柔性石墨复合接地装置引下线优化设计方案研究

黄金龙

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

伴随着国内经济的快速发展，国民用电需求日益增长，各电压等级输电线路进入了建设高峰期，传统的圆钢接地装置已不能满足全寿命周期的应用需求。近年来伴生了以柔性石墨复合接地装置为代表的新型接地装置，通过工程应用实践表明，其接地装置引下线设计方案亟待改进，因此，研究柔性石墨复合接地装置引下线优化设计方案对于输电线路设计及建成后运行维护具有重要意义。

1 柔性石墨复合接地装置应用背景

石墨柔性接地材料是一种利用膨化石墨做为基材复合其他材料而制成的新型接地材料。石墨复合接地体保证了较好的导电性，并且具有良好的耐腐蚀、抗拉、抗扭和抗弯等性能。在常温下化学性质稳定，相较于常规金属接地材料，具有显著的防腐特性。由于石墨接地体是柔性材质，保证与土壤胶体在外力作用下有效粘合，减小接地体与土壤间空气间隙对接地电阻的影响，且石墨柔性接地材料的有效散流面积大于钢材类接地材料，可显著降低冲击接地电阻；另外，方便运输与施工，可有效地预防接地体被偷盗及人为破坏，生产成本可控。其腐蚀性能能够达到长期免维护效果，大幅节约了金属材料的浪费和维护消耗的人力以及资源成本；同时，也减少了金属材料生产中产生的环境污染问题，从而带来巨大的社会和环境效益。

基于以上分析，柔性石墨复合接地在土壤腐蚀地区和要求较高的环境脆弱区得到了广泛应用。

2 柔性石墨复合接地装置引下线应用现状

国内目前较为常用的柔性石墨复合接地装置引下线主要有铠装石墨引下线和φ12 mm镀锌圆钢引下线两种型式。

2.1 铠装石墨引下线

已建特高压直流线路工程柔性石墨接地装置的接地引下线和水平埋地接地体均采用铠装的柔性石墨[1]，并通过定制的套盒状连接件进行连接，铠装石墨引下线与水平石墨接地体连接示意图见图1(a)，铠装石墨引下线与塔脚连接端子示意图见图1(b)，其中长度单位为mm，以下图2至图6长度单位相同。

图1 铠装石墨引下线连接示意图

通过施工和运行经验发现，铠装石墨引下线存在以下问题。

b.铠装石墨引下线抗外力破坏较差，易被人力、牲畜拖拽等从与塔脚的连接端子中松脱而失去接地效果。

c.外露的铠装石墨引下线由于铠装质量不过关，密封性不好，在雨水冲刷下使铠装内的石墨流失而使接地效果大打折扣。

2.2 镀锌圆钢引下线

镀锌圆钢引下线连接方式见图2。由φ12 mm镀锌圆钢引下，镀锌连接板与φ28 mm石墨基柔性接地体连接。φ28 mm石墨基柔性接地体与配套的镀锌连接板一端采用镀锌螺栓紧固的压接方式连接；φ12 mm镀锌圆钢引下线与配套的镀锌连接板另一端采用焊接方式连接。

图2 镀锌圆钢引下线连接示意图

此种连接方式虽然解决了铠装石墨引下线引起的缺点和不足，但是，不同材质的异种金属或金属与导电非金属在同一种介质中接触，由于腐蚀电位的不同，产生偶动电流流动，使电位较低(活泼)的金属被氧化造成接触点的局部腐蚀，导致引下线、连接板腐蚀严重，镀锌层脱落。

网络虽然是一个虚拟世界，但网络传播的具体表现符合狂欢化的本质特征。人们可以通过语言文字和视觉影像两种传播手段来审视网络传播的大众狂欢。

3 柔性石墨复合接地装置引下线优化设计方案

根据以上分析，采用柔性石墨复合接地装置，其引下线主要有金属引下线和石墨引下线两种方式。金属引下线需解决好金属材料与石墨连接时的电化学腐蚀问题；石墨引下线方式需解决好石墨流失和抗外力破坏的问题。针对上述两种引下线方式，提出采用金属引下线和采用石墨引下线与石墨水平接地体连接两种改进方案。前者又可分为螺栓压接和楔形压接两种压接方式，后者根据形状不同，又可分为圆形石墨绳和方形石墨带两种方式。

3.1 金属引下线楔形压接

柔性石墨复合接地装置金属引下线楔形压接方案见图3。该方案引下线部分由扁钢、φ12 mm镀锌圆钢、楔形套管与φ28 mm柔性石墨组成。扁钢与φ12 mm镀锌圆钢、φ12 mm圆钢与楔形套管采用焊接方式连接，焊接、除渣、酸洗后再热镀锌。每根引下线附带1 m石墨接地体，引下线与铁塔连接的螺栓采用热镀锌件。其技术要求如下。

图3 金属接地引下线楔形压接

a.镀锌扁钢接地端子。镀锌扁钢作为引下线装置和杆塔的连接部位，采用5 mm×40 mm×210 mm或者5 mm×85 mm×110 mm的规格，为满足防腐要求，镀锌层厚度不应小于0.12 mm。

b.镀锌圆钢。该部分作为引下环节，由于存在于土壤的交叠部分，宜采用防腐蚀性较强的措施，锌层厚度不小于0.15 mm。

c.热镀锌楔形套管。该部分作为金属引下与石墨基柔性接地材料的过渡部分，其镀锌层厚度不小于0.15 mm。楔形镀锌套管以及与其连接的φ12 mm镀锌圆钢(埋地部分)外侧应涂覆有机防腐涂层，进行二次防腐。为防止涂层的划伤，外部增加热缩管措施，并保证热缩管包裹长度可延伸到地面以上，锲型套管增加热缩管前缠绕一层0.1 mm锌皮。

d.非金属插头。该部分是实现热镀锌楔形套管和石墨基柔性接地材料的有效压接，采用PA尼龙材料(电木)。

e.引下线。一般长度为4 m，对于部分基础露高较大的基础，厂家应根据施工单位提供的数据提供特定长度的引下线。

f.压接时，柔性石墨不应露出楔形套管上端，避免石墨散股，影响防腐措施。

3.2 金属引下线螺栓压接

柔性石墨复合接地装置金属引下线螺栓压接方案见图4。φ28 mm柔性石墨与φ12 mm圆钢引下线之间采用扁钢连接板进行过渡连接，扁钢连接板的一端与φ12 mm圆钢引下线采取焊接的连接方式，另一端与φ28 mm柔性石墨采用压接的连接方式。焊接后，扁钢连接板与φ12 mm圆钢引下线应首先除渣，然后进行热镀锌。供货时镀锌扁钢连接板与φ28 mm柔性石墨应已压接完成，压接时石墨应缠绕不少于2层的0.1 mm锌皮。该组合接地引下线镀锌扁钢连接板(包含螺栓、焊接点部位)以及与其连接的φ12 mm镀锌圆钢(埋地部分)外侧均应涂沥青进行防腐，由石墨接地装置厂家整套提供。其技术要求如下。

图4 金属引下线螺栓压接

a.柔性石墨与镀锌扁钢连接板压接时，应缠绕至少2层的0.1 mm锌皮，起到阴极保护的作用。

b.连接板配套螺栓采用304不锈钢材质。

c.引下线一般长度为4 m，对于部分基础露高较大的基础，厂家应根据施工单位提供的数据提供特定长度的引下线。

d.焊接后，扁钢连接板与φ12 mm圆钢引下线应首先除渣、酸洗等，然后进行热镀锌，镀锌层厚度及工艺均应满足国家标准。

e.镀锌扁钢连接板(包含螺栓、焊接点部位)以及与其连接的φ12 mm镀锌圆钢(埋地部分)外侧均应涂覆有机防腐涂层，进行二次防腐。

f.热镀锌连接板上下两个板均采用弧形槽结构，弧形槽尺寸应与柔性石墨匹配，并且尽量减少上下两个板间间隙。

3.3 圆形石墨绳铠装

φ28 mm圆型铠装式石墨基柔性接地引下线主体分为3部分。

a.里层为304不锈圆钢，直径为6 mm，主要起定型和增加引下线强度的作用。

b.最外层为304不锈钢丝编织的致密保护层，厚度不小于1.3 mm，对柔性石墨结构起到防外破的作用。

c.中间层为引下线的主要泄流部分——石墨基柔性接地材料，该部分为非磁性材料，高频阻抗低，且为低集肤效应结构。

其连接形式见图5。

图5 圆形石墨铠装连接示意图

3.4 方形石墨带铠装

铠装式石墨柔性接地引下线主体分为4层，从内到外依次如下。

a.304不锈钢增强层，由厚度为1.3 mm的304不锈钢板制成，304不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，使用温度-196 ℃～800 ℃。增加引下线的整体机械性能。

b.柔性石墨编织层，厚度不小于8 mm，超强耐腐蚀性能，柔软轻便。

c.304不锈钢编织铠装层，厚度不小于1.3 mm，提高材料的表面的机械强度，抗外力破坏，防野生动物撕咬。

d.硅橡胶防护层，结构致密，抗紫外线能力强。能够耐受雨水的长期冲刷作用，该种材料广泛应用于电缆接头绝缘防护并能耐受紫外线的长期作用。

其结构和连接见图6。不锈钢连接头采用锁紧工艺，不锈钢丝可以嵌入整个压接区，确保引下线连接头具有较强的抗拉性能。

图6 结构和连接示意图

4 技术经济比较

4.1 防腐性能比较

a.热镀锌楔形套管结构金属引下线整体性强，且与石墨过渡部分采用锌皮进行阴极保护措施，外侧易于进行防腐处理，防腐性能好。

b.连接板结构金属引下线锌皮阴极保护，防腐性能较好。

c.圆形石墨绳铠装引下线和方形石墨带铠装引下线避免了不同材料之间的电化学腐蚀，具有很好的防腐性能。

4.2 现场安装比较

a.热镀锌楔形套管结构金属引下线和连接板结构金属引下线厂家成套提供，安装便利。

b.圆形石墨绳铠装引下线和方形石墨带铠装引下线同样由厂家成套提供，杜绝了使用预埋件进行引下线固定的繁琐工序。

4.3 后期维护比较

a.热镀锌楔形套管结构金属引下线由于该结构镀锌钢可完全与土壤进行隔离，如无外力破坏，腐蚀周期可达30年以上，如需更换，仅更换引下线即可，无需大规模挖掘。

b.连接板结构金属引下线因连接板需螺栓紧固，且上下连接板之间有间隙，涂沥青防腐效果一般，腐蚀周期大约为15年，如需更换，仅更换引下线即可，无需大规模挖掘。

c.圆形石墨绳铠装引下线和方形石墨带铠装引下线如无外力破坏，可免维护，使用寿命30年以上，但不锈钢接地电阻大，降阻效果差。

4.4 造价比较

热镀锌楔形套管结构金属引下线预估造价为800～1 000元/基；连接板结构金属引下线预估造价为700～800元/基；圆形石墨绳铠装引下线预估造价为1 400～1 600元/基；方形石墨带铠装引下线预估造价为1 200～1 300元/基。

5 结论及建议

金属引下线中的楔形压接方案，无需螺栓紧固，整体表面较平滑，涂沥青防腐效果较好，同时外侧加装热缩管进行再次隔离，可有效解决电化学腐蚀问题，防腐周期可达30年以上，具有全寿命周期价格低、整体性好、安装方便、耐腐蚀性强等特点。

金属引下线中的螺栓压接方案连接板因采用螺栓紧固，紧固时容易造成镀锌层受损，同时其表面不够平滑，涂沥青防腐效果一般，防腐周期约15年。

石墨引下线中的圆形石墨绳结构，避免了不同材料之间的电化学腐蚀，具有较好的防腐性能；但防外力破坏能力一般，采用不锈钢增强机械性能，其接地电阻增大，影响降阻效果，且该方案费用最高。

石墨引下线中的方形石墨带结构，避免了不同材料之间的电化学腐蚀，具有较好的防腐性能；但采用不锈钢增强机械性能，其接地电阻增大，影响降阻效果，且该方案费用较高。

综合考虑降阻效果、防腐性能及经济性，柔性石墨复合接地装置建议采用热镀锌圆钢引下线与圆形柔性石墨绳楔形压接方案，并涂沥青和加热缩管进行二次防腐。该种连接方式已在张北柔性直流电网试验示范工程和青海-河南±800 kV特高压直流线路工程中得到应用，效果良好。