

1.1 桿塔基礎型式

桿塔基礎是輸電線路體系的重要組成部分，在設計、施工等方面都具有獨特的專業特點，輸電線路基礎承受下壓力和上拔力，同時還有較大的水平力作用。因此，因地制宜地根據不同塔位不同的基礎力、地質條件、交通運輸情況選擇適宜的基礎型式，不僅可以降低工程建設成本，而且有利于線路的安全運行以及自然環境的保護。桿塔基礎作為風電機組結構的重要組成部分，它的造價、工期和勞動消耗量在整個線路工程中占很大比重。其施工工期約占整個工期一半的時間，因此，桿塔基礎的選型在桿塔設計時應予以重視。現階段，我國應用的高壓送電線路桿塔的基礎形式非常多，主要可以概括成兩大類，即大開挖基礎和原狀土基礎。大開挖基礎主要包括臺階基礎、板式直柱基礎以及插入式基礎等。而原狀土基礎包括人工掏挖基礎、鉆孔灌注樁基礎以及人工挖孔樁基礎等。

1.2 山區桿塔基礎型式的經濟技術比較

根據本研究的主要設計控制指標，擴展基礎和梁板基礎體型設計的控制工況為正常荷載工況下基底脫開。本研究選擇對擴展基礎和梁板基礎工程量及造價經濟性進行對比，結果表明，與擴展基礎相比，梁板基礎混凝土使用量有節約，但鋼筋量增加。造價方面，梁板基礎比擴展基礎節約3.76萬元。另外，由于擴展基礎體型簡單、模板工程量小，施工方便。梁板式基礎體型復雜、模板工程量大，拼接處密封困難較大，易造成漏漿。主梁高度大，鋼筋密集，不利于砼的澆筑和振搗，質量控制難度較大，模板的重復應用率低，施工費用較高。因此，山區大規模基地項目，規模大、建設工期緊，宜采用型式簡單、施工難度較低、質量易于控制的基礎型式，綜合以上對比分析，宜采用擴展基礎。

2桿塔混凝土接地用新型無腐蝕導電材料研究

目前電力輸電線路桿塔接地裝置傳統的設計施工方案，都是采用擴大地網面積，人工敷設鋼接地極的方法滿足接地裝置接地電阻值的要求。土壤電阻率高的地區，要求開挖長度在 700m 左右，造成植被破壞嚴重，賠地、賠青費用極高，人力物力資源浪費極大。

普通混凝土不是絕緣體，也不是導電體，而是在于絕緣體和導電體之間，混凝土完全干燥后，具有極高的電阻率，因此往往將混凝土歸結為絕緣材料，然而在潮濕狀態下，混凝土中的水泥水化產物，可流出導電化合物，這種化合物是可容許電流通過的電解質，可通過混凝土中的水分進行運動，一旦混凝土中的水分較多時，就使混凝土具有一定的導電性。

2.1 實驗部分

2.1.1 實驗原材料

實驗所采用的水泥均為華新水泥（富民）有限公司生產的 P? 042.5 普通硅酸鹽水泥（各項物理性能指標均達到行業標準的要求）。實驗所采用的粉煤灰為河南遠恒環保工程有限公司產的密度為2.15g/cm³ 的二級粉煤灰，各項性能符合國家相關標準規定；所用硅灰為河南遠恒環保工程有限公司生產的硅灰。實驗所用粗骨料為粒徑 5～32mm 的連續級配碎石，表觀密度為 2 731kg/m³ ，堆積密度為 1519kg/m³ ，所用碎石符合國家相關標準的規定。實驗采所用細骨料為天然河砂，細度模數2.4，各項指標符合國家相關標準的規定。實驗拌和用水為普通自來水，符合拌和要求；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為 30% ，摻量為 0.5%～1.2% 。實驗采用價格較低的多層石墨烯作為導電相材料，通過對KNG-G2-2型石墨烯、KNG-G2型石墨烯、SE1233型石墨烯3種石墨烯分散性能的比選，最終選擇了分散性較好，親油性更佳的 KNG-G2-2 型石墨烯作為本次實驗用導電相材料，其主要性能參數見表1。實驗所用其他材料中的膨潤土復合材料為自制，不銹鋼纖維、稀土、四氧化三錳、玻化微珠、十二水硫酸鋁鉀和聚磷酸鈉等材料均為市售產品，

2.1.2 實驗儀器

對制作好的無腐蝕導電材料進行實驗測試時所采用的實驗儀器為克列茨/KYORITSU接地電阻測試儀。該儀器可以進行各種接地測試，包括大型接地系統，因為儀器使用了相當大的電流 80mA （最大），在 2Ω 量程上產生 1mΩ 的高分辨率。接地電阻測試用于土壤檢測以確定符合要求的接地系統設計和地點，以避免額外的電氣裝置返工成本，同時也適用于地質研究。

2.1.3 實驗配合比及養護條件

新型無腐蝕導電材料中各種原材料成分的質量比為水泥：集料：水：石墨烯：不銹鋼纖維：膨潤土復合材料：四氧化三錳：玻化微珠：十二水硫酸鋁鉀：聚磷酸鈉：稀土 10.2：0.2：3。

將制作好的混凝土試塊放在標準養護條件下養護，養護溫度要維持（ 20±2）^eC ，相對濕度不小于95% ，養護時間為 28d 。

2.1.4新型無腐蝕導電材料的制備

按照\"2.1.3”中的配合比，按質量份配比將不同原材料按照順序加入到攪拌器內，在水泥凈漿攪拌機上以 300r/min 的速度攪拌 15min ，得到混合均勻的混合物。將上述混合物倒入模具內制樣，將模具放入振動臺上振動直至材料表面平整成型為止。然后將成型模具按照上述中的養護條件進行養護，制備成試件。

2.1.5 新型無腐蝕導電材料的適用范圍運行環境溫度： -40～50^qC ：儲存溫度： 長期運行相對濕度： ?85% ：海拔高度：低于 2 000m 。

2.2 實驗結果分析

通過對制備的新型無腐蝕導電材料進行室內實驗測試，結果如表2、表3所示。

由表2、表3可知，本研究所制備的無腐蝕導電材料能滿足設計要求，對接地基礎的防腐蝕性和導電性都具有良好的作用；導電混凝土具有電阻率低、機械強度高的優點。方法將所有原料一次投人攪拌，未加入額外的分散劑，石墨和不銹鋼纖維可分散均勻、不團聚，制得的導電混凝土導電性和力學強度優良。

3 應用實例分析

通過對某地已建風電機組基礎接地開展了大范圍的調研工作，經過實地調查后，發現電站周邊多為巖石地，土壤多為風化是土質，沙石粒偏多，導致土壤電阻率非常高，并且由于用砂子、碎石等作回填土，導致腐蝕情況加速。由于傳統的接地方法存在引流線和鋼筋斷裂的問題，極大的影響接地裝置的可靠性和穩定性，故研發出新型接地裝置，設計匯流排，將鋼筋和引流線通過匯流排連接并買入水泥中，增強連接性。

按照設計要求，使用新型無腐蝕導電材料制備桿塔混凝土，并進行現場測試。為了評價該新型無腐蝕導電材料的降阻效果，對澆筑無腐蝕導電材料的混凝土前后各接地裝置的工頻進行了測量，結果見表4所示。

由表4可知，使用無腐蝕導電材料混凝土有明顯的降阻效果，降阻效率為 45.2%～63.8% ，使得各接地裝置的工頻接地電阻均達到了設計值。同時對澆筑混凝土現場取樣，在標準養護條件下養護28d后測試抗壓強度，結果為15.1MPa，能夠滿足標準要求。

4結語

（1）以水泥、膨潤土復合材料、不銹鋼纖維、石墨烯和稀土等為主要材料，研制了一種適合桿塔混凝土接地用的新型無腐蝕導電材料；（2）桿塔混凝土接地用新型無腐蝕導電材料具有電阻率低、機械強度高以及防腐性能好的優點，各項綜合性能指標均能滿足相關標準的要求；（3）實例應用結果表明，新型無腐蝕導電材料制備的混凝土結構起到了良好的降阻效果，各接地裝置的工頻接地電阻均達到了設計值要求，能夠應用于山區輸電線路桿塔接地工程中。

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