高压输电线路石墨基柔性材料性能分析及在防雷中的应用

2023-07-12党璀

粘接 2023年6期

党璀

摘要：高压输电线路的防雷问题一直备受关注，石墨基柔性材料作为一种新型防雷材料，其性能受到广泛关注。梳理了当前石墨基柔性材料的研究成果，对石墨基柔性材料的性能进行了分析，并探讨了其在高压输电线路防雷领域的应用。分析发现，石墨基柔性材料的物理性能和化学性能等方面都具有优异的表现，使其在防雷领域具有较大的应用价值。然而，石墨基柔性材料的耐候性、导电性等方面仍然存在一些不足，限制了其在高压输电线路防雷中的应用。研究总结了高压输电线路石墨基柔性材料未来的改进方向和应用前景。

关键词：石墨基柔性材料；高压输电线路；性能分析；防雷应用

中圖分类号：TQ327.6 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0098-04

Performance analysis of graphite-based flexible materials for high voltage transmission lines and its application in lightning protection

DANG Cui

（Tongchuan Chuanghui Lightning Protection Technology Co.，Ltd.，Tongchuan 727000，Shaanxi China）

Abstract：The lightning protection problem of high voltage transmission lines has been concerned.As a new type of lightning protection material，the performance of graphite-based flexible materials has attracted wide attention.This paper reviews the current research achievements of graphite-based flexible materials，analyzes the performance of graphite-based flexible materials，and discusses its application in lightning protection field of high voltage transmission lines.It is found that graphite-based flexible materials have excellent performance in physical and chemical properties，which makes them have great application value in the field of lightning protection.However，there are still some shortcomings in weather resistance and electrical conductivity，which limit their application in lightning protection of high-voltage transmission lines.The study concludes the future improvement directions and application prospects of graphite-based flexible materials in high-voltage transmission line.

Key words：graphite-based flexible materials;high-voltage power lines;performance analysis;lightning protection application

高压输电线路是重要的电力输送系统，但同时也面临着天气、环境和自然灾害等多种因素的影响。其中，雷电是造成输电线路故障的主要原因之一。因此，在高压输电线路的设计和建设中，防雷措施的重要性不言而喻。研究总结了石墨基柔性材料在高压输电线路防雷领域的应用现状和应用前景，并对今后的研究方向提出了建议，以期为我国高压输电工程发展提供一定的理论支撑。

1 石墨基柔性材料的研究背景

随着高压输电线路的迅速发展和电力设备的不断升级，防雷技术在电力工程中变得越来越重要。为了提高防雷装置的可靠性和安全性，研究人员开始探索新的防雷材料，其中石墨基柔性材料备受关注。石墨基柔性材料是一种由石墨烯、聚合物和纳米填料等组成的新型复合材料。目前，石墨基柔性材料在防雷领域的研究已经取得了一些进展。

1.1 石墨基柔性材料的制备技术

石墨基柔性材料的制备技术是研究的基础，目前，石墨基柔性材料的制备方法主要有机械混合法、溶液共混法、电纺法等。其中，溶液共混法和电纺法是制备石墨基柔性材料的主要方法。研究者们通过改变材料配比、制备工艺等因素，不断优化制备方法，提高材料性能和制备效率。重点讨论了石墨烯柔性导电薄膜的制备方法和性能研究。指出石墨烯导电薄膜的制备方法包括转移法、化学还原法、化学气相沉积法等多种方法。提到了石墨烯和氧化石墨烯在柔性材料中的应用，以及一些新型石墨基柔性材料的制备方法。作者还探讨了柔性材料的机械性能、电学性能和热学性能等方面的研究现状［1-2］。

1.2 石墨基柔性材料的性能研究

石墨基柔性材料的性能研究主要包括力学性能、电学性能、导电性能、抗氧化性能、热稳定性等方面。其中，力学性能和导电性能是石墨基柔性材料在防雷领域的主要应用方向，研究者们通过测试和分析石墨基柔性材料的性能，为其应用提供理论依据。利用电流加热伏安法对石墨基柔性材料的电阻温度特性和热稳定性进行测量。研究表明，通过选择合适的基体材料和石墨烯添加量，可以有效地调控石墨烯柔性材料的性能。讨论了温度对石墨柔性材料对性能的影响，研究发现防雷接地用石墨基柔性接地体在遇到短路故障大电流作用下其耐受温度可达到750 ℃。

1.3 石墨基柔性材料在防雷装置中的应用

石墨基柔性材料在防雷领域的应用主要包括抗雷击绝缘材料、防雷导电材料、避雷针等方面。目前，国内外研究者们已经开展了大量的应用研究，不断探索石墨基柔性材料在防雷领域的应用潜力。对比了传统金属接地材料和石墨基接地材料的防雷效果，认为接地装置新材料石墨基具有较好的防雷性能和稳定的电容值，可以有效地保护电力设备免受雷击损害。扩径石墨基柔性接地材料的接地工程应用的可靠性，试验结果表明该柔性防雷装置具有良好的抗雷击性能和灵活性，可以广泛应用于电力设备等领域［3-4］。

2 石墨基柔性材料的性能分析

2.1 石墨基柔性材料的组成和制备

石墨基柔性材料是一种由石墨烯、聚合物和纳米填料等组成的新型复合材料。其中，石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体材料，具有极高的导电性和机械强度；聚合物是一种高分子化合物，具有较好的柔韧性和可塑性；纳米填料可以改善材料的机械性能、耐热性和导电性能等。石墨基柔性材料的制备通常采用混合物浇铸、压制和热处理等工艺。

石墨基柔性材料可以分为两类：导电型和绝缘型。导电型石墨基柔性材料是指具有良好导电性能的材料，通常用于制造导电材料和导电膜。绝缘型石墨基柔性材料是指具有较高绝缘性能的材料，通常用于制造绝缘材料和绝缘膜［5-6］。

2.2 石墨基柔性材料的性能特点

石墨基柔性材料的性能特点可以从物理和化学2个方面来阐述。

2.2.1 物理角度

石墨基柔性材料具有良好的柔韧性和可塑性，可以根据需要进行弯曲、折叠和拉伸等变形，适用于复杂的防雷结构设计。其高柔性主要源于石墨烯的特殊结构和聚合物的高分子链结构，两者相互作用形成了材料的柔性基质。

石墨基柔性材料的导电性能比传统的金属材料好。这是因为石墨烯本身具有极高的导电性能，可以提供良好的导电路径。根据文献资料，石墨基柔性材料的电阻率通常在数十到数百欧姆厘米之间，这意味着它具有良好的导电性能。同时，纳米填料的添加可以改善材料的导电性能，提高雷电能量的分散和吸收效果。

石墨基柔性材料比传统的金属材料轻。这是由于石墨烯和聚合物等轻量材料的存在，可以减轻防雷装置的重量，降低对输电线路的负荷，提高设备的安全性和稳定性［7-8］。

2.2.2 化学角度

石墨基柔性材料具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣环境中长期稳定使用。这是由于石墨烯本身具有良好的化学稳定性，能够抵御酸、碱等腐蚀性物质的侵蚀，同时纳米填料的添加可以进一步提高材料的耐腐蚀性能。

石墨基柔性材料具有较好的高温稳定性，能够在高温环境下长期稳定使用。这是由于石墨烯和聚合物等材料具有良好的耐高温性能，能够抵御高温环境对材料的破坏。

石墨基柔性材料具有较高的强度和韧性，可以抵抗较大的拉伸力和撞击力，保证防雷结构的稳定性和可靠性。这是由于石墨烯的强度和聚合物的韧性相互补充，形成了材料的强韧性基质［9-10］。

石墨基柔性材料具有低摩擦系数，可以减少与周围环境的摩擦和磨损。这是由于石墨烯本身的滑动性和聚合物的润滑性相互作用，形成了材料的低摩擦特性。

石墨基柔性材料具有良好的稳定性，不易发生变形和老化。这是由于石墨烯的高化学稳定性和聚合物的高分子链结构相互作用，形成了材料的高稳定性特性。

石墨基柔性材料具有可降解性，可以在使用完毕后自然降解成无害的物质，减少对环境的污染。这是由于聚合物的可降解性和纳米填料的可生物降解性相互作用，形成了材料的可降解特性。

总的来说，石墨基柔性材料具有优异的物理和化学性能，具有广泛的应用前景。在防雷领域，其高柔性、导电性好、轻质化等特点可以有效提高防雷装置的稳定性和安全性，保障电网的正常运行。同时，其高强度、低摩擦系数、高稳定性等特点还可以在其他领域得到广泛的应用，如航空航天、电子设备等［11-12］。

3 石墨基柔性材料在高压输电线路防雷领域中的应用

高压输电线路防雷是电力工程中一个非常重要的问题，因为线路遭受雷击可能会引起线路的短路、电气设备的损坏以及电力系统的不稳定等问题。石墨基柔性材料由于具有优异的导电性能和防雷能力，近年来被广泛应用于高压输电线路防雷领域。石墨基柔性材料在高压输电线防雷中的应用属于导电型防雷装置。通过在高压输电线路上设置石墨基柔性材料导电绳或接地帶，可以将雷电过电压引入地下，以避免过电压对线路设备和电力系统的影响。此外，石墨基柔性材料还可以用于制造带有导电功能的防雷罩、接地极等设备，提高设备的抗雷击能力［13-14］。

3.1 石墨基柔性材料的应用优势

（1）石墨基柔性材料在高压输电线路防雷领域中的应用主要包括两个方面，一是作为接地系统的电阻材料，二是作为绝缘材料的导电层。石墨基柔性材料的导电性能优异，能够有效地降低接地电阻，使得接地系统的电阻值得到有效地降低，从而提高了接地系统的防雷能力。此外，石墨基柔性材料的导电层具有较高的阻抗，能够有效地防止雷电电流进入到电力系统内部，保证了电力系统的安全稳定运行；

（2）石墨基柔性材料的应用不仅可以提高高压输电线路的防雷能力，还能够降低安装成本和维护成本。石墨基柔性材料的密度很小，重量轻，可以减小输电线路的自重，降低线路挂载杆塔的负荷。此外，石墨基柔性材料具有优异的柔性，能够适应不同形状的输电线路，使得其更容易施工，同时也减少了线路运维中的维护成本。由于石墨基柔性材料的使用可以有效地降低接地电阻，减少雷击对线路设备的损坏，因此在一定程度上可以降低线路的维护成本［15-16］；

（3）石墨基柔性材料是一种环保和可持续的材料，其生产过程无需使用大量的化学物质和高温高压等条件，因此具有较低的环境污染和能源消耗。与传统的防雷材料相比，石墨基柔性材料不会产生有害的化学物质和污染物，符合现代社会对环保和可持续发展的要求。

3.2 石墨基柔性材料的应用局限

尽管石墨基柔性材料在高压输电线路防雷领域中具有许多优势，但是它仍然存在一些应用的局限性，这些局限性需要我们认真对待和探讨。石墨基柔性材料在高压输电线路防雷功能中的应用局限：

（1）石墨基柔性材料本身的耐候性是有限的，长期暴露在自然环境下，受到紫外线、氧化、水解、微生物等因素的影响，会发生老化、劣化等现象。因此，为了提高其耐候性，需要对其进行改性或者添加抗氧化、紫外线稳定剂等添加剂。同时，在实际应用中，也需要注意对其保养和维护，以延长其使用寿命；

（2）石墨基柔性材料具有一定的导电性，这会导致它在高压输电线路中容易受到雷击和电磁干扰。虽然可以通过在石墨基柔性材料的表面覆盖绝缘层的方式来解决这个问题，但这也会对其灵活性和耐久性造成影响［17-18］；

（3）相对于传统的金属防雷装置，石墨基柔性材料的抗拉强度较低，这会影响其在高压输电线路中的稳定性和耐用性。石墨基柔性材料的抗张强度比钢芯铝绞线和钢芯铜绞线低。因此，在长跨越或需要承受大风荷载的地区，使用石墨基柔性材料的导线需要增加支撑或者缩短跨距，或者加强其固定和支撑，以保证其稳定性和耐用性；

（4）石墨基柔性材料的制造工艺和材料成本较高，这会对其在高压输电线路防雷领域中的广泛应用造成限制。尽管石墨基柔性材料具有诸多优势，但其成本高昂仍然是一个不可忽视的问题［19-20］。

4 结语

石墨基柔性材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，特别适用于高压输电线路的防雷应用。为研发更佳性能的石墨基柔性材料：一是需要通过改进材料配方、添加导电填料等手段提高其导电性能；二是通过优化材料的配方和制备工艺，提高其力学性能和耐久性；三是开发新的制备技术，如纳米复合材料技术、3D打印技术等，提高材料制备的效率和性能。随着石墨基柔性材料技术的不断发展和完善，相信其在电力、通信、航空航天等领域中的应用将会越来越广泛，为人类创造更加安全、可靠的生活和工作环境。

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