可降低冲击接地电阻的石墨复合接地体及制备方法与流程

本发明属于电力系统防雷接地技术领域，尤其涉及一种可降低冲击接地电阻的石墨复合接地体及制备方法。

背景技术：

随着电网的不断发展，输电线路的建设随之增多，为保证线路的安全稳定运行，对接地网的要求也随之提高。线路的雷击事故多发生在雷电活动频繁以及高土壤电阻率的地区，这给电力系统带来了巨大的安全隐患和经济损失。

雷击杆塔时，极短时间内将有很大幅值的电流流过接地网，由于其电阻的存在将使电气设备的电位升高。保证设备接地处升高的电位在安全值以内是防雷接地的关键。因此，为降低输电线雷击带来的影响，要降低其接地电阻，保证接地电阻在安全值以内。实际工程中测量的接地电阻往往为工频接地电阻，然而，实际雷电流多为频率10~100kHz的高频电流，输电线路短路故障电流也包含高频成分。因此，实际雷击散流过程中影响杆塔电位及反击情况的是冲击接地电阻。

接地体电阻冲击电流作用下电阻分量主要由材料电阻率及高频下趋肤效应影响。雷电流或故障电流等高频电流在流经接地体时往往集中于接地体表层，参与散流的接地体的有效散流面积小于接地体的截面积，而有效散流面积之外的接地体对散流所起作用不大。现行接地体多采用相对磁导率较大的圆钢或镀锌钢，趋肤效应明显，造成接地体整体材料利用率不高。相对于钢材料，铜及石墨的抗磁特性能有效降低接地体的趋肤效应，从而可有效降低冲击电流作用下的接地体本体电阻。

此外，相对于铜和石墨接地材料，钢材质接地材料作为铁磁材料，其磁导率较铜等抗磁材料而言相差较大。接地材料磁导率的增大，不仅使阻性分量因趋肤效应而增大，而且使感抗值也相应增大，从而抑制电流向接地体远端的散流。相对磁导率越大，在邻近效应作用下接地体间的屏蔽效应越强，从而使接地装置不同导体段上的电流越不均匀，相邻导体段之间存在较大的互阻抗，进而影响接地阻抗值。

由上述分析可知：常规的圆钢、扁钢及铜包钢、镀锌钢等合金材料在工频情况下均有相对较好的散流降阻效果。但是，当雷击或者故障电流等高频电流流过时，由于趋肤效应及电感效应，整个地网降低冲击接地电阻的能力大大下降，电流难以得到有效排散。因此，研发一种低趋肤效应、低电感效应、能有效降低冲击接地电阻的接地体对电力系统的安全稳定运行具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可降低冲击接地电阻的石墨复合接地体及制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可降低冲击接地电阻的石墨复合接地体，包括骨架内芯、石墨线层、复合石墨线层和石墨线编织层，其中，骨架内芯为单根不导电柔性纤维或多根不导电柔性纤维构成的柔性纤维束；石墨线层包覆骨架内芯，由石墨线纵向紧密排布于骨架内芯外构成；复合石墨线层包覆石墨线层，由①复合石墨线和石墨线或仅由②复合石墨线纵向紧密排布于石墨线层外构成；石墨线编织层包覆复合石墨线层，由石墨线绕复合石墨线层编织获得；所述的复合石墨线由石墨带或石墨线与金属纤维混合捻和获得。

本发明石墨复合接地体中，骨架内芯用来支撑接地体；石墨线层用来辅助导电通流、吸收热量、降低温升；复合石墨线层用来承担接地体的通流散流；石墨线编织层用来紧致加固接地体，并辅助导电通流、吸收热量、降低温升。

作为优选，不导电柔性纤维为连续使用温度高于200℃、分解温度高于500℃的耐热纤维，例如碳纤维、莫来石纤维、聚酰亚胺纤维等。

作为优选，金属纤维为电阻率低于5×10^-8Ω·m、熔点高于500℃的金属或合金，例如铜纤维、铝纤维、铂纤维等。

进一步的，石墨线由石墨带捻和获得，其中，石墨带包括两层蠕虫石墨层和铺设于两层蠕虫石墨层间的骨架纤维，骨架纤维包覆有粘合剂层。

进一步的，石墨带包括两层蠕虫石墨层和铺设于两层蠕虫石墨层间的骨架纤维，骨架纤维包覆有粘合剂层。

进一步的，复合石墨线和石墨线交替着纵向紧密排布于石墨线层外。

上述可降低冲击接地电阻的石墨复合接地体的制备方法，包括步骤：

石墨带或石墨线与金属纤维进行混合捻和，获得复合石墨线；

将单根不导电柔性纤维或多根不导电柔性纤维构成的柔性纤维束作为骨架内芯；

将石墨线纵向紧密排布于骨架内芯外，获得石墨线层；

将①复合石墨线和石墨线或仅将②复合石墨线纵向紧密排布于石墨线层外，获得复合石墨线层；

采用石墨线绕复合石墨线层进行编织。

进一步的，石墨带采用如下方法制备：

辊压蠕虫石墨制成蠕虫石墨纸；

骨架纤维表面浸润粘合剂，等间距敷设于两层蠕虫石墨纸间，经热固、辊压得石墨纸；

裁切石墨纸得石墨带。

进一步的，石墨线采用如下方法制备：

辊压蠕虫石墨制成蠕虫石墨纸；

骨架纤维表面浸润粘合剂，等间距敷设于两层蠕虫石墨纸间，经热固、辊压得石墨纸；

裁切石墨纸得石墨带；

捻和石墨带得石墨线。

本发明接地体中，导电通流密度最小、利用效率最低的骨架内芯采用不导电柔性纤维，在保证接地体整体结构稳定的同时，还可减轻接地体重量，提高接地体机械强度。石墨线层用来增加接地体半径，从而增大接地体与土壤间的接触面积；电导率最高的复合石墨线层可来提高接地体导电效率，石墨线层和复合石墨线层共同作用可进一步降低接地体的接地电阻，增强接地体的降组效果。在同样石墨和金属用量的前提下，本发明可大大提升导体利用率，增强接地体的接地降阻效果，并显著降低短时雷电流或短路电流导致的接地体温升。

优选方案中，不导电柔性纤维选用耐热纤维，选择导电性良好的金属纤维混合捻和成复合石墨线层，从而进一步降低接地体的冲击接地电阻。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）具有低趋肤效应、低电感效应，与土壤接触电阻小，能有效降低冲击接地电阻；

（2）成本低廉，工程实际应用效果显著，可应用于输电线路杆塔接地。

附图说明

图1表示不导电柔性纤维的截面示意图；

图2表示石墨线的截面示意图；

图3表示石墨线层的截面示意图；

图4表示金属纤维的截面示意图；

图5表示复合石墨线的截面示意图；

图6表示具体实施方式中复合石墨线层的截面示意图；

图7表示石墨线编织层的截面示意图；

图8表示具体实施方式中石墨复合接地体的截面示意图；

其中，1-骨架内芯，2-石墨线层，3-复合石墨线层，4-石墨线编织层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施方式的进行详细说明。

（1）制作骨架内芯。

采用单根不导电柔性纤维或多根不导电柔性纤维构成的柔性纤维束作为骨架内芯。本具体实施中，以单根不导电柔性纤维作为骨架内芯，见图1和图8。

（2）制作石墨线和复合石墨线。

主要原料包括蠕虫石墨、粘合剂和骨架纤维。粘合剂可采用丙烯酸乙酯水溶性粘合剂或树脂类水溶性粘合剂，骨架纤维可采用导电纤维或不导电纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、合成纤维等。本具体实施中，蠕虫石墨采用碳含量高于85%的高纯蠕虫石墨。

对蠕虫石墨进行辊压制成表面光滑平整、厚度均匀的蠕虫石墨纸，蠕虫石墨纸厚度以0.1~1mm为宜，蠕虫石墨纸厚度过大，捻合时复合石墨带易发生断裂。采用粘合剂将骨架纤维表层浸润，并等间距敷设于上下两层蠕虫石墨纸间，相邻纤维间隔0.5mm~1.2mm。于80~120℃温度保持60~100s进行热固处理；然后，经两次以上辊压得到石墨纸。裁切复合石墨纸得到宽度10mm~25mm的石墨带，所得石墨带表面应光滑平整，无骨架纤维裸露出石墨带表层。采用捻线机对石墨带进行捻合得到石墨线，见图2。捻和过程中，将石墨带和金属纤维进行混合捻和，即得复合石墨线，见图5。

（3）制作石墨线层。

将石墨线纵向紧密排布于骨架内芯外，构成石墨线层，见图3和图8。

（4）制作复合石墨线层。

将复合石墨线和石墨线纵向紧密排布于石墨线层外，构成复合石墨线层，见图6和图8。本发明中，复合石墨线层是接地体中主要承担通流散流的部分，其中所采用复合石墨线石墨线的数量根据接地体电阻需求进行调整。本具体实施方式中复合石墨线和石墨线交替排布。

（5）石墨线编织层。

采用石墨线在复合石墨线层外进行交叉编织获得石墨线编织层，见图7和图8。石墨线编织层用来固定接地体整体的外形和尺寸。

实施例

采用单根直径10mm的莫来石纤维构成骨架内芯，采用12根石墨线纵向紧密排布于骨架内芯外构成石墨线层，采用24根复合石墨线和12根石墨线纵向紧密排布于石墨线层外构成复合石墨线层，复合石墨线中所采用金属纤维为直径0.8mm的铜纤维。采用24根石墨线在复合石墨线层外进行交叉编织，得石墨线编织层。本实施例中，所用石墨线直径为2.2mm。采用四极电阻测量法测量本实施例所获接地体的每米电阻，为1mΩ。

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。