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柔性石墨复合接地材料在输电线路杆塔接地网中

柔性石墨复合接地材料在输电线路杆塔接地网中

时间:2019-10-10 11:35 来源:石墨接地体 作者:石墨复合接地线  浏览量:

  影响高压架空输电线路安全稳定的因素很多,其中由于雷击杆塔或导地线而引起的线路故障是危及线路安全运行的主要因素之一。从输电线路所处的地形及气候环境来看,雷电作用下输电线路出现一定的雷击跳闸难以避免。而降低线路杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸率的主要措施之一。在杆塔上装设人工接地装置是降低线路杆塔接地电阻的最重要措施。送电线路的杆塔接地装置一个最主要的功能就是导泄雷电流入地,以保持线路有一定的耐雷水平,因为雷电的电流强度具有电流幅值小的雷电流出现的几率大,而大幅值的雷电出现的几率比较小的特点,所以降低输电线路杆塔的接地电阻对提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的作用非常明显。
  
  多年来,在提高输电线路防雷水平方面都做了大量的研究工作,提出了多种措施,例如采用不平衡绝缘、加装耦合地线、减小线路保护角、降低杆塔接地网的接地电阻、加装避雷器等。而实际运行线路防雷效果表明,低阻值的接地网是提高输电线路耐雷水平的一项重要参考指标,降低接地杆塔接地电阻是最为经济有效的防雷改进措施。通过采用了各种技术措施来降低接地电阻,如加大接地体的尺寸,增加接地体的埋设深度,配合使用降阻剂等,这些措施对降低接地电阻均具有不同程度的效果。但在实际工程应用中,往往由于耐腐蚀性差、施工难度大、易受使用地形限制、综合经济效益差、土壤电阻率高、环境污染等问题,很难取得满意的降阻效果。
  
  现有的杆塔接地装置铺设方式主要有水平铺设、垂直铺设、阴极保护等,输电线路接地网通常采用扁钢、不锈钢、铜等金属类接地材料,以及含电镀金属层的镀锌钢、不锈钢包钢、铜包钢金属接地材料。除运输及施工难度大、易发生偷盗现象以外,金属接地材料最大的瓶颈问题是接地材料的腐蚀。扁钢以及镀锌钢接地材料腐蚀较快。不锈钢及不锈钢包钢虽然抗腐蚀性能有所改善,但由于价略高且中间芯棒容易出现点腐蚀并且随着土壤中(Cl-)离子的增加腐蚀加重。铜的耐腐蚀能力是钢的3~4倍,过高的材料成本是限制其在输电线路杆塔接地网应用的主要原因。铜包钢接地材料防腐性能较好,一般在接地体端部容易出现点腐蚀,当铜包钢接地体因自然因素发生扭曲或弯折时,表面铜覆盖层易破裂进而加速内部钢材料的腐蚀速率,并且腐蚀试验表明,碱性土壤会加剧铜的腐蚀,尤其在碱性荒漠土壤环境下,仍需要注意铜接地网的腐蚀现象。此外,由于金属接地材料硬度远高于软质土壤胶体,两者之间因外力形变容易形成空气间隙,不仅增大两者的接触电阻而且形成的氧浓差电化学腐蚀进一步影响了接地装置的使用寿命。
  
  针对上述问题,提出了一种由多股石墨线束编织成型的柔性石墨复合接地材料,通过对其进行使用特性分析、经济性分析及工程应用,可以得出柔性石墨复合接地材料具有接地电阻小,耐腐蚀性强,施工方便,经济效益好等优点。
  
  二、柔性石墨复合接地材料的结构组成
  
  选用高纯鳞片石墨(纯度≥95%),通过石墨的氧化处理和高温膨化过程制备膨胀石墨,并选用无机纤维与合成纤维(视导电率需求可选用碳纤维、聚苯胺纤维或抗氧化合金纤维)以及一定配比的水乳型粘合剂,通过辊压、热塑以及绞线成型工艺制备了柔性石墨复合接地材料。
  
  无机纤维与合成纤维材料起到支撑接地材料、增强力学性能的作用;膨胀石墨是整个复合接地材料的主体结构,主要起导电作用;粘合剂作为连接纤维材料及膨胀石墨,提高材料结构致密性及力学性能。柔性石墨复合接地材料(简称石墨复合接地材料)结构及材料整体外观如下图所示。
  
  石墨复合接地材料的分层结构 
  
  接地材料与接续件的压接 
  
  柔性石墨复合接地材料的实物样品 
  
  三、柔性石墨复合接地材料的主要结构特性
  
  1)、良好的导电性与冲击电流耐受特性。高导电,雷电冲击稳定;低阻抗,有效降低冲击阻抗。
  
  2)、可靠的耐腐蚀性。石墨化学性质稳定,在酸、碱、盐等土壤条件下的耐腐蚀性远优于金属接地材料,并且与降阻剂的配合使用不会造成接地体的腐蚀,降低了接地装置的全寿命周期成本。柔性石墨复合接地主要由导电非金属材料石墨制成,由于不含任何粘合剂,不会因为粘合剂的老化而散束,同时通过使用玻璃纤维做基体增加强度,表面用高纯度高碳石墨做防腐蚀降阻层,材料性质稳定,年腐蚀率仅为0.06%,不会分解产生其它有毒及污染物,属于环保性材料。
  
  3)、力学结构稳定。石墨复合接地材料的抗拉强度,连接点的抗拉强度,均满足《复合接地体技术条件》(GB/T 21698-2008 ) 的相关技术要求。 另外,接地材料的柔性特点使其抗弯、抗扭性能良好,可满足实际接地施工需求。
  
  4)、良好的热稳定性。新型接地材料在高温(200℃试验)与低温(40℃试验)条件下结构稳定,并且其电阻率具有负温度特性。
  
  5)、运输及施工方便,与土壤贴合度高。石墨复合接地材料具有柔性可弯曲的特点,可以根据实际地形条件灵活选择施工方式,降低施工成本。接地体与土壤承受相同的外力形变,降低两者的空气间隙和接触电阻。石墨基柔性接地材料截面大,表面粗糙构成细孔,能和土壤紧密咬合粘接,可随土壤一起蠕变而不脱离产生空气界面,在土壤季节性干裂、融水沉降、冰冻、冻土融化产生蠕变的情况下,接地体与土壤的接触电阻始终保持稳定的低值。
  
  6)、预防偷盗及人为破坏。石墨复合接地材料二次利用价值低,有效地预防人为偷盗及破坏。
  
  7)、可控的生产成本。我国石墨储量占世界石墨储量的77%以上,石墨复合接地材料原材料来源广泛,生产工艺简单,相对于一些金属接地材料成本优势明显。
  
  四、石墨复合接地材料的接地特性
  
  接地材料的电阻率与磁导率是影响接地电阻的主要电磁参数。当忽略接地网电容效应的影响时,影响接地阻抗幅值的因素包括接地网的本体电阻和电感(包括接地体对地自感和接地体间的互感)。作为接地电阻的组成部分,接地体自身电阻率对接地电阻的影响是显而易见的,而接地体本体电感对接地装置的散流过程产生直接影响,并体现在接地阻抗数值上。相对于铜和石墨复合接地材料,现行的钢接地材料作为顺磁材料,其磁导率较铜等抗磁材料而言相差极大。材料磁导率的增大,不仅使阻性分量因趋肤效应而增大,且使感性分量也相应增大,从而抑制了电流向接地体远端的散流。此外,接地材料相对磁导率越大,在邻近效应作用下接地体之间存在较强的屏蔽效应,从而致使接地装置不同导体段上的流散电流越发地不均匀,相邻导体段之间存在较大的互阻抗,进而影响接地阻抗。相邻导体段之间存在较大的互阻抗,进而影响接地阻抗。在低频下石墨复合接地材料的纯阻性接地电阻较大,但由于其趋肤效应与电感效应低于钢接地材料,因此在高频下的接地阻抗低于圆钢接地体。石墨复合接地材料在高频雷电流作用下的接地阻抗小于圆钢接地体,并且随着接地网面积的增大,接地网的集肤效应影响越大,此时石墨复合接地材料的电磁特性优势越明显。
  
  五、柔性石墨复合接地材料的施工特性
  
  1)、柔性石墨复合接地材料之间的连接
  
  柔性石墨复合接地材料具有极其简易的连接方式,只需两端搭接,并通过石墨线束或金属丝缠绕一定长度后固定即可,不需要使用其他笨重的焊机及电源设备,也不需要其他辅助连接结构,施工人员操作起来十分方便,如下图所示。同时软体石墨接地体本体轻便,在材料运输困难的山区,能够节省大量人工及运输费用,经济效益可观。软体石墨接地体外观呈线缆绳状,具有一定的弯曲性及延展性,可以针对山区或某些特殊地形铺设小角度折线型、波浪型等多样化的沟槽路线,更符合施工现场遇见的复杂、多变的各类地形条件,从而增大了施工灵活性,也扩展了其在接地施工中的应用范围。
  
  柔性石墨复合接地材料的连接     
  
  2)、圆钢引下线与石墨接地网连接施工
  
  (a)、总体连接方案
  
  由于石墨复合接地材料为非金属材料,无法采用金属焊接方法进行连接,应采用石墨复合接地体专用连接件进行连接。连接件如下图所示:
  
  石墨复合接地材料专用连接件
  
  实际施工时,引下线仍采用Ф12mm镀锌圆钢,水平接地网采用Ф20mm石墨复合接地材料。在石墨复合接地材体的一端套上Ф22mm的合金钢套,并采用扣压机压紧,与石墨复合接地材料压接为一体,这种方案为镀锌圆钢引下线与水平石墨复合接地体的焊接提供条件。不同工况下的连接方式做如下阐述。
  
  (b) 、方框带射线接地网连接方案
  
  方框带射线接地网是最为常见的一种接地形式,接地装置整体如下图所示:
  
  方框带射线接地网连接示意图
  
  上图中红色引下线为长2.5m的Ф12mm镀锌圆钢。A-B-C-D-E为一整根Ф20mm石墨复合接地体,构成了接地网的方框和其中一根射线,其中A-B-C-D-E方框线的一端压接有合金钢管。其他3根绿色射线代表剩余的3根接地辐射线。
  
  1#、2#、3#和4#为石墨复合接地材料专用连接件。整个接地网采用4个连接件,用来连接A段和E段、E段和F段、C段和G段、C段和H段。
  
  以椭圆内的节点2为例说明节点的连接方式如下图所示:
  
  连接点连接细节示意图
  
  上图中,F段为辐射线,采用连接件与方框接地网连接在一起。其中F段接地体在产品出厂时,已经在端部连接压接了长度为150mm长的合金钢管,将Ф12mm镀锌圆钢与合金钢管进行3面焊接,施工应保证有效搭接长度≥120mm。
  
  需要说明的是,F段露出接续件的长度d1≥0.5m,足够长的露出部分可以任意弯曲,为焊接提供施工条件。
  
  (c)、方框接地网连接方案
  
  在土壤电阻率较小时,不加射线也可以满足接地电阻要求,此时接地网可采用方框接地网接地装置整体如下图所示:
  
  方框接地网连接示意图
  
  上图中红色引下线为长2.5m的Ф12mm镀锌圆钢。B-C-D-E为一整根Ф20mm石墨复合接地体,构成了接地网的方框,其中B-C-D-E方框线的一端压接有合金钢管。另外采用3长度为1m的短射线,用来连接Ф12mm镀锌圆钢引下线。
  
  以椭圆内的节点2为例说明节点的连接方式如下图所示:
  
  连接点连接细节示意图
  
  上图中,绿色线为1m长的短石墨复合接地体,在产品出厂时,已经在其端部连接压接了长度为150mm长的合金钢管,将Ф12mm镀锌圆钢与合金钢管进行3面焊接,施工应保证有效搭接长度≥120mm。
  
  需要说明的是,1m长的短射线露出接续件的长度d1≥0.5m,足够长的露出部分可以任意弯曲,为焊接提供施工条件。

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