柔性石墨接地體耐腐蝕試驗(yàn)及應(yīng)用技術(shù)研究

李恒真，阮江軍，陳荊洲，黃道春，詹清華,，肖 微,

（1．廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

柔性石墨接地體耐腐蝕試驗(yàn)及應(yīng)用技術(shù)研究

李恒真1，阮江軍2，陳荊洲2，黃道春2，詹清華1,2，肖 微1,2

（1．廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

針對(duì)易腐蝕地區(qū)中金屬接地體存在的易腐蝕問(wèn)題，提出了耐腐蝕能力強(qiáng)的柔性石墨接地材料。對(duì)柔性石墨復(fù)合接地材料本體進(jìn)行了耐腐蝕能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，柔性石墨接地體腐蝕速率遠(yuǎn)低于銅與鋼，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能。然后對(duì)柔性石墨接地體接頭進(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭會(huì)發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，是柔性石墨接地體防腐的重點(diǎn)。為了解決接頭防腐問(wèn)題，提出采用防腐石墨布的方法。最后介紹了柔性石墨接地體在易腐蝕地區(qū)中的示范應(yīng)用工程。

易腐蝕地區(qū)；柔性石墨接地體；耐腐蝕試驗(yàn)；接頭防腐；示范工程

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外輸電線路常采用金屬以及含電鍍層的金屬作為接地材料[1]。由于接地裝置長(zhǎng)期處于地下惡劣的運(yùn)行環(huán)境中，土壤對(duì)其產(chǎn)生的腐蝕作用是不可避免的，而且接地裝置同時(shí)還要承受雜散電流的腐蝕。當(dāng)腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)，接地網(wǎng)的水平導(dǎo)體和接地線會(huì)變細(xì)甚至斷裂，使接地電阻升高，造成電氣設(shè)備“失地”。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地短路電流時(shí)，可能會(huì)發(fā)生接地故障，危害人身和設(shè)備的安全[3－4]。金屬在土壤中的腐蝕按機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕。其中以電化學(xué)腐蝕最為嚴(yán)重[5]。

確保接地網(wǎng)免受腐蝕是保證電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的主要措施，如何有效減緩和防止地網(wǎng)腐蝕成為了一個(gè)重要話題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，目前，國(guó)內(nèi)外接地系統(tǒng)的防腐措施主要有改變接地裝置材料、涂刷導(dǎo)電防腐涂料、陰極保護(hù)3種方法。其中改變接地裝置材料如改碳鋼為銅，耐蝕能力是得到了極大的提高，但存在價(jià)格昂貴和給與其相連的金屬構(gòu)件帶來(lái)嚴(yán)重的電偶腐蝕的問(wèn)題；刷導(dǎo)電防腐涂料，確實(shí)可以延長(zhǎng)接地網(wǎng)的壽命，但是涂層存在老化的問(wèn)題，同時(shí)涂層總是不可避免地存在漏涂、針孔、破損等缺陷，會(huì)在這些區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的局部腐蝕；而陰極保護(hù)是目前防止地下金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕的最為有效的方法，它是通過(guò)對(duì)腐蝕反應(yīng)進(jìn)行積極干預(yù)，從根本上抑制電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，從而達(dá)到徹底保護(hù)效果[6]。

針對(duì)金屬材料的輸電線路桿塔接地網(wǎng)的腐蝕問(wèn)題，一些非金屬接地材料應(yīng)運(yùn)而生。柔性石墨復(fù)合接地體具有耐腐蝕性能強(qiáng)、力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、能夠預(yù)防偷盜以及運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)[7]，在易腐蝕地區(qū)，桿塔接地技術(shù)應(yīng)用上具有可觀的推廣價(jià)值。本文從易腐蝕地區(qū)桿塔接地體現(xiàn)行的防腐蝕方法存在的一系列問(wèn)題出發(fā)，提出采用柔性石墨復(fù)合接地材料取代易腐蝕地區(qū)桿塔現(xiàn)行的金屬接地材料。

為了進(jìn)一步研究柔性石墨接地體在腐蝕地區(qū)的適用性，找出工程應(yīng)用中防腐的重點(diǎn)位置，筆者分別對(duì)柔性石墨接地體開(kāi)展了耐腐蝕試驗(yàn)。隨后，針對(duì)易腐蝕的位置提出了對(duì)應(yīng)的防腐措施。

最后結(jié)合佛山10 kV配電網(wǎng)，介紹了柔性石墨接地體在易腐蝕地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果，說(shuō)明采用柔性石墨復(fù)合接地材料取代現(xiàn)行的金屬接地材料的可行性。

1 柔性石墨接地體耐腐蝕特性研究

1.1 腐蝕速率的測(cè)量

金屬受到均勻腐蝕時(shí)腐蝕速度表示方法一般有兩種：一種是用在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上金屬損失（或增加）的重量來(lái)表示；另一種是用單位面積內(nèi)金屬腐蝕的深度來(lái)表示。

1）質(zhì)量法。質(zhì)量法具有靈敏、有效、用途廣泛特點(diǎn)，是最基本的定量評(píng)定方法之一。通過(guò)腐蝕前后質(zhì)量的變化（通常為減少）來(lái)表征腐蝕速率。失重法測(cè)量腐蝕速度計(jì)算公式：

式中：K 為腐蝕速度，g/m2·h（K 為負(fù)值時(shí)為增重，腐蝕產(chǎn)物未清除）；s為試樣面積，m2；t為試驗(yàn)時(shí)間，h；W0為試驗(yàn)前試片的重量，g；W為試驗(yàn)后試片的重量，g（清除腐蝕產(chǎn)物后）。

2）深度法。通過(guò)直接測(cè)量腐蝕前后或者腐蝕過(guò)程中，某兩時(shí)刻的試樣厚度，就可以得到深度法表征的腐蝕速率。腐蝕深度單位為（mm·a-1）；可以選擇有足夠精度的儀器直接測(cè)量厚度變化，也可以采用無(wú)損測(cè)厚方法。

3）電流密度表征法。金屬的電化學(xué)腐蝕是由陽(yáng)極溶解導(dǎo)致的、因而電化學(xué)腐蝕的速率可以用陽(yáng)極反應(yīng)的電流密度來(lái)表征。法拉第定律指出，當(dāng)電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，電極上發(fā)生電化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過(guò)的電量成正比，與電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)成反比。

由于質(zhì)量法所需設(shè)備及操作較為簡(jiǎn)單，本文所述試驗(yàn)均采用質(zhì)量法測(cè)量腐蝕速率。

1.2 柔性石墨接地體防腐技術(shù)試驗(yàn)

筆者綜合考慮國(guó)內(nèi)幾種典型土壤下的腐蝕特點(diǎn)，采用室內(nèi)腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)制備土壤模擬液和細(xì)砂模擬我國(guó)幾種典型土質(zhì)，并且采用電偶加速法對(duì)接頭的腐蝕特性進(jìn)行測(cè)試。

1.2.1 接地材料抗腐蝕性能對(duì)比試驗(yàn)

1.2.1.1 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)選擇濱海氯鹽土、堿鹽土、中性草甸土、酸性紅土壤以及酸性土5種土壤。試驗(yàn)用蒸餾水調(diào)配鹽溶液，并采用NaOH與醋酸調(diào)節(jié)溶液pH值，試驗(yàn)所用試劑均為分析純。試驗(yàn)配置的土壤模擬液見(jiàn)表1。

表1 接地體腐蝕試驗(yàn)典型土壤模擬液Table 1 Typical soil simulation solution of corrosion test in grounding boby

試驗(yàn)每種土壤模擬液各制備4份，每組分別編號(hào) A1-E2、A2-E2、A3-E3、A4-E4，完成后密封待用。 選擇接地材料為銅、Q235鋼和石墨復(fù)合接地材料 （取石墨帶試樣），并制備相同尺寸（暴露面積為10 cm×2 cm）的試樣。通過(guò)細(xì)砂紙打磨、拋光、清洗、干燥等過(guò)程對(duì)接地材料試樣進(jìn)行預(yù)處理。

為避免實(shí)驗(yàn)誤差，試驗(yàn)同時(shí)準(zhǔn)備4組平行試驗(yàn)組。試驗(yàn)制備每種接地材料試樣的個(gè)數(shù)20個(gè)，并對(duì)每個(gè)試樣按照“土壤模擬液+材料+組別”的規(guī)律進(jìn)行編號(hào)。試驗(yàn)開(kāi)始前用精度為0.1mg的分析天平稱(chēng)量，對(duì)處理后試樣進(jìn)行稱(chēng)量。試驗(yàn)時(shí)將接地材料按編號(hào)分別放置5種×4組土壤模擬液中，并用塑料薄膜對(duì)容器進(jìn)行密封處理，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 不同接地材料土壤模擬液腐蝕試驗(yàn)Fig.1 Corrosion testof soil simulated solution in different groundingmaterials

接地材料腐蝕試驗(yàn)期間，注意土壤模擬液液面變化，及時(shí)補(bǔ)充各容器中的土壤模擬液至初始容量，腐蝕試驗(yàn)歷時(shí)190天。對(duì)不同土壤模擬液中的銅、Q235鋼和石墨復(fù)合接地材料試樣采用去離子水清洗，使用除銹劑擦除金屬試樣表面的腐蝕層，用丙酮再次清洗并自然風(fēng)干，采用分析天平稱(chēng)量試樣重量，計(jì)算不同試樣的年平均腐蝕率 （單位表面積上每年的失重率）。為減小試驗(yàn)誤差，取4組平行實(shí)驗(yàn)組的平均值作為每種接地材料的平均腐蝕速率，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同接地材料土壤模擬液腐蝕試驗(yàn)對(duì)比Fig.2 Comparison of the Corrosion testof soil simulated solution in differentgroundingmaterials

1.2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，鋼接地材料的腐蝕程度高于銅和石墨復(fù)合接地材料，并且鋼材料在酸性土壤中的腐蝕速率大于在堿性土壤和中性草甸土中的腐蝕速率。而銅接地材料在堿性土壤中的腐蝕程度略高于中性草甸土與酸性土壤。石墨復(fù)合接地材料在不同土壤模擬液中的腐蝕程度均很小，并且腐蝕速率與土壤的酸堿度無(wú)明顯關(guān)系。從土壤模擬液腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，石墨復(fù)合接地材料不受土壤條件的限制，其防腐蝕特性?xún)?yōu)于現(xiàn)行的鋼、銅等金屬接地材料。

1.2.2 柔性石墨接地體接頭耐腐蝕試驗(yàn)

對(duì)于柔性石墨接地體，采用銅制作的接頭的腐蝕更應(yīng)該受到關(guān)注。本試驗(yàn)對(duì)石墨接地體接頭處的抗腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試。為了提高試驗(yàn)效率，本試驗(yàn)采用加速腐蝕的方法。

1.2.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用60目細(xì)砂，并對(duì)其進(jìn)行清洗、烘干處理。由于土壤含水量對(duì)接地體腐蝕有影響，當(dāng)土壤含水量為25%左右時(shí)，接地體腐蝕最嚴(yán)重[8]，因此試驗(yàn)采用4：1的配比將細(xì)砂與土壤模擬液進(jìn)行混合，制備幾種典型模擬土壤。為縮短測(cè)量時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)采用電偶加速法提高石墨復(fù)合接地體的腐蝕速率。加速腐蝕試驗(yàn)采用20 V恒壓源對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行通電。加速試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖3。

圖3 加速腐蝕試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Platform for accelerated corrosion testing

試驗(yàn)保持通電30天，期間每隔24 h左右稱(chēng)量容器總重量，根據(jù)失重法并添加蒸餾水至初始值。加速腐蝕試驗(yàn)完成后，將石墨復(fù)合接地體取出清洗，將試樣烘干后冷卻至室溫，再次測(cè)量試樣的接續(xù)電阻值。試驗(yàn)前后接續(xù)電阻變化見(jiàn)表2。

表2 加速腐蝕試驗(yàn)前后接續(xù)電阻試驗(yàn)值比較Table 2 Com parison of the test values of continuous resistance before and after accelerated corrosion test

1.2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2知，石墨復(fù)合接地體連接點(diǎn)在不同模擬土壤中加速腐蝕后的接續(xù)電阻均出現(xiàn)不同程度的增大，在氯鹽土與鹽堿土中，接續(xù)電阻值增加幅度很大。觀察發(fā)現(xiàn)接頭表面已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕。這是由于接頭在堿性土壤中腐蝕較為強(qiáng)烈，且該兩種模擬土壤中的離子促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，接頭在通流條件下電化學(xué)反應(yīng)劇烈，接頭表面生成的氧化物一定程度上影響了與石墨復(fù)合接地材料的連接狀態(tài)。因此，接頭防腐問(wèn)題稱(chēng)為柔性石墨接地體工程實(shí)際中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

2 柔性石墨接地體接頭防腐技術(shù)

由于石墨是非金屬材料，傳統(tǒng)的焊接較為困難，因此設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)為柔性石墨接地材料服務(wù)的接頭，見(jiàn)圖4。

圖4 柔性石墨接地體接頭Fig.4 Jointof flexible graphite composite grounding body

在柔性石墨接地體接頭周?chē)褂煤线m的降阻劑可以起到防腐降阻的作用。考慮到使用降阻劑所帶來(lái)的弊端，降阻石墨布以其導(dǎo)電性能優(yōu)異、降阻效果高效穩(wěn)定、運(yùn)輸施工便捷、安全環(huán)保、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)而具有巨大的利用價(jià)值。降阻石墨布的制備過(guò)程為先將蠕蟲(chóng)石墨（碳含量高于85%）進(jìn)行輥壓制成蠕蟲(chóng)石墨紙，再將無(wú)機(jī)纖維表面浸潤(rùn)粘合劑，并等間隔敷設(shè)于兩層蠕蟲(chóng)石墨紙間，經(jīng)熱固、輥壓得到復(fù)合石墨紙，裁切復(fù)合石墨紙得到復(fù)合石墨帶，對(duì)復(fù)合石墨帶進(jìn)行捻合獲得復(fù)合石墨線后將復(fù)合石墨線整形壓制得到復(fù)合石墨條，垂直交錯(cuò)編織復(fù)合石墨條便得到降阻石墨布[9]。將降阻石墨布包覆接地體一起施工埋入地下便可起到對(duì)接地體金屬接頭防腐降阻的作用，有良好的防腐效果。

3 柔性石墨接地體實(shí)際應(yīng)用效果分析

為了研究柔性石墨接地材料的實(shí)際耐腐蝕能力，我們?cè)趶V東省佛山市高明區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)。調(diào)研過(guò)程詳細(xì)對(duì)各桿塔周?chē)匦蔚孛?、土壤狀況以及桿塔接地體腐蝕情況進(jìn)行調(diào)研取證，并對(duì)各地土壤電阻率進(jìn)行測(cè)量，確定本示范工程的桿塔。據(jù)當(dāng)?shù)胤从?，該區(qū)接地網(wǎng)平均使用年限僅有2~3年，桿塔接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，維修管理費(fèi)用巨大。因此選取了兩回桿塔進(jìn)行了調(diào)研，特地選取桿塔接地引下線作為考察對(duì)象，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 1號(hào)桿塔接地引下線腐蝕情況Fig.5 The corrosion of the line in grounding at tower No.1

圖6 2號(hào)桿塔接地引下線腐蝕情況Fig.6 The corrosion of the line in grounding at tower No.2

根據(jù)該區(qū)桿塔接地網(wǎng)的嚴(yán)重腐蝕，對(duì)該區(qū)土壤進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤電阻率比較大，原本有水流過(guò)的土壤，當(dāng)水流干后，土壤呈明顯的鐵銹色。土壤電阻率見(jiàn)表3。

表3 農(nóng)田土壤電阻率Table 3 Resistivity of farm land soil

調(diào)研表明：土壤及水源的腐蝕性可能是造成地網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕的主要原因，同時(shí)由于接地引下線與空氣接觸，氧化后造成金屬?lài)?yán)重腐蝕，因此引下線的腐蝕程度更為嚴(yán)重。面對(duì)如此強(qiáng)烈的土壤腐蝕，傳統(tǒng)的金屬接地體使用壽命會(huì)大大縮短，嚴(yán)重影響了桿塔的正常運(yùn)行，并且極大地增加了維護(hù)費(fèi)用。而柔性石墨接地材料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，因此我們?yōu)樵撎帡U塔鋪設(shè)了柔性石墨接地體。確定了該工程為柔性石墨接地體實(shí)際應(yīng)用的示范工程，實(shí)際考察石墨接地體的耐腐蝕能力。

目前，柔性石墨接地體已經(jīng)投入到廣東佛山10kV配網(wǎng)示范工程的實(shí)際應(yīng)用中。經(jīng)過(guò)2年的定期開(kāi)挖觀察發(fā)現(xiàn)，石墨接地體實(shí)際使用效果良好，面對(duì)該地區(qū)土壤強(qiáng)烈的腐蝕性，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗腐蝕能力。與傳統(tǒng)的金屬接地體相比，在防腐蝕方面，柔性石墨接地體有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此柔性石墨接地體有推廣使用的價(jià)值。

4 結(jié)論

1）通過(guò)耐腐蝕試驗(yàn)分別對(duì)柔性石墨接地體本體及接頭的耐腐蝕性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，柔性石墨接地本體具有天然耐腐蝕性，耐腐蝕性?xún)?yōu)良。但是柔性石墨接地體的金屬接頭會(huì)在土壤中產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此接頭防腐是實(shí)際工程應(yīng)用中的重點(diǎn)。

2）針對(duì)接頭的防腐問(wèn)題，提出了柔性石墨接地體接頭防腐技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)接地工程防腐性能。

3）介紹了柔性石墨接地體在易腐蝕地區(qū)的應(yīng)用，定期開(kāi)挖未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕痕跡，防腐效果優(yōu)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，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事輸變電設(shè)備外絕緣及其在線監(jiān)測(cè)工作。