考虑多层土壤电阻的石墨烯快复合快速接地装置降阻性能研究

杨健铭，姜鹏，柏晓路，张胜峰，务孔永，杨易斐

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550081；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；3.河南四达电力设备股份有限公司，河南 长葛 461503）

为了保障电力设备能够在电阻率高，地形复杂，雷雨季较长的土壤区域中安全有效地运行，可以通过安装多层复合材料石墨烯铜层接地系统(即石墨烯复合接地极)，降低电力设备被雷击损坏频率，减少人身被雷击伤害事故，由此国内外学者对石墨烯快复合快速接地装置进行了研究。文献

[1]学者针对均匀土壤研究短垂直接地棒对双层土壤的降阻效果，结果证明，短垂直接地棒对小接地网具有一定的降阻效果，但是，由于现有的研究针对的是均匀土壤中的降阻性能研究，在多层土壤电阻的环境中降阻性能还未深入研究。为解决上述问题，进行石墨烯快复合快速接地装置降阻性能研究，为工程接地提供参考。

1 考虑多层土壤电阻的石墨烯电化学性能

1.1 计算石墨烯电容

本文通过模拟石墨烯阻抗谱等效电路，分析石墨烯电容性质。多层土壤电阻的石墨烯阻抗谱模拟等效电路图，如图1所示。

图1 多层土壤电阻的石墨烯阻抗谱模拟等效电路图

在图1中，d为石墨烯快复合快速接地装置双电层电容；R为欧姆阻抗；t为石墨烯快复合快速接地电极电化学阻抗；Z为Wurburg阻抗；L为石墨烯快复合快速接地装置降阻的极限电容。通过图1，得到多层土壤电阻的石墨烯快复合快速接地装置降阻中电容性质：相互平行时，石墨烯快复合快速接地装置降阻性能要比导电方向与纤维方向相互垂直时较高。为精确多层土壤电阻对石墨烯电容性质的影响，计算石墨烯快复合快速接地装置降阻电极中活性物质的比电容，以此降低石墨烯快复合快速接地装置接地体密度。设石墨烯快复合快速接地装置降阻电极中活性物质的比电容为C，可得公式（1）：

式中，Q为循环伏安扫描的充电和放电过程中的平均电量；V为循环伏安扫描的电位区间；m为电极中活性物质的质量，单位为g。以此为理论依据，提高石墨烯快复合快速接地装置降阻能力。

1.2 分析石墨烯导电性

为分析石墨烯导电性，根据公式（1）计算和对比多层土壤电阻下，得到石墨烯快复合快速接地装置和短垂直接地棒两种方法的比电容数据，由于多层土壤电阻的共同作用，石墨烯快复合快速接地装置降阻性能必然是一个复数。通过石墨烯的导电性能够直接反映出石墨烯快复合快速接地装置降阻性能。设考虑多层土壤电阻的石墨烯导电性计算表达式为s，则有：

式中，I为石墨烯快复合快速接地装置降阻过程中的恒流放电电流。通过得出石墨烯导电性，分析考虑多层土壤电阻的石墨烯快复合快速接地装置降阻导电性。考虑多层土壤电阻的石墨烯电化学性能总述表，如表1所示。

结合表1所示，土壤电阻层次越多，石墨烯导电性越弱，降阻速率能力越高。

2 设计采用接地降阻石墨烯复合接地体的接地网

基于上述研究，设计采用接地降阻石墨烯复合接地体的接地网，得到表1中参数对接地装置电阻的影响如图2所示。

图2 降阻速率能力和导电性对接地装置电阻的影响

表1 考虑多层土壤电阻的石墨烯电化学性能总述表

由图2可知，石墨烯复合接地极材料对接地装置电阻的影响较小。因此，石墨烯复合接地极材料性能稳定，施工简单，安装便利，对地面的破坏程度小。多层复合石墨烯接地棒（如图3所示）是一种新型导电材料，经过高温膨化加入石墨烯、铜、银等金属渗透到接地棒里，使之比其他普通接地材料放电速度快3～5倍。这种新型接地棒因芯棒与地棒直接通过过盈配合，简化生产工艺，提高了生产效率，特别是安全接地棒，不需要复杂的大型工具，只需一把油镐即可施工安装，有效地提高了安装效率，节省了人力物力。

图3 多层复合石墨烯接地棒

由于市场的接地系统的芯棒一般都是直接在钢棒的外表面覆一层钢，然而，由于铜材料和钢材料的金相组织结构的差异，使得铜层与钢棒表面的黏合力不够，导致铜层覆在钢棒的表面后极容易局部脱落或者因其与土壤的摩擦而剥落。石墨烯复合接地体棒与棒之间无须罗纹，只有公与母插入式，石墨烯、铜等多种金属材料烧结大大提高了其棒与金属的结合度，对接地体本身的机械硬度、导电能力、防腐性能、防冻等都分别与传统提高了5～15倍。

因此，设计采用接地降阻石墨烯复合接地体的接地网可以在充分考虑多层土壤电阻的情况下，在保证降阻效果的情况下，可以有效提高石墨烯快复合快速接地装置降阻性能。

3 结语

通过考虑多层土壤电阻的石墨烯快复合快速接地装置降阻性能研究，能够取得一定的研究成果。通过不同参数对接地装置电阻的影响对比分析，石墨烯复合接地极装置的降低接地电阻效果优于其他传统接地极，节约开挖土方量，减少施工强度、青赔费用，缩减施工时间；特别在交通不便的山区，不需要再搬运焊机等笨重设备，安装流程简化，搭接连接即可，大大缩短了安装施工时间，总体性价比高。