柔性石墨复合接地材料及其接地特性_肖微
摩擦学国家重点实验室提出新型智能滚动轴承
第53卷•第1期• 2020年1月31率成正比关系，随着间距的增大管道过电压迅速减小。
(3) 非金属屏蔽线对油气管道过电压起到一定降压防护作用，随着屏蔽线长度的增加，降压效率呈下降 趋势，应综合考虑接地网类型、土壤条件和间距选择适合的屏蔽线长度。
(4) 基于接地引流法的防护模型，可以降低雷电流对管道造成的过电压潜在危害。
［参考文献］［1 ］刘 军，杨道武,吴道新，等.交流杂散电流对变电站接地装置腐蚀电化学行为的影响［J ］.材料保护,2015,48(10) ：45-47.［2］程明，唐强,魏德军，等.高压直流接地极干扰区埋地钢质油气管道的综合防护［J ］.天然气工业,2015,35(9)：105-111.［3］ 祁正阳，季莞然,李自力，等.金属管道高压直流干扰腐蚀的研究进展［J ］.材料保护,2018,51(6) ：84-91.［4 ］孟晓波，曹方圆,廖永力，等.抑制直流接地极影响的管道绝缘防护措施分析［J ］.高电压技术,2017,43( 12)： 3 900-3 906.［5］种芝艺，宋胜利，谭 波，等.特高压直流工程接地极对附近油气管线的影响研究［J ］.电网技术,2019,43(3)： 1 099-1 104.［6 ］胡元潮，阮江军,龚若涵，等.柔性石墨复合接地材料及其在输电线路杆塔接地网中的应用［J ］.电网技术,2014,38(10) ：2 851-2 857.［7 ］关添升.交流输电线路短路故障时对输油输气管道的电磁影响研究［D ］.北京:华北电力大学,2012:21-25.［8 ］杨 光.交流输电线路单相接地故障下油气管道交流干扰的缓解［J ］.腐蚀与防护,2016,37(2) ：165-170.［9］孟晓波，廖永力,李锐海，等.金属管道受入地电流影响的抑制措施研究［J ］.南方电网技术,2015,9(2):62-67.［10］万保权，谢辉春,张小武，等.雷击特高压交流同塔双回杆塔对油气管道的影响［J ］.高电压技术,2009,35( 8)：1 812-1 817.［11］ 陈登义，谢林峰.雷击输电线路对地上油气管道干扰影响［J ］.电瓷避雷器,2017(2) ：85-89.［12］ 李福军，路民旭,陈月勋.大庆油田电泵井套管杂散电流 腐蚀测试分析［J ］.材料保护,2008,41(10) ：66-67.［13］ 曹方圆，孟晓波,廖永力，等.直流接地极对埋地金属管道影响的电路模型及应用［J ］.电网技术,2016,40( 10)： 3 258-3 265.［14］ 陈冠举，唐德志,杜艳霞，等.埋地金属管道地铁动态直流干扰防护现场对比分析［J ］.材料保护,2018,51 (9)： 135-140.［15］廖敏夫，张晓莉,邢小羽，等.特高压直流接地极入地电流对金属管道腐蚀研究现状与发展趋势［J ］.高压电器，2018,54(7) ：44-52.［16］胡元潮，阮江军，肖微，等.柔性石墨复合接地材料及其相关性能试验研究［J ］.高电压技术,2016,42(6):1 879- 1 889.［编校：魏兆军］摩擦学国家重点实验室提出新型智能滚动轴承纳米摩擦发电机。
柔性石墨接地体与金属接地体的耐腐蚀性对比
比测 试 。研 究表 明 ： 石墨 复合接 地材 料 不受 土壤条件 的 限制 ， 其 防 腐蚀 特 性优 于现 行 的钢 、 铜 等金 属接 地 材 料 ； 石
墨 复合接 地材 料腐 蚀前后 ． 其接 地 电阻基 本无 变化 ［ 关键 词 ］ 性石 墨接地 材料 ；非金 属接 地材 料 ；金属 接地 材料 ；腐 蚀特性 ；接 地 电 阻
土壤 模拟 液和 细砂模 拟 我 国几种典 型 土质 ， 对几 种接 地 材料 的腐 蚀特 性 进 行 了研 究。 同 时 ， 针 对接 地 材 料 腐蚀 对
接地 电阻的 影响 ． 分别 对相 同长度及 直 径 的铜 、 钢和石 墨 复合 接 地 体 ３种 接 地材 料 腐 蚀 前后 的接地 电 阻进 行 了对
要］ 传 统金 属接 地体 受到 土壤 的 电化 学腐 蚀 严 重 ， 为此， 选择 一种 新 型 接 地 材料— — 柔 性 石 墨接 地 体 ， 与
钢、 铜 等 常 用金 属接 地体 的耐 腐蚀 性进行 对 比。根 据 ５种 常见土壤 的腐蚀特 性 ， 采 用 室 内腐蚀 模 拟 试验 ， 通 过 制备
（ １ ． Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｎ ａ ｎ ｅ ｈ ａ ｎ ｇ ３ ３ ０ ０ ９ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
［ 中图分类号］Ｔ Ｍ ２ ０ ７ ； Ｔ Ｇ １ ７ ２
柔性复合防腐接地体技术条件-中国气象服务协会
1
本标准规定了柔性复合防腐接地体的术语和定义、产品型号、技术要求、试验方法、检验规则、标识、包装、运输和贮存。
本标准适用于电力、广电、通信、交通、金融、石化等系统中各种复杂地形和强腐蚀土壤地区用作接地保护的接地体。
2
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XXXX-XX-XX实施
中国气象服务协会发布
目
前
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准由中国气象服务协会提出并归口。
本标准起草单位：武汉爱劳高科技有限责任公司、武汉市标准化研究院、武汉黉门电工科技有限公司、武汉爱伦菲尼克斯科技有限责任公司、国网上海市电力公司电力科学研究院。
本标准主要起草人：刘旭、黄青、阮江军、刘大为、蔡细楚、曾伟、文武、解子凤、蔡永辉、黄道春、姜克强、罗家明、罗保庆、王姣、郭斌、胡元潮、龚若涵、常立、司文荣。
材料，“SR”表示导电橡胶材料，“JD”表示石墨基材料
企业代号，用大写英文字母表示，可空缺
图1柔性复合防腐接地体产品型号示意图
5
5
表面应光滑、无破损，无直径大于2mm的瘤状突起，无孔洞和露铜现象。
5
导电橡胶柔性复合防腐接地体规格参数见表1。
表1导电橡胶柔性复合防腐接地体规格参数
产品型号
芯线种类
芯线截面
ICS29.050
K10
T/CMSA
中国气象服务协会团体标准
T/CMSAXXXXX—2017
柔性复合防腐接地体技术条件
Technical specification for flexible and anti-corrosion earth electrodes
非金属石墨接地模块
非金属石墨接地模块
非金属石墨接地模块是一种新型的接地装置，其主要材料为石墨和聚合物。
与传统的金属接地模块相比，非金属石墨接地模块具有以下优点：
1. 轻量化：非金属石墨接地模块由于采用了轻质材料，其重量比传统金属接地模块轻很多，便于安装和运输。
2. 耐腐蚀：石墨具有良好的耐腐蚀性，可以有效延长非金属石墨接地模块的使用寿命。
3. 良好导电性能：石墨具有良好的导电性能，非金属石墨接地模块可以保证接地效果，并且不会出现接触电阻等问题。
4. 节能环保：非金属石墨接地模块不含有金属元素，可以减少对自然资源的消耗，同时可以减少对环境的污染。
总之，非金属石墨接地模块是一种具有广阔应用前景的新型接地装置，可以在各种场合中使用，如电力系统、通讯系统、地下管道系统等。
- 1 -。
石墨接地极体在实际高压线路应用浅析
石墨接地极体在实际高压线路应用浅析摘要：石墨接地极体，是一种以非金属材料——石墨为主的接地极体，本接地极体呈电缆状，是由碳纤维、高碳石墨复合的导电线编织而成，与线路杆塔连接的一端采用不锈钢合金端头。
石墨接地极体具有抗腐蚀，不生锈，导电性能优良，电阻稳定，耐高低温，韧性大，可弯曲，不易折断损坏等特点。
石墨接地极体和金属接地极相比具有占地面积不受限、耐腐蚀、寿命长、低污染、防盗等特点。
石墨接地极体在电力线路杆塔的接地中的应用越来越广。
关键词：石墨接地极体、非金属材料——石墨、抗腐蚀、电阻稳定所谓接地，就是把导体（线路和设备）使用引线（导线）接到大地，并和埋设在大地的接地极或地网连在一起。
人工接地网必须有较低的接地电阻并保证跨步电压和接触电势符合安全要求。
更重要的是必须确保地网电阻值满足技术要求的同时，更要长期稳定，防止发生各种事故。
所以现代接地不仅要保障设备、人员安全，还要保证系统、设备工作的稳定性。
对安全要求极高的电力系统来讲，这是一个最基本也是最重要的要求。
所谓石墨接地极体，是一种以非金属材料——石墨为主的接地体，它由导电性、稳定性较好的石墨和碳纤维编织组成，主要用作线路杆塔接地。
1 石墨接地极体技术指标（1）规格接地极体的直径为20mm，长度可根据用户需要设计加工。
（2）常温固态电阻率：3.977*10 -5Ω?m（3）电流反击:150KA电流冲击不反击（4）高温性能：1000℃，1h低温性能：-60℃，1h（5）接地体埋地年平均腐蚀率：0（6）抗压强度≥290 MPa抗拉轻度≥137 MPa2 石墨接地极体的原理非金属石墨接地极体与被保护对象相接，施入的电流迅速被释放到大地。
在相同的外形尺寸下，相比金属材料而言，非金属石墨接地成倍的加大了接地体和土壤层之间的接地面积，从而增大了接地体本身的散流面积，减小了接地体和土壤之间的接触电阻。
而且，这种石墨接地极体还具有很强的吸湿性和保湿性，从而能充分发挥了接地体中电解质的导电作用。
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（12）
式中，Je 为激励作用下接地体中的电流密度。式（12） 的求解可采用解析法或数值分析法[13,14]，对于几何
结构复杂、多种媒质材料共存的接地系统电磁场的
求解，数值分析求解方法更为准确直观[15,16]。本文
利用有限元计算方法对常见的钢、铜以及石墨复合
接地材料的趋肤效应进行对比分析。
设二维接地体截面半径为 0.01m、长度为 1m，
（a）Φ 20mm 铜接地体截面的电流密度
（b）Φ 20mm45#钢接地体截面的电流密度
（c）Φ 20mm 石墨复合接地体截面电流密度
（d）接地体沿径向的电流密度
图 2 不同接地材料的趋肤效应对比 Fig.2 Skin effect contrast of several grounding material
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电工技术学报
2017 年 1 月
效果表明，低阻值的接地网是提高输电线路耐雷水 平的一项重要参考指标，降低接地杆塔接地电阻是 最为经济有效的防雷改进措施[3,4]，多年的输电线路 运行经验也使研究者在这一点上达成共识。
目前输电线路杆塔接地网仍多采用扁铁、圆钢、 镀锌钢等易腐蚀金属材料，长期面临金属腐蚀影响。 特别在酸性、碱性、高盐分和含水量大的土质下， 一般 5～7 年就需要改造甚至更换杆塔接地网，全寿 命周期成本大为增加[5,6]。此外，输电线路杆塔接地 网在使用时面临诸如施工难度大、与土壤贴合度不 高、易偷盗损坏等问题[6,7]。近些年，铜覆钢开始在 输电线路接地网中应用并起到一定防腐效果，不过 当铜镀层出现空隙或破损时一定程度上会加速钢材 腐蚀[8]。目前研究者针对接地网冲击接地特性、数 值计算模型、降阻方法、断点诊断等方面研究较多， 对于如何从材料角度解决现有接地网存在的实际问 题论述较少[9,10]，研发新型接地材料对输电线路接 地网改造具有实际工程意义。
（6）石墨复合接地材料二次利用价值低，有效 地预防人为偷盗及破坏。
（7）材料生产成本可控，相对于铜等金属材料 等具有成本优势。
石墨复合接地材料的电磁参数（如电阻率、磁 导率等）不同于现行的铜、钢等接地材料，其能否 应用于输电线路杆塔接地网需要进行理论验证。实 际上杆塔接地电阻严格意义上的称谓是接地阻抗， 它既含有阻性成分，也包含感抗与容抗成分。接地 系统电容分量仅出现在土壤电阻率较高且接地网尺 寸较小时的情况，而实际工程中，土壤电阻率高响 应的地网面积显然会相应地增大，因此，一般接地 系统在数值计算时省略电容分量而仅关注电阻与感 抗分量的影响[11,12]。因此，石墨复合接地材料电磁 参数对接地特性的影响应从接地阻抗的电阻（主要
第 32 卷第 2 期
肖 微等 柔性石墨复合接地材料及其接地特性
87
指材料自身电阻率及趋肤效应）及感抗（主要指材 料的电感效应）成分分别进行分析。
2 石墨复合接地材料接地应用特性
2.1 石墨复合接地材料的趋肤效应
假设埋于土壤中的不同接地材料的接地体均为
圆柱形，取接地体内部某一点距中轴线的距离为 r，
（3）力学结构稳定。石墨复合接地材料（Φ 28mm） 的抗拉强度≥23kN，连接点的抗拉强度≥7kN，满 足实际接地施工需求。
（4）良好的热稳定性。新型接地材料在高温 （200℃试验）与低温（−40℃试验）条件下结构稳 定，并且其电阻率具有负温度特性。
（5）石墨复合接地材料具有柔性可弯曲的特 点，可以根据实际地形条件灵活选择施工方式，降 低施工成本。接地体与土壤承受相同的外力形变， 与土壤贴合度高。
由图 2 可知，接地体径向穿透深度δ 与排散电 流的频率以及材料本身的磁导率与电导率有关。
（1）接地体相对磁导率μr 越大，分布在接地体 表层的电流密度值越大，趋肤效应也就越明显。现 行的低碳钢、镀锌钢、不锈钢等铁磁材料相对磁导 率较大，而铜及石为 E，电流密度为 J，
假设接地体的传导电流远大于位移电流，由
Maxwell 方程组
∇ × H = E + ∂D ρ ∂t
（1）
和媒质方程
∇ × E = −μ ∂H ∂t
∇⋅B = 0 ∇⋅D = ρ
B = μH J =σE D =εE
（2）
（3） （4）
（5） （6） （7）
摘要 鉴于电力接地领域现行金属接地材料存在易腐蚀、运输施工难度大、与土壤间隙大、 易偷盗以及高成本等实际工程问题，研发一种新型复合接地材料——柔性石墨复合接地材料。首 先简要阐述该新型接地材料的接地特性；然后采用有限元计算方法对比分析新型接地材料和常见 铜、钢接地材料的电磁特性（趋肤效应及电感效应）；继而基于数值计算结果对柔性石墨复合接地 材料进行结构改进，制备了扩径石墨复合接地材料，并分析石墨复合接地材料在输电线路杆塔接 地应用的可行性；最后通过新型接地材料在 110kV 和 220kV 输电线路杆塔接地工程中的现场测试 数据，验证本文所述柔性石墨复合接地材料的可靠性。研究内容对电力系统接地领域防腐工程具 有实际应用价值。
本文以现行金属接地材料存在的易腐蚀、运输 及施工困难、与土壤贴合度不高、易偷盗及人为破 坏频发等问题出发，设计并制备了一种新型接地材 料——柔性石墨复合接地材料。论述新型接地材料 结构特点与基本材料参数，对比分析了石墨复合接 地材料与铜、钢材料的电感效应、趋肤效应等接地 特性，在此基础上对接地材料进行结构改进，并结 合实际接地工程应用说明本文所述新型接地材料的 实际应用价值。
0 引言
随着电力系统的不断发展，输电线路雷击跳闸
南 方 电 网 公 司 科 研 项 目 （ KGD20140867 ） 和 国 家 自 然 科 学 基 金 （51477120）资助。 收稿日期 2015-12-04 改稿日期 2016-11-10
事故也日益增多。据电网故障分类统计表明，在我 国跳闸率较高的地区，由于雷击造成的事故次数约 占高压输电线路总跳闸次数的 60%[1]。多年来，各 国在提高输电线路防雷水平方面都做了大量的研究 工作，提出了多种措施，例如采用不平衡绝缘、加 装耦合地线、减小线路保护角、降低杆塔接地网的 接地电阻、加装避雷器等[2]。而实际运行线路防雷
2. School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China）
Abstract The metallic grounding materials used in power system nowadays have faced with lots of problems, such as corrosion, the difficulty of transportation and construction, easy to be stolen and high cost, and so on. Thus, a new type of grounding material, i.e. flexible graphite composite grounding material, was proposed and produced. Firstly, the material composition of the material was illustrated in this paper. Secondly, the skin effects and the inductive effects of the graphite composite grounding materials with copper and steel were calculated by finite element method respectively. And then the expanding graphite composite grounding material was made. At last, through the application in 110kV and 220kV transmission line tower grounding grid, it is shown that the new grounding material can meet the requirements of practical engineering.
2017 年 1 月 第 32 卷第 2 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.32 No. 2 Jan. 2017
柔性石墨复合接地材料及其接地特性
肖 微 1,2 胡元潮 2 阮江军 2 詹清华 1,2 黄道春 2
（1. 广东电网有限责任公司佛山供电局 佛山 528000 2. 武汉大学电气工程学院 武汉 430072）
入端电流幅值为 1kA，电流频率取 f =50kHz。接地
材料分别采用纯铜（ρ1=1.75×10−8Ω·m，μr1=1）、45# 钢（ρ2=1.75×10−7Ω·m，μr2=636）以及石墨复合接地 材料（实测值ρ3=3.25×10−5Ω·m，μr3=1）三种。不同 接地材料内部的趋肤效应如图 2 所示。
Keywords：Corrosion of grounding material, flexible graphite composite electrical grounding material, skin effect, inductive effect, expanding graphite composite grounding material
（a）石墨复合接地材料的分层结构
（b）接地材料与接续件的压接
图 1 石墨复合接地材料结构及连接方式
Fig.1 Structure and connection of graphite composite
electrical grounding material
向压接方式连接）。 石墨复合接地材料具有以下特性使其满足实际