论金属和非金属材料柔性接地的实际应用

李凤和

(中国电建集团四平线路器材有限公司，吉林 四平 136001)

架空输电线路是用绝缘体将输电线固定在直立于地面的杆塔上用以传输电能，它由导线、架空地线、杆塔、绝缘子串、防雷装置、接地网等部分组成。而杆塔的防雷接地系统主要是由避雷装置，连接引下线和接地网组成，并会有故障产生，其原因有：①避雷装置老化，绝缘水平下降，经受不起过高的雷电冲击过电压；②接地网泄流能力和承载电荷能力不足，不能感应数量相当的雷云反电荷， 不能中和雷云电荷，产生大量的电荷堆积，造成过电压；③接地网的工频电阻或冲击电阻过高不能满足系统运行要求；④避雷装置和接地网的连接配合存在薄弱环节，比如引下线焊接不良、蚀锈等等。

针对以上故障原因，石墨柔性接地的出现较好的解决了这个问题。重庆电力公司对部分铁塔进行了改造，通过使用非金属的石墨柔性接地产品，可以有效迅速地改善接地网的泄流承载能力，降低接地电阻，建立一条长效的泄放故障电流的通道。

1 接地体的发展历史和现状

（1）第一代接地体由早期的钢、镀锌钢等金属接地体组成。耐腐蚀性差，焊接连接，施工困难，周期长，需要维护且费用高昂；腐蚀也使引下线的连接存在薄弱环节，导致接地网的有效面积就会减少。

（2）第二代接地体由第一代的材料加上降阻剂组成。利用细石墨粉、固化剂、润滑剂等配制而成，使用于金属导体和土壤之间，使它们紧密接触，增加了电流流通面积，降低了周围土壤电阻率。但对金属有腐蚀，容易流失，也不环保；随着时间的推移，降阻剂数量减少，最终接地电阻阻值增大。

（3）第三代接地体离子接地和镀铜及阴极保护产品。利用电解质和金属外层结合并反应产生自由离子达到更佳导电性，增加了电流流通面积。但电解质寿命有限，易被雨水稀释，金属外层会被内部盐溶液腐蚀，降低降阻效率；镀铜产品仍然有腐蚀问题；阴极保护价格昂贵。

（4）第四代接地体石墨柔性接地体是新一代接地体，它主要从两方面着手解决问题：改善材料的腐蚀性；增强介质的泄流性能--建立长效的泄流通道。它无土壤接触电阻、防腐蚀能力强、可消除雷击过电压、连接不需要焊接、工程施工容易、使用寿命长，柔软性能好。它的雷电冲击变化率平均是0.7%，大大低于标准规定的20%；它的降阻效果显著，降阻系数为0.16，而前三代产品，降阻效率系数只有0.8左右。

2 理想接地系统

理想接地系统应保证电力系统运行的持续性、稳定性、连贯性、安全性和经济性。让我们从材料、连接方式、施工、安装以及运行维护等方面来定义该系统。

a.导电性，热稳定性能强；b.耐酸、碱和有机溶剂腐蚀，不污染环境；c.与土壤接触电阻小，工频和冲击电阻小；d.能迅速泄放故障电流，无安全隐患(无过电压，无地电位反击)；e.连接方式可靠且无需焊接；f.吸水保水性强，使接地电阻阻值越来越小；g.柔软性能好，抗拉强度高；h.产品轻便，搬运方便；i.安装简单容易，施工周期短；j.运行免维护，使用寿命长。

3 石墨是理想的接地体

石墨是碳同素异形体。原子内有大量的自由电子，最外层4个电子在形成石墨六元环时只共用3个电子，多余的1个自由电子在外加电场的作用下，作定向移动而导电；自由电子之间能进行动态能量传递而导热。石墨的非金属属性和如下属性使它成为理想的接地体。

导电性：导电性比一般非金属高很多；

导热性：导热性超过钢、铁、铜等金属材料；

耐腐蚀性：非金属的元素，不易被氧化腐蚀，腐蚀率很低；

耐高温及低温的属性：熔点为3850℃，沸点为4250℃；膨胀系数小，体积稳定；低温下，膨胀系数小能抗急冷急热变化；

吸附性：空隙结构，有很好的吸附性，易吸附水分、气味等；

润滑性：摩擦系数小，润滑性能好，与土壤的粘和度高；

化学稳定性：在常温下化学稳定性好，能耐酸、碱和有机溶剂的腐蚀；

可塑性：韧性好，可碾成很薄的薄片；

抗热震性：常温下，能经受住温度的剧烈变化而不致破坏；温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

4 石墨接地极冲击散流特征-雷击事故低

a.接地极或接地体的冲击系数越小，其散流能力就越强；b.石墨接地极的冲击系数最小，其散流能力最强；并且并联比串联效果更好；泄散雷电流迅速；c.石墨的非金属特性决定其能缓解集肤效应，尤其是高频集肤效应；可提高其材料的导流利用系数；d.金属的冲击系数比较接近，比非金属的冲击系数大，散流能力比非金属弱；

离子接地体即使体内含有低阻非金属成分，但是受物理限制，效果不明显。

5 铜、镀锌钢和石墨接地体性能比较

表1 接地材料的比较

铜包钢 φ20x1500 11 8.55 0.78锌包钢 φ20x1500 8.9 6.84 0.77镀锌钢 φ20x1500 8.2 6.31 0.77不锈钢包钢 HEV 2.3 1.7 0.74不锈钢包钢 CET 2.8 2 0.71 3米离子接地体 钢质 2.5 1.9 0.76 3米离子接地体 锌包钢质 2.4 1.7 0.71 3米离子接地体 铜质 2.4 1.72 0.72 1个水平敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 8.8 5.8 0.66 1个垂直敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 11 5.73 0.52 2个水平串联敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 8.5 4.74 0.56 2个水平并联敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 7.2 2.22 0.31接地材料 规格 工频电阻Ω 冲击电阻Ω 冲击系数铜包钢 φ20x1500 11 8.55 0.78锌包钢 φ20x1500 8.9 6.84 0.77镀锌钢 φ20x1500 8.2 6.31 0.77不锈钢包钢 HEV 2.3 1.7 0.74不锈钢包钢 CET 2.8 2 0.71 3米离子接地体 钢质 2.5 1.9 0.76 3米离子接地体 锌包钢质 2.4 1.7 0.71 3米离子接地体 铜质 2.4 1.72 0.72 1个水平敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 8.8 5.8 0.66 1个垂直敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 11 5.73 0.52 2个水平串联敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 8.5 4.74 0.56 2个水平并联敷设石墨柔性接地极 φ120x1000 7.2 2.22 0.31

6 石墨柔性接地产品的技术特点及应用优势

（1） SH系列B型长效降阻防雷接地体。获国家专利，专利号是ZL 201420202635.5。是国内外新一代降阻材料，其导电性好，耐腐蚀性强，降阻性能好，是理想的非金属接地材料，而且连接不用焊接，工程施工简单。

（2）石墨降阻布。获国家专利，专利号是ZL 201420687730.9。是国内外新一代降阻材料，它避免了传统降阻剂、降阻模块的弊端，降阻布在施工敷设过程中，方便，适合搬运，环保无毒，不随雨水流失，不污染土壤、埋敷均匀、性能稳定可靠，具有良好的长效性；与石墨接地体、线等结合，建立了一条长效的泄流通道，适用于防雷接地领域。

（3）石墨柔性接地模块。采用化学性能稳定的石墨材料作为模块的导电介质，应用范围广。

（4）石墨柔性接地体。通过液体溶解组成物质，在浇筑到接地体周围后渗透凝固成胶体，降阻效果显著，降阻系数为0.16。也可以显著降低冲击响应，使雷电冲击变化率平均为0.7%，大大低于标准规定的20%。尤其在高土壤电阻率的地区使用石墨柔性接地体，不但可以降低接地电阻，而且对环保无污染，一旦成形，埋于地下就不再溶解于水，而且含水量稳定，与石墨接地体、线等结合，可以建立一条长效的泄流通道。

（5）石墨复合接地材料专用连接件。获国家专利，专利号是ZL 201520719443.6；该连接件是一种插销压接防雷接地体连接件，具有施工方便，连接可靠，接触电阻小，构造简单、防腐耐用、使用成本低等优点。综上所述，石墨柔性接地体是目前最理想的接地材料，完全可以替代目前的传统接地体，而且还具备运输方便、施工简单等特点，是架空输电线路建设过程降低成本、减少故障的理想施工材料。