导电混凝土在杆塔接地中的应用分析

导电混凝土在杆塔接地中的应用分析

韩伟锋

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 河南郑州 450000

输电线路杆塔接地装置主要是为了导泄雷电流入地，以保持线路具有一定的耐雷水平。接地电阻是输电线路接地装置的主要指标，接地电阻越小，输电线路的耐雷水平越高。《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）要求，在雷季干燥时，根据杆塔所处地区的土壤电阻率，其工频接地电阻应满足相应值，一般说来，在土壤电阻率较高的地区设计杆塔基础时，接地电阻不容易满足规程要求，常需要采取降阻措施，以往工程上主要采用的降阻措施有增大接地体、网的面积、伸长接地带或连续伸长接地体、引外接地、使用降阻剂等。由于增大地网的面积和引外接地涉及重新征地和难以维护等经济和技术问题，而使用降阻剂虽然在短期内有一定的效果，但对接地导体腐蚀较大。传统的化学降阻剂和目前广泛使用的物理降阻剂都存在自身无法凝固而流失的缺点，由此造成的环境危害巨大。在地形陡峭和通道青赔协调困难地段，由于杆塔接地装置的开挖长度过长，造成生态环境、植被破坏严重，青赔费用极高，不但浪费人力财力，还可能影响施工工期。

导电混凝土的应用能够在一定程度上缓解上述难题，由于输电线路基础常用的混凝土电阻率非常高，无法将基础直接作为接地体使用；用导电混凝土代替一般混凝土，利用杆塔基础内的钢筋作为杆塔的接地装置，降低杆塔的自然接地电阻。

1 导电混凝土性能分析

导电混凝土是用导电材料部分取代混凝土中的普通骨料配制组成，具有一定的导电性能和一定的力学性能的特种混凝土[1]。导电混凝土主要是依靠导电相骨料的相互接触或一定的间隙来导电的。目前根据用于制作导电混凝土的导电材料不同，主要有石墨导电混凝土、碳纤维导电混凝土和钢纤维导电混凝土。

1.1 石墨导电混凝土

石墨是一种较易获得的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导热性，而且具有良好的化学惰性，因此在不少工业制品中常被用来作导电材料[2]。但由于粉末状石墨长径比小，在水泥混凝土内难以形成相互连通的导电网络，必须掺加较高含量才能使混凝土具有良好的导电性，而石墨含量的增加将使混凝土强度大幅度降低。研究发现，石墨导电混凝土强度随着石墨掺量的增加而明显下降。一方面由于石墨的摩擦系数小、润滑性好，随着掺量的提高，石墨之间接触面积变大，受压力荷载时，颗粒之间摩擦阻力变小，因而强度显著下降；另一方面由于石墨的颗粒与水泥颗粒的粒径比较相近，且石墨不具备胶凝性，在水泥水化硬化过程中，石墨近似充当净浆体系中的惰性填料，含量越高，则胶凝体系的整体性越差，强度越低。

1.2 碳纤维导电混凝土

碳纤维的长径比较大，相比与石墨导电混凝土，掺入少量即可获得较好的导电性能[3]。与石墨导电混凝土相似，随碳纤维的加入，混凝土导电性能显著增加，但当碳纤维含量增加到一定百分比时，碳纤维在混凝土中均匀分散，已形成良好的导电网络，继续增加碳纤维含量，混凝土导电性能已无增加趋势。碳纤维导电混凝土的强度随碳纤维含量的增加呈先升高后降低的趋势，混凝土中掺入少量碳纤维时，混凝土强度会有所提升，但当碳纤维含量较大时，可能会因碳纤维搅拌不均匀造成碳纤维结团现象，降低混凝土强度。

1.3 钢纤维导电混凝土

普通钢纤维具有良好的导电性，在同体积掺量时，钢纤维导电混凝土的导电性能要明显优于碳纤维导电混凝土。但是，其电阻的稳定性不好，随着时间的延长，普通钢纤维导电混凝土的电阻率明显增大，这主要是因为在水泥碱性环境中，普通钢纤维表面产生钝化层而使混凝土导电性能下降。为改善普通钢纤维导电混凝土的这种缺陷，一般用不锈钢纤维代替普通钢纤维[4][5]，不锈钢纤维耐碱及有机溶液的腐蚀，能够适用于混凝土的内部环境。不锈钢纤维作为导电相掺入水泥基材中制备的导电混凝土，导电性能优异，导电稳定性也较好。通过试验验证，在混凝土强度方面，在相同掺量的情况下，不论是抗折强度还是抗压强度，不锈钢纤维混凝土均要优于碳纤维混凝土。

2 导电混凝土对基础钢筋腐蚀分析

通常金属的腐蚀机理主要分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀主要是钢材在高温条件下与空气中的O2直接反应而造成的腐蚀。在实际应用中，导电混凝土为凝胶状态，透气性很差，对电极的包裹又很紧密，因此，使用导电混凝土并不会影响基础钢筋的化学腐蚀速率。

电化学腐蚀是金属与环境介质发生电化学作用而引起的破坏过程，基础钢筋内含有多种金属物质，由于不同金属标准电极电位存在差别，钢铁表面的不均匀使得钢铁表面存在电位差，与土壤中的电解质溶液接触后，形成众多的原电池，原电池一旦形成，阳极金属表面因不断失去电子，发生氧化反应，使金属原子转化为正离子，形成以氢氧化物为主的化合物，即阳极发生腐蚀，该腐蚀即为金属的电化学腐蚀；而阴极金属不断从阳极得到电子，其表面因聚集大量电子，金属表面发生还原反应，不发生腐蚀。因此，发生电化学腐蚀的因素主要有两个：（1）基础钢筋表面电位不均匀；（2）基础钢筋附近土壤中含有电解质溶液，钢筋表面发生离子导电。而基础钢筋周围为导电混凝土材料，导电混凝土内没有电解质溶液，其导电介质为导电材料，导电方式为电子导电，钢筋表面不会发生电化学腐蚀。

3 导电混凝土在接地中的应用

输电线路杆塔的接地电阻主要包含三种电阻：接地线及接地电极本身的导体电阻；接地电极的表面和与之接触的土壤之间的接地电阻；接地电极周围土壤所具有的电阻。导电混凝土凝结硬化后，可以紧密地包裹住接地极与周围土壤，大大降低接地极与土壤之间的接触电阻，且导电混凝土本身电阻率较低，因此可以有效降低接地电阻。

目前，已有不少学者[6][7]开展了导电混凝土在接地工程中的研究。在高土壤电阻率地区，一些发电厂和变电站的接地电阻很难满足要求，通过在埋设垂直接地极的深孔中采用压力灌浆的方式灌注导电混凝土，利用导电混凝土作为降阻材料，能够有效降低接地接地网的接地电阻。研究学者认为，导电混凝土本身电阻率很低，把它包在接地体的周围，就相当于把电极尺寸扩大，使接地电阻降低；在接地周围使用导电混凝土，敷设时导电混凝土会向四周土壤有一定范围的树枝状渗透作用，使局部的电阻率大大降低，也相当于进一步扩大电极尺寸，使接地电阻下降。

4 结论

综上所述，在导电性能方面，石墨导电混凝土、碳纤维导电混凝土和不锈钢纤维导电混凝土都具有较好的导电性能；在混凝土的强度方面，碳纤维导电混凝土优于石墨导电混凝土，不锈钢纤维导电混凝土优于碳纤维导电混凝土。且导电混凝土的选用不会造成基础钢筋的腐蚀。通过导电混凝土在变电站接地中的应用表明，导电混凝土的使用能够明显降低接地电阻。因此在杆塔基础中使用不锈钢纤维导电混凝土能够在一定程度上降低杆塔接地电阻。导电混凝土在接地工程中应用，为杆塔基础接地的设计施工开创了兼顾“绿色”和“经济”的全新理念。

参考文献：

[1] 唐祖全,钱觉时,杨再富.导电混凝土研究进展[J]. 重庆建筑大学学报,2006,06

[2] 沈刚,董发勤.石墨导电混凝土的研究[J]. 混凝土,2004,2.

[3] 刘洪涛．碳纤维混凝土力学性能试验与理论研究[D]. 沈阳:沈阳大学硕士学位论文, 2012．

[4] 魏小胜,肖莲珍,等． 钢纤维水泥基材料的导电机理和水化特性[J]. 混凝土,2006,4.

[5] 郭丽萍,丁聪等. 钢纤维混凝土与钢筋混凝土电阻率分析[J]. 河北工业大学学报,2014, 12.

[6] 阮剑峰,杨清瑞,曾永林. 导电混凝土在接地工程中的应用[J]. 广东电力,2000,12.

[7] 孙旭. 导电混凝土在变地站接地网中的应用[J], 高电压技术,2001,6.