接地网用降阻防腐导电混凝土的制备与应用项目建设可行性研究论证报告.docx
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接地网用降阻防腐导电混凝土的制备与应用项目建设可行性研究论证报告
科技项目
可行性研究报告
项目名称：
接地网用降阻防腐导电混凝土的制备与应用
申请单位：
起止时间：
一、
目的和意义
随着我国电网的深入发展，变（发）电站的建设随之增多，目前，我国电网接地系统多采用热镀锌钢，但锌能溶解于酸和强碱，只能适用于一般大气和天然水环境中，而在工业污染区与高腐蚀地区，镀锌层的耐用年限很短，已不能满足接地系统的安全使用要求。
本项目在深入研究接地体腐蚀机理的基础上，开展高腐蚀环境中接地网用降阻防腐导电混凝土的制备及其降阻防腐性能的研究，所研制的降阻防腐导电混凝土，一方面可以大幅降低接地网的接地电阻，提升接地性能与使用寿命，避免因金属接地体腐蚀导致的各种电力事故；另一方面使变（发）电站的选址更具灵活性，减小接地网的建设面积，大幅节约电网建设成本。
因此，本项目的研究对电力系统的安全稳定运行有着重要的工程应用价值与显著的经济效益。
二、国内外研究水平综述
接地装置的作用是为了将故障大电流引入大地，电力接地装置常采用碳钢结构的扁钢、角钢、钢管等，这些材料在土壤环境中极易受到腐蚀。
电力接地装置的腐蚀可导致一、二次设备的损坏，严重时造成发电厂、变电站全部停止运行，有的甚至威胁整个电力系统的安全运行。
防止腐蚀一般有以下两条途径：
改变腐蚀环境，降低环境的腐蚀性;改变腐蚀主体，提高材料的耐蚀性。
对变电站、发电厂而言，一旦其地点确定，接地网所处的土壤环境就随之确定，想改变是很困难的。
解决接地网腐蚀问题主要从增强接地网本身的耐蚀性方面着手。
目前主要有以下几种方法：
①采用高效膨润土降阻防腐剂
高效膨润土降阻防腐剂的防腐机理主要是利用钙基膨润土本身的特性，在研制时加入了一定比例的无机缓蚀剂、钝化剂调整降阻剂的酸碱度为偏碱性，pH值为10左右，H+的浓度小，使析氢腐蚀无法存在；由于降阻剂的结构密致，含氧量少，使钢接地体基本上不和氧接触，防止了吸氧腐蚀；加入的无机缓蚀剂、钝化剂和膨润土本身的作用在钢接地体表面生成了一层钝化膜，保护了接地体，降阻剂中含有的大量的钙、镁、铝等金属氧化物，它们的金属离子都比铁的标准电极电位低，起到了一定的“阴极保护”作用；铁的氢氧化物Fe（OH）3属于碱性氢氧化物，仅能与酸反应，因此，铁埋在具有弱碱性的降阻剂中受到了保护；接地体添加高效膨润土降阻剂后，使接地体不直接与周围土壤接触，当接地体通过大的工频接地短路电流和冲击电流时，电火花发生在降阻剂与土壤之间，从而使接地体免遭电火花腐蚀。
但膨润土强度不高，易开裂。
②阴极保护
阴极保护是通过对被保护金属（如接地网的普通碳钢）进行外加阴极极化来防止金属腐蚀的方法。
阴极保护可通过两种方法实现，一是牺牲阳极法；二是外加电流法。
牺牲阳极法简单易行，无须维护，它是在被保护的接地网上连接电位更负、更容易腐蚀的金属或合金（如镁及镁合金阳极、锌合金阳极），使靠阳极的腐蚀溶解达到保护阴极（接地网）的目的，但这类材料在高腐蚀的地方很容易受到严重的腐蚀，使其导电性能大大降低，严重影响接地网的接地性能。
外加电流法（亦称强制电流法）是利用外加直流电源，将被保护的接地网与电源负极连接，使接地网变成阴极而进行阴极极化，从而达到防止金属腐蚀的目的，但这种方法操作复杂，成本高昂。
③采用耐蚀材料作为接地电极
接地网一般是由棒形和带形接地体联合组成的闭合体，垂直埋设的接地装置用圆钢、角钢、钢管，水平埋设的用扁钢、圆钢等，为减少腐蚀，有时用铜代替钢，国外曾试用不锈钢作为接地电极，但都不能很好的改善接地极的腐蚀，而且投资大；美国等很多国家都用铜做变电站接地装置，这主要是考虑到变电站接地装置的重要性和铜的耐腐蚀性和稳定性。
但一般变电站接地网接地体数量庞大，接地材料用量大，而铜又非常的昂贵，所以国内一般不采取铜接地装置。
近年来，逐渐采用非金属接地体，防腐效果明显改善。
非金属接地体材料有许多种，其中人造石墨电极以易加工、价格低而得到推广使用。
人造石墨电极由石油焦和沥青两种材料按一定比例烧制而成，导电性好，电阻率一般在7×10-6-15×10-6Ω·m，化学稳定性好，使用寿命长，其腐蚀速率比钢小30倍。
但石墨电极易脆，在遇到故障大电流时，容易在电动力的作用下发生断裂，从而丧失接地功能。
④外层保护法
目前，国内许多单位正在研制用于变电站接地装置的导电防腐材料。
目前有两种材料在国内已有应用，一种是近年来用于地网防腐的KV导电防腐涂料，它是一种涂料，直接涂刷于裸钢上；另一种是降阻防蚀化学剂，主要用于岩石地区接地装置的降阻和散流，但也有单位只是将它用于防腐蚀，由于这种用途应用单位较少，加之本身有一定腐蚀性，不建议采用。
从总体上分析，电力系统接地体的腐蚀问题没有良好的解决办法，接地体的防腐是目前研究的热点。
本项目在深入研究接地体腐蚀机理的基础上，开展高腐蚀环境中接地网用降阻防腐导电混凝土的制备及其降阻防腐性能的研究，对电力系统的安全稳定运行，避免因金属接地体腐蚀导致的各种电力事故有着重要的理论和工程应用价值。
三、项目的理论和实践依据
本项目研究采用理论分析和实验手段相结合的研究方法。
首先收集国内外电网接地装置的腐蚀案例，研究重污染、高腐蚀环境下接地设施的大气腐蚀、土壤腐蚀机理，为导电混凝土的设计、制备和改良提供理论基础，然后进行导电混凝土的试制并对其进行改性，提高混凝土的导电性能、机械性能以及防腐蚀性能，最后将所制备的高强度耐腐蚀导电混凝土应用于实际接地网，考察导电混凝土的实际防腐蚀降阻效果。
本项目研究的技术关键与难点主要有：
1）土壤中接地体腐蚀机理的研究及导电混凝土制备方法的设计。
2）导电混凝土的抗腐蚀性能的提高；不锈钢纤维的分散性以及混凝土抗渗透性的提高。
3）导电混凝土防化学腐蚀、电腐蚀性能的试验方法，以及腐蚀评价方法的研究。
4）导电混凝土施工工艺研究。
四、项目研究内容和实施方案
本项目针对变（发）电站接地网易腐蚀，导致接地网接地性能大幅下降，影响电力系统安全运行的问题，提出的研究内容有：
1）接地体腐蚀机理研究
收集国内外电网接地装置的腐蚀案例，研究重污染、高腐蚀环境下接地设施的大气腐蚀、土壤腐蚀机理，对比分析在该种环境下采用的接地体防腐措施的优劣性，为导电混凝土的设计、制备和改良提供理论基础。
2）研究高强度耐腐蚀导电混凝土的制备
研究和制备耐腐蚀导电混凝土：
在混凝土中掺杂不锈钢纤维等导电填料，制备导电混凝土，研究导电填料的最佳掺杂比，使导电混凝土的接地电阻符合接地体的电阻要求。
然后选用合适的疏水修饰的纳米铁电材料填充导电混凝土的微米空洞，进一步改善导电混凝土的机械性能和导电性能；同时疏水改性纳米铁电材料起到保护填充物质不受化学腐蚀、引导故障电流的目的，从而提高导电混凝土的综合性能。
3）高强度耐腐蚀导电混凝土的降阻及防腐性能测试
开展机械强度，体积电阻率，防化学腐蚀、电腐蚀及抗老化等性能测试。
4）高强度耐腐蚀导电混凝土施工工艺研究及现场应用
开展导电混凝土的施工环境、施工前基体的预处理等工艺研究；并将导电混凝土包覆于典型腐蚀环境下110kV变电站的接地网接地体周围，考察导电混凝土的实际防腐蚀降阻效果。
本课题拟采用的实施方案如下：
1）接地体腐蚀原因分析，为接地体防腐材料的设计提供理论基础。
收集国内外电网接地装置的腐蚀案例，研究重污染、高腐蚀环境下接地设施的大气腐蚀、土壤腐蚀机理，对比分析在该种环境下采用的接地体防腐措施的优劣性，为导电混凝土的设计、制备和改良提供理论基础。
2）高强度耐腐蚀导电混凝土的设计及制备。
采用直径为3μm左右、长度为3-6mm之间的不锈钢纤维等作为导电填料，制备高强度耐腐蚀导电混凝土，并研究不锈钢纤维的分散性问题以及混凝土的浇注工艺，然后选用合适的疏水修饰的纳米铁电材料填充导电混凝土的微米空洞，进一步改善导电混凝土的机械性能和导电性能；同时疏水改性纳米铁电材料起到保护填充物质不受化学腐蚀、引导故障电流的目的，从而提高导电混凝土的综合性能。
最终制备出高强度抗腐蚀导电混凝土。
3）高强度耐腐蚀导电混凝土的性能测试。
①机械强度测试
利用DKZ-5000电动抗折试验机以及WE-300液压万能试验机对导电混凝土的机械强度进行测试。
②体积电阻率以及导电性能测试
利用HQ2511低电阻测试仪测量导电混凝土的电阻率，并对导电混凝土进行大电流试验，考察导电混凝土的散流效果、降阻效果以及热稳定性。
③腐蚀性能测试
将导电混凝土置于酸性及碱性电解液中浸泡，考察混凝土的耐化学腐蚀性能；建立混凝土电化学腐蚀试验平台，并对导电混凝土进行电化学腐蚀试验，考察导电混凝土的防电化学腐蚀性能。
4）现场应用及考察。
开展导电混凝土的施工环境、施工前基体的预处理等工艺研究；并将导电混凝土包覆于典型腐蚀环境下110kV变电站的接地网接地体周围，考察导电混凝土的实际防腐蚀降阻效果。
在高强度耐腐蚀导电混凝土的研制及测试过程中，将按照下图所示步骤进行：
导电混凝土研制技术路线图效果
五、预期目标和成果形式
1）制备出具有导电性优良、机械强度高、防腐蚀的导电混凝土，并在实际接地网中应用；
2）发表高水平论文2－3篇；
3）申请专利1项。
六、合作单位或依托工程单位落实情况
重庆大学电气工程学院高电压与绝缘技术系创建于1978年，现任系主任为李剑教授。
本系形成了四个持续而稳定的研究方向，即复杂大气环境中的高电压绝缘技术方向、电气设备绝缘在线智能化监测与故障诊断技术方向、电力系统过电压与接地技术方向以及高电压新技术方向，部分研究成果已达到国际领先水平或国内领先水平。
实验室现有建筑面积2800多平方米，设备资产近1000万元，有国内独有或具有显著特色的多项设备，教学条件、科研环境优异。
高电压与绝缘技术系是重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的主体，现有教授9人、副教授7人、高级实验师1人、讲师及工程师7人，其中包括中国工程院院士1人、973首席科学家1人、国家杰出青年基金获得者1人、教育部长江学者特聘教授2人。
现有研究生总计150余人，含博士研究生40余人。
七、项目承担单位的条件
1.项目负责人
金卓睿，四川省电力公司南充电业局总工程师
2.项目研究人员
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
金卓睿
39
南充电业局总工程师
南充电业局
总负责人，总体方案设计与实施
2
钟涛
35
南充电业局运维检修部常务副主任
南充电业局
对接地导体的腐蚀原因及腐蚀机理进行调查和分析，牵头组织项目研发与实施
3
袁涛
31
副教授
重庆大学
理论分析与研究方案设计
4
杨庆
31
副教授
重庆大学
理论分析与研究方案设计
5
司马文霞
46
教授
重庆大学
总体方案设计
6
韩果
40
南充电业局运维检修部专责
南充电业局
高强度耐腐蚀导电混凝土参与研制
7
徐雅
27
南充电业局运维检修部专责
南充电业局
对高强度耐腐蚀导电混凝土的导电性能进行测试
8
杜涛
29
南充电业局运维检修部专责
南充电业局
协调项目研发、测试及项目管理
9
胡勇
26
南充电业局检修公司技术员
南充电业局
对高强度耐腐蚀导电混凝土的机械强度性能进行测试
10
胡广
24
南充电业局检修公司技术员
南充电业局
对高强度耐腐蚀导电混凝土的导电性能进行测试
11
黄正勇
26
博士生
重庆大学
高强度耐腐蚀导电混凝土改性
12
严薪瞩
23
博士生
重庆大学
编写项目实施方案
13
樊竹青
23
硕士生
重庆大学
对高强度耐腐蚀导电混凝土的耐腐蚀性能进行测试
14
魏远
22
硕士生
重庆大学
高强度耐腐蚀导电混凝土的施工工艺研究
15
杜斌
26
博士生
重庆大学
导电混凝土现场施工
3.实验室条件
合作单位重庆大学高电压技术中心占地60余亩，建成于1992年。
现有50×36×24ｍ３高压试验大厅一个，内设750kV
2，1A串级式工频试验变压器一台；3600kV冲击电压发生器一台；12×12×8ｍ３高压试验小厅一个，内设250kV、1A无局放工频试验变压器一台；900kV冲击电压发生器一台。
8×8×10ｍ３污秽试验大厅一个和污秽试验小厅一个。
建有四川省电力公司带电作业培训基地，拥有10kV、110kV、220kV、500kV真型输电线路。
4.理论研究环境
合作单位重庆大学实验室拥有固定资产原值达2000余万元的试验设备，除拥有满足大型发电机和500kV及以下变电站调试和性能试验的全套常规试验设备之外，还拥有一批专门的设备进行专项试验，如300kW/800kV/16A串联谐振耐压装置、红外热成像仪、紫外成像仪、电缆故障测试仪、内窥镜、变压器超声波局部放电定位仪、高速动态记录仪、断路器特性测试仪和其它试验设备，仪器仪表等。
具备开展本项目实验的试验条件。
重庆大学电气工程学院在绝缘材料、接地网新型防腐蚀材料方面已经进行了多年的研究，目前已经成功制备了导电混凝土，该混凝土具有制备方便、机械性能佳、导电性能好等优点，如果进一步利用纳米材料对导电混凝土进行改进，还可以进一步提高其防腐蚀性能，将其包覆在普通接地网的接地体表面，不仅可以降低接地网的接地电阻，还可以大大减缓接地体的土壤腐蚀速度。
项目的进度安排
序号
时间段
内容
1
2013年1月-2013年3月
对接地导体的腐蚀原因及腐蚀机理进行调查和分析，编写项目实施方案。
2
2013年4月-2013年6月
高强度耐腐蚀导电混凝土的试制。
3
2013年7月-2013年9月
高强度耐腐蚀导电混凝土的改性。
4
2013年10月-2013年12月
对高强度耐腐蚀导电混凝土的各项性能进行测试。
5
2014年1月-2014年6月
高强度耐腐蚀导电混凝土的施工工艺研究。
6
2014年7月-2014年9月
高强度耐腐蚀导电混凝土的现场施工应用。
7
2014年10月-2014年12月
高强度耐腐蚀导电混凝土的现场测试。
整理结题资料，准备验收。
九、项目经费预算 单位：
万元
科目名称
预算金额
甲方拨款
乙方自筹
备注
（一）直接费
28
1.人工费
（1）专职研究人员人工费
（2）临时性研究人员人工费
2.设备费
（1）仪器、设备购置费
附件1
（2）仪器、设备试制费
附件2
（3）软件购置费
附件3
（4）现有仪器设备使用费
附件4
3.业务费
28
（1）材料费
17
附件5
（2）资料费
2
（3）印刷出版费
1
（4）知识产权费
2
（5）会议费
4
（6）差旅费
2
（7）培训费
4.场地使用费
（1）场地物业费
（2）场地租金
5.专家咨询费
（二）间接费
（三）外委支出费
37
1.外委研究支出费
24.5
附件6
2.仪器设备租赁费
3.外协测试试验与加工费
12.5
附件7
（四）税金
合计
65
十、有关证明文件
1、合作单位和依托工程单位对项目的意见
2、自筹经费来源及保证证明
十一、申请单位领导审查意见
研究条件、人员及时间能够保证项目研究，同意上报。
单位领导（签字）单位（公章）年月日
附件1仪器、设备购置预算明细表（单价5万元以上）
单位：
万元
序号
设备
名称
设备
型号
单 价
（万元/台件）
拟购置数量（台件）
总价
经费列支
生产国别与地区
主要技术性能指标
购置理由、用途、拟安置单位（与本课题、子课题关系）
单价5万元以上设备合计
单价5万元以下设备
累计
经费列支：
注明经费来源为自筹或拨款
附件2仪器、设备试制预算明细表（单价5万元以上）
单位：
万元
序号
设备名称
单台价值（万元/台件）
拟试制数量（台件）
总价
经费列支
主要技术
性能指标
试制理由和用途
（与本课题、子课题关系）
单价5万元以上设备合计
单价5万元以下设备
累计
附件3软件购置预算明细表（单价2万元以上）
单位：
万元
序号
软件名称
软件
型号
单价
（万元/套）
拟购置数量（套）
软件总价
安装调试费
经费列支
生产国别与地区
主要技术性能指标
购置理由、用途、拟安置单位（与本课题、子课题关系）
单价2万元以上软件合计
单价2万元以下软件合计
累计
附件4现有仪器设备使用明细表（单价5万元以上）
单位：
万元
序号
设备
名称
设备
型号
单 价
（万元/台件）
数量（台件）
总价
生产国别与地区
隶属单位
设备状况及主要性能指标
购置时间
使用费计取单价
累计
附件5材料费预算明细表（总价5万元以上的材料）
单位：
万元
序号
材料名称
规格或型号
计量单位
单价
（万元/单位数量）
材料费用
经费列支
1
不锈钢纤维
13.65KΩ•m
公斤
500元/公斤
5
2
白炭黑
粒径小于80nm
公斤
200元/公斤
6
3
消泡剂
化学纯
公斤
150元/公斤
2
4
分散剂
化学纯
公斤
130元/公斤
2
5
脱模剂
化学纯
公斤
250元/公斤
2
总价5万元以上材料合计
11
其他材料
6
累计
17
注：
表中应包括：
材料原价、供销部门手续费、包装费、运杂费、采购及保管费等内容。
附件6外委研究支出预算明细表单位：
万元
序号
协作研究任务名称
协作研究任务内容
协作研究任务承担单位
经费列支
1
导电混凝土试制
高强度耐腐蚀导电混凝土的试制
重庆大学
4
2
导电混凝土改性
高强度耐腐蚀导电混凝土的改性
重庆大学
5
3
导电混凝土性能测试
对导电混凝土的各项性能进行测试
重庆大学
5
4
导电混凝土施工工艺研究
高强度耐腐蚀导电混凝土的施工工艺研究
重庆大学
4
5
导电混凝土现场应用
高强度耐腐蚀导电混凝土的现场施工应用
重庆大学
6.5
累计
24.5
附件7外协测试试验与加工费预算明细表（量大或价高的外协测试试验与加工项目）
单位：
万元
序号
外协测试试验
与加工的内容
外协测试化验
与加工单位
计量
单位
单价（万元/单位数量）
外协测试化验
与加工费用
经费列支
1
电化学腐蚀程度测试
重庆大学化学化工学院
样
200元/样
5万
2
电化学腐蚀速率测试
重庆大学化学化工学院
样
300元/样
3万
3
导电混凝土微观透射电镜测试
重庆大学材料学院
样
500元/样
4.5万
其他外协测试化验与加工项目
12.5
累计
12.5
升级会员 