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石墨基柔性接地缆的产品研究

 能源行业电力接地技术标委会11月7日在武汉组织召开了电力行业标准《输电线路杆塔石墨基柔性接地体技术条件》初稿审查会。会议认为,该标准初稿结构合理,技术内容完整,编写格式符合标准GB/T1.1—2009的要求;审查委员会委员对该标准初稿的内容提出了10条主要修改意见。
    据了解,石墨基柔性复合接地材料和柔性石墨接地极都是基于同一种材料,主要用于电力系统接地网工程,降阻性能优于其它传统接地极,且工程的总体性价比高。
    在柔性接地材料的研究和应用方面,为了对“石墨基柔性接地材料”有更多的了解,我们转发杨振国等近期发表的论文《高压输电线路石墨基柔性接地缆的产品选型研究》,以飨大家。

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    随着国内新材料、新技术以及新工艺的不断涌现,高压输电线路杆塔的接地装置型式也在不断创新发展。近年,一种新型石墨基柔性接地缆正在逐渐被应用到高压、特高压杆塔接地装置中。该型产品呈电缆状,采用高碳石墨为主体材料,通过多道工艺编制绞合而成。与常规镀锌钢接地体相比其主要优点是耐腐蚀、非磁性、大电流冲击不反击、耐高低温、接地电阻稳定、免维护等。通过对国内改型接地产品调研得知,目前市场上主流的石墨基柔性接地缆主要分为两种结构,如图1和图2 所示。

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    此两种产品的主要特点详见表1。从表1 可看出,这两种结构型式的石墨基柔性接地缆主要区别在于外径尺寸以及内部是否存在钢芯结构。我们重点对该两种结构产品的防腐、防雷以及经济性进行剖析。

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    需特别关注柔性石墨的电偶腐蚀以及缝隙腐蚀。

    1)当其它金属在电解质溶液中互相接触,因腐蚀电位的差异而产生电流流动,这样便构成了一个腐蚀电池,从而使腐蚀电位较低的金属的溶解速度增加,造成接触处的局部腐蚀,而腐蚀电位较高的金属得到保护,这种现象称作电偶腐蚀。

     研究表明  柔性石墨对金属钢绞线进行包裹,因夏季雷雨季节雨水量大,在酸碱度相对偏高的土壤中则形成腐蚀电池。由于石墨具有导电性且其电极电位远远大于大多数金属的电极电位,在这一腐蚀电池中,金属充当电池的负极,柔性石墨充当电池的正极。从而电解质溶液中的氢离子被还原成氢气放出,电子从金属流向石墨,其结果是金属不断溶解而被腐蚀。即使密封部件周围没有电解质,只要在一定的空气湿度下(相对湿度超过60%),金属表面会形成一层薄薄的水膜,柔性石墨内部也会变得湿润,水膜的酸性增强,H+浓度增大。此时柔性石墨与金属间会形成许多微电池,发生腐蚀。

    2)缝隙的腐蚀 当金属部件在介质中时,由于金属与金属或者金属与非金属之间形成特别小的缝隙,使隙内的介质处于滞流状态,引起缝内金属加速腐蚀,这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀。

综上,结构形式1 的石墨基柔性接地缆内部钢线结构电偶腐蚀及缝隙腐蚀问题更为严重,因此在盐渍土、盐碱地等土壤腐蚀问题较为突出的区域应慎用。
GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》给出了一般土壤对圆钢的腐蚀速率为0.3~0.2 mm/a。同时,明确了地下按机械强度要求的钢接地材料的小尺寸圆钢直径为8 mm。单单石墨层而言,两种结构型式的接地缆寿命及腐蚀率计算见表2。

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    石墨在常温下具有良好的化学稳定性能,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀,所以该材料本身的腐蚀率小于0.1%。从表2 计算结果可以看出,按照与高压输电线路设计寿命一致的50 年计算,两种结构型式的产品石墨层年腐蚀率均符合要求,且理论寿命远大于50年,单纯从防腐角度看可终身免更换。

    但值得特别注意的是:它的结构形式1 产品中间含有钢结构,尚需考虑其腐蚀寿命问题。同理,常规Φ12 圆钢而言,按初始直径为12 mm,腐蚀后直径为8 mm计算,则需要的腐蚀年限为13 年左右,Φ10 圆钢为7年。结构型式1 的石墨基柔性接地缆由于需要达到柔性的便于安装的性能,中心不能采用刚性圆钢而改用可塑性更好的钢丝绞线替代,但是绞线间必然存在缝隙,相较于同等直径的圆钢,在盐渍土及盐碱地区结构型式1 的石墨基柔性接地缆的腐蚀速率会更快,接地网的使用寿命将更短。

 

    当雷电流直击到塔顶,电流经过塔本身下行到接地线之后泄放到大地,大电流此时瞬间经过接地线导致接地线上局部温度瞬时增高,固接地材料的选材时必须得考虑到它的本身的热稳定性,不然容易被宛如其来的瞬间高温烧断接地线路,从而引起接地装置的失效。


    我国高压配电线路接地体的设计中,运用用的雷电流取100 kA,用式1 计算得出来超过100 kA雷电流幅值概率仅为7.3%,由此可以看出超过该幅值100 kA的电流的雷电概率较低。图3 为按公式1 计算、绘制的雷电流幅值概率曲线。


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    以100 kA雷电流幅值进行计算,仅考虑采用柔性石墨(不含钢)作为接地材料时,计算得到的接地体瞬时温升见表3。从表3 可以看出,结构型式2 产品接地体直径较大,其瞬时温升理论值为180.3 ℃,而结构型式1 将达到600.9 ℃。研究表明柔性石墨从-270 ℃的超低温到3650 ℃(在非氧化气体中)的高温,其物理性质几乎没有什么变化,在空气中也可以使用到600 ℃左右。但为了提高石墨基柔性接地缆的机械强度,目前市面上在该产品中均加入了玻璃纤维等材料,其耐受温度一般不超过300 ℃。可见,为降低材料本身的电阻以降低温升,Φ20 直径的结构形式1 产品必须在中心加入金属,提高导电性能以满足温升要求,避免被烧断进而导致整个接地系统失效发生后续雷电反击闪络故障。

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    采用伸长接地体可以有效的降低杆塔接地装置的工频接地电阻,但并不能确保其良好的雷电保护效果。接地极在冲击电流作用下与在工频电流作用下不同,接地极将呈现电感效应,阻碍电流向接地极远端流动。如果接地极过长,则在冲击电流作用下只有一部分被利用,即接地极具有有效长度。

    GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中D.1.3 规定,架空线路雷电性能计算时可采用雷电流波形为2.6/50 μs 的双斜角波,即波前时间取T=2.6 μs。据此,不同电阻率下要求的有效水平接地体长度计算如表4所示。

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    据此,对不同土壤电阻率下两种结构型式的接地线用量进行计算,结果见表6 及图5。由表6 及图5理论结果可知,两种结构型式的接地缆用量差会随着土壤电阻率的升高而不断地增大,但在一般土壤电阻率在500~1200 Ω·m范围内变化相对较缓,差值为2~3 m左右。式(4)表明接地电阻的大小与外径有关,它与接地材料材质无关,因此如果在不考虑两种结构产品是否采用钢绞线而产生的价格差异,在达到同等降阻效果的条件下,外径较小的结构形式1 石墨接地缆使用长度更长一些,接地沟开挖量也相对更大一些,施工成本略高。若不存在土壤防腐问题,以土壤电阻率800 Ω·m为例,参考表1 给出的两种结构形式的材料价格,经计算,使用结构形式2 的石墨基柔性接地缆比使用结构形式1 的能够节省综合费用约1000元,对于杆塔接地工程的石墨接地材料选型具有一定的指导意义。

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对目前国内市场上较为常见的两种结构高压输电线路新型石墨基柔性接地缆的抗腐蚀、防雷以及经济性方面进行了综合比较,主要结论如下:
(1)高压输电线路杆塔设计寿命一般为50 年,结构形式1(Φ20)产品不适合盐渍土、盐碱地等易腐蚀区域,运行寿命相对较低。结构形式2(Φ28)产品适合,符合防腐性能要求,且综合投资增加并不大。
(2)两种型式接地体实际有效长度均在较高允许范围内,无明显浪费。事实上有关计算表明,Φ28的圆形石墨材料,由于其非磁性,缓解高频集肤效应,材料的利用率可达到80%以上。
(3)在不增加外径的前提下,按雷电流热稳定要求,结构形式1(Φ20)产品中心必须配置金属导体以降低产品自身电阻率来降低瞬时大幅温升。
(4)纯柔性石墨接地体直径取Φ28 较为适宜,不宜过低,且材料本身电阻率不宜低于5×10-5 Ω·m,以满足热稳定需求。
(5)结构形式1(Φ20)产品更适合应用于土壤电阻率过高但土壤不涉及防腐问题的区域,此时具有较为显著的经济性。

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