一种石墨基柔性铜导体接地装置及其制备方法与应用与流程

本发明涉及户外工程接地技术领域，具体而言，涉及一种石墨基柔性铜导体接地装置及其制备方法与应用。

背景技术：

我国现有电气化铁路牵引变电所防雷接地装置材料，多采用金属材料(纯铜裸绞线或扁钢等)。敷设时成网格形式分布。接地网埋深应在冻土层之下0.2m，一般冻土层厚度为1m。接地体敷设时应避开设备架构基础。室内外电缆沟支架均应采用专用接地线与接地网连接，接地线采用50mm*5mm热镀锌扁钢，将接地网铜绞线引入沟内与扁钢连接。室外架构，室外地上设备支架采用50mm*5mm热镀锌扁钢做接地引下线，将接地网铜绞线引出地面200mm后与扁钢连接。设备底座与架构接地方法由施工单位按有关规程施工，所有接地网的连接采用热熔焊接，焊接应牢固，不应有裂缝、气孔、脱焊、漏焊等缺陷。焊缝应饱满，当焊接完成后，还应在焊缝处涂一层防锈漆。所有外漏接地线均应图红丹及黑漆。其地下靠近地表层均应涂沥青。设备接地引下线采用50mm*5mm热镀锌扁钢，避雷器接地引下线，应与设备架构绝缘，将接地网铜绞线引出地面200mm后与扁钢连接。所有隔离开关支架接地线距地面0.5m处焊接，m12mm*30mm螺栓供检修挂接地线用。独立避雷针的接地装置与变电所接地网地中距离不得小于3m。接地工程施工前，应对土壤电阻率进行复测，测量工作应严格执行《铁路工程物理勘探规程》(tb10013-2010)的规定。测量完毕应将测量结果提供给设计单位。接地网埋好后，应实测其接地电阻值。独立避雷针接地电阻不得大于10欧姆，主接地网接地电阻值不应大于1欧姆。且应满足接触电势和跨步电势的安全要求。接地线之间采用热熔焊接，所有外漏钢接地线应采用热镀锌防锈处理。主控室沿墙距地300mm水平安装室内接地母线(50mm*5mm热镀锌扁钢)，用支持卡子固定在墙上，支持卡子之间的距离不大于1m，敷设时不得有高低起伏弯曲等现象。室内接地母线与室外接地网之间的连接采用铜绞线。室内设备基础预埋件通过50mm*5mm热镀锌扁钢与室内接地母线连接，连接点不少于两处。

相关技术中的防雷接地装置材料虽然能够起到作用，但却存在诸多问题，主要包括：

易腐蚀：铜绞线或其它金属材料作为接地材料，长期埋于地下容易腐蚀，使用寿命有限，需经常进行维修，造成重复投资；关键是在使用过程中由于接地电阻的增加，不能可靠泄流，易引起设备和人身安全事故发生。金属在土壤中的腐蚀，除了土壤本身存在的土壤差、氧浓差、盐浓差、温度差导致的腐蚀，还有土壤的酸碱污染、杂散电流等导致的腐蚀，以及金属的焊接(电偶)、弯曲(应力)等导致的腐蚀。

泄流能力差：铜绞线或其它金属材料作为接地材料，在高频雷电流或冲击电流作用下，由于金属材料集肤效应的影响，其有效泄流截面比其标称截面具有显著减少的缺点，不能充分迅速泄流，是目前防雷接地事故频发的主要因素。

接地电阻不断升高：由于铜或其它金属材料作为接地体，长期埋于各种土壤环境的地下，易腐蚀生锈，导致接地电阻不断升高，且不可恢复，在此时遭受雷击或过电压将造成设备和人身安全事故。

易被偷盗：铜绞线或其它金属材料作为接地材料，具有回收价值，也很容易回收，难以避免偷盗损害，如不能及时发现，将在过流或雷电情况下造成巨大损害。

此外，相关技术中采用的一些特定防雷接地装置材料，也具有不同的缺点：

不锈钢：抗腐蚀性较好，抗cl^-离子腐蚀，但成本较高，性价比不高，使用较少；

铜包钢：抗腐蚀性较好，工程性较差，成本较高；

石墨块：受热易碎，耐冲击差，使用周期较短；

降阻剂：引起接地体腐蚀，限制了降阻剂的应用。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种石墨基柔性铜导体接地装置，所述的石墨基柔性铜导体接地装置结构简单，抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

本发明的第二目的在于提供一种所述的石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，该方法工艺简单，成本低。

本发明的第三目的在于提供一种所述的石墨基柔性铜导体接地装置的应用，所述的石墨基柔性铜导体接地装置能够作为现有金属接地材料的替代接地部件，优选用于替代现有电气化铁路牵引变电所铜绞线接地部件。所述的石墨基柔性铜导体接地装置抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种石墨基柔性铜导体接地装置，所述石墨基柔性铜导体接地装置包括：

至少一根石墨-铜复合线；

所述至少一根石墨-铜复合线外侧包覆设置石墨保护层。

本发明石墨基柔性铜导体接地装置结构简单，抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

可选地，所述石墨-铜复合线中包括至少一根铜导体，所述至少一根铜导体外侧包覆设置石墨层，构成石墨-铜复合线。

可选地，所述石墨层主要由膨胀石墨和增强纤维线制备得到；

可选地，所述增强纤维线的用量为膨胀石墨质量的10％-25％，可选为15％-20％。

可选地，所述增强纤维包括无机纤维线中的一种或多种。

可选地，所述无机纤维线包括玻璃纤维线、碳纤维线、硼纤维线、晶须线和石棉纤维中的一种或多种。

可选地，所述石墨保护层包括具有同轴反向编织结构的石墨保护层。

上述的一种石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，包括在石墨-铜复合线外侧包覆设置石墨保护层。

本发明石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法工艺简单，成本低。

可选地，所述石墨-铜复合线的制备方法包括采用石墨布包覆缠绕在所述至少一根铜导体外侧，得到石墨-铜复合线。

可选地，所述石墨布包覆缠绕在所述至少一根铜导体外侧的缠绕速率为250-300mm/min，可选为270-280mm/min。

可选地，所述石墨布的制备方法包括：

按比例将增强纤维线浸胶、布线、两侧分别均匀铺设膨胀石墨、压制、固化成型、裁切。

可选地，所述浸胶所采用的胶包括导电粘接剂中的一种或多种，优选包括有机导电粘接剂中的一种或多种，进一步优选包括导电丙烯酸酯粘接剂。

可选地，采用2根以上石墨-铜复合线在所述至少一根石墨-铜复合线外侧进行同轴反向编织，在石墨-铜复合线外侧制备得到石墨保护层。

可选地，所述至少一根石墨-铜复合线捆扎成束后，采用2根以上石墨-铜复合线在所述至少一根石墨-铜复合线外侧进行同轴反向编织，在石墨-铜复合线外侧制备得到石墨保护层。

上述的一种石墨基柔性铜导体接地装置的应用，所述石墨基柔性铜导体接地装置用作接地装置部件，优选用作电气化铁路牵引变电所接地装置部件。

本发明石墨基柔性铜导体接地装置能够作为现有金属接地材料的替代接地部件，优选用于替代现有电气化铁路牵引变电所铜绞线接地部件。所述的石墨基柔性铜导体接地装置抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明石墨基柔性铜导体接地装置结构简单，制备方法工艺简单，抗腐蚀性能好，降低接地电阻效果显著，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保，解决了目前各类接地材料的缺点，是现有金属接地材料的替代接地材料，是接地材料的首选。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式石墨基柔性铜导体接地装置横截面结构示意图。

图2为本发明一种具体实施方式石墨基柔性铜导体接地装置纵截面结构示意图。

图3为本发明一种具体实施方式石墨基柔性铜导体接地装置与镀锌钢接地材料接地电阻随时间变化曲线。

图4为本发明一种具体实施方式石墨基柔性铜导体接地装置与镀锌钢接地材料全寿命周期成本随时间变化曲线。

附图标记：

1-铜导体；2-石墨层；3-石墨保护层。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种石墨基柔性铜导体1接地装置，所述石墨基柔性铜导体1接地装置包括：

至少一根石墨-铜复合线；

所述至少一根石墨-铜复合线外侧包覆设置石墨保护层3。

本发明石墨基柔性铜导体1接地装置结构简单，抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨-铜复合线中包括至少一根铜导体1，所述至少一根铜导体1外侧包覆设置石墨层2，构成石墨-铜复合线。

本发明对铜导体1的尺寸没有特殊要求，采用常规直径铜导线均可，比如

采用特定结构的石墨-铜复合线能够有效提高铜导体1的柔韧性、抗腐蚀性和泄流能力，同时其重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨层2主要由膨胀石墨和增强纤维线制备得到；

本发明一种优选的具体实施方式中，所述增强纤维线的用量为膨胀石墨质量的10％-25％，可选为15％-20％。

所述增强纤维线的用量可根据最终使用场所对材料机械强度的要求，经科学计算进行确定，采用经计算得到的增强纤维线和膨胀石墨的用量比，能够有效提高所得石墨-铜复合线的强度，并保障接地电阻低，泄流能高。

本发明所采用的膨胀石墨可采用市售购买和/或自行制备等方式获得，本发明具体实施方式中的膨胀石墨采用市售购买方式获得，生产商为灵寿县权达矿产品加工厂。

普通鳞片石墨由于碳化物杂质过多，并且其片状结构难以压制成型，因此，通过浓硫酸、过氧化氢、高锰酸钾等酸化处理得到可膨胀石墨，再由可膨胀石墨通过1100℃的高温，经过3-5秒钟的处理，得到可用于压制成型的膨胀石墨。石墨经酸化、氧化及膨胀处理后，体积增大到原来的100-200倍，成蠕虫状，因此又称为蠕虫石墨。蠕虫石墨比重轻，具有较强的可加工性。另外，由于普通鳞片石墨或者酸化石墨在高温状态下瞬间膨胀，因此，不管是用于高温密封行业还是电力系统接地行业，酸化、膨胀的过程必不可少。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述增强纤维包括无机纤维线中的一种或多种。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述无机纤维线包括玻璃纤维线、碳纤维线、硼纤维线、晶须线和石棉纤维中的一种或多种。

本发明所采用的无机纤维线可采用市售购买和/或自行制备等方式获得，本发明具体实施方式中采用高强玻璃纤维线，本发明具体实施方式中的高强玻璃纤维线采用市售购买方式获得，生产商为铜陵县顺安镇双龙玻纤厂，型号为4800tex。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨保护层3包括具有同轴反向编织结构的石墨保护层3。

采用特定结构的石墨保护层3，有助于充分提高石墨基柔性铜导体1接地装置的机械强度、抗腐蚀性能好和泄流能力，同时降低接地电阻。

进一步地，由于外层石墨保护层3起主要的成型和增强机械强度作用，而对内层石墨-铜复合线力学要求相对较低。因此，内层石墨-铜复合线可尽可能提高导电率，外层石墨保护层3可尽可能提高抗拉强度。

上述的一种石墨基柔性铜导体1接地装置的制备方法，包括在石墨-铜复合线外侧包覆设置石墨保护层3。

本发明石墨基柔性铜导体1接地装置的制备方法工艺简单，成本低。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨-铜复合线的制备方法包括采用石墨布包覆缠绕在所述至少一根铜导体1外侧，得到石墨-铜复合线。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨布包覆缠绕在所述至少一根铜导体1外侧的缠绕速率为250-300mm/min，可选为270-280mm/min。

采用特定缠绕速率，能够有效提高所得石墨-铜复合线的强度，并保障接地电阻低，泄流能力高。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述石墨布的制备方法包括：

按比例将增强纤维线浸胶、布线、两侧分别均匀铺设膨胀石墨、压制、固化成型、裁切。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述浸胶所采用的胶包括导电粘接剂中的一种或多种，优选包括有机导电粘接剂中的一种或多种，进一步优选包括导电丙烯酸酯粘接剂。

本发明所采用的导电粘接剂可采用市售购买和/或自行制备等方式获得，本发明具体实施方式中的导电丙烯酸酯粘接剂(在水性丙烯酸酯乳液中混合添加碳纳米管)采用市售购买方式获得，东莞市鑫茂化工有限公司。

本发明一种优选的具体实施方式中，采用2根以上石墨-铜复合线在所述至少一根石墨-铜复合线外侧进行同轴反向编织，在石墨-铜复合线外侧制备得到石墨保护层3。

本发明一种优选的具体实施方式中，所述至少一根石墨-铜复合线捆扎成束后，采用2根以上石墨-铜复合线在所述至少一根石墨-铜复合线外侧进行同轴反向编织，在石墨-铜复合线外侧制备得到石墨保护层3。

所述至少一根石墨-铜复合线相互之间可互相平行或构成编织结构。

采用特定的编织模式可以充分保障所得石墨基柔性铜导体1接地装置的机械强度和导电性能，提高泄流能力。

上述的一种石墨基柔性铜导体1接地装置的应用，所述石墨基柔性铜导体1接地装置用作接地装置部件，优选用作电气化铁路牵引变电所接地装置部件。

本发明石墨基柔性铜导体1接地装置能够作为现有金属接地材料的替代接地部件，优选用于替代现有电气化铁路牵引变电所铜绞线接地部件。所述的石墨基柔性铜导体1接地装置抗腐蚀性能好，接地电阻低，泄流能力强，柔韧性好，重量轻，易施工，全寿命周期成本低，节能环保。

实施例1

一种石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，包括：

a.将高强玻璃纤维线(用量为膨胀石墨质量的10％)布线，浸胶，之后在布线上下两侧分别铺设膨胀石墨，采用辊压机辊压、加热固化、裁切得到石墨布(2cm宽，厚度约为22μm)，绕制在线盘上；

b.将石墨布经绕线工艺包裹缠绕一根铜导线得到石墨-铜复合线，缠绕速率为250mm/min；

c.取61根石墨-铜复合线经编织器捆扎成束(相互平行固定，未编织)；

d.在所述61根石墨-铜复合线外侧采用24根石墨-铜复合线经同轴反向编织工艺缠绕包覆石墨保护层。

实施例2

一种石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，包括：

a.将高强玻璃纤维线(用量为膨胀石墨质量的15％)布线，浸胶，之后在布线上下两侧分别铺设膨胀石墨，采用辊压机辊压、加热固化、裁切得到石墨布(2cm宽，厚度约为22μm)，绕制在线盘上；

b.将石墨布经绕线工艺包裹缠绕一根铜导线得到石墨-铜复合线，缠绕速率为300mm/min；

c.取37根石墨-铜复合线经编织器捆扎成束(相互平行固定，未编织)；

d.在所述37根石墨-铜复合线外侧采用24根石墨-铜复合线经同轴反向编织工艺缠绕包覆石墨保护层。

实施例3

一种石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，包括：

a.将高强玻璃纤维线(用量为膨胀石墨质量的20％)布线，浸胶，之后在布线上下两侧分别铺设膨胀石墨，采用辊压机辊压、加热固化、裁切得到石墨布(2cm宽，厚度约为22μm)，绕制在线盘上；

b.将石墨布经绕线工艺包裹缠绕一根铜导线得到石墨-铜复合线，缠绕速率为270mm/min；

c.取49根石墨-铜复合线经编织器捆扎成束(相互平行固定，未编织)；

d.在所述49根石墨-铜复合线外侧采用24根石墨-铜复合线经同轴反向编织工艺缠绕包覆石墨保护层。

实施例4

一种石墨基柔性铜导体接地装置的制备方法，包括：

a.将高强玻璃纤维线(用量为膨胀石墨质量的25％)布线，浸胶，之后在布线上下两侧分别铺设膨胀石墨，采用辊压机辊压、加热固化、裁切得到石墨布(2cm宽，厚度约为22μm)，绕制在线盘上；

b.将石墨布经绕线工艺包裹缠绕一根铜导线得到石墨-铜复合线，缠绕速率为280mm/min；

c.取75根石墨-铜复合线经编织器捆扎成束(相互平行固定，未编织)；

d.在所述75根石墨-铜复合线外侧采用24根石墨-铜复合线经同轴反向编织工艺缠绕包覆石墨保护层。

对本发明各实施例所得石墨基柔性铜导体接地装置进行相关性能试验验证，均表现出优异的性能，包括：

抗腐蚀：石墨材料具有良好的导电性能，同时具有长期抗腐蚀性能。能耐受酸(ph值3～5)、碱(ph值9～12)、盐溶液、海水的长期侵蚀(实验室内在上述条件下历时2～4年没有明显变化)，可在-200℃～800℃安全使用。具有高导电、强耐腐性能。同时工艺上采用高强纤维加筋技术，具备耐热阻燃，耐酸碱和有机溶剂的侵蚀性能。同时石墨材料在杂散电流作用下不发生电解反应。大大提高了接地可靠、稳定性，推测使用寿命超过30年。

接地电阻显著降低：接地电阻主要由接地体本身的电阻、接触电阻及散流电阻组成，接触电阻是接地电阻主要组成部分，降低接触电阻是降低接地电阻的关键。由于本发明采用的是石墨绳编织技术，埋入土壤后，接地体本身与土壤有良好的蠕化作用，使得接地体与土壤之间能够紧密结合，大大降低了接触电阻。这样接地电阻就有显著的降低。

泄流能力强：铜绞线或其它金属材料作为接地材料，在高频雷电流或高频冲击电流作用下，由于金属材料集肤效应的影响，其有效泄流截面比其标称截面具有显著减少的缺点，不能充分迅速泄流，是目前防雷接地事故频发的主要因素。而石墨材料是非金属材料，非磁性材料，最大程度减少了电感，不存在集肤效应影响，泄流面积大，能够保证可靠泄流。

表1中记录了不同材质所测得的不同条件下的电阻及泄流利用率。

表1不同材质电阻及泄流利用率对比数据

通过表1可以看出，本发明石墨基柔性铜导体接地装置在不同条件下均能保持其低电阻的特性。此外，40mm×4mm的扁钢，磁性导致集肤效应严重，加上扁钢形状的影响，高频的集肤效应，导致其泄流利用率不到5％；本发明石墨基柔性铜导体接地装置，其非磁性特性，有效缓解其高频集肤效应，结合特殊的工艺结构，其泄流利用率能够达85％以上。

采用柔化技术生产工艺：本发明石墨基柔性铜导体接地装置可拉、可扭、可折、可压、可卷，表面粗糙构成细孔，能和土壤咬合粘接，随土壤一起蠕变，不脱离不产生空气界面，大大扩大和土壤的接触面，接地敷设兼容性好，能够配合泥浆回填、降阻剂、抗冻剂等使用。采用特定的编织工艺，有效提高了所得石墨基柔性铜导体接地装置的机械强度，其中外径达到28mm的本发明石墨基柔性铜导体接地装置的抗拉强度能够达到100kgf，外径达到58mm的本发明石墨基柔性铜导体接地装置的抗拉强度能够达到500kgf，本发明石墨基柔性铜导体接地装置的机械强度，完全能够满足日常施工需求。

重量轻，易施工：本发明石墨基柔性铜导体接地装置能够适应各类施工条件，运输施工便捷，运输轻便，可盘绕，可蛇形开挖布线，避开岩石、树木，回填简单，可泥浆回填，回填紧致，连接简易，可采用压接，无需焊接，无需电源焊机等现场要求。

全寿命周期成本(lcc)最低：本发明石墨基柔性铜导体接地装置可一次投入，长期稳定，免去定期检测接地电阻，避免接地改造的重复性投入，节约人力物力，全寿命周期成本(lcc)最低。提高资源利用率：接地系统长期处于休眠状态，只有发生雷击或短路时才发挥作用，雷击或短路是极小概率事件，不浪费珍贵的钢材铜材。

图3显示了本发明石墨基柔性铜导体接地装置(柔性石墨体)与镀锌钢接地材料相比，随时间推移的接地电阻变化，可以看出，镀锌钢接地材料随使用时间的延长，接地电阻呈明显升高趋势，而本发明石墨基柔性铜导体接地装置随使用时间的延长，接地电阻前后趋于稳定。

图4显示了本发明石墨基柔性铜导体接地装置(柔性石墨体)与镀锌钢接地材料相比，在全寿命周期中的成本比较，可以看出，镀锌钢接地材料随使用时间的延长，其各类成本显著增加，而本发明石墨基柔性铜导体接地装置随使用时间的延长，成本不再增加，镀锌钢的全寿命周期成本要显著高于本发明石墨基柔性铜导体接地装置的全寿命周期成。

节能环保：本发明石墨基柔性铜导体接地装置同比金属材料的生产排放和能耗要低。传统接地消耗钢材，需要使用数以千万吨/年计，且无法回收；1吨钢的资源消耗：耗电600度＝240kg标准煤，耗新水3.5吨，1吨钢的污染排放：co2：600kg，so2：23kg，nox：9kg，碳粉尘：170kg。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。