柔性石墨接地体耐腐蚀试验及应用技术研究

李恒真，阮江军，陈荆洲，黄道春，詹清华,，肖 微,

（1．广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2．武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

柔性石墨接地体耐腐蚀试验及应用技术研究

李恒真1，阮江军2，陈荆洲2，黄道春2，詹清华1,2，肖 微1,2

（1．广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2．武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

针对易腐蚀地区中金属接地体存在的易腐蚀问题，提出了耐腐蚀能力强的柔性石墨接地材料。对柔性石墨复合接地材料本体进行了耐腐蚀能力试验，试验结果表明，柔性石墨接地体腐蚀速率远低于铜与钢，具有很强的耐腐蚀性能。然后对柔性石墨接地体接头进行了加速腐蚀试验，试验结果表明，接头会发生剧烈的电化学反应，是柔性石墨接地体防腐的重点。为了解决接头防腐问题，提出采用防腐石墨布的方法。最后介绍了柔性石墨接地体在易腐蚀地区中的示范应用工程。

易腐蚀地区；柔性石墨接地体；耐腐蚀试验；接头防腐；示范工程

0 引言

目前，国内外输电线路常采用金属以及含电镀层的金属作为接地材料[1]。由于接地装置长期处于地下恶劣的运行环境中，土壤对其产生的腐蚀作用是不可避免的，而且接地装置同时还要承受杂散电流的腐蚀。当腐蚀问题严重时，接地网的水平导体和接地线会变细甚至断裂，使接地电阻升高，造成电气设备“失地”。当系统出现接地短路电流时，可能会发生接地故障，危害人身和设备的安全[3－4]。金属在土壤中的腐蚀按机理可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。其中以电化学腐蚀最为严重[5]。

确保接地网免受腐蚀是保证电网稳定安全运行的主要措施，如何有效减缓和防止地网腐蚀成为了一个重要话题。国内外学者做了大量的工作，目前，国内外接地系统的防腐措施主要有改变接地装置材料、涂刷导电防腐涂料、阴极保护3种方法。其中改变接地装置材料如改碳钢为铜，耐蚀能力是得到了极大的提高，但存在价格昂贵和给与其相连的金属构件带来严重的电偶腐蚀的问题；刷导电防腐涂料，确实可以延长接地网的寿命，但是涂层存在老化的问题，同时涂层总是不可避免地存在漏涂、针孔、破损等缺陷，会在这些区域产生严重的局部腐蚀；而阴极保护是目前防止地下金属结构物腐蚀的最为有效的方法，它是通过对腐蚀反应进行积极干预，从根本上抑制电化学腐蚀的发生，从而达到彻底保护效果[6]。

针对金属材料的输电线路杆塔接地网的腐蚀问题，一些非金属接地材料应运而生。柔性石墨复合接地体具有耐腐蚀性能强、力学结构稳定、热稳定性强、能够预防偷盗以及运输方便等优点[7]，在易腐蚀地区，杆塔接地技术应用上具有可观的推广价值。本文从易腐蚀地区杆塔接地体现行的防腐蚀方法存在的一系列问题出发，提出采用柔性石墨复合接地材料取代易腐蚀地区杆塔现行的金属接地材料。

为了进一步研究柔性石墨接地体在腐蚀地区的适用性，找出工程应用中防腐的重点位置，笔者分别对柔性石墨接地体开展了耐腐蚀试验。随后，针对易腐蚀的位置提出了对应的防腐措施。

最后结合佛山10 kV配电网，介绍了柔性石墨接地体在易腐蚀地区的实际应用效果，说明采用柔性石墨复合接地材料取代现行的金属接地材料的可行性。

1 柔性石墨接地体耐腐蚀特性研究

1.1 腐蚀速率的测量

金属受到均匀腐蚀时腐蚀速度表示方法一般有两种：一种是用在单位时间内、单位面积上金属损失（或增加）的重量来表示；另一种是用单位面积内金属腐蚀的深度来表示。

1）质量法。质量法具有灵敏、有效、用途广泛特点，是最基本的定量评定方法之一。通过腐蚀前后质量的变化（通常为减少）来表征腐蚀速率。失重法测量腐蚀速度计算公式：

式中：K 为腐蚀速度，g/m2·h（K 为负值时为增重，腐蚀产物未清除）；s为试样面积，m2；t为试验时间，h；W0为试验前试片的重量，g；W为试验后试片的重量，g（清除腐蚀产物后）。

2）深度法。通过直接测量腐蚀前后或者腐蚀过程中，某两时刻的试样厚度，就可以得到深度法表征的腐蚀速率。腐蚀深度单位为（mm·a-1）；可以选择有足够精度的仪器直接测量厚度变化，也可以采用无损测厚方法。

3）电流密度表征法。金属的电化学腐蚀是由阳极溶解导致的、因而电化学腐蚀的速率可以用阳极反应的电流密度来表征。法拉第定律指出，当电流通过电解质溶液时，电极上发生电化学变化的物质的量与通过的电量成正比，与电极反应中转移的电荷数成反比。

由于质量法所需设备及操作较为简单，本文所述试验均采用质量法测量腐蚀速率。

1.2 柔性石墨接地体防腐技术试验

笔者综合考虑国内几种典型土壤下的腐蚀特点，采用室内腐蚀模拟实验，通过制备土壤模拟液和细砂模拟我国几种典型土质，并且采用电偶加速法对接头的腐蚀特性进行测试。

1.2.1 接地材料抗腐蚀性能对比试验

1.2.1.1 试验方案

该试验选择滨海氯盐土、碱盐土、中性草甸土、酸性红土壤以及酸性土5种土壤。试验用蒸馏水调配盐溶液，并采用NaOH与醋酸调节溶液pH值，试验所用试剂均为分析纯。试验配置的土壤模拟液见表1。

表1 接地体腐蚀试验典型土壤模拟液Table 1 Typical soil simulation solution of corrosion test in grounding boby

试验每种土壤模拟液各制备4份，每组分别编号 A1-E2、A2-E2、A3-E3、A4-E4，完成后密封待用。 选择接地材料为铜、Q235钢和石墨复合接地材料 （取石墨带试样），并制备相同尺寸（暴露面积为10 cm×2 cm）的试样。通过细砂纸打磨、抛光、清洗、干燥等过程对接地材料试样进行预处理。

为避免实验误差，试验同时准备4组平行试验组。试验制备每种接地材料试样的个数20个，并对每个试样按照“土壤模拟液+材料+组别”的规律进行编号。试验开始前用精度为0.1mg的分析天平称量，对处理后试样进行称量。试验时将接地材料按编号分别放置5种×4组土壤模拟液中，并用塑料薄膜对容器进行密封处理，试验装置见图1。

图1 不同接地材料土壤模拟液腐蚀试验Fig.1 Corrosion testof soil simulated solution in different groundingmaterials

接地材料腐蚀试验期间，注意土壤模拟液液面变化，及时补充各容器中的土壤模拟液至初始容量，腐蚀试验历时190天。对不同土壤模拟液中的铜、Q235钢和石墨复合接地材料试样采用去离子水清洗，使用除锈剂擦除金属试样表面的腐蚀层，用丙酮再次清洗并自然风干，采用分析天平称量试样重量，计算不同试样的年平均腐蚀率 （单位表面积上每年的失重率）。为减小试验误差，取4组平行实验组的平均值作为每种接地材料的平均腐蚀速率，测量结果见图2。

图2 不同接地材料土壤模拟液腐蚀试验对比Fig.2 Comparison of the Corrosion testof soil simulated solution in differentgroundingmaterials

1.2.1.2 试验结果分析

由图2可知，钢接地材料的腐蚀程度高于铜和石墨复合接地材料，并且钢材料在酸性土壤中的腐蚀速率大于在碱性土壤和中性草甸土中的腐蚀速率。而铜接地材料在碱性土壤中的腐蚀程度略高于中性草甸土与酸性土壤。石墨复合接地材料在不同土壤模拟液中的腐蚀程度均很小，并且腐蚀速率与土壤的酸碱度无明显关系。从土壤模拟液腐蚀实验结果来看，石墨复合接地材料不受土壤条件的限制，其防腐蚀特性优于现行的钢、铜等金属接地材料。

1.2.2 柔性石墨接地体接头耐腐蚀试验

对于柔性石墨接地体，采用铜制作的接头的腐蚀更应该受到关注。本试验对石墨接地体接头处的抗腐蚀性能进行测试。为了提高试验效率，本试验采用加速腐蚀的方法。

1.2.2.1 试验方案

试验采用60目细砂，并对其进行清洗、烘干处理。由于土壤含水量对接地体腐蚀有影响，当土壤含水量为25%左右时，接地体腐蚀最严重[8]，因此试验采用4：1的配比将细砂与土壤模拟液进行混合，制备几种典型模拟土壤。为缩短测量时间，本实验采用电偶加速法提高石墨复合接地体的腐蚀速率。加速腐蚀试验采用20 V恒压源对试验进行通电。加速试验平台见图3。

图3 加速腐蚀试验平台Fig.3 Platform for accelerated corrosion testing

试验保持通电30天，期间每隔24 h左右称量容器总重量，根据失重法并添加蒸馏水至初始值。加速腐蚀试验完成后，将石墨复合接地体取出清洗，将试样烘干后冷却至室温，再次测量试样的接续电阻值。试验前后接续电阻变化见表2。

表2 加速腐蚀试验前后接续电阻试验值比较Table 2 Com parison of the test values of continuous resistance before and after accelerated corrosion test

1.2.2.2 试验结果分析

由表2知，石墨复合接地体连接点在不同模拟土壤中加速腐蚀后的接续电阻均出现不同程度的增大，在氯盐土与盐碱土中，接续电阻值增加幅度很大。观察发现接头表面已经严重腐蚀。这是由于接头在碱性土壤中腐蚀较为强烈，且该两种模拟土壤中的离子促进了电化学反应的进行，接头在通流条件下电化学反应剧烈，接头表面生成的氧化物一定程度上影响了与石墨复合接地材料的连接状态。因此，接头防腐问题称为柔性石墨接地体工程实际中需要重点关注的问题。

2 柔性石墨接地体接头防腐技术

由于石墨是非金属材料，传统的焊接较为困难，因此设计了一种专为柔性石墨接地材料服务的接头，见图4。

图4 柔性石墨接地体接头Fig.4 Jointof flexible graphite composite grounding body

在柔性石墨接地体接头周围使用合适的降阻剂可以起到防腐降阻的作用。考虑到使用降阻剂所带来的弊端，降阻石墨布以其导电性能优异、降阻效果高效稳定、运输施工便捷、安全环保、成本低廉的优点而具有巨大的利用价值。降阻石墨布的制备过程为先将蠕虫石墨（碳含量高于85%）进行辊压制成蠕虫石墨纸，再将无机纤维表面浸润粘合剂，并等间隔敷设于两层蠕虫石墨纸间，经热固、辊压得到复合石墨纸，裁切复合石墨纸得到复合石墨带，对复合石墨带进行捻合获得复合石墨线后将复合石墨线整形压制得到复合石墨条，垂直交错编织复合石墨条便得到降阻石墨布[9]。将降阻石墨布包覆接地体一起施工埋入地下便可起到对接地体金属接头防腐降阻的作用，有良好的防腐效果。

3 柔性石墨接地体实际应用效果分析

为了研究柔性石墨接地材料的实际耐腐蚀能力，我们在广东省佛山市高明区进行了试点。调研过程详细对各杆塔周围地形地貌、土壤状况以及杆塔接地体腐蚀情况进行调研取证，并对各地土壤电阻率进行测量，确定本示范工程的杆塔。据当地反映，该区接地网平均使用年限仅有2~3年，杆塔接地网腐蚀严重，维修管理费用巨大。因此选取了两回杆塔进行了调研，特地选取杆塔接地引下线作为考察对象，见图5和图6。

图5 1号杆塔接地引下线腐蚀情况Fig.5 The corrosion of the line in grounding at tower No.1

图6 2号杆塔接地引下线腐蚀情况Fig.6 The corrosion of the line in grounding at tower No.2

根据该区杆塔接地网的严重腐蚀，对该区土壤进行了研究。结果发现该区土壤电阻率比较大，原本有水流过的土壤，当水流干后，土壤呈明显的铁锈色。土壤电阻率见表3。

表3 农田土壤电阻率Table 3 Resistivity of farm land soil

调研表明：土壤及水源的腐蚀性可能是造成地网严重腐蚀的主要原因，同时由于接地引下线与空气接触，氧化后造成金属严重腐蚀，因此引下线的腐蚀程度更为严重。面对如此强烈的土壤腐蚀，传统的金属接地体使用寿命会大大缩短，严重影响了杆塔的正常运行，并且极大地增加了维护费用。而柔性石墨接地材料具有很强的耐腐蚀性能，因此我们为该处杆塔铺设了柔性石墨接地体。确定了该工程为柔性石墨接地体实际应用的示范工程，实际考察石墨接地体的耐腐蚀能力。

目前，柔性石墨接地体已经投入到广东佛山10kV配网示范工程的实际应用中。经过2年的定期开挖观察发现，石墨接地体实际使用效果良好，面对该地区土壤强烈的腐蚀性，表现出了极强的抗腐蚀能力。与传统的金属接地体相比，在防腐蚀方面，柔性石墨接地体有着不可比拟的优势。因此柔性石墨接地体有推广使用的价值。

4 结论

1）通过耐腐蚀试验分别对柔性石墨接地体本体及接头的耐腐蚀性进行测试，测试结果表明，柔性石墨接地本体具有天然耐腐蚀性，耐腐蚀性优良。但是柔性石墨接地体的金属接头会在土壤中产生电化学腐蚀，因此接头防腐是实际工程应用中的重点。

2）针对接头的防腐问题，提出了柔性石墨接地体接头防腐技术，进一步加强接地工程防腐性能。

3）介绍了柔性石墨接地体在易腐蚀地区的应用，定期开挖未发现任何腐蚀痕迹，防腐效果优越。

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The Research on Corrosive Resistance and App lication Technology of Flexible Graphite Com posite Electrical Grounding M aterial

LIHengzhen1， RUAN Jiangjun2， CHEN Jingzhou2， HUANG Daochun2， ZHAN Qinghua1,2， XIAOW ei1,2
（1.Foshan Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid Company,Foshan 528000， China； 2.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China）

In allusion to the corrosive problems of metal grounding in easy corrosion area， the flexible graphite composite electrical groundingmaterial with high corrosion resistance is proposed.In this paper，the corrosion resistance of flexible graphite composite electrical groundingmaterial is tested.The test results show that the corrosion rate of flexible graphite composite electrical groundingmaterial ismuch lower than thatof copper and steel，and ithas strong corrosion resistance.Then the accelerated corrosion research on the joint of flexible graphite composite electrical groundingmaterial is carried out.The experimental results show that the jointwill be a violent electrochemical reaction，which is the key to the flexible graphite composite electrical groundingmaterial.In order to solve the corrosion problems of joint， the anticorrosion graphite textile is proposed in this paper.Finally， the application of flexible graphite composite electrical groundingmaterial in the area of easy corroded area is introduced.

easy corrosion area； flexiblegraphite compositeelectricalgroundingmaterial； corrosion resistance test； corrosion protection of joint； demonstration project

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.018

2016－05－26

李恒真 （1977—），男，博士研究生，高级工程师，现从事输变电设备外绝缘及其在线监测工作。