用于高压输电线路的石墨覆铜柔性接地材料性能分析

潘亮亮，宋仕军，郭文东，相中华，马 奎

（国网宁夏电力有限公司，宁夏银川750001)

高压输电线路接地工程是确保高压输电线路与高压变电站等稳定、安全运行的关键环节［1］，接地材料（Grounding material，GM）的选择与性能研究是高压输电线路接地工程中的重中之重。以往电力系统大多采用铜、钢等金属GM［2-3］，由于金属长期埋在土壤内，受到外界因素影响，极易出现腐蚀问题，对GM 的使用寿命产生严重影响，容易导致重大灾害事故发生。同时金属GM 具有弹性模量大的特性［4］，造成高压输电线路中电气接地效果受到严重制约；并且以金属制成的GM 在受到雷电流冲击下产生的升温问题也受到相关研究人员的普遍关注［5-6］。

为解决上述问题，保障高压输电线路的稳定安全运行，石墨柔性材料被广泛应用于高压输电线路接地工程中。石墨柔性材料的主要优势体现在耐温差、耐腐蚀、导电导热、抗辐射等方面［7-8］，且具有较高的压缩性和回弹性，对环境无污染，在上世纪中后期成为新型材料，被普遍应用在导热、导电等领域［9］。石墨柔性材料应用过程中，胶粘剂与纤维的耐温性能无法满足工频短时故障大电流过程中热稳定性要求。为改善此问题，研究一种石墨覆铜柔性接地材料（Graphite Copper-clad Flexible Grounding Material，GCFGM），将其应用于高压输电线路工程中。本文致力于用于高压输电线路的石墨覆铜柔性接地材料性能分析，希望为GCFGM 的实际工程应用提供理论依据。

1 石墨覆铜柔性接地材料制备与性能测试

1.1 原料

GCFGM 制备所需原料见表1。

表1 GCFGM 制备所需原料Table 1 Raw materials for gcfgm preparation

1.2 制备过程

图1 所示为用于高压输电线路的GCFGM 制备流程。

图1 GCFGM 制备流程Fig. 1 Preparation process of GCFGM

GCFGM 制备流程可分为6 个环节，分别是膨胀石墨制备、石墨纸制备、双层石墨纸制备、石墨线制备、石墨覆铜线、接地材料制备。

（1）膨胀石墨制备：为降低鳞片石墨中的碳化物杂质含量，提升鳞片石墨压制成型便利性，利用浓硫酸、过氧化氢、高锰酸钾等化学物质对碳含量98% 的鳞片石墨实施酸化处理［10-11］，获取膨胀石墨。将膨胀石墨进行高温处理获取可压制成型的膨胀石墨，处理时间为4s±1s。

（2）石墨纸制备：利用辊压机对膨胀石墨进行辊压成型处理，获取石墨纸。

（3）双层石墨纸制备：利用胶粘剂，经由纤维布线、浸胶工艺与加热固化等处理程序将两层石墨纸与玻璃纤维贴合在一起［12］，获取双层石墨纸。

（4）石墨线制备：对双层石墨纸实施切割处理，获取宽度一致的石墨带，通过捻合过程将石墨带与玻璃纤维结合成为石墨线。

（5）石墨覆铜线：将CNCA 包覆在铜线外层，使铜线全部被包覆在CNCA 内；选取绕包形式［13］，将石墨线包覆在CNCA 外层，通过加工制作石墨覆铜线。

（6）柔性接地材料制备：将内层石墨覆铜线垂直、紧密排列，形成通流体；利用柔性石墨线编织外层散流面，利用整形过程制备GCFGM。

经由上述过程制成的GCFGM 结构如图2 所示。

图2 GCFGM 结构图Fig. 2 Structure of GCFGM

图2 中，数字1 区域表示玻璃纤维［14-15］，数字2 区域表示石墨覆铜线，数字3 区域表示石墨纤维线。

利用上述过程制备两份GCFGM，两份材料中铜丝使用量分别为10 根和15 根，两份材料分别命名为材料A 和材料B。

1.3 性能测试

用于高压输电线路的GCFGM 性能测试所用仪器见表2。

表2 性能测试所用仪器Table 2 Instruments for performance test

2 GCFGM 性能分析

2.1 拉伸强度

GCFGM 在使用时需承受一定的拉伸强度，石墨柔性材料自身拉伸强度性能较差，因此在制备GCFGM 过程中加入玻璃纤维，玻璃纤维耐腐蚀、浸胶性能与拉伸强度较好，且具有明显经济优势，是石墨柔性材料增韧的首选材料。GCFGM 内玻璃纤维添加量对于GCFGM性能影响显著，若GCFGM 中玻璃纤维分布较密，将提升石墨纸拉伸强度，同时用胶量随着玻璃纤维使用量的提升而提升，将降低GCFGM 柔性，导致捻合过程难度提升；并且由于玻璃纤维使用量与用胶量的提升导致石墨使用量下降，造成GCFGM 导电性下降。若GCFGM中玻璃纤维分布较稀，将导致GCFGM 拉伸强度提升幅度不足，对石墨覆铜线编织产生消极影响。图3 所示为玻璃纤维使用量对GCFGM 的影响，用GCFGM 内玻璃纤维间距表示比例纤维使用量，间距越大，使用量越低。

图3 玻璃纤维使用量对GCFGM 性能的影响Fig. 3 Effect of glass fi ber consumption on GCFGM performance

由图3（a）得到，GCFGM 的电阻率随着比例纤维使用量的下降表现出不同幅度的下降趋势。在玻璃纤维间距由0mm 提升至0.25mm 的条件下GCFGM 的电阻率下降趋势较为明显，由3.2Ω·cm 下降至1.7Ω·cm 左右；而玻璃间距超过0.25mm 的条件下，电阻率下降趋势变缓，达到基本平稳状态。

由图3（b）得到，GCFGM 的拉伸强度随着比例纤维使用量的下降表现出不同幅度的下降趋势。在玻璃纤维间距提升至0.25mm 的条件下，GCFGM 的拉伸强度下降趋势较为明显，而玻璃间距超过0.25mm 时，拉伸强度下降趋势变缓，达到基本平稳状态。

综合图3 得到，在GCFGM 中玻璃纤维间距为0.25mm的条件下，GCFGM 综合性能最佳。

2.2 雷电冲击性能

在高压输电线路受到雷电流冲击条件下，雷电流通过GCFGM 流入大地，GCFGM 在大电流极短时间经过条件下造成局部出现极短时间内温度显著提升，若GCFGM 的热稳定性未达标，将导致高压输电线路瞬间烧断，接地工程失效。由此可知GCFGM 的热稳定性十分重要。

为比较GCFGM 与传统金属类GM 在电流一致条件下的热稳定性能，采用雷电冲击电压发生器模拟雷电流，设定雷电流幅值为100kA，计算不同电流频率和5kA/s工频电流条件下，GCFGM 与传统金属GM 单位长度的温升情况。

表3 所示为接地材料相关参数。

表3 接地材料相关参数Table 3 Relevant parameters of ground materials

依照电压与电流的幅值和相位值，确定各频率交变流条件下，不同GM 的等效阻抗。上述过程中只考虑不同GM 内自感。同时设定外部空气环境初始温度为24℃。

表4 所示为不同高压输电线路GM 在不同雷电流频率下的阻抗值与工频条件下瞬时大电流绝热温升情况。由此得到，当直流电阻一致时，GCFGM 与传统金属GM 相比，可显著降低高频阻抗，且高压输电线路瞬时大电流温升值也显著下降。当GCFGM 内铜丝由10 根提升至15 根时，高频阻抗与瞬时大电流升温情况也表现出小幅度下降趋势。这一结果说明GCFGM 能够有效防止高压输电线路被雷击后出现高温烧断导致高压输电线路闪络故障问题，且合适的铜丝数量也可提升GCFGM 的导电性能，以满足其升温需求。

表4 不同GM 的阻抗及升温Table 4 Resistance and temperature rise of different GM

2.3 耐腐蚀性能

高压输电线路应用具有普遍性，不同地理区域土壤酸碱度有所差异，根据酸碱度差异可将我国土壤分为酸性、中性和碱性三类，因此GCFGM 耐腐蚀性能分析过程中，利用土壤模拟液实施GCFGM 耐腐蚀性能研究。

土壤模拟液配置过程中，利用蒸馏水调制盐溶液，利用醋酸和氢氧化钠调节土壤模拟液pH 值，土壤模拟液配置结果见表5。

表5 腐蚀性能测试土壤模拟液Table 5 Soil simulation solution for corrosion performance test

将上一实验中的金属GM 与材料B 分别放入表5 中三种不同土壤模拟液内，为降低测试误差，选取平行试验法，将两种GM 分别同时实施2 组耐腐蚀性能测试，测试过程中需关注土壤模拟液体积变化，使其始终保持初始容量，整体测试过程历时182 天。

通过失重法分析不同GM 浸入土壤模拟液前后的腐蚀速率，计算过程如下：

式（1）内，m0和m分别表示GM 浸入土壤模拟液前、后的质量，S和t分别表示GM 面积与浸入土壤模拟液时间。

图4 所示为不同GM 年腐蚀速率测试结果。

图4 年腐蚀速率测试结果Fig. 4 Test results of annual corrosion rate

分析图4 得到，GCFGM 在不同土壤模拟液中的年腐蚀速率基本一致，大致为0.2g·dm-2·a-1，与传统金属GM 相比显著降低，说明GCFGM 耐腐蚀性能明显优于传统金属GM。

3 结语

本文分析用于高压输电线路的石墨覆铜柔性接地材料性能，利用鳞片石墨等原料制备石墨覆铜柔性接地材料，从拉伸强度、雷电冲击下升温性能以及耐腐蚀性能三方面分析其性能。由于研究时间与文章篇幅所限，对石墨覆铜柔性接地材料有效接地长度、地网感抗性能经济性以及其趋肤效应等分析将在后续研究中进行。