電力工程接地用防腐接地極的制備及性能分析范文

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摘要

電力工程接地網(wǎng)的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)扁鋼接地極成本低，但腐蝕速率快，需不定期開(kāi)挖，維護(hù)成本昂貴；銅包鋼接地極的工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但銅與鋼的界面結(jié)合能力較差，水、電解質(zhì)等易滲到夾層中造成內(nèi)部腐蝕；鍍鋅或鍍銅接地極有良好防腐效果，但存在均勻性差、表面鍍層易剝落等問(wèn)題，穩(wěn)定性較差；純銅接地極防腐效果優(yōu)良，泄流能力強(qiáng)，但成本過(guò)于昂貴。針對(duì)現(xiàn)有接地產(chǎn)品存在的問(wèn)題與不足，一種涂層型防腐接地極應(yīng)運(yùn)而生，該新型防腐接地極在傳統(tǒng)鋼材外涂覆1層導(dǎo)電防腐涂料，涂層的體積電阻率低于1Ω•m，耐受溫度超過(guò)550℃，使其在具備優(yōu)異的導(dǎo)電、防腐、耐高溫等特性的同時(shí)兼顧產(chǎn)品成本和維護(hù)費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞

電力接地，腐蝕，可靠性，納米改性，防腐接地極

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，常見(jiàn)的接地體主要有扁鋼、銅包鋼、鍍鋅鍍銅鋼和純銅接地極等。由于接地體埋設(shè)在地下，基體金屬極易受到腐蝕［1］，因此在研究各類(lèi)接地極的實(shí)用性時(shí)，除了性能是否達(dá)標(biāo)之外，還關(guān)注其成本。近年來(lái)，采用導(dǎo)電防腐涂料改善接地極的防腐性能成為研究熱門(mén)。倪楠楠［2］通過(guò)對(duì)銅進(jìn)行表面改性制備了環(huán)氧－銅導(dǎo)電涂層，涂層的導(dǎo)電性能穩(wěn)定，初始電導(dǎo)率可達(dá)到66S／cm。董蔓等［3］研究了不同樹(shù)脂、溶劑、導(dǎo)電填料和烘干溫度對(duì)導(dǎo)電防腐涂層性能的影響，制備的環(huán)氧導(dǎo)電防腐涂層體積電阻率可達(dá)到3～5Ω•m；邵建人等［4］采用納米碳作為導(dǎo)電填料制備了納米碳防腐導(dǎo)電涂料，涂層的導(dǎo)電性能優(yōu)異并且通過(guò)了30kA～3S的大電流沖擊試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多年探索，本研究采用納米改性技術(shù)，成功研制出納米改性導(dǎo)電防腐涂料，并將其涂覆在鋼材表面制備防腐接地極。新型防腐接地極的泄流原理示意圖見(jiàn)圖1。接地極的表面涂覆有一定厚度的納米改性導(dǎo)電防腐涂層，涂層由均勻分散的碳納米管構(gòu)建形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)［5－6］。電流在流入接地極之后，通過(guò)碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)引入周?chē)寥溃M(jìn)而達(dá)到泄流的目的。防腐接地極對(duì)涂層的導(dǎo)電率有很高的要求，一般要求涂層的電阻率低于1Ω•m。而在耐腐蝕方面，采用涂料防腐比包銅、鍍鋅更具備優(yōu)勢(shì)，可以有效的保護(hù)內(nèi)層接地體免受土壤中水和電解液的腐蝕。同時(shí)，防腐接地極必須滿足標(biāo)準(zhǔn)IEEE837—2002中要求，因而涂層必須具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，要求涂層的耐受溫度達(dá)到550℃。

1實(shí)驗(yàn)部分

1．1原材料與儀器

碳納米管（管徑40～60nm，長(zhǎng)度5～15μm）：深圳市納米港有限公司；有機(jī)硅樹(shù)脂，道康寧；扁鋼、二甲苯、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉、德謙W－920，均市售。籃式砂磨機(jī)（NM－0．75型），合肥華派機(jī)電有限公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（JY99型），寧波新芝生物科技股份有限公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（S－4800型），日本日立公司；大電流發(fā)生器（25kA型），武漢恒盛興電力自動(dòng)化有限公司；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT型），美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；雙電測(cè)四探針測(cè)試儀（RTS－9型），廣州四探針科技；鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱、直流電阻電橋、附著力測(cè)試儀、箱式加熱爐、噴涂設(shè)備、電子天平，均為市售。

1．2實(shí)驗(yàn)樣品的制備

本研究制備的新型防腐接地極采用碳納米管作為納米填料［7－10］。采用表面活性劑對(duì)碳納米管進(jìn)行改性，可以降低碳納米管和基料溶液間的界面張力，分散劑包覆在經(jīng)過(guò)處理的碳納米管周?chē)纬煽臻g雙電荷層，通過(guò)電荷之間相互排斥作用及分散空間的位阻作用，使碳納米管穩(wěn)定懸浮在涂料中［11］。碳系導(dǎo)電填料通常采用的表面活性劑有硬脂酸、十二烷基苯磺酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基二甲基芐基氯化銨等。制備納米改性導(dǎo)電防腐涂料選擇表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉復(fù)配德謙W－920的混合物，復(fù)配比例為2∶1，占碳納米管添加質(zhì)量的10％（wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。研究表明添加適量的表面活性劑有助于碳納米管在樹(shù)脂基體中的分散，但是如果加入過(guò)量則會(huì)對(duì)涂料體系的導(dǎo)電性能產(chǎn)生不良的影響［12－16］，添加量不要超過(guò)碳納米管添加量的10％。

2結(jié)果與討論

2．1導(dǎo)電防腐涂層的電阻率

導(dǎo)電防腐涂層電阻率的高低關(guān)系到防腐接地極的泄流能力。作為電流從接地金屬導(dǎo)入大地土壤的橋梁，導(dǎo)電防腐涂層的電位必須低于周?chē)寥赖碾娢徊拍苷Ｐ沽鳎从车诫娮杪噬蟿t為導(dǎo)電防腐涂層的電阻率必須低于土壤的電阻率。我國(guó)地域遼闊，各地域土壤的電阻率存在較大的差異，一般在50～5000Ω•m之間［17］。在設(shè)計(jì)導(dǎo)電防腐涂層的電阻率時(shí)必須以最低的土壤電阻率為上限，同時(shí)，考慮到涂層與土壤之間接觸電阻的影響［18］，導(dǎo)電防腐涂層的電阻率不宜大于1Ω•m。采用四探針?lè)▽?duì)制備的導(dǎo)電防腐涂層試樣的電阻率進(jìn)行了測(cè)量，試樣平均電阻率為0．589Ω•m。

2．2涂層附著力

涂層的附著力是保障防腐接地極防腐性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)GB／T9286—1998標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)防腐接地極表層納米涂層的附著力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均為1級(jí)，表明納米改性導(dǎo)電防腐涂料在鋼材表面的附著力優(yōu)異。影響涂層附著力的基本因素主要有2個(gè)，分別為涂料對(duì)底材的濕潤(rùn)性和底材的粗糙度［19］。本研究制備的納米改性導(dǎo)電防腐涂料采用的基體樹(shù)脂為有機(jī)硅樹(shù)脂，有機(jī)硅可與鋼鐵表面含結(jié)晶水的氧化鐵產(chǎn)生水解縮合，形成共價(jià)鍵和氫鍵，硅烷中的烷氧基也可直接和鋼材表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，在潮濕的環(huán)境下發(fā)生交聯(lián)，大大提升涂料與鋼材的結(jié)合力［20］。同時(shí)，對(duì)鋼材進(jìn)行噴砂處理可以有效改善鋼材表面的粗糙度，大幅增加涂料與鋼材的接觸面積，進(jìn)而使得涂料在鋼材表面獲得優(yōu)異的附著力。

2．3腐蝕性試驗(yàn)

耐腐蝕性能的優(yōu)劣是影響防腐接地極能否被大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。依據(jù)GB9274—88標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)防腐接地極試樣進(jìn)行了酸堿鹽的浸泡試驗(yàn)，所用的酸堿鹽溶液分別采用10％HCl溶液、10％NaCl溶液、10％NaOH溶液，浸泡時(shí)間為720h，測(cè)試結(jié)果均為無(wú)變色、起泡和脫落，新型防腐接地極耐液體介質(zhì)性能優(yōu)異。鋼材最有效的防腐方法就是切斷鋼鐵表面與腐蝕電解質(zhì)之間的電連接，也可以稱(chēng)之為物理屏蔽［21］。碳納米管在經(jīng)過(guò)表面官能團(tuán)嫁接之后，與有機(jī)硅樹(shù)脂基體之間可以形成良好的界面結(jié)合，再者受益于碳納米管的納米補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)，最大程度上避免了涂層的微觀缺陷，從而有效隔絕了鋼材表面與腐蝕電解質(zhì)之間的電連接，極大的提升了涂層的耐腐蝕性能［22－23］。

2．4彎折試驗(yàn)

為了避免防腐接地極在運(yùn)輸施工過(guò)程中造成損壞，降低接地工程的造價(jià)，其彎折性能需要重點(diǎn)關(guān)注。依據(jù)DLT1312—2013標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)防腐接地極試樣進(jìn)行了彎折試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)3次彎折之后試樣表面的涂層沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和脫落的情況，表面狀況良好。彎折特性主要受導(dǎo)電防腐涂層力學(xué)性能的影響，而導(dǎo)電防腐涂層的力學(xué)性能則與導(dǎo)電填料自身的物理特性及其在涂層中的分散狀態(tài)密切相關(guān)。碳納米管的比強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa，是鋼的100倍，彈性模量達(dá)到1TPa，長(zhǎng)徑比在1000∶1以上［12］，在納米相增強(qiáng)機(jī)理的作用下，將其分散于樹(shù)脂基體中可大大提高涂層的致密度和斷裂韌性［24］，從而大幅度提升涂層的力學(xué)性能。圖2為本研究制備的納米改性導(dǎo)電防腐涂層斷面的掃描電鏡圖，圖中可見(jiàn)碳納米管分散均勻，與樹(shù)脂基體之間的結(jié)合緊密，斷裂處有明顯的拔出效應(yīng)，對(duì)樹(shù)脂基體的增強(qiáng)效果顯著。

2．5電氣與腐蝕循環(huán)試驗(yàn)

防腐接地極作為接地極新產(chǎn)品，電氣性能必須滿足現(xiàn)階段接地極產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。依據(jù)IEEE837—2002標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)防腐接地極試樣進(jìn)行了電氣與腐蝕循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，新型防腐接地極的電氣與腐蝕性能符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。電氣與腐蝕循環(huán)試驗(yàn)主要對(duì)接地極產(chǎn)品的耐大電流特性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕性進(jìn)行考量。該試驗(yàn)的參照為美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)于2002年修訂的標(biāo)準(zhǔn)文件，是美國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。耐大電流特性反應(yīng)的是接地極產(chǎn)品在故障電流或雷電流的沖擊下泄流能力的變化幅度，關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全。熱穩(wěn)定性則是接地極產(chǎn)品在服役常態(tài)下泄流能力的反應(yīng)，主要影響因素為氣候的變化和電流溫升的作用。碳納米管為永久性導(dǎo)電體，其導(dǎo)電性幾乎不受任何電磁環(huán)境的影響，加之其比表面能低，反應(yīng)出惰性物質(zhì)的特性［11］，耐受溫度通常可以達(dá)到580℃以上，與之復(fù)合的樹(shù)脂則是采用自然界中熱穩(wěn)定性最為優(yōu)異的有機(jī)硅樹(shù)脂［20］，耐受溫度超過(guò)650℃，因此采用碳納米管制備的導(dǎo)電防腐涂料可以表現(xiàn)出優(yōu)異的耐大電流特性和熱穩(wěn)定性。

3結(jié)論

（1）新型防腐接地極的成功研制將解決電力系統(tǒng)接地網(wǎng)的防腐難題，發(fā)揮明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。在傳統(tǒng)扁鋼表面涂覆涂料的用量?jī)H為接地體鋼材用量的1．2％～1．4％，因而不會(huì)明顯增加接地網(wǎng)的建設(shè)成本。

（2）新型防腐接地極在傳統(tǒng)鋼材外涂覆1層導(dǎo)電防腐涂料，涂層的體積電阻率低于1Ω•m，耐受溫度超過(guò)550℃，使其在具備優(yōu)異的導(dǎo)電、防腐、耐高溫等特性的同時(shí)兼顧產(chǎn)品成本和維護(hù)費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）在我國(guó)，由于接地網(wǎng)工程的隱蔽性，在設(shè)計(jì)方面一般變電所年限不應(yīng)小于30年，重要樞紐變電站的接地網(wǎng)壽命應(yīng)按50年考慮，碳納米管改性防腐接地極可使接地網(wǎng)在保持良好導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，有效減緩接地體在土壤中的腐蝕，起到保護(hù)金屬、節(jié)約能源和延長(zhǎng)接地網(wǎng)運(yùn)行壽命的重要作用，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用潛力巨大。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司逐步推行電網(wǎng)全壽命周期，預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年內(nèi)我國(guó)新型防腐接地極市場(chǎng)將形成較大規(guī)模。

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作者：陳思敏 吳昊 孟曉明 湯超 廖晶 單位：國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司