高壓輸電線路石墨基柔性材料性能分析及在防雷中的應用

黨璀

摘 要：高壓輸電線路的防雷問題一直備受關(guān)注，石墨基柔性材料作為一種新型防雷材料，其性能受到廣泛關(guān)注。梳理了當前石墨基柔性材料的研究成果，對石墨基柔性材料的性能進行了分析，并探討了其在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域的應用。分析發(fā)現(xiàn)，石墨基柔性材料的物理性能和化學性能等方面都具有優(yōu)異的表現(xiàn)，使其在防雷領(lǐng)域具有較大的應用價值。然而，石墨基柔性材料的耐候性、導電性等方面仍然存在一些不足，限制了其在高壓輸電線路防雷中的應用。研究總結(jié)了高壓輸電線路石墨基柔性材料未來的改進方向和應用前景。

關(guān)鍵詞：石墨基柔性材料；高壓輸電線路；性能分析；防雷應用

中圖分類號：TQ327.6 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0098-04

Performance analysis of graphite-based flexible materials for high voltage transmission lines and its application in lightning protection

DANG Cui

（Tongchuan Chuanghui Lightning Protection Technology Co.，Ltd.，Tongchuan 727000，Shaanxi China）

Abstract：The lightning protection problem of high voltage transmission lines has been concerned.As a new type of lightning protection material，the performance of graphite-based flexible materials has attracted wide attention.This paper reviews the current research achievements of graphite-based flexible materials，analyzes the performance of graphite-based flexible materials，and discusses its application in lightning protection field of high voltage transmission lines.It is found that graphite-based flexible materials have excellent performance in physical and chemical properties，which makes them have great application value in the field of lightning protection.However，there are still some shortcomings in weather resistance and electrical conductivity，which limit their application in lightning protection of high-voltage transmission lines.The study concludes the future improvement directions and application prospects of graphite-based flexible materials in high-voltage transmission line.

Key words：graphite-based flexible materials;high-voltage power lines;performance analysis;lightning protection application

高壓輸電線路是重要的電力輸送系統(tǒng)，但同時也面臨著天氣、環(huán)境和自然災害等多種因素的影響。其中，雷電是造成輸電線路故障的主要原因之一。因此，在高壓輸電線路的設(shè)計和建設(shè)中，防雷措施的重要性不言而喻。研究總結(jié)了石墨基柔性材料在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀和應用前景，并對今后的研究方向提出了建議，以期為我國高壓輸電工程發(fā)展提供一定的理論支撐。

1 石墨基柔性材料的研究背景

隨著高壓輸電線路的迅速發(fā)展和電力設(shè)備的不斷升級，防雷技術(shù)在電力工程中變得越來越重要。為了提高防雷裝置的可靠性和安全性，研究人員開始探索新的防雷材料，其中石墨基柔性材料備受關(guān)注。石墨基柔性材料是一種由石墨烯、聚合物和納米填料等組成的新型復合材料。目前，石墨基柔性材料在防雷領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一些進展。

1.1 石墨基柔性材料的制備技術(shù)

石墨基柔性材料的制備技術(shù)是研究的基礎(chǔ)，目前，石墨基柔性材料的制備方法主要有機械混合法、溶液共混法、電紡法等。其中，溶液共混法和電紡法是制備石墨基柔性材料的主要方法。研究者們通過改變材料配比、制備工藝等因素，不斷優(yōu)化制備方法，提高材料性能和制備效率。重點討論了石墨烯柔性導電薄膜的制備方法和性能研究。指出石墨烯導電薄膜的制備方法包括轉(zhuǎn)移法、化學還原法、化學氣相沉積法等多種方法。提到了石墨烯和氧化石墨烯在柔性材料中的應用，以及一些新型石墨基柔性材料的制備方法。作者還探討了柔性材料的機械性能、電學性能和熱學性能等方面的研究現(xiàn)狀［1-2］。

1.2 石墨基柔性材料的性能研究

石墨基柔性材料的性能研究主要包括力學性能、電學性能、導電性能、抗氧化性能、熱穩(wěn)定性等方面。其中，力學性能和導電性能是石墨基柔性材料在防雷領(lǐng)域的主要應用方向，研究者們通過測試和分析石墨基柔性材料的性能，為其應用提供理論依據(jù)。利用電流加熱伏安法對石墨基柔性材料的電阻溫度特性和熱穩(wěn)定性進行測量。研究表明，通過選擇合適的基體材料和石墨烯添加量，可以有效地調(diào)控石墨烯柔性材料的性能。討論了溫度對石墨柔性材料對性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)防雷接地用石墨基柔性接地體在遇到短路故障大電流作用下其耐受溫度可達到750 ℃。

1.3 石墨基柔性材料在防雷裝置中的應用

石墨基柔性材料在防雷領(lǐng)域的應用主要包括抗雷擊絕緣材料、防雷導電材料、避雷針等方面。目前，國內(nèi)外研究者們已經(jīng)開展了大量的應用研究，不斷探索石墨基柔性材料在防雷領(lǐng)域的應用潛力。對比了傳統(tǒng)金屬接地材料和石墨基接地材料的防雷效果，認為接地裝置新材料石墨基具有較好的防雷性能和穩(wěn)定的電容值，可以有效地保護電力設(shè)備免受雷擊損害。擴徑石墨基柔性接地材料的接地工程應用的可靠性，試驗結(jié)果表明該柔性防雷裝置具有良好的抗雷擊性能和靈活性，可以廣泛應用于電力設(shè)備等領(lǐng)域［3-4］。

2 石墨基柔性材料的性能分析

2.1 石墨基柔性材料的組成和制備

石墨基柔性材料是一種由石墨烯、聚合物和納米填料等組成的新型復合材料。其中，石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層二維晶體材料，具有極高的導電性和機械強度；聚合物是一種高分子化合物，具有較好的柔韌性和可塑性；納米填料可以改善材料的機械性能、耐熱性和導電性能等。石墨基柔性材料的制備通常采用混合物澆鑄、壓制和熱處理等工藝。

石墨基柔性材料可以分為兩類：導電型和絕緣型。導電型石墨基柔性材料是指具有良好導電性能的材料，通常用于制造導電材料和導電膜。絕緣型石墨基柔性材料是指具有較高絕緣性能的材料，通常用于制造絕緣材料和絕緣膜［5-6］。

2.2 石墨基柔性材料的性能特點

石墨基柔性材料的性能特點可以從物理和化學2個方面來闡述。

2.2.1 物理角度

石墨基柔性材料具有良好的柔韌性和可塑性，可以根據(jù)需要進行彎曲、折疊和拉伸等變形，適用于復雜的防雷結(jié)構(gòu)設(shè)計。其高柔性主要源于石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)和聚合物的高分子鏈結(jié)構(gòu)，兩者相互作用形成了材料的柔性基質(zhì)。

石墨基柔性材料的導電性能比傳統(tǒng)的金屬材料好。這是因為石墨烯本身具有極高的導電性能，可以提供良好的導電路徑。根據(jù)文獻資料，石墨基柔性材料的電阻率通常在數(shù)十到數(shù)百歐姆厘米之間，這意味著它具有良好的導電性能。同時，納米填料的添加可以改善材料的導電性能，提高雷電能量的分散和吸收效果。

石墨基柔性材料比傳統(tǒng)的金屬材料輕。這是由于石墨烯和聚合物等輕量材料的存在，可以減輕防雷裝置的重量，降低對輸電線路的負荷，提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性［7-8］。

2.2.2 化學角度

石墨基柔性材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定使用。這是由于石墨烯本身具有良好的化學穩(wěn)定性，能夠抵御酸、堿等腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，同時納米填料的添加可以進一步提高材料的耐腐蝕性能。

石墨基柔性材料具有較好的高溫穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定使用。這是由于石墨烯和聚合物等材料具有良好的耐高溫性能，能夠抵御高溫環(huán)境對材料的破壞。

石墨基柔性材料具有較高的強度和韌性，可以抵抗較大的拉伸力和撞擊力，保證防雷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。這是由于石墨烯的強度和聚合物的韌性相互補充，形成了材料的強韌性基質(zhì)［9-10］。

石墨基柔性材料具有低摩擦系數(shù)，可以減少與周圍環(huán)境的摩擦和磨損。這是由于石墨烯本身的滑動性和聚合物的潤滑性相互作用，形成了材料的低摩擦特性。

石墨基柔性材料具有良好的穩(wěn)定性，不易發(fā)生變形和老化。這是由于石墨烯的高化學穩(wěn)定性和聚合物的高分子鏈結(jié)構(gòu)相互作用，形成了材料的高穩(wěn)定性特性。

石墨基柔性材料具有可降解性，可以在使用完畢后自然降解成無害的物質(zhì)，減少對環(huán)境的污染。這是由于聚合物的可降解性和納米填料的可生物降解性相互作用，形成了材料的可降解特性。

總的來說，石墨基柔性材料具有優(yōu)異的物理和化學性能，具有廣泛的應用前景。在防雷領(lǐng)域，其高柔性、導電性好、輕質(zhì)化等特點可以有效提高防雷裝置的穩(wěn)定性和安全性，保障電網(wǎng)的正常運行。同時，其高強度、低摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性等特點還可以在其他領(lǐng)域得到廣泛的應用，如航空航天、電子設(shè)備等［11-12］。

3 石墨基柔性材料在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域中的應用

高壓輸電線路防雷是電力工程中一個非常重要的問題，因為線路遭受雷擊可能會引起線路的短路、電氣設(shè)備的損壞以及電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定等問題。石墨基柔性材料由于具有優(yōu)異的導電性能和防雷能力，近年來被廣泛應用于高壓輸電線路防雷領(lǐng)域。石墨基柔性材料在高壓輸電線防雷中的應用屬于導電型防雷裝置。通過在高壓輸電線路上設(shè)置石墨基柔性材料導電繩或接地帶，可以將雷電過電壓引入地下，以避免過電壓對線路設(shè)備和電力系統(tǒng)的影響。此外，石墨基柔性材料還可以用于制造帶有導電功能的防雷罩、接地極等設(shè)備，提高設(shè)備的抗雷擊能力［13-14］。

3.1 石墨基柔性材料的應用優(yōu)勢

（1）石墨基柔性材料在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域中的應用主要包括兩個方面，一是作為接地系統(tǒng)的電阻材料，二是作為絕緣材料的導電層。石墨基柔性材料的導電性能優(yōu)異，能夠有效地降低接地電阻，使得接地系統(tǒng)的電阻值得到有效地降低，從而提高了接地系統(tǒng)的防雷能力。此外，石墨基柔性材料的導電層具有較高的阻抗，能夠有效地防止雷電電流進入到電力系統(tǒng)內(nèi)部，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；

（2）石墨基柔性材料的應用不僅可以提高高壓輸電線路的防雷能力，還能夠降低安裝成本和維護成本。石墨基柔性材料的密度很小，重量輕，可以減小輸電線路的自重，降低線路掛載桿塔的負荷。此外，石墨基柔性材料具有優(yōu)異的柔性，能夠適應不同形狀的輸電線路，使得其更容易施工，同時也減少了線路運維中的維護成本。由于石墨基柔性材料的使用可以有效地降低接地電阻，減少雷擊對線路設(shè)備的損壞，因此在一定程度上可以降低線路的維護成本［15-16］；

（3）石墨基柔性材料是一種環(huán)保和可持續(xù)的材料，其生產(chǎn)過程無需使用大量的化學物質(zhì)和高溫高壓等條件，因此具有較低的環(huán)境污染和能源消耗。與傳統(tǒng)的防雷材料相比，石墨基柔性材料不會產(chǎn)生有害的化學物質(zhì)和污染物，符合現(xiàn)代社會對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.2 石墨基柔性材料的應用局限

盡管石墨基柔性材料在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域中具有許多優(yōu)勢，但是它仍然存在一些應用的局限性，這些局限性需要我們認真對待和探討。石墨基柔性材料在高壓輸電線路防雷功能中的應用局限：

（1）石墨基柔性材料本身的耐候性是有限的，長期暴露在自然環(huán)境下，受到紫外線、氧化、水解、微生物等因素的影響，會發(fā)生老化、劣化等現(xiàn)象。因此，為了提高其耐候性，需要對其進行改性或者添加抗氧化、紫外線穩(wěn)定劑等添加劑。同時，在實際應用中，也需要注意對其保養(yǎng)和維護，以延長其使用壽命；

（2）石墨基柔性材料具有一定的導電性，這會導致它在高壓輸電線路中容易受到雷擊和電磁干擾。雖然可以通過在石墨基柔性材料的表面覆蓋絕緣層的方式來解決這個問題，但這也會對其靈活性和耐久性造成影響［17-18］；

（3）相對于傳統(tǒng)的金屬防雷裝置，石墨基柔性材料的抗拉強度較低，這會影響其在高壓輸電線路中的穩(wěn)定性和耐用性。石墨基柔性材料的抗張強度比鋼芯鋁絞線和鋼芯銅絞線低。因此，在長跨越或需要承受大風荷載的地區(qū)，使用石墨基柔性材料的導線需要增加支撐或者縮短跨距，或者加強其固定和支撐，以保證其穩(wěn)定性和耐用性；

（4）石墨基柔性材料的制造工藝和材料成本較高，這會對其在高壓輸電線路防雷領(lǐng)域中的廣泛應用造成限制。盡管石墨基柔性材料具有諸多優(yōu)勢，但其成本高昂仍然是一個不可忽視的問題［19-20］。

4 結(jié)語

石墨基柔性材料是一種具有廣泛應用前景的新型材料，特別適用于高壓輸電線路的防雷應用。為研發(fā)更佳性能的石墨基柔性材料：一是需要通過改進材料配方、添加導電填料等手段提高其導電性能；二是通過優(yōu)化材料的配方和制備工藝，提高其力學性能和耐久性；三是開發(fā)新的制備技術(shù)，如納米復合材料技術(shù)、3D打印技術(shù)等，提高材料制備的效率和性能。隨著石墨基柔性材料技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信其在電力、通信、航空航天等領(lǐng)域中的應用將會越來越廣泛，為人類創(chuàng)造更加安全、可靠的生活和工作環(huán)境。

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收稿日期：2023-07-23；修回日期：2023-04-20

作者簡介：黨 璀（1984-），女，工程師，研究方向：雷電防護技術(shù)及應用；E-mail：faihong84@163.com。

引文格式：黨 璀.高壓輸電線路石墨基柔性材料性能分析及在防雷中的應用[J].粘接，2023，50（6）：98-101.