石墨覆铜柔性接地材料及其接地特性

前 言

变配电所接地网故障会造成电网和供电区域的严重事故，危及周围人身安全。接地材料的腐蚀是造成接地网故障的主要原因。传统的接地材料主要有碳钢、镀锌扁钢、镀锌圆钢等，它们作为接地极埋在土壤中易被土壤中的盐腐蚀。土壤中的一些微生物如硫细菌、铁细菌、硫酸盐还原菌等的活动也会对钢接地极造成一定的腐蚀。在国外、特别是发达国家，为了减少材料腐蚀造成的损失经常用铜代替钢接地。我国部分地区采用铜接地有效延长了接地材料的使用寿命。然而中国的铜产量低、价格高，铜接地的使用大大增加了接地成本，在我国全面实施铜接地仍存在一些困难。

近年非金属导电材料的研究和应用越来越多，石墨以其良好的导电性、稳定性、长期的使用性能和易得的原材料，成为非金属导电材料的研究热点。它广泛应用于电极、导电涂层、导电填料和纳米材料等领域。目前国内外对石墨接地材料的研究较多，我国一些地区在实际的防雷接地工程中石墨材料已被用作接地材料，其具有良好的导电性和耐腐蚀性。石墨接地材料良好的耐腐蚀性能大大降低了接地工程的维修成本，有效地提高其在接地工程中的经济效益。沈杰等人在台州临县线进行了接地试验，比较了镀锌扁钢、圆钢、铜包钢和石墨接地体的成本，结果表明石墨接地体总投资是近30年来最低的，其中镀锌钢和圆钢占35～50%，铜包钢仅占20～30%。石墨铜柔性接地材料的进一步研究将在接地材料的腐蚀与防护领域取得突破性进展。

1 石墨覆铜柔性接地材料概述

石墨铜复合柔性接地材料是以石墨为导电材料，与金属、混凝土等材料复合，提高材料综合性能的一种非金属接地材料，目前主要包括石墨金属复合材料、柔性石墨复合材料、石墨导电混凝土和石墨接地模块。刘伯伟等研究了镀铜对非金属颗粒和烧结摩擦材料强度的影响，结果表明Cu-Fe 基摩擦材料的弯曲强度由95mpa 提高到114mpa，压缩强度为165mpa，他们认为这是由于金属与非金属接触状态的改善和强度的提高。摩擦材料的母材在烧结过程中仍处于固态，未镀铜的非金属颗粒表面通常很粗糙，金属不易进入非金属颗粒表面的凹面部分，也不易与非金属颗粒表面紧密连接，不仅留下孔洞，而且由于没有相互作用、结合强度低。在镀铜过程中铜沉积在颗粒的整个表面，使颗粒的非金属表面光滑，在烧结过程中母材能很好地覆盖非金属材料，通过与铜的相互扩散作用，使聚集金属与非金属颗粒钉在一起并相互啮合，从而大大提高了粘结强度。

1.1 石墨-金属复合材料

金属-石墨复合材料具有许多特殊的性能和应用，不仅具有良好的金属导电性和导热性，而且具有优异的石墨润滑性能。制备金属-石墨复合材料有两种方法：一种是传统的金属粉末和石墨粉末机械混合制备复合材料的方法。这种方法没有充分结合金属和石墨的优点，限制了金属-石墨复合材料的性能；另一种是通过特殊工艺将各种金属涂覆在石墨表面，然后与金属复合形成金属-石墨复合材料，这是目前研究较多的课题。如与铜粉和石墨粉相比，石墨粉镀铜后的材料具有良好的导电性、导热性、润滑性和耐磨性，然而在这些研究中报告的镀铜工艺需要限制不同粒径的石墨颗粒。

本研究采用无电镀的方法，在适当的活化剂作用下在石墨表面沉积铜镀层，对石墨的粒径没有严格的限制。如对粒径小于45um的石墨，通过本实验的镀铜工艺可在石墨表面镀铜不同粒径的石墨。与传统机械产品相比，粉末产品具有导电性好、机械强度高、耐磨性好等优点。它克服了石墨的脆性，提高了材料的强度。根据地理环境的不同，金属装甲可以由不同的材料制成。可实现石墨与石墨的直接连接，避免缝隙腐蚀实用性强。

1.2 柔性石墨复合材料

柔性石墨复合材料的研究始于20世纪60年代，广泛应用于冶金、机械、化工、石油、热电等工业部门，不仅保留了天然石墨的优良性能，如导电、耐腐蚀、耐辐射、自动润滑等，而且还具有弹性和非天然石墨的抗渗性。近年来，石墨材料在接地工程中逐渐得到应用，柔性石墨复合材料受到人们的关注，如高纯鳞片石墨、氧化插层石墨、高温膨胀石墨丝与无机或合成纤维及水乳胶粘接而成的新型柔性石墨铜包覆柔性接地材料，以及热塑性轧制、电缆成型工艺制备的新型柔性石墨铜包覆柔性接地材料等。高波研究表明，柔性石墨铜包覆的柔性接地材料具有良好的电磁特性，其导体利用率高于金属接地材料。柔性石墨复合接地体由绝缘材料和石墨丝组成，与传统的金属接地体相比具有良好的耐腐蚀性。石墨具有较强的化学稳定性，不易被环境侵蚀，具有长期稳定性，提高了电网的使用寿命，降低了维护成本，具有良好的经济性。

2 石墨覆铜柔性接地材料的性能

接地材料的性能是保证接地系统安全的关键。评价接地材料质量的性能参数主要有材料电阻率、大电流冲击电阻、机械性能、高低温电阻，大量研究表明，在满足上述性能要求的条件下，涂有石墨铜的柔性接地材料具有良好的减阻和耐腐蚀性能。

接地性能。石墨具有典型的层状结构，全石墨具有重叠的芳环平面方向，通过共轭π-电子交替连接显示出高的导电性。石墨与其它材料的复合能有效地改善石墨的力学性能，使其综合性能满足接地要求。吴迅宗等利用60kV/10kA 脉冲电流发生器和工频电源，在特高压交流试验基地接地实验室的帮助下对不同型号、规格的柔性石墨接地材料进行了冲击和工频耐压试验。结果表明，材料的截面尺寸对材料的承载力有着显著的影响。并联试验表明，柔性石墨接地材料的稳定性优于圆钢和实心石墨接地材料。通过模拟试验发现柔性石墨镀铜接地电阻材料的高频雷击电流面积小于圆钢接地体，蒙皮接地材料的冲击远小于传统接地体，使远程接地体的电流耗散效率。

降阻性能。石墨铜柔性接地材料具有良好的吸湿保湿能力，与土壤接触效率高，从而降低了接地电阻，在土壤电阻率高的地区也能实现较低的接地电阻。石墨本身的导电性很好，电阻率可达8～13×10-6Ω。在室温下复合石墨导电纤维将进一步降低其电阻率。在柔性石墨包铜柔性接地材料中，以石墨线为基本导电单元，芯部填充特定的抗拉强度，绝缘材料和石墨线外部分进行包装以增大接地体的直径，从而扩大接地体直径与大地的有效接触面积，降低接地电阻。

防腐性能。石墨具有高度的化学稳定性，除强氧化性酸碱外，在大多数化学介质中石墨表现出高度的耐腐蚀性，腐蚀速度比金属慢得多。研究表明，钢接地极在有焦粉层土壤中的腐蚀速率为无焦粉层土壤的1/10，原因是焦屑含碳量高、结构疏松，电极上的氧气容易逸出，降低了电极的放电容量，延长了电极寿命。陈凯等研究人员发现，东部沿海地区金属主要受氯碱和氯离子的腐蚀，接地极的腐蚀更为严重。沿线接地极平均每5～6年更换一次。使用石墨复合接地极时，由于石墨是惰性气体不需要钝化防腐技术，接地极的使用寿命可达30年，与传统的金属接地极相比柔性石墨铜复合接地材料的防腐效果显著。

3 镀铜石墨粉的表面稳定化处理

镀铜石墨粉表面积大、活性高，易被吸湿氧化，粉末越细氧化倾向越严重。如何解决储存和使用过程中的氧化问题一直是一个值得关注的问题。钝化剂已成功地应用于金属或合金材料，镀铜石墨粉的表面稳定性也取决于钝化剂的使用。一般来说，每种钝化剂的作用机理是不同的。根据研究其机理如下：

该钝化剂是一种表面活性剂，其分子由两部分组成：一部分是亲水极性基团，易被金属吸附；另一部分是疏水性有机官能团。亲水基团吸附在金属表面，疏水基团指向外部。这种连续的表面吸附层可以隔离金属和环境介质，起到抗腐蚀的作用。

钝化剂由Cu2+在铜粉表面形成。该膜是一种致密、耐腐蚀的复合膜。一般来说，有机钝化剂的成膜保护大多是复杂的，例如，抑制剂氨基醇在盐酸和铁中的作用是在铁表面形成[HORNH3][FeCl3]或[HORNH3][FeCl]不溶性复合膜，形成保护膜。另外，8-羟基喹啉在碱性介质中对铝的保护作用也是由于金属基体表面形成不溶性络合物所致。

有些钝化剂不形成络合物而是直接吸附在铜表面。由于其吸附速度快，能快速建立平衡，对金属粉末具有良好的钝化效果。它能与铜和铜形成稳定的配位键（软酸）。表面和吸附速度快，易于建立平衡。因此，即使浓度很低也很难形成完整的紧密分子阵列。但由于分子被吸附在以最大自由力场吸引它们的点上，这些点通常只是容易腐蚀的点。因此，即使在很低的浓度下也有很好的防腐效果。

4 石墨覆铜柔性接地材料杆塔接地应用实例

110kV扩建线路需增设直塔扩建。该区地下河水位较浅，距地面-3m 处有渗漏。该地区地质条件较差，是典型的酸性土壤。原线路铁塔采用镀锌钢接地材料，发现镀锌铅地下部分已严重腐蚀。为了提高塔式接地装置的耐腐蚀性能采用石墨铜复合柔性接地材料。新输电线路的塔型为1D5sdj15，根据土壤电阻率测量结果进行了土壤分层反演计算。土壤分层为：上层土壤电阻率为136Ωm，土层厚度约为0.3m，下层土壤由于含水量高，电阻率约为102Ωm。

在施工过程中，应将石墨复合接地体埋设在塔基础周围。根据塔基的地形特征，采用四个中等长度的28mm 实心石墨复合接地体，其长度为10m。各接地体的水平部分相互连接，接地网的平均埋深约为2m，塔基础回填后，分别测量接地电阻的四个导体，工频接地电阻值应稳定在5.13Ω，符合相关标准要求。工频接地电阻塔下接地网的土壤电阻率应小于10Ω。

以上工程应用表明，覆石墨铜柔性接地材料能有效地防止极端土壤条件下接地体的腐蚀，使输电线路杆塔接地装置能满足安全、可靠、稳定和长期使用的要求。