0 引言

统计数据显示，2010—2015年国家电网公司330 kV及以上等级的交流输电线路中，由雷击引起的故障占故障总数的39.4%~50.8%，在±500 kV及以上等级的直流线路中占43.5%~64.3%^[1]。目前，输电线路主要采取增强外绝缘、减小架空线地线保护角、安装线路避雷器，以及降低杆塔接地电阻等防雷措施^[2-4]。这些手段虽可增强输电线路的防雷水平，但同时增加了设备的投资及维护工作量。

电力系统接地网的腐蚀一般有化学、电化学腐蚀，而在潮湿的土壤环境中，电化学腐蚀是金属腐蚀的主要原因^[5]。研究表明，某些由低碳钢金属材料制成的接地体运行3~5 a后表面即可发生严重腐蚀；而8~10 a后会有1/3的材料被完全腐蚀^[6-8]，导致接地体性能严重降低，无法承受雷电或故障冲击电流。此外，部分地区因偷盗接地金属行为而引发的接地电阻超标事件也屡有发生^[9]。

我国南方某地区为典型的亚热带季风气候，雷电活动频繁、年降雨量大，区内变电站与输电线路金属接地体腐蚀现象较严重（变电站接地网开挖显示，大部分接地网络腐蚀达到Ⅱ级，少数甚至达到了Ⅳ级^[10]）。为解决10 kV线路杆塔接地金属腐蚀引起的接地电阻偏高问题，当地供电局与某大学联合研制了1种新型石墨碳纤维复合材料替代金属接地材料^[11-12]；试验结果表明，该材料具有耐腐蚀性强、电阻率低、可弯曲、磁导率小及成本低等优点^[13-15]。

1 石墨碳纤维复合材料接地体介绍

传统石墨接地体主要有石墨纸包覆不锈钢、石墨线内编不锈钢钢丝绳2种结构。本文研究的石墨碳纤维材料为柔性材料，由鳞片石墨压制成型的石墨纸与碳纤维、凯夫拉纤维或玻璃纤维敷设压合成单股石墨线后，再根据接地体截面积要求，利用多股石墨线通过同轴反向编织工艺加工成型。综合考虑成本因素，内层单股石墨线选用掺有碳纤维及玻璃纤维石墨线，以提高导电率；外层选用凯夫拉纤维，通过加强单股石墨线的强度来增强编织体整体抗拉强度。图 1为利用多股石墨线通过编织工艺制成的接地导体样品。

2 现场应用效果 2.1 现场施工方法

为了验证新型石墨碳纤维复合材料的实际性能，在10 kV杆塔与引雷塔接地网上对原有的常规圆钢导体接地体进行了改造试验。改造时选取了4座10 kV杆塔和3座引雷塔，在原有金属接地网基础上平行敷设了新型石墨碳纤维复合接地体。施工中，为便于与杆塔进行连接，对石墨碳纤维复合接地导体端部进行了预压接（如图 1所示），要求压接后接触电阻≤2 mΩ；接地导体之间的连接采用锁扣方式（如图 2所示），要求接触电阻≤5 mΩ。施工中新敷设接地体不得与原有圆钢导体接触，以避免产生环流。

此次现场施工中，选取直径为28 mm的石墨碳纤维复合地线对接地网进行改造，地线的电阻率约为5.25×10^-5 Ω·m，要求改造后10 kV杆塔的接地电阻＜10 Ω，引雷塔接地电阻＜20 Ω^[13]。

2.2 接地电阻测量 2.2.1 10 kV杆塔

为了跟踪监测新安装的石墨碳纤维复合材料接地体状况，在近2 a年时间内对22号、24号及25号杆塔接地电阻各进行了多次测量，结果见图 3。

由图 3可以看出，随着土壤沉降时间的延长，第4次测量（2015年8月）后，石墨碳纤维接地网和圆钢接地网的接地电阻差值逐渐趋于平稳。施工中发现，杆塔塔基周围土壤电阻率约为50 Ω·m，石墨碳纤维复合接地网的接地电阻略大于圆钢接地网，但能够满足＜10 Ω的设计要求。

2.2.2 引雷塔

表 1为引雷塔接地电阻跟踪测量结果。由于圆钢接地网中每隔5 m加设了1个接地模块，使得圆钢接地网接地电阻小于平行敷设的石墨碳纤维复合材料接地网。

根据雷电监测系统的记录，改造工程完成后的2a内，鹿洞山引雷塔经受了3次雷击，雷电流幅值均小于5 kA；泰康山塔经受了4次雷击，雷电流幅值分别为200 kA，80 kA，60 kA及2.5 kA；皂幕山塔经受2次雷击，雷击电流幅值为46 kA和50 kA。引雷塔接地电阻测量结果表明，石墨碳纤维复合接地体在经受多次雷击电流冲击后，性能无过大变化，依旧满足接地电阻小于20 Ω的要求；同期进行的现场开挖目测显示，复合接地体结构并未发生明显变化。

2.3 石墨碳纤维复合材料接地体防腐蚀性能评估

在实验室进行的土壤腐蚀前期试验中，与Q235钢和铜材料相比，石墨碳纤维复合材料显示出优良的防腐蚀性能^[12]，其预期寿命可达30 a。

为进一步评估石墨碳纤维复合接地体在实际应用中的防腐能力，经过2 a现场运行后，现场开挖对石墨碳纤维复合材料接地体，与圆钢接地体的腐蚀情况进行了检查，结果表明，复合材料接地体未出现明显的腐蚀，而圆钢接地体已发生明显的腐蚀情况。

另外，从杆塔以及引雷塔的石墨复合接地体上截取少量本体材料，对电阻率进行测量，结果见表 2。3次取样测量结果表明，各塔接地体电阻率平均值均小于5×10^-5 Ω ·m，满足接地性能的要求。

3 结语

对石墨碳纤维复合材料接地电阻性能进行了跟踪监测与分析，结果表明，在低土壤电阻率地区，石墨碳纤维复合材料接地网的耐腐蚀性能明显优于圆钢材料接地网；遭受多次雷电冲击后，接地体的结构和电阻率无明显变化，能够满足输电线路的防雷要求。工程实际应用效果表明，新型石墨碳纤维接地体具有优良的抗腐蚀及防雷性能，可以代替常规金属材料接地体应用于10 kV输电线路铁塔。