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)的安全運行。傳統(tǒng)扁鋼接地極成本低，但腐蝕速率快，需不定期開挖，維護成本昂貴；銅包鋼接地極的工藝簡單，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題，穩(wěn)定性較差；純銅接地極防腐效果優(yōu)良，泄流能力強，但成本過于昂貴。針對現(xiàn)有接地產(chǎn)品存在的問題與不足，一種涂層型防腐接地極應(yīng)運而生，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550℃，使其在具備優(yōu)異的導(dǎo)電、防腐、耐高溫等特性的同時兼顧產(chǎn)品成本和維護費用，具有良好的經(jīng)濟效益。

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］，因此在研究各類接地極的實用性時，除了性能是否達標之外，還關(guān)注其成本。近年來，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。倪楠楠［2］通過對銅進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)率可達到66S／cm。董蔓等［3］研究了不同樹脂、溶劑、導(dǎo)電填料和烘干溫度對導(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)異并且通過了30kA～3S的大電流沖擊試驗。經(jīng)過多年探索，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，通過碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)引入周圍土壤，進而達到泄流的目的。防腐接地極對涂層的導(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，可以有效的保護內(nèi)層接地體免受土壤中水和電解液的腐蝕。同時，防腐接地極必須滿足標準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到550℃。

1實驗部分

1．1原材料與儀器

碳納米管（管徑40～60nm，長度5～15μm）：深圳市納米港有限公司；有機硅樹脂，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（NM－0．75型），合肥華派機電有限公司；超聲波細胞粉碎機（JY99型），寧波新芝生物科技股份有限公司；場發(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化有限公司；萬能試驗機（CMT型），美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；雙電測四探針測試儀（RTS－9型），廣州四探針科技；鹽霧腐蝕試驗箱、直流電阻電橋、附著力測試儀、箱式加熱爐、噴涂設(shè)備、電子天平，均為市售。

1．2實驗樣品的制備

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］。采用表面活性劑對碳納米管進行改性，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)過處理的碳納米管周圍，形成空間雙電荷層，通過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)量分數(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脂基體中的分散，但是如果加入過量則會對涂料體系的導(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圍土壤的電位才能正常泄流，反映到電阻率上則為導(dǎo)電防腐涂層的電阻率必須低于土壤的電阻率。我國地域遼闊，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)計導(dǎo)電防腐涂層的電阻率時必須以最低的土壤電阻率為上限，同時，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。采用四探針法對制備的導(dǎo)電防腐涂層試樣的電阻率進行了測量，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標準要求，對防腐接地極表層納米涂層的附著力進行了測試，測試結(jié)果均為1級，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，分別為涂料對底材的濕潤性和底材的粗糙度［19］。本研究制備的納米改性導(dǎo)電防腐涂料采用的基體樹脂為有機硅樹脂，有機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，對鋼材進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

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標準要求，對防腐接地極試樣進行了酸堿鹽的浸泡試驗，所用的酸堿鹽溶液分別采用10％HCl溶液、10％NaCl溶液、10％NaOH溶液，浸泡時間為720h，測試結(jié)果均為無變色、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，也可以稱之為物理屏蔽［21］。碳納米管在經(jīng)過表面官能團嫁接之后，與有機硅樹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強效應(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

為了避免防腐接地極在運輸施工過程中造成損壞，降低接地工程的造價，其彎折性能需要重點關(guān)注。依據(jù)DLT1312—2013標準要求，對防腐接地極試樣進行了彎折試驗，經(jīng)過3次彎折之后試樣表面的涂層沒有出現(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)。碳納米管的比強度達到50～200GPa，是鋼的100倍，彈性模量達到1TPa，長徑比在1000∶1以上［12］，在納米相增強機理的作用下，將其分散于樹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，圖中可見碳納米管分散均勻，與樹脂基體之間的結(jié)合緊密，斷裂處有明顯的拔出效應(yīng)，對樹脂基體的增強效果顯著。

2．5電氣與腐蝕循環(huán)試驗

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)標準的要求。依據(jù)IEEE837—2002標準要求，對防腐接地極試樣進行了電氣與腐蝕循環(huán)試驗，試驗結(jié)果見表1，新型防腐接地極的電氣與腐蝕性能符合該標準要求。電氣與腐蝕循環(huán)試驗主要對接地極產(chǎn)品的耐大電流特性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕性進行考量。該試驗的參照為美國電氣電子工程師學(xué)會于2002年修訂的標準文件，是美國現(xiàn)行行業(yè)標準。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到580℃以上，與之復(fù)合的樹脂則是采用自然界中熱穩(wěn)定性最為優(yōu)異的有機硅樹脂［20］，耐受溫度超過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)揮明顯的社會經(jīng)濟效益，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僅為接地體鋼材用量的1．2％～1．4％，因而不會明顯增加接地網(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550℃，使其在具備優(yōu)異的導(dǎo)電、防腐、耐高溫等特性的同時兼顧產(chǎn)品成本和維護費用，具有良好的經(jīng)濟效益。

（3）在我國，由于接地網(wǎng)工程的隱蔽性，在設(shè)計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，起到保護金屬、節(jié)約能源和延長接地網(wǎng)運行壽命的重要作用，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，市場應(yīng)用潛力巨大。隨著國家電網(wǎng)公司逐步推行電網(wǎng)全壽命周期，預(yù)計未來5～10年內(nèi)我國新型防腐接地極市場將形成較大規(guī)模。

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