变电站接地网新型降阻剂的研究.docx

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变电站接地网新型降阻剂的研究

变电站接地网新型降阻剂的研究

一、本课题设计（研究）的目的：

接地是保障电气、通信、微电子等设备及建筑物和人身安全的重要手段。

为了保证电力系统的正常运行及人身和设备的安全,发电厂和变电站的电气设备要做到可靠接地且具有较低的接地电阻值,但由于受客观条件的限制,仅仅靠打角铁桩、延长接地体及扩大接地网来达到这样高的要求,通常是很困难的。

接地降阻剂是一种辅助性材料,已在接地工程中大量应用,其降阻、防腐性能稳定,效果良好,已被写进国家标准和相关行业标准,实践证明是降低接地电阻的有效措施。

本课题研究的目的如下：

（1）研究出一种变电站接地网新型降阻剂；

（2）研究出的降阻剂应能够达到甚至超出降阻剂的指标，特别是改善现在市面上降阻剂易流失，腐蚀大的缺点；

（3）提出变电站接地网新型降阻剂的实验方案及新型降阻剂的测试装置的设计，并对所设计的实验装置进行初步的效果评价，本设计可以为今后实现变电站接地网新型降阻剂试验打下良好基础。

二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）：

2.1降阻剂的研究现状

降阻剂刚开始使用的时候分为石墨粉型，还有食盐加木炭型的。

在电解质中，石墨、食盐是属于易容的，将石墨、食盐埋在地下，很容易受到雨水、地下水的浸泡，然后慢慢流失。

因为食盐中含有的氯离子会对接地体的材料产生腐蚀，所以这种降阻剂很快就不用了。

在20世纪70年代初,长效降阻剂诞生了,他是日本一位著名的科学家发明的。

它是一种凝胶状物质，由化学合成树脂与电解质溶液组成,对雨水及地下水有很好的耐冲刷能力，因而能够长时间发挥降阻的作用。

后来由于这种高分子化合物的使用对环境产生了很大的污染，而且还对人类的健康生活造成伤害，最终也没能够继续使用。

到了20世纪80年代后期,Jones（美国）和Veleder（南斯拉夫）提出了以膨胀土为基底的降阻剂改善接地装置性能的方法。

在这之前，降阻剂是由高导电率物质组成的混合物,而现在发展到了有机化学降阻剂和无机化学降阻剂。

有机化学降阻剂是由合成树脂加上固化剂和交联剂组成的，无机化学降阻剂则是通过导电性能比较好的无机化合物加上适量的水溶性电解质与固化剂。

在中国关于降阻剂的研究则是开始于20世纪70年代，研制出来两类降阻剂，分别是聚乙酰胺等合成树脂配制的有机化学降阻剂和以膨胀土为基底的无机化学降阻剂。

前者是由北京电力设计院、中试所和北京化工设计研究院为主研发出来，后者是由安徽中试所为主研发出来的。

到了1997年,一种效果更加明显的物理降阻剂出现了，从此，降阻剂被分为化学降阻剂和物理降阻剂。

2.1.1化学降阻剂

化学降阻剂最大的特点是以电解质为导电主体的，现在出现的化学降阻剂，有机降阻剂、无机降阻剂，还有常见的液态的和固态的降阻剂其机理都是如此。

然而，由于化学降阻剂的这种作用机理，因为不可避免的带来了一些负面影响。

其中危害最大的是对接地材料带来的严重腐蚀情况，而且随着雨水及地下水的长时间冲击，其作用效果会逐渐变差。

由于化学降阻剂存在的诸多不足，物理降阻剂慢慢就出现了。

2.1.2物理降阻剂

与化学降阻剂恰恰相反，物理降阻剂是以非电解质的固体粉末为导电材料，并以强碱弱酸为胶凝物配制而来。

物理降阻剂可以说从根本上解决了化学降阻剂所带来的副面影响。

那就是减轻了对接地装置材料的腐蚀。

由于物理降阻剂的降阻作用来源于非电解质的固体粉末，所以它不受雨水、地下水、酸碱盐、高低温等诸多因素的影响。

2.1.3化学降阻剂和物理降阻剂的比较

降阻剂类型

降阻机理

水对降阻剂的作用

对金属的腐蚀性

稳定性

适用地区

化学降阻剂

通过离子导电降阻

使电解质电离出带电离子

有严重的腐蚀性

不稳定，跟有无水分有很大关系

湿润地区

物理降阻剂

通过非电解质的固体粉末导电降阻

凝胶作用

几乎无腐蚀

稳定，跟有无水分无关

西北干旱、高寒地区

2.2降阻剂的机理及在工程应用中存在的问题

2.2.1降阻剂的机理

接地装置是由一些水平或垂直的金属电极构成的封闭或开环的网络掩埋于地下。

接地装置的接地电阻与所在地区的自然土壤电阻率ρ成正比,而与闭合接地网总面积的1/2次方成反比,其公式为

式中ρ————自然土壤电阻率;

S————大于100m2的闭合接地网的总面积。

接地装置的接地电阻一般由四个部分组成：

（1）接地体与设备间连线的电阻；

（2）接地本身的电阻；

（3）接地装置与土壤之间的接触电阻；

（4）接地装置经土壤向外扩散的散流电阻。

接地电阻值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值，由于金属电极的电阻率远小于土壤的电阻率，因此，在实际应用中，接地体与设备间连线的电阻以及接地本身的电阻常常可以忽略不计。

但是不管什么类型的降阻剂，都应该满足本身是一个低电阻率、高导电性能的载体这个条件。

降阻剂是一种优良的导电体，在接地体与土壤之间使用时，一方面能够与金属接地体紧密接触；另一方面它能够渗透到周围土壤中，减小土壤的电阻率，从而起到降低接触电阻和土壤电阻率的作用。

2.2.2降阻剂在工程应用中存在的问题

（1）对接地体的腐蚀问题。

降阻剂在最初投入使用时，起到了一定的降阻作用，但是随着接地体的腐蚀，其降阻效果迅速降低。

（2）降阻的稳定性。

在降阻剂中加入一些无机盐类，虽在短期内起到了较好的降阻效果，但是随着雨水及地下水的冲刷，使得大量的无机盐流失，从而导致接地电阻迅速反弹。

（3）降阻效果。

中小型的接地装置效果比较明显，然而，对于大型接地装置则存在相互屏蔽的问题。

所以，寻找比较好的设计及施工工艺显得尤为重要了。

（4）施工工艺。

降阻剂的均匀添加、埋深、回填土问题很重要，如果一个环节出现问题，那么就会导致降阻效果下降以及接地装置被腐蚀。

（5）环境问题。

在降阻剂中都有一些重金属离子，它们通过雨水以及地下水的常年冲刷，慢慢的就会进入到地下水源中，对人类以及大自然造成了严重的威胁。

2.2.3降阻剂的选择和使用

（1）降阻剂的电阻率越小越好。

（2）降阻剂对接地装置的腐蚀性要尽可能降到最低。

（3）稳定性和长效性要好。

有些降阻剂的降阻效果会随着水分的变化而发生较大的变化，一旦缺水就会析出颗粒状的晶体，从而导致其失去降阻效果。

另外，还有一些降阻剂容易受到雨水及地下水的冲刷而逐渐流失，导致其降阻效果下降，甚至失效。

（4）绿色环保，对环境没有污染，没有毒性。

（5）价格便宜，适合大面积使用。

三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）：

1研究的重点

本课题研究的重点是通过对于市面上已生产降阻剂的研究，找出其缺陷所在，以及原因，然后研究出一种变电站接地网新型降阻剂，研究出的降阻剂应能够达到甚至超出降阻剂的指标，特别是改善现在市面上降阻剂易流失，腐蚀大的缺点。

2．研究的难点

配制符合相关行业标准的盐酸掺杂聚苯胺/膨润土粉末，并且通过水浸泡试验之后其电阻率很小。

3.研究的创新点

现在市面上流行的都是一些以无机离子为导电材料的降阻剂，本课题研究的降阻剂是以高分子聚合物为导电材料的降阻剂。

高分子聚合物具有低电阻率和埋在地下不易随着雨水流失的优点。

4.研究的可行性分析

经过查阅相关文献可知可以选择主导剂为膨润土，导电材料选择经过酸掺杂的聚苯胺。

主导剂选择膨润土是由于它的作用机理和各种性能能够达到实际应用的要求。

聚苯胺分为全氧化态聚苯胺，全还原态聚苯胺和本征态聚苯胺，前面两种聚苯胺时不导电的，而本征态聚苯胺理论上是绝缘体，但是经过酸掺杂后的本征态聚苯胺，导电性能会大幅度提高，甚至可以达到金属的导电水平，完全可以胜任降阻剂的要求。

经过酸掺杂后的聚苯胺，能够对铁基金属有很好的防腐作用，虽然防腐机理目前还没有统一的答案，但是经过大量实践和研究表明防腐效果优异。

5.研究手段

本课题拟采用膨润土为主导剂，聚苯胺为导电材料，再加入适量助剂配成符合要求的新型降阻剂。

6.本课题的研究思路及方法

针对上述降阻剂的问题以及指标，本课题的目的是制备出一种变电站接地网新型降阻剂，能够很好的解决上述问题，满足上述指标。

6.1新型降阻剂的制备

新型降阻剂制备的总体流程图如下图1所示：

6.1.1改性膨润土的制备

有机膨润土的传统合成方法有湿法、干法和预凝胶法三种。

通常水处理的有机膨润土采用湿法制备。

湿法：

将膨润土分散于水中，制成浆状土进行提纯，可得到较优质膨润土;在一定温度条件，用得到的较优质膨润土土浆液与改性剂混合进行改性;分离出有机土并用水反复洗涤使有机土为中性，在温和的条件下使有机膨润土干燥；最后，研磨制成粉状产品。

称取一定量的钠基膨润土加入到三孔烧瓶内，然后加入100mL的去离子水，在80℃下搅拌3h后，加入适量的完全溶解的十六烷基三甲基溴化铵，再持续搅拌12h，将所得到的溶液过滤，过滤的产物用去离子水洗涤至没有泡沫，放入真空干燥箱中干燥，得到有机改性的膨润土。

下图为制备流程图：

图2改性膨润土制备流程图

6.1.2原位聚合法制备盐酸掺杂聚苯胺/膨润土复合材料

称取一定量的有机改性的膨润土加入100mL的水中，在80℃下搅拌3h后加入适量苯胺的盐酸溶液，在80℃下继续搅拌8h，冷却到25℃后逐滴加入适量的过硫酸铵，搅拌12h，将所得到的产物抽滤，真空干燥，得到盐酸掺杂聚苯胺/膨润土粉末。

下图为制备流程图：

图3盐酸掺杂聚苯胺/膨润土复合材料制备流程图

6.1.3新型降阻剂的制备

为了使降阻剂具有更好的防腐性能，向盐酸掺杂聚苯胺/膨润土粉末中加入缓蚀剂，为了防止接地体的电化学反应和析氢反应，调整降阻剂的PH至9-10，得到新型降阻剂。

6.2降阻剂的技术要求

6.2.1一般要求

（1）降阻剂应符合本规范的规定，应能在-10℃～＋45℃的环境温度下使用。

降阻剂不应含有对自然环境产生污染以及对人体有害的物质成份。

（2）降阻剂应满足GB6566的要求.其内照射指数Ira≤1.0,外照射指数Ir≤1.0。

（3）降阻剂应满足NY5010的要求，各种有害物质的含量应符合规定：

汞≤1.0mg/kg，铬≤250mg/kg，铅≤350mg/kg,砷≤25mg/kg，镉≤0.6mg/kg。

（4）干粉出厂的固体降阻剂及塑状降阻剂颜色应均匀一致，无明显色差和杂物。

（5）细度降阻剂成品粉体粒度分布应满足：

不大于120目的粉体通过率，应达到不小于80%的要求。

6.2.2电气性能

（1）降阻剂在常温下的标称电阻率应不大于4Ω·m。

（2）降阻剂在按本标准的规定对试品进行冲击电流耐受试验后，所测量的标称电阻率的值的变化应小于15%。

（3）降阻剂在按本标准的规定对试品进行工频电流耐受试验后，所测量的标称电阻率的值的变化应小于15%。

6.2.3理化性能

（1）降阻剂在按本标准的要求进行失水、冷热循环、水浸泡（这些试验的组合称为稳定性试验）后，所测量的标称电阻率平均值不应大于5Ω·m。

（2）降阻剂的酸碱度应为：

7≤pH值≤12.7。

对于铜地网，应为7≤pH值≤9。

（3）无机固体降阻剂敷设到接地体周围凝固后应与接地体接触良好，不产生裂缝。

（4）有机可塑体降阻剂应有自修复能力，不应产生永久的裂缝。

（5）降阻剂不应对金属接地体产生过量的腐蚀，金属接地体的平均腐蚀率应小于0.03mm/年

6.3降阻剂性能检测试验

降阻剂性能检测方法概图如图4所示：

6.3.1试验准备

将降阻剂按要求分别装入图5、6所示的试品槽中。

其中图4所示的试品槽用于电气性能试验，图5所示的试验槽用于物理性能试验。

图5电气试验试品结构尺寸图

图6理化性能试验试品结构尺寸图

6.3.2试验方法

6.3.2.1室温下电阻率的测试

6.3.2.1.1试品

用于电阻率测量的试品为3个。

试品模型见图5，制作试品前内电极及外电极表面应导电良好，内电极外径尺寸应符合10±0.1mm要求。

按产品说明书要求调制好降阻剂并装入模型内，装足并搅拌以排除内部气体，盖好绝缘上盖，垂直放置在蔽光和无热源处，72h后作为试品。

3个试品的降阻剂应分别调制。

6.3.2.1.2试验方法

室温下电阻率测量应在试品放置72h，在测量地点放置2h后进行，且应记录测量时室内温度。

向试品施加10mA工频电流，并测量内、外电极间的电压，求出试品电阻Rsi后除以模型系数3.66得出各试品的电阻率ρsi。

3个试品电阻率的平均值即为降阻剂室温下的标称电阻率ρr。

测量回路如图7所示。

图7试品电阻测量回路

6.3.2.2降阻剂的温度特性试验 

6.3.2.2.1试品 

将被试材料装入图6所示的试品盒内，两极间距离约70mm（图6所示）的模型内搅拌以排除内部气体，盖好绝缘盖，置72h后作为试品，试品数三个。

6.3.2.2.2试验方法 

用电流电压表法依次测量试品电阻，测量时的工频电流为10mA，分别在室温和-15℃～-10℃、0℃～4℃、40℃～60℃四个温度范围内进行四次测量。

在进行试验之前，试品在相应的温度条件下保持2小时左右。

测量时的温度为T（℃），T（℃）时电阻率按

（1）计算：

（1）

  式中RT及 Rr分别为试品在T（℃）和室温下测得的电阻值，ρT为室温下标称电阻率。

降阻剂在T℃下电阻率为三个试品在该温度下电阻率的算术平均值。

6.3.2.3酸碱度测量

称取经风干和50℃，2h干燥后的降阻剂3份，每份20

0.1g，分别倒入洁净干燥的3个玻璃量杯内，每份各加入蒸馏水或去离子水60g，搅拌2min后，静置30min，过滤，其滤液作为试液。

用酸度计测量pH值。

取3个试液的pH平均值作为降阻剂的酸碱度测量值。

不能过滤时，直接测量混合液的pH值。

6.3.2.4电流冲击耐受试验

6.3.2.4.1 试验在完成6.3.2.1试验的3个试品上进行，并在完成试验后3d内完成。

6.3.2.4.2 试验方法应符合GB/T1627，试验回路见图8。

6.3.2.4.3 试验前先按6.3.2.1测量室温下试品试前工频电阻R1。

然后向试品施加波形为8/20μS，幅值为2kA的冲击电流10次（要核算一下电流密度），相邻两次的时间间隔为50～60s，5次为一组，相邻两组试验间隔时间为30min。

记录第3次和第10次的放电电流和试品上的电压峰值。

10次放电完成并且试品冷却至室温后，测量试品的试后工频电阻R2，然后按式

（2）求出试验各试品电阻的变化率△Ri%，并求出3个试品变化率的平均值。

（2）

图8冲击电流耐受试验回路

6.3.2.5  工频电流耐受试验 

试验前先按6.3.2.1测量试品的试前工频电阻R1，然后向试品施加有效值为10A的工频电流，并持续10s钟。

间隔30min后进行第2次循环，共耐受5次。

第5次试验结束待试品冷却至室温后测量试品试后工频电阻R2。

按式

（2）求出工频耐受后各试品电阻的变化率。

6.3.2.6  稳定性试验 

稳定性试验包括失水试验、冷热循环试验和水浸泡试验3个试验项目，并按所列顺序依次进行。

试品模型、制作方法及静置时间同6.3.2.2。

试验开始前及结束后，分别测出各试品在室温和工频10mA下的试前电阻R1和试后电阻R2。

各试品试验后的电阻率按式（3）式计算：

 （3）

取3个试品试验后电阻率的算术平均值，作为降阻剂试验后的电阻率。

6.3.2.6.1 失水试验 

先将恒温箱升至60±2℃待用。

试品在室温下测量试前电阻R1，然后直立放入恒温箱内（60±2℃），并保持12h。

然后断开恒温箱电源，开启箱门，直至试品冷却至室温后测量试后电阻R2。

按式（3）得出试验后的电阻率。

6.3.2.6.2 冷热循环试验 

将经6.3.2.6.1试验后的3个试品直立放置在专门的容器内浸泡2h,取出沥水后放置1h，试品在室温下测量试前电阻R1，然后按图9所列的试验程序进行冷热循环试验。

循环程序完成后在容器内浸泡2h,取出沥水后放置1h，测量试后电阻R2，按式（3）得出试验后的电阻率。

图9冷热循环试验程序

6.3.2.6.3 水浸泡试验 

将完成了6.3.2.6.2试验项目的试品进行本项试验。

室温下测量试品电阻R1，然后将试品直立放入盛满水的容器中，放置在蔽光和周围无热源处28d，每隔2d换水一次。

将试品从水中取出沥水放置6h，在室温下测量试品的电阻R2。

若试品为无机固体接地降阻剂，则需检查试品有无裂缝发生，若为有机接地降阻剂，则需检查试品是否发生破损。

试验完成后按式（3）得出试验后的电阻率。

6.3.2.7 对金属接地体的腐蚀试验 

用失重法对接地体的进行腐蚀试验。

（对于铜接地体参照执行） 

6.3.2.7.1 接地体试件 

接地体试件由下述4种材料的试件组成：

符合GB704的普通碳素扁钢和热镀锌扁钢，符合GB702的普通碳素圆钢和热镀锌圆钢，镀锌层厚为10～15µm。

每种材料的试件需备制20件，由四种材料的试件（40件）组成一组，共两组。

扁钢试件宽为25mm，厚度≥2.5mm；圆钢试件直径为φ10mm，每种试件的长度为50mm。

试件应平整、无锈蚀、无毛刺和飞边，试验前应用酒精擦洗干净在100℃下烘干1h，冷却至室温并随即用分析天平称重待用。

6.3.2.7.2降阻剂对金属接地体的腐蚀试验 

试验时将降阻剂埋置入试验槽中的时间为60d。

按要求调制好降阻剂，在试验槽底面平整铺放35～40mm厚的降阻剂，将一组材料轻轻放入，裸材和镀锌钢材试件分区平放（各区间试件边缘最近距离应不小于60mm），覆盖厚35～40mm的降阻剂，并将表面抹平。

1h后，向降阻剂表面喷去离子水，直至表面水层深约5mm，然后用双层PVC厚膜将容器口封住，以减少水分挥发。

容器置于室内无阳光照射、四周无热源处。

放置期间每隔15d加水一次，水层深约5mm。

60天后取出，清除试件表面附着物，同时进行外观检查，除锈、酒精清洗称重。

按式（4）求出每个试件表面平均年腐蚀率。

最后得出每种试件表面平均年腐蚀率。

（4）

式中：

V—试件表面平均年腐蚀率，mm/Y； 

∆W—试件失重，g； 

S—试件表面积，cm2；

t—试件埋入降阻剂的时间，d； 

d—试件材料比重（g/cm3）；低碳钢为7.85，锌为7.14。

6.3.2.7.3埋地时降阻剂对钢接地体的腐蚀试验 

该项试验在户外土壤中进行，埋设地点应不易积水。

地坑底宽为400 mm×500mm，深为600～700mm。

上层降阻剂投放地沟表面抹平后，停留1h再回填土壤并夯实。

60天后取出，按6.3.2.7.2的方法得出每种试件表面平均年腐蚀率。

6.4降阻剂在模拟环境中的性能测试

接地体

制作15个模拟箱，分别应用于常用的接地网金属Q235扁钢，Q235镀锌扁钢和铜，每种金属做5组对比实验。

降阻剂的使用如图10所示：

降阻剂

土壤

外箱

将每个试片按照图10所示转入模拟箱后，将所有模拟箱置于一个大的玻璃箱中，进行模拟雨水喷淋实验，28天后测量接地电阻率以及试片的腐蚀情况。

整个装置如图11所示：

图11模拟雨水喷淋实验图

包括水箱

（1）、泵

（2）、阀门（3）、进水管（4）、降雨器（5）、出水管（6）、玻璃箱（7）、储水箱（8）、阀门（9），所述进水箱

（1）用于储存降雨用水，所述泵

（2）与进水管（4）相连，所述阀门（3）用于控制降雨量，所述降雨器（5）为带有细密筛孔的并排连着的管道，放置于玻璃箱（7）上，所述出水管（6）与水箱

（1）相连，所述储水箱（8）放置于玻璃箱（7）下，所述阀门（9）用于排放储水箱（8）中的水。

实验中所用的土壤，根据当地的土壤成分，采用本地土壤适当调配得到。

喷淋所用的水根据当地的雨水成分，使用蒸馏水调配得到。

四、设计（研究）进度计划：

1、收集相关资料、撰写开题报告3月21日--3月31日

2、各种实验材料及试剂的准备4月1日--4月15日

3、各种性能检测试验及模拟环境中的性能测试4月16日--5月1日

4、实验后期整理及论文后期撰写5月2日--6月10日

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指导教师意见

签名：

月日

教研室（学术小组）意见

教研室主任（学术小组长）（签章）：

月日