柔性石墨复合接地材料及其接地特性_肖微

0 引言
随着电力系统的不断发展，输电线路雷击跳闸
南 方 电 网 公 司 科 研 项 目 （ KGD20140867 ） 和 国 家 自 然 科 学 基 金 （51477120）资助。 收稿日期 2015-12-04 改稿日期 2016-11-10
事故也日益增多。据电网故障分类统计表明，在我 国跳闸率较高的地区，由于雷击造成的事故次数约 占高压输电线路总跳闸次数的 60%[1]。多年来，各 国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[2]。而实际运行线路防雷
Keywords：Corrosion of grounding material, flexible graphite composite electrical grounding material, skin effect, inductive effect, expanding graphite composite grounding material
本文以现行金属接地材料存在的易腐蚀、运输 及施工困难、与土壤贴合度不高、易偷盗及人为破 坏频发等问题出发，设计并制备了一种新型接地材 料——柔性石墨复合接地材料。论述新型接地材料 结构特点与基本材料参数，对比分析了石墨复合接 地材料与铜、钢材料的电感效应、趋肤效应等接地 特性，在此基础上对接地材料进行结构改进，并结 合实际接地工程应用说明本文所述新型接地材料的 实际应用价值。
第 32 卷第 2 期
肖 微等 柔性石墨复合接地材料及其接地特性
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指材料自身电阻率及趋肤效应）及感抗（主要指材 料的电感效应）成分分别进行分析。
2 石墨复合接地材料接地应用特性
2.1 石墨复合接地材料的趋肤效应
假设埋于土壤中的不同接地材料的接地体均为
圆柱形，取接地体内部某一点距中轴线的距离为 r，
接地需求。 （1）良好的导电性与抗冲击性能，实测电阻率
约 3.25×10−5Ω·m （ 通 过 材 料 改 进 可 进 一 步 降 至 10−6Ω·m 级别），试验表明，接地体及连接点在 120kA 以上的冲击电流作用下结构稳定，满足雷电流和短 路故障电流的排散。
（2）稳定的防腐蚀性能。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。
由图 2 可知，接地体径向穿透深度δ 与排散电 流的频率以及材料本身的磁导率与电导率有关。
（1）接地体相对磁导率μr 越大，分布在接地体 表层的电流密度值越大，趋肤效应也就越明显。现 行的低碳钢、镀锌钢、不锈钢等铁磁材料相对磁导 率较大，而铜及石墨复合接地材料的相对磁导率均
入端电流幅值为 1kA，电流频率取 f =50kHz。接地
材料分别采用纯铜（ρ1=1.75×10−8Ω·m，μr1=1）、45# 钢（ρ2=1.75×10−7Ω·m，μr2=636）以及石墨复合接地 材料（实测值ρ3=3.25×10−5Ω·m，μr3=1）三种。不同 接地材料内部的趋肤效应如图 2 所示。
关键词：接地材料腐蚀 柔性石墨复合接地材料 趋肤效应 电感效应 扩径接地材料 中图分类号：TM85
Flexible Graphite Composite Electrical Grounding Material and Its Grounding Application Features
Xiao Wei1,2 Hu Yuanchao2 Ruan Jiangjun2 Zhan Qinghua1,2 Huang Daochun2 （1. Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Co. Ltd Foshan 528000 China
该点磁场强度为 H，电场强度为 E，电流密度为 J，
假设接地体的传导电流远大于位移电流，由
Maxwell 方程组
∇ × H = E + ∂D ρ ∂t
（1）
和媒质方程
∇ × E = −μ ∂H ∂t
∇⋅B = 0 ∇⋅D = ρ
B = μH J =σE D =εE
（2）
（3） （4）
（5） （6） （7）
（a）石墨复合接地材料的分层结构
（b）接地材料与接续件的压接
图 1 石墨复合接地材料结构及连接方式
Fig.1 Structure and connection of graphite composite
electrical grounding material
向压接方式连接）。 石墨复合接地材料具有以下特性使其满足实际
（a）Φ 20mm 铜接地体截面的电流密度
（b）Φ 20mm45#钢接地体截面的电流密度
（c）Φ 20mm 石墨复合接地体截面电流密度
（d）接地体沿径向的电流密度
图 2 不同接地材料的趋肤效应对比 Fig.2 Skin effect contrast of several grounding material
摘要 鉴于电力接地领域现行金属接地材料存在易腐蚀、运输施工难度大、与土壤间隙大、 易偷盗以及高成本等实际工程问题，研发一种新型复合接地材料——柔性石墨复合接地材料。首 先简要阐述该新型接地材料的接地特性；然后采用有限元计算方法对比分析新型接地材料和常见 铜、钢接地材料的电磁特性（趋肤效应及电感效应）；继而基于数值计算结果对柔性石墨复合接地 材料进行结构改进，制备了扩径石墨复合接地材料，并分析石墨复合接地材料在输电线路杆塔接 地应用的可行性；最后通过新型接地材料在 110kV 和 220kV 输电线路杆塔接地工程中的现场测试 数据，验证本文所述柔性石墨复合接地材料的可靠性。研究内容对电力系统接地领域防腐工程具 有实际应用价值。
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电工技术学报
2017 年 1 月
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[3,4]，多年的输电线路 运行经验也使研究者在这一点上达成共识。
目前输电线路杆塔接地网仍多采用扁铁、圆钢、 镀锌钢等易腐蚀金属材料，长期面临金属腐蚀影响。 特别在酸性、碱性、高盐分和含水量大的土质下， 一般 5～7 年就需要改造甚至更换杆塔接地网，全寿 命周期成本大为增加[5,6]。此外，输电线路杆塔接地 网在使用时面临诸如施工难度大、与土壤贴合度不 高、易偷盗损坏等问题[6,7]。近些年，铜覆钢开始在 输电线路接地网中应用并起到一定防腐效果，不过 当铜镀层出现空隙或破损时一定程度上会加速钢材 腐蚀[8]。目前研究者针对接地网冲击接地特性、数 值计算模型、降阻方法、断点诊断等方面研究较多， 对于如何从材料角度解决现有接地网存在的实际问 题论述较少[9,10]，研发新型接地材料对输电线路接 地网改造具有实际工程意义。
2017 年 1 月 第 32 卷第 2 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.32 No. 2 Jan. 2017
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柔性石墨复合接地材料及其接地特性
肖 微 1,2 胡元潮 2 阮江军 2 詹清华 1,2 黄道春 2
（1. 广东电网有限责任公司佛山供电局 佛山 528000 2. 武汉大学电气工程学院 武汉 430072）
（12）
式中，Je 为激励作用下接地体中的电流密度。式（12） 的求解可采用解析法或数值分析法[13,14]，对于几何
结构复杂、多种媒质材料共存的接地系统电磁场的
求解，数值分析求解方法更为准确直观[15,16]。本文
利用有限元计算方法对常见的钢、铜以及石墨复合
接地材料的趋肤效应进行对比分析。
设二维接地体截面半径为 0.01m、长度为 1m，
1 柔性石墨复合接地材料的结构组成
石墨复合接地材料结构如图 1a 所示。采用了 Litz 线的结构原理，其内部的电磁场能够比较均匀 地分布，从而使得各根石墨导体上的电流分布较为 平均。其制备选用高纯鳞片石墨（纯度≥95%），通 过石墨的预处理制备膨胀石墨，并选用无机纤维与 合成纤维以及一定配比的水乳型导电粘合剂，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（下文简称为石墨复合接地材料）。其结构 及整体外观如图 1b 所示（接续件与接地材料采用环
引入向量磁位 A 与标量电位 V，使得 B =∇× A ∇⋅ A = 0
（8） （9）
结合式（2）～式（9）有
E = − ∂A − ∇V ∂t
（10）
1 ∇2 A=σ ∂A − σ∇V
μ
∂t
（11）
式（11）即为高频电流作用下接地体内部涡流
场基本方程，对于二维正弦电磁场，式（11）简写成
∇2 A=jωσμ A − μJe
（6）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）材料生产成本可控，相对于铜等金属材料 等具有成本优势。
石墨复合接地材料的电磁参数（如电阻率、磁 导率等）不同于现行的铜、钢等接地材料，其能否 应用于输电线路杆塔接地网需要进行理论验证。实 际上杆塔接地电阻严格意义上的称谓是接地阻抗， 它既含有阻性成分，也包含感抗与容抗成分。接地 系统电容分量仅出现在土壤电阻率较高且接地网尺 寸较小时的情况，而实际工程中，土壤电阻率高响 应的地网面积显然会相应地增大，因此，一般接地 系统在数值计算时省略电容分量而仅关注电阻与感 抗分量的影响[11,12]。因此，石墨复合接地材料电磁 参数对接地特性的影响应从接地阻抗的电阻（主要
2. School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China）
Abstract The metallic grounding materials used in power system nowadays have faced with lots of problems, such as corrosion, the difficulty of transportation and construction, easy to be stolen and high cost, and so on. Thus, a new type of grounding material, i.e. flexible graphite composite grounding material, was proposed and produced. Firstly, the material composition of the material was illustrated in this paper. Secondly, the skin effects and the inductive effects of the graphite composite grounding materials with copper and steel were calculated by finite element method respectively. And then the expanding graphite composite grounding material was made. At last, through the application in 110kV and 220kV transmission line tower grounding grid, it is shown that the new grounding material can meet the requirements of practical engineering.
（3）力学结构稳定。石墨复合接地材料（Φ 28mm） 的抗拉强度≥23kN，连接点的抗拉强度≥7kN，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）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， 与土壤贴合度高。