电力工程接地用防腐接地极的制备及性能分析范文

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摘要

电力工程接地网的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。传统扁钢接地极成本低，但腐蚀速率快，需不定期开挖，维护成本昂贵；铜包钢接地极的工艺简单，成本较低，但铜与钢的界面结合能力较差，水、电解质等易渗到夹层中造成内部腐蚀；镀锌或镀铜接地极有良好防腐效果，但存在均匀性差、表面镀层易剥落等问题，稳定性较差；纯铜接地极防腐效果优良，泄流能力强，但成本过于昂贵。针对现有接地产品存在的问题与不足，一种涂层型防腐接地极应运而生，该新型防腐接地极在传统钢材外涂覆1层导电防腐涂料，涂层的体积电阻率低于1Ω•m，耐受温度超过550℃，使其在具备优异的导电、防腐、耐高温等特性的同时兼顾产品成本和维护费用，具有良好的经济效益。

关键词

电力接地，腐蚀，可靠性，纳米改性，防腐接地极

随着电力系统的发展，常见的接地体主要有扁钢、铜包钢、镀锌镀铜钢和纯铜接地极等。由于接地体埋设在地下，基体金属极易受到腐蚀［1］，因此在研究各类接地极的实用性时，除了性能是否达标之外，还关注其成本。近年来，采用导电防腐涂料改善接地极的防腐性能成为研究热门。倪楠楠［2］通过对铜进行表面改性制备了环氧－铜导电涂层，涂层的导电性能稳定，初始电导率可达到66S／cm。董蔓等［3］研究了不同树脂、溶剂、导电填料和烘干温度对导电防腐涂层性能的影响，制备的环氧导电防腐涂层体积电阻率可达到3～5Ω•m；邵建人等［4］采用纳米碳作为导电填料制备了纳米碳防腐导电涂料，涂层的导电性能优异并且通过了30kA～3S的大电流冲击试验。经过多年探索，本研究采用纳米改性技术，成功研制出纳米改性导电防腐涂料，并将其涂覆在钢材表面制备防腐接地极。新型防腐接地极的泄流原理示意图见图1。接地极的表面涂覆有一定厚度的纳米改性导电防腐涂层，涂层由均匀分散的碳纳米管构建形成稳定的导电网络［5－6］。电流在流入接地极之后，通过碳纳米管导电网络引入周围土壤，进而达到泄流的目的。防腐接地极对涂层的导电率有很高的要求，一般要求涂层的电阻率低于1Ω•m。而在耐腐蚀方面，采用涂料防腐比包铜、镀锌更具备优势，可以有效的保护内层接地体免受土壤中水和电解液的腐蚀。同时，防腐接地极必须满足标准IEEE837—2002中要求，因而涂层必须具备优异的热稳定性，要求涂层的耐受温度达到550℃。

1实验部分

1．1原材料与仪器

碳纳米管（管径40～60nm，长度5～15μm）：深圳市纳米港有限公司；有机硅树脂，道康宁；扁钢、二甲苯、正丁醇、十二烷基苯磺酸钠、德谦W－920，均市售。篮式砂磨机（NM－0．75型），合肥华派机电有限公司；超声波细胞粉碎机（JY99型），宁波新芝生物科技股份有限公司；场发射扫描电镜（S－4800型），日本日立公司；大电流发生器（25kA型），武汉恒盛兴电力自动化有限公司；万能试验机（CMT型），美斯特工业系统有限公司；双电测四探针测试仪（RTS－9型），广州四探针科技；盐雾腐蚀试验箱、直流电阻电桥、附着力测试仪、箱式加热炉、喷涂设备、电子天平，均为市售。

1．2实验样品的制备

本研究制备的新型防腐接地极采用碳纳米管作为纳米填料［7－10］。采用表面活性剂对碳纳米管进行改性，可以降低碳纳米管和基料溶液间的界面张力，分散剂包覆在经过处理的碳纳米管周围，形成空间双电荷层，通过电荷之间相互排斥作用及分散空间的位阻作用，使碳纳米管稳定悬浮在涂料中［11］。碳系导电填料通常采用的表面活性剂有硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基二甲基苄基氯化铵等。制备纳米改性导电防腐涂料选择表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠复配德谦W－920的混合物，复配比例为2∶1，占碳纳米管添加质量的10％（wt，质量分数，下同）。研究表明添加适量的表面活性剂有助于碳纳米管在树脂基体中的分散，但是如果加入过量则会对涂料体系的导电性能产生不良的影响［12－16］，添加量不要超过碳纳米管添加量的10％。

2结果与讨论

2．1导电防腐涂层的电阻率

导电防腐涂层电阻率的高低关系到防腐接地极的泄流能力。作为电流从接地金属导入大地土壤的桥梁，导电防腐涂层的电位必须低于周围土壤的电位才能正常泄流，反映到电阻率上则为导电防腐涂层的电阻率必须低于土壤的电阻率。我国地域辽阔，各地域土壤的电阻率存在较大的差异，一般在50～5000Ω•m之间［17］。在设计导电防腐涂层的电阻率时必须以最低的土壤电阻率为上限，同时，考虑到涂层与土壤之间接触电阻的影响［18］，导电防腐涂层的电阻率不宜大于1Ω•m。采用四探针法对制备的导电防腐涂层试样的电阻率进行了测量，试样平均电阻率为0．589Ω•m。

2．2涂层附着力

涂层的附着力是保障防腐接地极防腐性能的关键因素。根据GB／T9286—1998标准要求，对防腐接地极表层纳米涂层的附着力进行了测试，测试结果均为1级，表明纳米改性导电防腐涂料在钢材表面的附着力优异。影响涂层附着力的基本因素主要有2个，分别为涂料对底材的湿润性和底材的粗糙度［19］。本研究制备的纳米改性导电防腐涂料采用的基体树脂为有机硅树脂，有机硅可与钢铁表面含结晶水的氧化铁产生水解缩合，形成共价键和氢键，硅烷中的烷氧基也可直接和钢材表面的氧化物发生反应，在潮湿的环境下发生交联，大大提升涂料与钢材的结合力［20］。同时，对钢材进行喷砂处理可以有效改善钢材表面的粗糙度，大幅增加涂料与钢材的接触面积，进而使得涂料在钢材表面获得优异的附着力。

2．3腐蚀性试验

耐腐蚀性能的优劣是影响防腐接地极能否被大规模推广应用的关键。依据GB9274—88标准要求，对防腐接地极试样进行了酸碱盐的浸泡试验，所用的酸碱盐溶液分别采用10％HCl溶液、10％NaCl溶液、10％NaOH溶液，浸泡时间为720h，测试结果均为无变色、起泡和脱落，新型防腐接地极耐液体介质性能优异。钢材最有效的防腐方法就是切断钢铁表面与腐蚀电解质之间的电连接，也可以称之为物理屏蔽［21］。碳纳米管在经过表面官能团嫁接之后，与有机硅树脂基体之间可以形成良好的界面结合，再者受益于碳纳米管的纳米补强效应，最大程度上避免了涂层的微观缺陷，从而有效隔绝了钢材表面与腐蚀电解质之间的电连接，极大的提升了涂层的耐腐蚀性能［22－23］。

2．4弯折试验

为了避免防腐接地极在运输施工过程中造成损坏，降低接地工程的造价，其弯折性能需要重点关注。依据DLT1312—2013标准要求，对防腐接地极试样进行了弯折试验，经过3次弯折之后试样表面的涂层没有出现裂纹和脱落的情况，表面状况良好。弯折特性主要受导电防腐涂层力学性能的影响，而导电防腐涂层的力学性能则与导电填料自身的物理特性及其在涂层中的分散状态密切相关。碳纳米管的比强度达到50～200GPa，是钢的100倍，弹性模量达到1TPa，长径比在1000∶1以上［12］，在纳米相增强机理的作用下，将其分散于树脂基体中可大大提高涂层的致密度和断裂韧性［24］，从而大幅度提升涂层的力学性能。图2为本研究制备的纳米改性导电防腐涂层断面的扫描电镜图，图中可见碳纳米管分散均匀，与树脂基体之间的结合紧密，断裂处有明显的拔出效应，对树脂基体的增强效果显著。

2．5电气与腐蚀循环试验

防腐接地极作为接地极新产品，电气性能必须满足现阶段接地极产品相关行业标准的要求。依据IEEE837—2002标准要求，对防腐接地极试样进行了电气与腐蚀循环试验，试验结果见表1，新型防腐接地极的电气与腐蚀性能符合该标准要求。电气与腐蚀循环试验主要对接地极产品的耐大电流特性、热稳定性以及耐腐蚀性进行考量。该试验的参照为美国电气电子工程师学会于2002年修订的标准文件，是美国现行行业标准。耐大电流特性反应的是接地极产品在故障电流或雷电流的冲击下泄流能力的变化幅度，关系到整个电网的安全。热稳定性则是接地极产品在服役常态下泄流能力的反应，主要影响因素为气候的变化和电流温升的作用。碳纳米管为永久性导电体，其导电性几乎不受任何电磁环境的影响，加之其比表面能低，反应出惰性物质的特性［11］，耐受温度通常可以达到580℃以上，与之复合的树脂则是采用自然界中热稳定性最为优异的有机硅树脂［20］，耐受温度超过650℃，因此采用碳纳米管制备的导电防腐涂料可以表现出优异的耐大电流特性和热稳定性。

3结论

（1）新型防腐接地极的成功研制将解决电力系统接地网的防腐难题，发挥明显的社会经济效益，具有广阔的应用前景。在传统扁钢表面涂覆涂料的用量仅为接地体钢材用量的1．2％～1．4％，因而不会明显增加接地网的建设成本。

（2）新型防腐接地极在传统钢材外涂覆1层导电防腐涂料，涂层的体积电阻率低于1Ω•m，耐受温度超过550℃，使其在具备优异的导电、防腐、耐高温等特性的同时兼顾产品成本和维护费用，具有良好的经济效益。

（3）在我国，由于接地网工程的隐蔽性，在设计方面一般变电所年限不应小于30年，重要枢纽变电站的接地网寿命应按50年考虑，碳纳米管改性防腐接地极可使接地网在保持良好导电性能的基础上，有效减缓接地体在土壤中的腐蚀，起到保护金属、节约能源和延长接地网运行寿命的重要作用，具有明显的技术和经济优势，市场应用潜力巨大。随着国家电网公司逐步推行电网全寿命周期，预计未来5～10年内我国新型防腐接地极市场将形成较大规模。

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作者：陈思敏 吴昊 孟晓明 汤超 廖晶 单位：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司