石墨覆铜柔性接地材料在电力接地网应用中存在的问题及对策

2020-06-19南方电网保山供电局段新杏施宏宝蒋正虎李延龙

电力设备管理 2020年5期

南方电网保山供电局段新杏施宏宝蒋正虎李延龙宫贺费亮朱江

电镀铜的历史可以追溯到1840年、两项专利；1843年硫酸铜被用于工业生产。但这些只是装饰和保护表面的基板。它们在石墨/铜复合材料制备中的实际应用还是近几年的事。已知的硫酸盐镀铜工艺具有组成简单、溶液稳定、操作无刺激性气体溢出、电流效率高、沉积速度快、废水处理简单等优点。在该方法制备的石墨/铜复合材料中铜与石墨均匀分散，形成良好的连续网状结构。

石墨/铜复合材料因其良好的导电性、导热性、润滑性和较高的力学性能而得到广泛的应用，化学镀铜和粉末冶金是制备复合材料的传统方法，但由于铜与石墨的润湿性较差，石墨/铜复合材料的界面只能通过机械联锁进行连接，界面间的结合强度较低。当材料加载时，往往会导致石墨的退缩、剥落或脱落。因此，要得到良好的石墨/铜复合材料，关键是要解决铜与石墨结合的问题，提高石墨与铜的润湿性，在石墨粉上镀铜是一种有效的方法。

化学镀铜的主要原理是用铜离子在镀铜液中作为铜源，用石墨粉进行镀铜。镀铜技术相对成熟，但石墨预处理工艺复杂，废液难处理，制备成本高。目前国内外相关报道较多，但没有实际的工业应用。粉末冶金是先将铜粉和石墨粉混合，然后再混合、压制、烧结。虽然已在工业上应用，但其缺点是铜与石墨混合不均匀，结合强度低。

1 柔性石墨复合接地材料结构特性

1.1 柔性石墨复合接地材料的结构与成分

本文研制的柔性石墨复合接地材料由高纯膨胀石墨、有机或无机纤维、胶粘剂等原料组成。柔性石墨复合接地材料以增强纤维为骨架，以高纯膨胀石墨为主体，以胶粘剂为涂层，再进行压制。最后通过多次编织得到了高密度、高导电性的柔性石墨复合接地材料。将柔性石墨复合接地体的图像与人体结构进行对比：增强纤维形成人体骨架，起到支撑接地体的作用，提高接地体的力学性能；膨胀石墨形成人体肌肉组织，是整个复合接地体的主要结构，起主要导电作用；粘接剂起到“血液”的作用，将纤维与膨胀石墨连接起来，加强两者之间的连接，提高纤维的密度和机械结构性能。

本文在对石墨复合接地材料进行结构设计时，参考了Litz线（德文Litzendraht，意为“编织成型的线”）的结构原理。Liz线由多个导体组成，使得Liz线的电磁场分布更加均匀，使得各导体上的电流分布更加均匀。由于这种特殊的结构设计，当高频电流流过时集肤效应的频率可以从几kHz增加到几MHz。石墨复合接地材料的内层采用多条石墨线均匀排列成直线，外层由石墨线编织而成。一方面固定成形起到了一定的作用，另一方面进一步使石墨丝的电流分布更加均匀（图1）。通过这种结构设计可有效地降低接地材料的集肤效应和电感效应，降低高频雷击电流或短路故障电流，提高导电材料的利用率。

1.2 石墨复合接地材料的结构优化

高频电流作用下接地体的集肤效应明显，导体芯的耗散效应不明显。为进一步降低接地体的集肤效应，提高接地材料的利用率，提出了一种膨胀石墨复合接地材料。从图2可看出，膨胀石墨复合接地材料采用三层结构：最外层为石墨丝，第二外层石墨丝沿直线呈环状排列，内芯填充材料为柔性可弯曲的绝缘材料。

除固体石墨复合接地材料的特性外，层状膨胀石墨复合接地材料还具有以下技术特性：与固体石墨复合接地体相比，石墨导电材料具有相同截面的膨胀石墨复合材料(石墨线基本执行单位)是一个环形结构，可有效减少皮肤的效果，改善石墨导电材料的利用率；填芯材料使接地体直径明显增大，有效接地体与土壤的接触面积增大，接地体与土壤的接触面积增大，接触电阻减小，然后接地电阻减小；以膨胀石墨复合接地材料内芯填充的保温材料一般具有一定的抗拉强度、柔性和可弯曲性。与固体石墨复合接地材料相比力学性能得到了改善；内芯填充材料是一种低成本的绝缘材料，与金属材料相比具有良好的耐腐蚀性，满足接地材料的耐腐蚀性要求。

2 铜离子接地极及锌镁合金铜接地棒

2.1 结构设计

锌镁合金铜离子接地极及接地棒结构示意见图3，其中a为离子接地极，b为接地棒。

2.2 锌镁合金钢离子接地极及接地棒性能

防腐性能。锌镁合金铜采用高效热铸工艺生产，可实现合金层与铜层的冶金复合，实现原子间的相互渗透。外层由98%的锌和2%的镁合金制成。在外环境腐蚀下，锌在镁的参与下形成了ZnCl2·4Zn（OH）2和Zn4Co3（OH）6的致密涂层，阻碍了外电解质溶液的进一步接触和渗透。同时由于镁的加入，锌基合金的腐蚀电位前移，腐蚀电流明显减小，在很大程度上延缓了锌的腐蚀过程。同时，铜也为复合接地材料的超耐蚀性奠定了基础。在电化学序列中，铜具有比氢更高的正电位（+0.35V），因此铜具有更高的热力学稳定性，不发生氢去极化。因此，在锌合金和铜的双重保护下，复合接地材料具有超强的耐腐蚀性，能够满足当前各种接地安全设计的要求。

导电性能。由于高纯无氧铜的介入，该接地复合材料具有良好的导电性，其电阻远低于普通镀锌钢。特别是复合接地材料中的铜层厚度远大于0.25mm。当传输频率大于1.67mHz时，其电导率完全等于实心铜线的电导率（此试验由波兰伽尔玛公司证实，并得到IEC认证），因此该复合接地材料优异的导电性能显而易见。

高效的阴极保护性能。牺牲阳极是目前国际上控制腐蚀的有效方法之一。锌镁合金铜是一种优良的防腐材料，在接地方案设计中采用锌镁作为接地设备的表面改性材料。因为锌的标准电极电位返回(-0.7630V)低于铁(-0.0360V)，与此同时标准的潜在减少锌的金属活动(-0.7630V)低于铁(-0.0360V)，这表明镁的活性低于锌，也就是说相对于减少标准电极电位的铁、镁的标准还原电位较低，这更有利于提高金属活性较弱的金属的耐腐蚀性。在通信行业、电力系统、建筑系统、军事设施、铁路系统、广播电视系统、设备地面、交直流工作地面、安全防护地面等领域，大量铁制设备埋在地下，因此该接地产品以牺牲阳极锌、镁为代价，有效地保护了地电网，大大延长了地下设备的使用寿命。

3 石墨与石墨烯改性胶黏剂的性能

石墨烯（Graphene）具有很大的长径比和比表面积（约2675m2/g）、高导电性（约10-6Ω·m）、独特的平面结构和较低的制造成本等优势。Ghaleb等人采用简单的超声方法分散纳米石墨烯粉体（GNP）和MWCNT作为导电填料制备纳米环氧复合材料。GNP降低了材料的拉伸强度，而MWCNT对材料的拉伸强度影响不大。超声波时间过长会破坏GNP结构，降低材料的机械强度，也会缩短导电路径的距离。关于石墨烯的化学改性方法的报道很少，用Chen等C同位素掺杂方法对石墨烯进行改性，可以显著提高单个石墨烯的热导率。斯坦科维奇等采用苯基异氰酸酯还原氧化石墨制备氧化石墨烯，可显著提高石墨烯-聚苯乙烯复合材料的导电性，降低其阈值。

同时，采用离子液体改性石墨烯氧化物还可以增强石墨烯氧化物与基体聚合物之间的界面连接，对提高材料的力学性能具有重要意义。当添加0.19Wt%的导电填料时，导电率提高到1.02×10-3s/m，由于GNP的长径比大于MWCNT，是一种具有较大比表面积的二维材料，容易在聚合物中形成分布均匀的网络。由于银与石墨烯的接触面积大，用Ag-graphene代替agwcnt作为导电填料可以有效地减少接触点的数量，降低填料的内阻，提高导电胶的导电性。

以丙烯酸和环氧树脂为主要原料，合成了性能优良的聚合物基体。固化后抗冲击性能提高，可在室温下使用，加入镀银石墨填料后热稳定性更好。加入0.19Wt%导电填料后电导率提高到1.02×10-3S/m，由于GNP的长径比大于MWCNT，是一种表面积较大的二维材料，在聚合物中均匀分布容易相互连接形成网络。当银含量≥60Wt%时，碳材料本身的导电性不如银，阻碍了电荷的运动；此外，银含量超过阈值形成导电路径网络，但当银含量较低时，加入N-gnss可起到一定的作用，可使银含量降低8Wt%～10Wt%。根据EP聚合物基体，提出了两种填料的导电机理：隧道效应和直接接触。当银含量较低时，大部分银彼此相距较远，很难形成互连网络。一些导体依靠微弱的隧穿效应通过极压势垒。当添加二维N-gnss时，由于其比表面积和纵横比较大，可以与银连接形成导电通路，降低了N-gnss的固有电阻和ECAs电阻。